DE102014216378A1 - Method for the diagnosis of a cell network - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Zellverbundes (2), wobei der Zellverbund (2) zumindest zwei parallel zueinander geschaltete Batteriezellen (4) aufweist und wobei Messgrößen des Zellverbunds (2) eine Zellverbundstromstärke und eine Zellverbundklemmenspannung umfassen. Dem Zellverbund (2) wird ein Modell zugrunde gelegt, dessen Modellgrößen anhand der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke durch Lösen einer Optimierungsaufgabe berechnet werden. Es werden außerdem ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem (10) angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug, wobei eine Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.The invention relates to a method for the diagnosis of a cell network (2), wherein the cell network (2) has at least two battery cells (4) connected in parallel to each other and wherein measured quantities of the cell network (2) comprise a cell composite current intensity and a cell network terminal voltage. The cell network (2) is based on a model whose model sizes are calculated on the basis of the cell network terminal voltage and the cell composite current intensity by solving an optimization task. A computer program and a battery management system (10), which are set up to carry out the method, as well as a battery system and a motor vehicle, wherein a battery is connected to a drive system of the motor vehicle, are also disclosed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Zellverbundes.The invention relates to a method for the diagnosis of a cell network.
Es werden außerdem ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug, wobei eine Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.A computer program and a battery management system, which are set up to carry out the method, as well as a battery system and a motor vehicle, wherein a battery is connected to a drive system of the motor vehicle, are also specified.
In Batterien kommen typischerweise Batteriezellen in Serienschaltung zum Einsatz. Dabei wird möglichst jede Einzelzelle bezüglich Kapazität und Innenwiderstand überwacht. Dies ist notwendig, um kritische bzw. potentiell gefährliche Situationen zu vermeiden. Batteries typically come in series with battery cells. As far as possible, each individual cell is monitored for capacity and internal resistance. This is necessary to avoid critical or potentially dangerous situations.
Stellt die gewünschte Anwendung entsprechende Anforderungen an die Stromhöhe oder Stromdynamik, werden einzelne Batteriezellen parallel geschaltet. Dabei wird oftmals nur der Summenstrom überwacht und nicht die Einzelzellströme, die sich für die einzelnen Batteriezellen ergeben. In einem Batteriemanagementsystem werden die Batteriezellen in Parallelschaltung deshalb als eine Batteriezelle größerer Kapazität betrachtet. Solange sich die Batteriezellen ähnlich verhalten, ist dies gerechtfertigt. Unterscheiden sich die Batteriezellen jedoch, beispielsweise durch unterschiedlich starke Alterung, teilen sich die Zellströme aufgrund der unterschiedlichen Innenwiderstände bzw. Kapazitäten asymmetrisch auf. Dies kann dazu führen, dass Batteriezellen außerhalb ihrer Spezifikation betrieben werden, z.B. mit erhöhter Temperatur oder nicht zulässigen Strömen. Dies kann nach heutigem Stand der Technik aufgrund der Ersatzbetrachtung als Einzelzelle nicht detektiert werden. Weitere Sensoren, wie z.B. Temperatursensoren, können meist nicht als weitere Informationsquellen hinzugezogen werden, da sie nicht auf jeder Einzelzelle angebracht sind und nur eine mittlere Temperatur pro Batteriemodul liefern. Eine erhöhte Temperatur bzw. ein unzulässiger Betriebszustand einer einzelnen Batteriezelle ist daher mittels dieser Sensoren nicht detektierbar. If the desired application places corresponding demands on the current level or current dynamics, individual battery cells are switched in parallel. Often, only the sum current is monitored and not the individual cell currents that result for the individual battery cells. In a battery management system, the battery cells are therefore considered in parallel as a battery cell of larger capacity. As long as the battery cells behave similarly, this is justified. If, however, the battery cells differ, for example as a result of varying degrees of aging, the cell currents divide asymmetrically due to the different internal resistances or capacities. This can cause battery cells to operate out of specification, e.g. with elevated temperature or impermissible currents. This can not be detected as a single cell according to the current state of the art due to the substitution consideration. Other sensors, such as Temperature sensors, usually can not be consulted as additional sources of information because they are not mounted on each single cell and provide only a mean temperature per battery module. An elevated temperature or an inadmissible operating state of a single battery cell is therefore not detectable by means of these sensors.
In der Publikation
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Detektion und Bestimmung von unzulässigen, d.h. nicht der Spezifikation genügenden Betriebszuständen von parallel geschalteten Batteriezellen zu ermöglichen.An object of the invention is to avoid the detection and determination of impermissible, i. to allow non-specification operating conditions of parallel connected battery cells.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines Zellverbundes vorgeschlagen, wobei der Zellverbund zumindest zwei parallel zueinander geschaltete Batteriezellen aufweist und wobei Messgrößen des Zellverbundes eine Zellverbundstromstärke und eine Zellverbundklemmenspannung umfassen. Dem Zellverbund wird dabei ein Modell zugrunde gelegt, welches zu jeder in dem Zellverbund vorhandenen Batteriezelle einen ersten ohmschen Widerstand und ein in Reihe zu dem ersten ohmschen Widerstand geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten ohmschen Widerstand und einem Kondensator aufweist. Des Weiteren verfügt das Modell über ein Element für die Kapazität der einzelnen Batteriezelle. Das Modell weist dabei zu jeder in dem Zellverbund vorhandenen Batteriezelle als Modellgrößen eine Größe des ersten ohmschen Widerstands, eine Größe des zweiten ohmschen Widerstands, eine Kapazität des Kondensators, eine Leerlaufspannung und eine Kapazität der Batteriezelle auf.According to a first aspect of the invention, a method for the diagnosis of a cell network is proposed, wherein the cell network has at least two battery cells connected in parallel to one another and wherein measured variables of the cell network comprise a cell composite current intensity and a cell network terminal voltage. The cell network is based on a model which has a first ohmic resistance and an RC element connected in series with the first ohmic resistance with a second ohmic resistance and a capacitor for each battery cell present in the cell assembly. Furthermore, the model has an element for the capacity of the individual battery cell. The model has a size of the first ohmic resistance, a size of the second ohmic resistance, a capacitance of the capacitor, an open circuit voltage and a capacity of the battery cell for each battery cell present in the cell assembly as model variables.
Die Modellgrößen und Messgrößen des Zellverbunds sind dabei wie folgt miteinander verknüpft: wobei der Index i die einzelnen Batteriezellen nummeriert mit i = 1 bis N, wobei N die Anzahl der Batteriezellen ist. The model sizes and measured variables of the cell network are linked as follows: wherein the index i numbers the individual battery cells with i = 1 to N, where N is the number of battery cells.
Es bezeichnen dabei
- x1,i(t)
- die Spannung des RC-Glieds der i-ten Batteriezelle,
- x2,i(t)
- den Ladezustand (SOC, state of charge) der i-ten Batteriezelle,
- ui(t)
- den auf die i-te Batteriezelle wirkenden Strom,
- Cf,i
- die Kapazität des Kondensators des RC-Kreises der i-ten Batteriezelle,
- UOCV,i
- die Leerlaufspannung der i-ten Batteriezelle,
- Rs,i
- die Größe des ersten ohmschen Widerstands der i-ten Batteriezelle und
- Rf,i
- die Größe des zweiten ohmschen Widerstands der i-ten Batteriezelle, wobei mit dem Punkt in bekannter Weise die Ableitung der betreffenden Größe nach der Zeit gekennzeichnet ist.
- x 1, i (t)
- the voltage of the RC element of the ith battery cell,
- x 2, i (t)
- the state of charge (SOC) of the ith battery cell,
- u i (t)
- the current acting on the ith battery cell,
- C f, i
- the capacitance of the capacitor of the RC circuit of the ith battery cell,
- U OCV, i
- the open circuit voltage of the ith battery cell,
- Rs , i
- the size of the first ohmic resistance of the i-th battery cell and
- R f, i
- the size of the second ohmic resistance of the i-th battery cell, wherein the point in a known manner, the derivative of the respective size is characterized by the time.
Es gilt weiterhin
Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Anfahren eines Startladezustands oder eines Startspannungswertes,
- b) Warten zur thermischen Homogenisierung der Zellen falls nötig (hängt von den konkreten Randbedingungen ab),
- c) Beginnen einer Messwertaufnahme der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke,
- d) Beaufschlagung des Zellverbundes mit einem definierten Stromprofil,
- e) Beenden der Messwertaufnahme der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke und
- f) Berechnen zumindest einer der Modellgrößen anhand der Messwerte der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke.
- a) starting a starting state of charge or a starting voltage value,
- b) wait for the thermal homogenization of the cells if necessary (depends on the concrete boundary conditions),
- c) starting a measured value recording of the cell connection terminal voltage and the cell composite current intensity,
- d) charging the cell network with a defined current profile,
- e) termination of the measured value recording of the cell connection terminal voltage and the cell composite current intensity and
- f) calculating at least one of the model quantities based on the measurements of the cell interconnect voltage and the cell interconnection current.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dabei mindestens eine Modellgröße beziehungsweise ein Modellparameter im Schritt f) durch Lösen einer Optimierungsaufgabe berechnet wird.According to the invention, at least one model variable or one model parameter is calculated in step f) by solving an optimization task.
Die Eingangsgrößen umfassen dabei lediglich den Summenstrom und die Summenspannung des Zellverbunds. Bei der Lösung der Differentialgleichung wird außerdem eine Parameterschätzung bezüglich der interessierenden Modellparameter (beispielsweise Rs,i und Rf,i) durchgeführt. Vorteilhaft wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Unterscheidung zwischen einzelnen Batteriezellen ermöglicht, wobei die Unterscheidung bezüglich der Größen der ohmschen Widerstände und gegebenenfalls der Kapazitäten der einzelnen Batteriezellen getroffen werden kann.The input variables include only the summation current and the sum voltage of the cell group. In solving the differential equation, a parameter estimation is also performed on the model parameters of interest (e.g., R s, i and R f, i ). A distinction between individual battery cells is advantageously made possible with the method according to the invention, wherein the distinction with respect to the sizes of the ohmic resistors and, where appropriate, the capacities of the individual battery cells can be made.
Hierdurch ist es möglich, unzulässige Betriebszustände zu detektieren und Maßnahmen einzuleiten, um einer möglichen Gefahrensituation entgegenzuwirken, beispielsweise eine Signalisierung an den Fahrer, eine Bereitstellung der Information über den unzulässigen Betriebszustand auf einem Kommunikationskanal wie etwa einem CAN-Bus, eine Überführung des betreffenden Batteriemoduls bzw. der Batteriezelle in einen Notbetriebszustand (limp home), eine Abschaltung des Systems, etc.This makes it possible to detect impermissible operating states and initiate measures to counteract a possible danger situation, for example a signaling to the driver, a provision of information about the improper operating state on a communication channel such as a CAN bus, a transfer of the relevant battery module or the battery cell in an emergency mode (limp home), a shutdown of the system, etc.
Bevorzugt wird zumindest eine Modellgröße beziehungsweise ein Modellparameter im Schritt f) durch Lösen einer Optimierungsaufgabe der Form unter den Nebenbedingungen bestimmt. At least one model size or model parameter is preferred in step f) by solving an optimization task of the form under the constraints certainly.
Dabei ist Jcost ein Gütekriterium, welches Abweichungen der gemessenen Zellverbundklemmenspannung von einer mittels des oben eingeführten Modells simulierten Spannung bewertet.Here, J cost is a quality criterion which evaluates deviations of the measured cell network terminal voltage from a voltage simulated by means of the above-introduced model.
stellen dabei in bekannter Weise vektorwertige Formulierungen der oben genannten Verknüpfungen der Modellgrößen und Messgrößen miteinander dar, wobei
Die Nebenbedingungen c bilden dabei allgemeine Bedingungen ab, insbesondere die bekannten Kirchhoffschen Gesetze (Knotenregel und Maschenregel), aber auch zusätzliches Wissen über die Ersatzschaltbildparameter, zum Beispiel bekannte oder sinnvolle Ober-/Untergrenzen.The constraints c form general conditions, in particular the known Kirchhoff laws (node rule and mesh rule), but also additional knowledge about the equivalent circuit parameters, for example, known or meaningful upper / lower limits.
Im Schritt a) wird ein gewünschter Ladezustand bzw. alternativ ein Spannungslevel angefahren. Dazu werden beispielsweise die Batteriezellen des Zellverbunds mit einem definierten Strom entladen oder geladen. Das Entladen kann beispielsweise über einen definierten Lastwiderstand erfolgen, der mit dem Zellverbund verbunden wird. Das Anfahren eines Ladezustands oder eines Spannungslevels kann dazu verwendet werden, um gezielt hohe oder niedrige Spannungsbereiche anzuvisieren, wenn das Impedanzverhalten bzw. die Ersatzschaltbildparameter in einem bestimmten Bereich ermittelt werden sollen und/oder wenn vermutet wird, dass in diesem Ladezustandsbereich oder Spannungsbereich die Unterschiede von besonderer Relevanz sind.In step a), a desired state of charge or alternatively a voltage level is approached. For this purpose, for example, the battery cells of the cell assembly are discharged or charged with a defined current. The discharging can take place, for example, via a defined load resistor, which is connected to the cell network. The approach of a state of charge or of a voltage level can be used to deliberately target high or low voltage ranges if the impedance behavior or the equivalent circuit parameters are to be determined within a certain range and / or if it is suspected that the differences in this state of charge range or voltage range are of particular relevance.
Als Anfangsbedingungen für das eingeführte Modell werden die sich aus dem angefahrenen Spannungslevel oder aus dem angefahrenen Ladezustand ergebenden Werte für den Ladezustand verwendet. Für den Fall, dass ein Spannungslevel angefahren wurde, wird der Ladezustand anhand der bekannten inversen UOCV-Kennlinie ermittelt, die eine nichtlineare Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand darstellt.As initial conditions for the introduced model, the values for the state of charge resulting from the approached voltage level or from the approached state of charge are used. In the event that a voltage level was approached, the state of charge is determined based on the known inverse U OCV characteristic, which represents a non-linear relationship between open circuit voltage and state of charge.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nach Schritt a) eine definierte Ruhezeit eingehalten, beispielsweise bis zu einer Stunde. Dies erlaubt eine genauere Bestimmung des Ladezustandes, als wenn sofort Schritt c) folgt. Durch Gewährung der Ruhezeit wird außerdem bei den Batteriezellen in Parallelschaltung erreicht, dass Ausgleichsströme bei ungleichen Ladezuständen fließen, bis die Spannungen in den RC-Gliedern gleich 0 sind und die Ladezustände sich angeglichen haben. Hierdurch werden eindeutige Anfangsbedingungen festgelegt, welche für das Lösen der Optimierungsaufgabe relevant sind.According to a particularly preferred embodiment, after step a) a defined resting time is maintained, for example up to one hour. This allows a more accurate determination of the state of charge than if immediately followed by step c). By granting the rest period is also achieved in parallel with the battery cells that equalizing currents flow at unequal states of charge until the voltages in the RC elements are equal to 0 and the states of charge have become equal. This defines clear initial conditions that are relevant for solving the optimization task.
Bevor die Batteriezellen in Parallelschaltung mit einem Stromprofil beaufschlagt werden, wird die Messwertaufzeichnung der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke gestartet. Das Stromprofil ist bevorzugt dergestalt, dass die Batteriezellen möglichst stark angeregt werden. Hierfür sind Profile mit hohen Strömen am besten geeignet. Dabei sollte aber beachtet werden, dass sich die Zelltemperaturen nicht zu stark erhöhen, um einen möglichen Temperatureinfluss gering zu halten. Dies kann beispielsweise durch Simulationen und Versuche im Vorfeld abgeglichen werden.Before the battery cells are connected in parallel with a current profile, the measured value recording of the cell connection terminal voltage and the cell composite current intensity is started. The current profile is preferably such that the battery cells are excited as much as possible. For this purpose, profiles with high currents are best suited. However, it should be noted that the cell temperatures do not increase too much to keep a possible temperature influence low. This can be adjusted for example by simulations and tests in advance.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Messwertaufnahme im Schritt e) mehrere 100 s nach Ende der Beaufschlagung mit dem Stromprofil im Schritt d) beendet. Nach Abschalten des Stroms fließen bei Unterschiedlichkeit der Batteriezellen Ausgleichsströme. Je nach Zellgröße und Unterschiedlichkeit der Batteriezellen können diese noch mehrere 100 s nach Abschalten des Stroms im Spannungsverlauf sichtbar sein. Daher wird dieser Zeitbereich bevorzugt mit aufgezeichnet. According to a preferred embodiment, the measured value recording in step e) is terminated several 100 s after the end of the application of the current profile in step d). After switching off the current flow in different battery cell balancing currents. Depending on cell size and differences in battery cells, they may still be visible in the voltage curve for several 100 s after the power has been switched off. Therefore, this time range is preferably recorded with.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden im Schritt f) weitere im Batteriemanagementsystem implementierte Parameterschätzungen verwendet, bei welchen beispielsweise die parallel geschalteten Batteriezellen als eine einzelne Batteriezelle betrachtet werden. Dieses Wissen wird in der Optimierung verwendet. According to a preferred embodiment, further parameter estimates implemented in the battery management system are used in step f), in which, for example, the parallel-connected battery cells are regarded as a single battery cell. This knowledge is used in optimization.
Nach einer Ausführungsform wird das Verfahren wiederholt durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren in regelmäßigen Abständen durchgeführt, wobei die Wahl der Abstände durch Vorwissen abgeschätzt werden kann.In one embodiment, the process is performed repeatedly. Particularly preferably, the method is carried out at regular intervals, wherein the choice of distances can be estimated by prior knowledge.
Nach einer Ausführungsform werden bei der Messwertaufnahme im Schritt c) die Messwerte der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke einer Filtervorrichtung zugeführt. Durch die Vorverarbeitung der Daten kann gegebenenfalls die Robustheit des Schätzalgorithmus erhöht werden.According to one embodiment, during the measured value recording in step c), the measured values of the cell network terminal voltage and the cell composite current intensity are fed to a filter device. If necessary, the robustness of the estimation algorithm can be increased by preprocessing the data.
Um gezielt Fehlerfälle in einer Parallelschaltung von mehr als zwei Batteriezellen abzudecken, beispielsweise bei drei Batteriezellen, von denen eine als hochohmig vermutet wird, können zwei oder mehr Batteriezellen zu einer Ersatzzelle zusammengefasst werden. Da diese zwei oder mehr Batteriezellen als gleichartig angenommen werden, können die Ersatzparameter mit der bekannten Knoten- und Maschenregel der Kirchhoffschen Gesetze berechnet werden. Die Kapazität der Ersatzzelle ergibt sich als ein Vielfaches der zusammengefassten Einzelzellkapazitäten. Entsprechend analog können andere Fehlerfälle, z. B. zwei hochohmige und zwei niederohmige Batteriezellen bei einer Parallelschaltung von vier Batteriezellen abgebildet werden. Dies kann die Robustheit des Verfahrens weiter erhöhen. Hochohmig meint in diesem Zusammenhang, dass der Innenwiderstand dieser Batteriezellen merklich über dem der anderen Zellen im Verbund liegt und niederohmig, dass der Innenwiderstand dieser Batteriezellen merklich unter dem der hochohmigen Zellen im Verbund liegt.To specifically cover fault cases in a parallel connection of more than two battery cells, for example in three battery cells, one of which is suspected to be high impedance, two or more battery cells can be combined into a spare cell. Since these two or more battery cells are assumed to be alike, the replacement parameters can be calculated using the well-known nodal and mesh rule of Kirchhoff's laws. The capacity of the spare cell is a multiple of the combined single cell capacities. Analogously, other error cases, eg. B. two high-impedance and two low-impedance battery cells are mapped in a parallel circuit of four battery cells. This can further increase the robustness of the method. High impedance means in this context that the internal resistance of these battery cells is noticeably higher than that of the other cells in the composite and low impedance, that the internal resistance of these battery cells is noticeably lower than that of the high-resistance cells in the composite.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul eines Batteriemanagementsystems handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher wie einer CD-ROM, Blu-ray-Disc, DVD, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielweise über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.According to the invention, a computer program is also proposed according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device. The computer program may be, for example, a module of a battery management system. The computer program can be stored on a machine-readable storage medium, for example on a permanent or rewritable storage medium or in association with a computer device, for example on a portable storage such as a CD-ROM, Blu-ray Disc, DVD, a USB stick or a memory card , Additionally or alternatively, the computer program may be provided for download on a computing device, such as on a server or a cloud server, for example via a data network, such as the Internet, or a communication link, such as a telephone line or a wireless link.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren bereitgestellt, wobei das Batteriemanagementsystem Einheiten zum Erfassen der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke aufweist. Des Weiteren umfasst das Batteriemanagementsystem Einheiten zur Durchführung einer Messwertaufnahme, wobei die Einheiten zur Durchführung der Messwertaufnahme eingerichtet sind, einen Start-Ladezustand oder einen Start-Spannungswert anzufahren und eine Messwertaufnahme der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke durchzuführen, und Einheiten zur Berechnung zumindest einer der Modellgrößen anhand der Messwerte der Zellverbundklemmenspannung und der Zellverbundstromstärke durch Lösen der Optimierungsaufgabe.According to the invention, a battery management system (BMS) is also provided for carrying out one of the methods described above, wherein the battery management system has units for detecting the cell interconnection voltage and the cell interconnection current strength. Furthermore, the battery management system comprises units for carrying out a measured value recording, wherein the units for implementing the measured value recording are set up to approach a starting state of charge or a starting voltage value and to carry out a measurement recording of the cell network voltage and the cell composite current intensity, and units for calculating at least one of the model variables the measured values of the cell connection terminal voltage and the cell composite current intensity by solving the optimization task.
Bevorzugt ist das Batteriemanagementsystem zur Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet und/oder eingerichtet. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für das Batteriemanagementsystem und umgekehrt die im Rahmen des Batteriemanagementsystems beschriebenen Merkmale entsprechend für die Verfahren. The battery management system is preferably designed and / or set up to carry out the methods described herein. Accordingly, features described in the context of the method correspondingly apply to the battery management system and, conversely, the features described within the scope of the battery management system correspondingly for the methods.
Die Einheiten des Batteriemanagementsystems sind als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere Einheiten des Batteriemanagementsystems in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software auf einem Steuergerät implementiert sind. Die Einheiten des Batteriemanagementsystems können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein, insbesondere durch Sensoreinheiten, Speichereinheiten, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC, Application Specific Circuit) oder Microcontroller.The units of the battery management system are to be understood as functional units that are not necessarily physically separated from each other. Thus, multiple units of the battery management system may be implemented in a single physical unit, such as when multiple functions are implemented in software on a controller. The units of the battery management system can also be implemented in hardware components, in particular by sensor units, memory units, application specific integrated circuits (ASIC, Application Specific Circuit) or microcontroller.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriesystem mit einer Batterie, welche mehrere Batteriezellen umfasst, und einem derartigen Batteriemanagementsystem bereitgestellt. Die Batterie kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie sein und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar sein.According to the invention, a battery system is also provided with a battery which comprises a plurality of battery cells and such a battery management system. The battery may in particular be a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery and be connectable to a drive system of a motor vehicle.
Die Begriffe "Batterie" und "Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, womit eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, ein Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnet se kann. In der Batterie sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefass und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel Modulen verschaltet. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).The terms "battery" and "battery unit" are used in the present description adapted to the usual language for accumulator or Akkumulatoreinheit. The battery includes one or more battery units, which may be a battery cell, a battery module, a module string or a battery pack. In the battery, the battery cells are preferably combined spatially and circuitally connected to each other, for example, connected in series or parallel modules. Several modules can form so-called battery direct converters (BDC, Battery Direct Converter) and several battery direct converters form a battery direct inverter (BDI, Battery Direct Inverter).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie des Batteriesystems mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen. Bei derart ausgestalteten Kraftfahrzeugen umfasst der Fahrzyklus einen Fahrbetrieb und/oder einen Ladebetrieb als Betriebsphasen, in denen Betriebsparameter erfasst werden. According to the invention, a motor vehicle with such a battery system is also provided, wherein the battery of the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle. The motor vehicle may be configured as a pure electric vehicle and exclusively comprise an electric drive system. Alternatively, the motor vehicle may be configured as a hybrid vehicle comprising an electric drive system and an internal combustion engine. In some variants it can be provided that the battery of the hybrid vehicle can be charged internally via a generator with excess energy of the internal combustion engine. Externally rechargeable hybrid vehicles (PHEV) also provide the option of charging the battery via the external power grid. In motor vehicles designed in this way, the driving cycle comprises a driving operation and / or a charging operation as operating phases in which operating parameters are detected.
Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise auch auf einem zentralen Server durchgeführt werden, an den die Kraftfahrzeuge beispielsweise über eine drahtlose Verbindung angebunden sind und an den die aufgezeichneten Daten übertragen werden.The method described can, for example, also be carried out on a central server to which the motor vehicles are connected, for example, via a wireless connection and to which the recorded data is transmitted.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der Kern der Erfindung betrifft ein Verfahren, welches es erlaubt, ungleichartige Zeilen in Parallelschaltung zu detektieren und über eine Bestimmung von Zellparametern eine quantitative Beschreibung der Ungleichheit zu gewinnen. The essence of the invention relates to a method which makes it possible to detect dissimilar lines in parallel and to obtain a quantitative description of the inequality via a determination of cell parameters.
Das Verfahren verwendet im Gegensatz zu bisher eingesetzten Modellen, die parallel geschaltete Batteriezellen als lediglich eine einzige Batteriezelle mit entsprechend größerer Kapazität ansehen, ein Modell, bei dem eine Unterscheidung zwischen den Einzelzellen möglich ist. In contrast to previously used models, which view parallel-connected battery cells as just a single battery cell with a correspondingly larger capacity, the method uses a model in which a distinction between the individual cells is possible.
Vorteilhaft ist dabei, dass auf zusätzliche Strom-, Spannungs- oder Temperatursensoren verzichtet werden kann. Somit kann das Verfahren in heute eingesetzten Batteriemanagementsystemen eingesetzt werden. Dies erlaubt eine kostengünstige Umsetzung ohne Änderungen an bestehenden Systemen bzw. aufwändige Installation von zusätzlichen Sensoren.It is advantageous that can be dispensed with additional current, voltage or temperature sensors. Thus, the method can be used in battery management systems used today. This allows a cost-effective implementation without changes to existing systems or complex installation of additional sensors.
Aufgrund der Tatsache, dass ein detaillierteres Modell als bisher üblich eingesetzt wird, können als Ergebnis der Optimierung beispielsweise auch die Parameter Rs und Rf jeder Einzelzelle gewonnen werden. Die Kenntnis dieser Parameterwerte erlaubt es, die Ungleichartigkeit der Einzelzellen und eine daraus resultierende ungleichartige Stromverteilung abzuschätzen, beispielsweise über eine Simulation mittels dieser Werte.Due to the fact that a more detailed model is used than hitherto customary, the parameters R s and R f of each individual cell can be obtained as a result of the optimization, for example. The knowledge of these parameter values makes it possible to estimate the unevenness of the individual cells and a resulting dissimilar current distribution, for example via a simulation using these values.
Das Verfahren kann außerdem dazu verwendet werden, ungleichartige Kapazitätswerte zu detektieren, indem die zu bestimmende Parametermenge um die jeweiligen Parameter Cnom,i erweitert wird.The method can also be used to detect non-uniform capacitance values by extending the parameter set to be determined by the respective parameters C nom, i .
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it
Die Batteriezellen
Das Batteriemanagementsystem
Das Steuergerät
Die Einheit
Die Einheit
Das Modell
Das Modell
Je nach Zellenanzahl N in der Parallelschaltung wird eine entsprechende Anzahl an Ersatzschaltbildgleichungen zur Modellierung der Verschaltung verwendet. Depending on the number of cells N in the parallel circuit, a corresponding number of equivalent circuit equations is used to model the interconnection.
Exemplarisch für zwei Batteriezellen
Aufgrund der Kirchhoffschen Gesetze, der Knotenregel und der Maschenregel, gelten exemplarisch für die zwei Batteriezellen
Systeme mit mehr als zwei Batteriezellen
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- “Nonlinear Observability and Identifiability of Single Cells in Battery Packs“ von Matthias Rausch, Stefan Streif, Christian Pankiewitz und Rolf Findeisen (Proc. IEEE International Conference on Control Applications, pp. 401–406, Aug 2013) [0007] "Nonlinear Observability and Identity of Single Cells in Battery Packs" by Matthias Rausch, Stefan Streif, Christian Pankiewitz, and Rolf Findeisen (Proc. IEEE International Conference on Control Applications, pp. 401-406, Aug 2013) [0007]
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