DE102014220008A1

DE102014220008A1 - Verfahren zum Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen und Batteriesystem zum Durchführen eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102014220008A1
Application number: DE102014220008.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Becker; Andre Boehm; Michael Rueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: CN105489954A; DE102014220008B4; CN105489954B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer ersten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen; b) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer zweiten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen, wobei die zweite Methode von der ersten Methode verschieden ist; c) Vergleichen der in den Verfahrensschritten a) und b) bestimmten Fehlerpotentiale; und d) Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen auf Basis des Bedarfs, der durch die Methode mit dem niedrigeren Fehlerpotential ermittelt wurde. Ein derartiges Verfahren erlaubt ein sehr genaues und für die Komponenten eines Batteriesystems sehr schonendes Ausgleichend er Ladezustände.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen, insbesondere in einem Batteriemodul, insbesondere für ein verbessertes Ausgleichen eines Ladezustands der Batteriezellen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem, welches dazu ausgestaltet ist, ein derartiges Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, etwa bei elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise, etwa für den automobilen Einsatzbereich, umfassen oftmals eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen. Diese Zellen werden, um das Spannungs- oder Stromniveau zu erhöhen, parallel oder in Reihe miteinander verschaltet und mechanisch zu Modulen zusammengeschlossen. Ein Batterie-Management-System dient weiterhin der Überwachung der Batterie und soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer ermöglichen.
Beispielsweise um die Lebensdauer zu erhöhen, ist es bekannt, den Ladezustand der Batteriezellen an einander anzupassen beziehungsweise auszugleichen, so dass die Batteriezellen den gleichen Ladezustand aufweisen. Dieser Vorgang wird auch als Zellsymmetrierung beziehungsweise Zell-Balancing bezeichnet.
Aus dem Dokument US 2013/0099746 A1 ist ein System und ein Verfahren für eine Zellsymmetrierung bekannt. Bei einem derartigen Verfahren Wird eine Zellsymmetrierung auf Basis der Messung des Ladezustands durchgeführt. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass bei einer Zellsymmetrierung ein bezüglich des Symmetrierungsbedarfs ermittelter Fehler unterhalb eines Grenzwertes liegt.
Das Dokument CN 102231546 A beschreibt ferner ein Verfahren für eine Zellsymmetrierung, welches auf der Messung der Ladezustände basiert, und wobei ein Fehler bei der Ermittlung der Ladezustände korrigiert werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen, wobei die Batteriezellen in einem Batteriemodul vorliegen können. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

a) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer ersten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen;
b) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer zweiten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen, wobei die zweite Methode von der ersten Methode verschieden ist;
c) Vergleichen der in den Verfahrensschritten a) und b) bestimmten Fehlerpotentiale; und
d) Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen auf Basis des Bedarfs, der durch die Methode mit dem niedrigeren Fehlerpotential ermittelt wurde.

Dabei können die vorbeschriebenen Verfahrensschritte grundsätzlich in der vorbeschriebenen Reihenfolge ablaufen, wobei das Verfahren jedoch im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorgenannte Reihenfolge beschränkt sein muss.
Durch das vorbeschriebene Verfahren wird es ermöglicht, eine auf dem Ladezustand der Batteriezellen basierende Zellsymmetrierung auch ohne Kapazitäten der insbesondere in Reihe geschalteten Batteriezellen derart zu ermöglichen, dass der Ladeverlust durch die Zellsymmetrierung besonders gering ist.
Das vorbeschriebene Verfahren dient somit dazu, Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen auszugleichen beziehungsweise aneinander anzupassen. Die Batteriezellen sind dabei insbesondere in an sich bekannter Weise in einem Batteriemodul angeordnet beziehungsweise bilden dies aus und sind dabei etwa in Reihe oder parallel verschaltet. Dabei kann sich das Verfahren auf eine Gruppe der Mehrzahl an Batteriezellen, also auf einen Teil der Batteriezellen des Batteriemoduls, oder auf die gesamte Mehrzahl an Batteriezellen, also sämtliche in einem Batteriemodul angeordnete Batteriezellen beziehen.
Ein Erfordernis nach einer Zellsymmetrierung der Batteriezellen untereinander kann beispielsweise darin begründet liegen, dass die Zellen eine unterschiedliche Selbstentladungsrate aufweisen können und damit sich der Ladezustand der Zellen untereinander in einem gewissen Zeitraum verändern kann. Darüber hinaus können auch die Kapazitäten der einzelnen Batteriezellen etwa durch Produktionsstreuungen voneinander abweichen. Dieser Effekt kann unter Umständen zu Beginn der Lebensdauer vernachlässigt werden, kann sich aber im Laufe der Lebensdauer durch Unterschiede in der Zellalterung vergrößern und in mehreren Prozent Kapazitätsunterschied zwischen den Batteriezellen resultieren.
Um dies zu verhindern kann durch eine durch das vorbeschriebene Verfahren durchgeführte Zellsymmetrierung es ermöglicht werden, dass die Ladezustände (state of charge, SOC) der einzelnen Batteriezellen trotz unterschiedlicher Selbstentladung und gegebenenfalls unterschiedlicher Kapazitäten auf einander abgestimmt werden. Dabei werden insbesondere die Ladezustände der Zellen aufeinander abgestimmt, der Ladezustand eines die Batteriezellen umfassenden Batteriemoduls kann etwa definiert sein als das Minimum über alle Ladezustände des Batteriezellen.
Ein Ausgleichen der Ladezustände beziehungsweise das Ermitteln eines Bedarfs hierfür kann dabei erfolgen ein einem zeitlichen Abstand in Abhängigkeit des Zustands der Batteriezellen, beispielsweise ihres Alters. Üblicherweise kann ein Ausgleichen der Ladezustände erfolgen in einem Abstand von einer Woche oder darüber, beispielsweise von zwei Wochen, wobei die Werte in keiner Weise beschränkend sind. Grundsätzlich kann ein Ausgleichen der Ladezustände der Batteriezellen erfolgen, wenn der Unterschied der Ladezustände der Batteriezellen oberhalb eines Schwellenwertes liegt.
Um dies zu realisieren, umfasst das vorbeschriebene Verfahren gemäß Verfahrensschritt a) das Bestimmen eines Fehlerpotentials einer ersten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen und ferner gemäß Verfahrensschritt b) das Bestimmen eines Fehlerpotentials einer zweiten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen, wobei die zweite Methode von der ersten Methode verschieden ist. Dabei können zwei Methoden oder eine Mehrzahl von größer als zwei Methoden angewandt beziehungsweise zunächst deren Fehlerpotential mit einander verglichen werden. Im Weiteren wird die Erfindung jedoch in nicht beschränkender Weise mit Bezug auf zwei Methoden beschrieben, wobei die nachfolgende Beschreibung gleichermaßen für mehr als zwei Methoden gilt.
Die verwendeten Methoden zum Bestimmen des Bedarfs einer Zellsymmetrierung können dabei grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt sein. Der Bedarf einer Zellsymmetrierung kann dabei insbesondere in Abhängigkeit der konkreten Gegebenheiten wählbar sein und basiert grundsätzlich auf einem unterschiedlichen Ladezustand der Batteriezellen. Dabei kann der Bedarf grundsätzlich ein qualitativer wie auch insbesondere ein quantitativer Parameter sein, so dass nicht nur ermittelt wird, ob, sondern auch um welchen Betrag bei den einzelnen Batteriezelle eine Zellsymmetrierung notwendig ist.
Unter einem Fehlerpotential ist im Sinne der vorliegenden Erfindung weiterhin zu verstehen die vermutliche beziehungsweise abgeschätzte oder ermittelte Unschärfe beziehungsweise Ungenauigkeit, welche bei einer Bestimmung des Bedarfs einer Zellsymmetrierung bei der entsprechenden Methode vorliegt. In anderen Worten kann durch das Fehlerpotential bestimmt werden, wie präzise der Bedarf einer Zellsymmetrierung durch die entsprechende Methode ermittelbar ist. Bei einem hohen Fehlerpotential kann der Bedarf einer Zellsymmetrierung daher vergleichsweise ungenau bestimmt werden, wohingegen bei einem vergleichsweise geringen Fehlerpotential der Bedarf einer Zellsymmetrierung vergleichsweise genau bestimmbar ist.
Das Fehlerpotential der jeweiligen Methode ist dabei in an sich bekannter Weise beispielsweise durch eine Fehlerfortpflanzung der jeweiligen verwendeten Parameter ermittelbar, wie dies dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist. Dabei können bei der Bestimmung des Fehlerpotentials insbesondere die Fehler mit einbezogen werden, welche zur Bestimmung der für die entsprechenden Methode notwendigen Parameter auftreten können.
Wenn die Fehlerpotentiale gemäß den Verfahrensschritten a) und b) bestimmt worden sind, kann nun gemäß Verfahrensschritt c) ein Vergleichen der in den Verfahrensschritten a) und b) bestimmten Fehlerpotentiale erfolgen. Dadurch kann ermittelt werden, welches der ermittelten Fehlerpotential der jeweiligen Methode, also das der ersten oder der zweiten Methode, das geringere oder das höhere ist. in anderen Worten kann durch den Verfahrensschritt c) ermittelt werden, mit welcher der ersten oder der zweiten Methode der Bedarf einer Zellsymmetrierung am genauesten ermittelt werden kann.
Auf Basis dieses Ergebnisses kann im Weiteren eine Zellsymmetrierung durchgeführt werden. im Detail erfolgt gemäß Verfahrensschritt d) ein Durchführen einer Zellsymmetrierung auf Basis eines Bedarfs beziehungsweise einer Aktivierungsschwelle, welcher ermittelt wurde durch die Methode, welche das vergleichsweise geringste Fehlerpotential aufweist. Mit anderen Worten wird eine Zellsymmetrierung auf Basis der Daten betreffend den Bedarf durchgeführt, welcher mit einer höheren Präzision beziehungsweise einer niedrigeren Fehlerwahrscheinlichkeit ermittelt wurde.
Das vorbeschriebene Verfahren basiert somit darauf, das Verfahren zum Berechnen beziehungsweise Ermitteln des Bedarfs einer Zellsymmetrierung auszuwählen, welches für den aktuellen Anwendungsfall am besten geeignet ist beziehungsweise eine Zellsymmetrierung mit der höchste Präzision ermöglichen kann. Dadurch kann eine Zellsymmetrierung beziehungsweise deren Aktivierungsschwelle dynamisch an die zu dem jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Bedingungen angepasst werden und eine Präzision signifikant gesteigert werden.
Es kann somit verhindert werden, dass, wie für den Stand der Technik bekannt, konstante Aktivierungsschwellen für eine Zellsymmetrierung verwendet werden, welche für sämtliche Anwendungsfälle und über die gesamte Lebensdauer konstant sind. Im Gegenteil dazu werden die Aktivierungsschwellen bei dem vorbeschriebenen Verfahren vielmehr dynamisch an die jeweiligen herrschenden Bedingungen und in Abhängigkeit der Berechnungsgenauigkeit des entsprechenden Berechnungsverfahrens angepasst. Dadurch kann dem entgegengewirkt werden, dass eine über die gesamte Lebensdauer der Batteriezellen beziehungsweise für jeden Anwendungsfall angewandte Aktivierungsschwelle unter Umständen zu Ungenauigkeiten der Zellsymmetrierung führen kann. Insbesondere kann eine adäquate Zellsymmetrierung bei gealterten Batteriemodulen ermöglicht werden.
Das vorbeschriebene Verfahren kann dadurch signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweisen. Insbesondere kann es durch das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht werden, dass eine nicht erforderliche Zellsymmetrierung auf eine Minimum reduziert werden kann, wodurch die Lebensdauer der entsprechenden Komponenten, welche für eine Zellsymmetrierung verwendet werden, verlängert werden kann. Ferner kann so ein auf einer Zellsymmetrierung basierender Energieverlust reduziert und die dauerhafte Kapazität erhöht werden.
Darüber hinaus ist das vorbeschriebene Verfahren anwendbar angepasst an die entsprechenden Gegebenheiten und dabei unabhängig von dem Leistungsprofil, beispielsweise bei einem Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug unabhängig von dem Fahrprofil, dem die Batterie ausgesetzt ist.
Es kann somit verhindert werden, dass die Zellsymmetrierung bei einer fest definierten Schwelle beispielsweise des Ladezustands aktiviert wird. Dadurch kann es verhindert werden, dass bei einer zu hoch eingestellten Schwelle Kapazität in nicht notwendiger Weise verringert wird, da in einem zu großen Maße ausgeglichen wird. Andererseits kann es ebenfalls verhindert werden, dass ein unverhältnismäßig hoher Ladungsbetrag entladen wird, wenn zuviel Ladung entladen wird, was etwa der Fall sein kann, wenn die Schwelle zu niedrig voreingestellt ist. Durch eine Einstellung des Verfahrens auf Basis eines zu erwartenden Fehlers kann es vielmehr ermöglicht werden, dass ein Zellausgleich mit einer sehr hohen Präzision erfolgt.
Dabei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das ermittelte Fehlerpotential bei Verfahrensschritt d), also dem Durchführen einer Zellsymmetrierung, berücksichtigt wird. In anderen Worten kann der zu erwartende beziehungsweise mögliche Fehler von einem ermittelten Bedarf abgezogen werden, um so einen möglichst geringen Ladungsverlust zu erleiden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Bedarf zum Ausgleichen der Ladezustände bei der ersten Methode unmittelbar aus den Ladezuständen der Batteriezellen ermittelt werden. Bei dieser Methode wird der aktuelle Ladezustand SOC gemessen und der Bedarf einer Zellsymmetrierung (∆SOC(Zelle_i)) für jede Batteriezelle Zelle_i berechnet, so dass nach erfolgter Zellsymmetrierung sich sämtliche Zellen bei einem einheitlichen Ladungsniveau SOC_BAL treffen.
Dabei kann eine Ermittlung des Ladezustands der Batteriezellen erfolgen, wie es dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Beispielsweise können die Ladezustände der Batteriezellen ermittelt werden, indem die Zellspannung der entsprechenden Batteriezelle ermittelt wird, um so auf Basis gespeicherter Entladekurven den zu der Spannung korrespondierenden Ladezustand zu ermitteln.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Alterungszustand (state of health, SOH(Zelle_i)) als Korrekturfaktor berücksichtigt wird. Dabei kann der Korrekturfaktor SOH(Zelle_i) jeder Batteriezelle ermittelbar sein durch den Zusammenhang:
wobei Q das Stromintegral zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ ist und wobei der Ladungszustand einer Zelle_i zu einem Zeitpunkt t₁ SOC(Zelle_i)(t₁) bestimmt wird und der Ladungszustand einer Zelle_i zu einem späteren Zeitpunkt t₂ SOC(Zelle_i)(t₂) bestimmt wird, beispielsweise jeweils unter Verwendung einer Spannungsmessung unter Berücksichtigung einer OCV-Kurve.
Der Korrekturfaktor kann somit darauf basieren, dass bei gealterten Batteriezellen die Zellkapazität (SOC(Zellei)_i·SOH(Zelle)_i) geringer ist, als bei neuwertigen Batteriezellen. In anderen Worten kann durch eine Multiplikation des Ladezustands mit dem Alterungszustand ein besonders genaues Angleichen der ladungszustände erfolgen.
In dieser Ausgestaltung beziehungsweise nach einer derartigen ersten Methode wird der Bedarf einer Zellsymmetrierung (∆SOC(Zelle_i) insbesondere durch folgenden Zusammenhang bestimmt: ΔSOC(Zelle_i) = [SOH(Zelle_i)·(SOC(Zelle_i) – SOC_Bal)] – [SOH(Zelle_min)·(SOC(Zelle_min) – SOC_Bal)]
SOC_Bal ist dabei der Wert des Ladezustands (SOC-Wert), bei dem sich alle Zellen in einem ausgeglichenen Ladungszustand treffen sollen, auch wenn die Zellen einen unterschiedlichen Alterungszustand (SOH) besitzen. Haben die Zellen einen unterschiedlichen Alterungszustand beziehungsweise eine unterschiedliche Kapazität, dann gibt es nur noch einen gemeinsamen ladungszustand bei denen sie sich treffen. Der Wert SOC_Bal ist dabei eine zwischen 0% und 100% des Ladungszustands einstellbare Größe.
Somit ergibt sich der Bedarf (∆SOC(Zelle_i) einer Zellsymmetrierung für jede Batteriezelle Zelle_i aus der Differenz von aktuellem Ladezustand einer Zelle, also SOH(Zelle_i)·(SOC(Zelle_i) – SOC_Bal) und der Zelle der Mehrzahl an Batteriezellen, beispielsweise aus einem Batteriemodul, welche den geringsten Ladezustand aufweist, also SOH(Zelle_min)·(SOC(Zelle_min) – SOC_Bal).
Der Fehler von der Bedarfsbestimmung für eine Zellsymmetrierung ∆(∆SOC) ergibt sich für jede Zelle nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz:
Der Fehler für jede Batteriezelle Zelle_i ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:
Dabei bedeutet OCV in an sich bekannter Weise die Leerlaufspannung. Ferner bedeutet
in an sich bekannter Weise die partielle Ableitung des Ladezustands SOC(Zelle_i) nach der Leerlaufspannung bei konstantem Ladezustand.
Der Fehler für die Batteriezelle mit dem minimalen Ladezustand Zelle_min ergibt sich äquivalent aus folgendem Zusammenhang:
Dabei sind die Werte wie oben mit Bezug auf jede Batteriezelle Zelle_i anzuwenden.
Der Fehler bei der Ermittlung des Alterungszustands ergibt sich ferner durch den Fehler der Stromintegration (Stromsensortoleranzen) und durch den Fehler bei der Spannungsmessung zu den Zeitpunkten t₁ und t₂. Der Fehler bei der Messung des Ladezustands ergibt sich durch den Fehler bei der Spannungsmessung (Spannungssensortolleranzen).
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Bedarf zum Ausgleichen der Ladezustände bei der zweiten Methode auf Basis der Selbstentladungsraten der Batteriezellen ermittelt werden.
Der Bedarf für eine Zellsymmetrierung ∆SOC wird für jede Batteriezelle Zelle_i mittels der Selbstentladungsmessung und der Dauer ohne Zellsymmetrierung bestimmt:
Somit wird die Selbstentladungsrate pro Zeit (∆SOC_entladung(Zelle_i)/t_entladung gemessen und anhand der Zeit ohne Zellsymmetrierung t_NoBal kann der Bedarf einer Zellsymmetrierung abgeschätzt werden.
Der Fehler der Bedarfsbestimmung für eine Zellsymmetrierung ∆(∆SOC) ergibt sich für jede der Batteriezellen Zelle_i aus der Wurzel von der Summe aller Messfehler zum Quadrat gemäß einem Fehlerforpflanzungsgesetz. Der Fehler für die Zeitmessung kann hierfür vernachlässigt werden, wobei SOC₁(Zelle_i) Startwert und SOC₂(Zelle_i) Endwert und Zelle_ref eine Referenzzelle ist, wobei die Referenzzelle eine in der Batterie frei wählbare Zelle ist. Bezüglich dieser Referenzzelle kann dann die relative Selbstentladung aller Zellen bestimmt und daraus dann den Bedarf einer Zellsymmetrierung ermittelt werden kann. Der Balancingbedarf ist dabei insbesondere die relative Selbstentladung zwischen den Batteriezellen:
Der Fehler der jeweiligen Messung des Ladezustands von jeder Batteriezelle Zelle_i ist abhängig von der Steigung der OCV-Kurve am Messpunkt des Ladezustands SOC_x und von der Messungenauigkeit durch die Spannungsmessung:
Dabei steht x für die Messung 1 zum Zeitpunkt 1 oder Messung 2 zum Zeitpunkt 2.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Bedarf für ein Ausgleichen des Ladezustands der Batteriezellen ermittelt wird bei einem Starten eines Batteriesystems. Beispielsweise kann ein Ausgleichen des Ladezustands der Batteriezellen somit erfolgen, nachdem die Batteriezellen für eine gewisse Zeit nicht oder nur begrenzt entladen beziehungsweise geladen wurden. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders vorteilhaftes Betreiben der Batteriezellen erfolgen, da diese im Wesentlichen bei jedem Betrieb einen einheitlichen Ladezustand aufweisen. Ferner kann in dieser Ausgestaltrung unmittelbar eine Zellsymmetrierung ausgeführt werden, da dies in einem Ruhezustand der Batteriezellen besonders vorteilhaft sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt d) erfolgt durch das gezielte Entladen von wenigstens einer Batteriezelle über einen Entladewiderstand. In dieser Ausgestaltung können bei einem derartigen resistiven Ausgleichen der Ladezustände der Batteriezellen in vorteilhafter Weise jeder Batteriezelle ein Widerstand und ein Schaltelement zugeordnet sein, um einzelne Batteriezellen gezielt über diesen Entladewiderstand entladen zu können und so die Ladezustände anzugleichen. Dabei wird die gespeicherte Energie im Wesentlichen in Wärme umgewandelt und so die Batteriezellen bis auf ein Niveau entladen, was dem Niveau der Batteriezelle mit dem niedrigsten Ladezustand entspricht. Dabei kann dadurch, dass durch das vorbeschriebene Verfahren ein Ausgleichen der Ladezustände der Batteriezellen aufgrund einer hohen Präzision auf ein Mindestmaß reduziert werden kann, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist, die Anzahl der Schaltzyklen zum Zuschalten der Entladewiderstände ebenfalls signifikant reduziert werden, so dass die Lebensdauer der Schalteinheiten, beispielsweise, und auch der Ausgleichswiderstände signifikant gesteigert werden kann. Dadurch ist das vorbeschriebene Verfahren insbesondere in Kombination mit zuschaltbaren Entladewiderständen zum Ausgleichen des Ladungszustands der Batteriezellen von Vorteil.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriesystem, aufweisend ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, wobei durch das Batteriesystem ferner der Ladezustand der Batteriezellen und die Selbstentladungsrate der Batteriezellen ermittelbar sind und wobei durch das Batteriesystem ferner die Ladezustände der Batteriezellen ausgleichbar sind. Ein vorbeschriebenes Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren auszuführen, wie dieses vorstehend im Detail beschrieben ist.
Ein derartiges Batteriesystem weist somit in an sich bekannter Weise ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an in Reihe oder parallel geschalteter Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein und etwa Lithium-Ionen-Zellen sein, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Ferner ist es bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem vorgesehen, dass durch das Batteriesystem der Ladezustand der Batteriezellen und die Selbstentladungsrate der Batteriezellen ermittelbar sind. Hierzu können insbesondere in an sich bekannter Weise Mittel zur Spannungsmessung der Ausgangsspannung der jeweiligen Batteriezellen vorgesehen sein, um so auf Basis gespeicherter Entladekurven den zu der Spannung korrespondierenden Ladezustand zu ermitteln. Die gleichen Mittel können ebenfalls Verwendung finden, um die Selbstentladung zu ermitteln, da hier beispielsweise der Abfall des Ladezustands ohne einen angeschlossenen Verbraucher pro Zeiteinheit ermittelt werden kann.
Bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem ist es ferner vorgesehen, dass durch das Batteriesystem die Ladezustände der Batteriezellen ausgleichbar sind. Hierzu kann das Batteriesystem beispielsweise Entladewiderstände zum selektiven Entladen einzelner Batteriezellen aufweisen. Die Entladewiderstände sind somit über eine Schaltlogik derart an die einzelnen Batteriezellen schaltbar, dass die einzelnen Batteriezellen durch die Entladewiderstände entladbar sind.
Weiterhin kann ein Entladen der Batteriezellen zwecks eines Ausgleichens der Ladezustände der Batteriezellen durch ein vorbeschriebenes Verfahren durchgeführt werden. Dazu kann eine Steuereinheit, wie etwa das meist ohnehin vorhandene Batterie-Management-System, vorgesehen sein, welches zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ausgestaltet ist. Hierzu kann das Steuersystem mit den entsprechenden Komponenten verbunden sein und dabei entsprechende Steuerbefehle auswerfen. Ferner kann das Steuersystem mit einer entsprechenden Steuerlogik beziehungsweise Software-Implementierung ausgestattet sein.
Das Batteriesystem kann in einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeug angeordnet sein. Ein derartiges Fahrzeug kann beispielsweise ein vollständig elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein.
Durch das vorbeschriebene Batteriesystem wird es ermöglicht, ein auf dem Ladezustand der Batteriezellen basierendes Ausgleichen der Ladezustände beziehungsweise eine Zellsymmetrierung auch ohne Kapazitäten der insbesondere in Reihe geschalteten Batteriezellen derart zu ermöglichen, dass der Ladeverlust durch die Zellsymmetrierung besonders gering ist.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Zellsymmetrierung zweier Batteriezellen mit unterschiedlicher Kapazität;
2 einen Teilschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung umfassend das Auswählen der Methode zum Bestimmen des Bedarfs einer Zellsymmetrierung;
3a einen weiteren Teilschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigend den Bedarf einer Zellsymmetrierung mit ermitteltem Fehler; und
3b einen weiteren Teilschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigend den Bedarf einer Zellsymmetrierung ohne ermittelten Fehler.
In der 1 ist schematisch eine Zellsymmetrierung zweier Batteriezellen mit jeweils unterschiedlicher Kapazität dargestellt. Dabei weist eine erste Batteriezelle eine geringere Kapazität auf, als eine zweite Batteriezelle. Dies ist in der 1 durch die Höhe der Achsen 10, 10‘ gezeigt, welche jeweils den Ladezustand darstellen sollen. Dabei ist in Stufe I ein Zustand gezeigt, bei dem beide Batteriezellen einen Ladezustand von 50% aufweisen, da der aktuelle Ladezustand A, A‘ exakt zwischen dem maximalen Wert B, B‘, etwa einer Vollladung, und dem minimalen Wert C, C‘, etwa einer vollständig entladenen Batteriezelle liegt.
Hin zu dem Zustand II erfolgt eine Ladung der Batteriezellen, wobei bei Zuführung der gleichen Ladungsmenge die Batteriezellen aufgrund der Kapazitätsunterschiede jedoch nicht mehr den gleichen Ladezustand aufweisen. Dies ist dadurch erkennbar, dass die beiden Ladezustände A, A‘ nicht mehr auf der Linie 12 liegen, welche einen einheitlichen Ladezustand zeigen soll.
Um den Ladezustand hin zu Zustand III auszugleichen, wird somit von der Batteriezelle mit der geringeren Kapazität Ladung abgeführt, damit die Batteriezellen den gleichen Ladezustand aufweisen.
Werden die Batteriezellen nun hin zu dem Zustand IV mit der gleichen Ladungsmenge entladen, folgt wiederum aus der unterschiedlichen Kapazität der Batteriezellen, dass der Ladezustand nichtmehr einheitlich ist.
Um den Ladezustand hin zu dem Zustand V anzugleichen, kann wiederum resistiv eine Batteriezelle im Rahmen einer Zellsymmetrierung entladen werden. Dabei ist der Bedarf für eine Zellsymmetrierung hin zu Zustand V teilweise geschaffen durch eine zuvor durchgeführte Zellsymmetrierung hin zu dem Zustand III.
Es ist somit zu erkennen, dass in Systemen, in denen die Kapazität der einzelnen Batteriezellen nicht bekannt ist und eine Zellsymmetrierung insbesondere resistiv hin zu einem gemeinsamen Ladezustand der Batteriezellen erfolgt, die gesamte auszugleichende Ladung vergleichsweise hoch sein kann, da es oftmals nicht ausgeschlossen werden kann, dass unnötige Ladung über Ausgleichswiderstände abgeführt wird, die weit über dem reinen Ausgleich der verschiedenen Selbstentladungen liegt.
Um dies zu verhindern oder zumindest signifikant zu reduzieren, kann gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren basierend auf dem absoluten Fehler Δ(ΔSOC(Zelle_i)) bezüglich dem berechneten Bedarf einer Zellsymmetrierung jede Zelle ΔSOC(Zelle_i) die Berechnungsmethode gewählt werden, welche den kleinsten absoluten Fehler aufweist. Somit kann das Verfahren gewählt werden, dessen maximaler absoluter Fehler von allen Zellen am kleinsten ist. Dies ist in der 2 dargestellt.
Die 2 zeigt dabei parallel zu der X-Achse rein schematisch eine Trennlinie zwischen Bedingungen, bei denen die Methoden 1 beziehungsweise 2 vorteilhaft anwendbar sind. Dabei soll in anderen Worten dargestellt werden, dass es einen Bereich I gibt bei der Methode 1 optimal arbeitet und einen Bereich II bei dem Methode 2 optimal arbeitet. Für den Fall, dass „SOC_Bal“ auf 100 gesetzt wird und der Bedarf des Ausgleichens des Ladungszustands bei 100% SOC bestimmt wird, dann ist der Messfehler vom Alterungszustand ohne Bedeutung (SOH·SOC – SOC_Bal). Wird der Bedarf des Ausgleichens des Ladungszustands bei kleineren Werten des Ladezustands bestimmt, dann gewinnt der Einfluss des Messfehlers zur Bestimmung des Alterungszustands immer mehr an Bedeutung.
Bei der 2 kann die erste Methode auf folgendem Zusammenhang basieren: ΔSOC = (SOH·(SOC – SOC_Bal)) – SOH_min·(SOC_min – SOC_Bal),
Der vorbeschriebene Zusammenhang soll dabei insbesondere das resistive Ladungsausgleichen beschreiben. Hierzu soll die Zelle mit der minimalen Ladung Qmin bestimmt werden. Auf dessen Level werden dann alle anderen Zellen entladen, SOC_min und SOH_min sind daher die Werte von der Zelle mit Qmin, auf welchen Wert die restlichen Zellen entladen werden.
Ferner kann die zweite Methode basieren kann auf dem Zusammenhang:
Ab einer bestimmten SOC – Schwelle ist dann die Methode 2 genauer als 1, wobei die vorgehende Beschreibung nur beispielhaft ist.
Um nicht notwendiges Zellsymmetrieren zu vermeiden, kann der ermittelte Fehler ∆(∆SOC(Zelle_i)) des Bedarfs für eine Zellsymmetrierung ∆SOC(Zelle_i) in vorteilhafter Weise für die Aktivierung der Zellsymmetrierung verwendet werden.
Beispielsweise kann nicht notwendiges Zellsymmetrieren im Wesentlichen vollständig ausgeschlossen werden, wenn nur die Abweichung der Ladezustände ∆SOC(Zelle_i)_Bal ausgeglichen wird, deren Messunsicherheit ∆(∆SOC(Zelle_i)) von der Bedarfsmessung ∆SOC(Zelle_i)_Mess vollständig abgezogen wird. Dies ist in der 3 gezeigt und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: ∆SOC(Zelle_i)_Bal = ∆SOC(Zelle_i)_Mess – ∆(∆SOC(Zelle_i))
Dabei sind in der 3a zur Darstellung der Bestimmung der Aktivierungsschwelle für eine Zellsymmetrierung acht Batteriezellen auf der x-Achse dargestellt, wobei auf der y-Achse der Ladezustand SOC in % angegeben ist. Dabei sind mit den schraffierten Kästchen die entsprechenden Fehler der Ermittlung eines Bedarfs einer Zellsymmetrierung ∆(∆SOC(Zelle_i)) gezeigt und oberhalb der Fehler der Bedarf einer Zellsymmetrierung ∆SOC(Zelle_i)_Bal, wobei beide Kästchen zusammen den Bedarf inklusive dem Fehler ∆SOC(Zelle_i)_Mess + ∆(∆SOC(Zelle_i)) zeigen.
In der 3b sind wiederum auf der x-Achse die acht Batteriezellen dargestellt, wobei auf der y-Achse der Ladezustand SOC in % angegeben ist. Dabei sind nunmehr lediglich die auszugleichenden Ladezustände ∆SOC(Zelle_i)_Bal ohne den jeweiligen Fehler gezeigt.
Die Unsicherheit in der Messung beziehungsweise das Fehlerpotential ∆(∆SOC(Zelle_i)) kann auch gewichtet in die Berechnung des Bedarfs einbezogen werden, etwa unter Zuhilfenahme eines Gewichtungsfaktors: ∆SOC(Zelle_i)_Bal = ∆SOC(Zelle_i)_Mess – ∆(∆SOC(Zelle_i))·Faktor
Wird ein Faktor als Gewichtungsfaktor gewählt, der kleiner als 1 und größer 0 ist, wird mit einem Risiko symmetriert, welches proportional zu dem Faktor ist, und wobei in einem begrenzten Maße unnötiger Ladungsausgleich in Kauf genommen wird. Dieses Risiko kann jedoch abgeschwächt werden und kann für die Lebensdauerprognose der Ausgleichswiderstände berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0099746 A1 [0005]
CN 102231546 A [0006]

Claims

Verfahren zum Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer ersten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen; b) Bestimmen eines Fehlerpotentials einer zweiten Methode zum Ermitteln des Bedarfs eines Ausgleichens der Ladezustände der Mehrzahl an Batteriezellen, wobei die zweite Methode von der ersten Methode verschieden ist; c) Vergleichen der in den Verfahrensschritten a) und b) bestimmten Fehlerpotentiale; und d) Ausgleichen der Ladezustände einer Mehrzahl von Batteriezellen auf Basis des Bedarfs, der durch die Methode mit dem niedrigeren Fehlerpotential ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarf zum Ausgleichen der Ladezustände bei der ersten Methode unmittelbar aus den Ladezuständen der Batteriezellen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarf zum Ausgleichen der Ladezustände bei der zweiten Methode auf Basis der Selbstentladungsraten der Batteriezellen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor berücksichtigt wird, der auf dem Alterungszustand der Batteriezelle basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlerpotential bestimmt wird nach einer Methode der Fehlerfortpflanzung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bedarf für ein Ausgleichen des Ladezustands der Batteriezellen ermittelt wird bei einem Starten eines Batteriesystems.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt d) erfolgt durch das gezielte Entladen von wenigstens einer Batteriezelle über einen Entladewiderstand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ermittelte Fehlerpotential bei Verfahrensschritt d) berücksichtigt wird.
Batteriesystem, aufweisend ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, wobei durch das Batteriesystem ferner der Ladezustand der Batteriezellen und die Selbstentladungsrate der Batteriezellen ermittelbar sind und wobei durch das Batteriesystem ferner die Ladezustände der Batteriezellen ausgleichbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem Entladewiderstände zum selektiven Entladen einzelner Batteriezellen aufweist.