DE102016225988A1 - Method and system for detecting fault currents in memory cells - Google Patents

Method and system for detecting fault currents in memory cells Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit. Es sind die folgenden Schritte vorgesehen:- fortlaufendes Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes der Speicherzellen zu einem festgelegten Zeitpunkt im jeweiligen Arbeitszyklus der Energiespeichereinheit (S1.1);- Ermitteln einer relativen Kapazität einer jeweiligen Speicherzelle (S1.2);- Prognostizieren des Ladungszustandes zumindest einer der Speicherzellen zu dem festgelegen Zeitpunkt eines bestimmten Zyklus mittels der ermittelten relativen Kapazitäten der Speicherzellen (S4.1); und- Erkennen eines Fehlstroms bei der zumindest einen Speicherzelle durch Vergleich des ermittelten Ladungszustandes mit dem prognostizierten Ladungszustand der zumindest einen Speicherzelle zu dem festgelegten Zeitpunkt des bestimmten Zyklus (S4.2).Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Erkennungssystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The present invention relates to a method for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electrical energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit. The following steps are provided: - continuously determining the respective state of charge of the memory cells at a fixed point in time in the respective operating cycle of the energy storage unit (S1.1), - determining a relative capacity of a respective memory cell (S1.2), - predicting the state of charge of at least one the memory cells at the fixed time of a certain cycle by means of the determined relative capacities of the memory cells (S4.1); and detecting a fault current in the at least one memory cell by comparing the determined charge state with the predicted state of charge of the at least one memory cell at the predetermined time of the particular cycle (S4.2). The invention further relates to a corresponding detection system and a corresponding computer program product.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Erkennungssystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electric energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit. The invention further relates to a corresponding recognition system and a corresponding computer program product.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Dokument EP 2 336 794 A2 ist ein Verfahren zum Erfassen eines Leckstroms einer Batterie mittels eines potentialfreien Kondensators zur Spannungsdetektion an den Anschlüssen der Batterie bekannt. Auf Basis der detektierten Spannung wird ein Ableitwiderstand berechnet, der mit einem Isolationswiderstandsrichtwert verglichen wird um zu ermitteln, ob ein entsprechender Ableit- bzw. Leckstrom auftritt.From the document EP 2 336 794 A2 For example, a method of detecting a leakage current of a battery by means of a floating capacitor for detecting voltage at the terminals of the battery is known. Based on the detected voltage, a leakage resistance is calculated, which is compared with an insulation resistance reference value to determine whether a corresponding leakage current occurs.

Batterien werden in Fahrzeugen vielfach als Stromquellen eingesetzt. In Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen kommen hauptsächlich Li-Ionen-Batterien zum Einsatz. Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden in der Regel mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Üblicherweise werden mehrere Zellen zu einem Modul und mehrere Module zu einem Pack zusammengefasst. Um die Sicherheit zu erhöhen, werden die Batteriepacks und die Module mit einer umfangreichen Elektronik ausgestattet. Mit Hilfe von Sensoren werden verschiedene physikalische Größen wie der Strom, Spannungen und Temperaturen erfasst. Unter anderem beinhaltet die Elektronik einen oder mehrere Controller, auf denen ein Batteriemanagementsystem implementiert wird. Ein Batteriemanagementsystem besteht aus verschiedenen Software-Algorithmen, in denen unter anderem Grenzwerte für die zugelassenen Ströme und Spannungen berechnet werden. Eine weitere wichtige Aufgabe eines Batteriemanagementsystems ist die Erkennung von Fehlern in einer Batteriezelle oder in der Elektronik.Batteries are often used in vehicles as power sources. In hybrid and electric vehicles mainly Li-ion batteries are used. In order to achieve a higher voltage, several cells are usually connected in series. Typically, multiple cells are combined into one module and multiple modules are packaged. To increase safety, the battery packs and modules are equipped with extensive electronics. With the help of sensors different physical quantities like the current, voltages and temperatures are detected. Among other things, the electronics include one or more controllers on which a battery management system is implemented. A battery management system consists of various software algorithms, which among other things calculate limits for the permitted currents and voltages. Another important task of a battery management system is the detection of faults in a battery cell or in the electronics.

Eine Klasse von Fehlern sind interne Kurzschlüsse. Wird ein interner Kurzschluss nicht rechtzeitig erkannt, so kann sich der Schaden an der Zelle vergrößern. Im Extremfall kommt es zu einem sogenannten „thermal runaway“. Dabei erwärmt sich die Zelle sehr stark und geht schließlich in Flammen auf.One class of errors are internal shorts. If an internal short circuit is not detected in time, the damage to the cell may increase. In extreme cases, there is a so-called "thermal runaway". The cell heats up very much and finally goes up in flames.

Es gibt unterschiedliche Typen interner Kurzschlüsse, die sich unterschiedlich schnell entwickeln und sich auf verschiedene Weise auf die Dynamik der Batterie auswirken. Von einem Typ sind die sogenannten langsamen Kurzschlüsse. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sich die Selbstentladungsrate einer Batterie erhöht. Die Selbstentladung führt zu einem langsamen Rückgang des Ladezustands (SOC = state of charge). Eine langsame Selbstentladung ist schwierig zu detektieren:There are different types of internal short circuits that develop at different rates and affect the dynamics of the battery in different ways. Of one type are the so-called slow shorts. These are characterized in that the self-discharge rate of a battery increases. The self-discharge leads to a slow decrease of the state of charge (SOC). Slow self-discharge is difficult to detect:

Wird die Batterie durch einen externen Verbraucher entladen oder mit Hilfe einer externen Stromquelle geladen, beispielsweise während einer Fahrzeugfahrt, dann fließen in der Batterie deutlich höhere Ströme. Der Ladezustand SOC einer Batterie wird üblicherweise mit Hilfe eines Algorithmus zur Batteriezustandserkennung abgeschätzt. Es gibt viele verschiedene Verfahren zur Bestimmung des SOC. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass sie nur eine begrenzte Genauigkeit besitzen. Wird nach einer Belastung, z.B. einem Laden, Entladen oder einem gesamten Fahrzyklus, die Batterie von externen Stromquellen sowie Verbrauchern getrennt, so stellt sich nach einiger Zeit für jede Zelle eine Ruhespannung (OCV: Open Circuit Voltage) ein. Aufgrund von chemischen und physikalischen Prozessen in einer Zelle verändert sich die Zellspannung aber häufig noch über mehrere Stunden, nachdem ein Strom durchgeflossen ist. Die Spannung kann außerdem nur mit einer begrenzten Messgenauigkeit bestimmt werden. Eine erhöhte Selbstentladung führt zu einem langsamen Spannungsabfall der Zelle. Aus den genannten Gründen ist es sehr schwierig, den Spannungsabfall durch eine erhöhte Selbstentladung von anderen Phänomenen zu unterscheiden und damit einen langsamen Kurzschluss zu erkennen.If the battery is discharged by an external consumer or charged by means of an external power source, for example during a vehicle journey, then significantly higher currents flow in the battery. The state of charge SOC of a battery is usually estimated using a battery state detection algorithm. There are many different methods for determining the SOC. Common to this method is that they have only limited accuracy. If, after a load, e.g. A charge, discharge or a whole drive cycle, the battery separated from external power sources and consumers, so after some time for each cell, a quiescent voltage (OCV: Open Circuit Voltage). However, due to chemical and physical processes in a cell, the cell voltage often changes over several hours after a current has passed through it. In addition, the voltage can only be determined with a limited measuring accuracy. An increased self-discharge leads to a slow voltage drop of the cell. For these reasons, it is very difficult to distinguish the voltage drop by an increased self-discharge of other phenomena and thus to detect a slow short circuit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und das erfindungsgemäße System mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass sie das Erkennen eines langsamen Rückgangs des Ladezustands aufgrund von Fehlströmen in Zellen ermöglichen.The inventive method with the features mentioned in claim 1 and the inventive system with the features mentioned in claim 8 has the advantage that they allow the detection of a slow decline of the state of charge due to fault currents in cells.

Bei dem Verfahren zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer mehrere Arbeitszyklen durchlaufenden wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit, sind erfindungsgemäß die folgenden Schritte vorgesehen:

  1. (i) fortlaufendes Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes SOC der Speicherzellen zu einem festgelegten Zeitpunkt im jeweiligen Arbeitszyklus der Energiespeichereinheit;
  2. (ii) Ermitteln einer relativen Kapazität crel einer jeweiligen Speicherzelle;
  3. (iii) Prognostizieren des Ladungszustandes zumindest einer der Speicherzellen zu dem festgelegen Zeitpunkt t2 eines bestimmten Zyklus mittels der ermittelten relativen Kapazitäten crel der Speicherzellen; und
  4. (iv) Erkennen eines Fehlstroms bei der zumindest einen Speicherzelle durch Vergleich des ermittelten Ladungszustandes mit dem prognostizierten Ladungszustand der zumindest einen Speicherzelle zu dem festgelegten Zeitpunkt t2 des bestimmten Zyklus. Optional schließt sich (v) eine Ausgabe eines entsprechenden Ausgabewertes an, was im einfachsten Fall das Versenden einer Information über das Erkennen des Fehlstroms nach außen ist. Die Einheit kann ein Modul, z.B. ein Batteriemodul, oder ein Pack, z.B. ein Batteriepack, sein.
In the method for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electric energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit, which passes through several working cycles, the following steps are provided according to the invention:
  1. (i) continuously determining the respective state of charge SOC of the memory cells at a predetermined time in the respective operating cycle of the energy storage unit;
  2. (ii) determining a relative capacitance c rel of a respective memory cell;
  3. (iii) predicting the state of charge of at least one of the memory cells at the fixed time t 2 of a particular cycle by means of the determined relative capacitances c rel of the memory cells; and
  4. (iv) detecting a fault current in the at least one memory cell by comparing the determined state of charge with the predicted state of charge of the at least one memory cell at the predetermined time t 2 of the particular cycle. Optionally, (v) is followed by an output of a corresponding output value, which in the simplest case is the sending of information about the detection of the fault current to the outside. The unit may be a module, eg a battery module, or a pack, eg a battery pack.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich die relative Kapazität crel der jeweiligen Speicherzelle j beim Schritt zu deren Bestimmung durch eine Bestimmung eines die relative Kapazität crel der jeweiligen Speicherzelle j angebenden Verhältnisses der Veränderung des Ladungszustandes SOC dieser Speicherzelle zwischen dem festgelegten Zeitpunkt t2 eines der Zyklen, also Zyklus k, und dem festgelegten Zeitpunkt t1 eines diesem Zyklus vorangegangenen Zyklus k-1 zu der Veränderung des Ladungszustandes SOC einer als Referenzzelle i definierten Speicherzelle der Einheit zwischen dem festgelegten Zeitpunkt t2 des einen der Zyklen, also Zyklus k, und dem festgelegten Zeitpunkt t1 des diesem Zyklus k vorangegangenen Zyklus k-1 ergibt. Mit anderen Worten ergibt sich die Kapazität crel der jeweiligen Speicherzelle j gemäß folgender Gleichung: c r e l , j ( k ) = N × S O C j ( k ) S O C j ( k 1 ) j S O C j ( k ) S O C j ( k 1 )

Figure DE102016225988A1_0001
According to a preferred embodiment of the invention, the relative capacitance c rel of the respective memory cell j results in the step of determining it by determining a ratio of the change in the state of charge SOC of this memory cell between the specified instant t 2, indicating the relative capacitance c rel of the respective memory cell j one of the cycles, ie cycle k, and the fixed point in time t 1 of a cycle k-1 preceding this cycle, to change the state of charge SOC of a memory cell of the unit defined as reference cell i between the specified time t 2 of one of the cycles, ie cycle k , and the fixed time t 1 of the cycle k-1 preceding this cycle k. In other words, the capacitance c rel of the respective memory cell j is given by the following equation: c r e l . j ( k ) = N × S O C j ( k ) - S O C j ( k - 1 ) Σ j S O C j ( k ) - S O C j ( k - 1 )
Figure DE102016225988A1_0001

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Prognose des Ladungszustandes der jeweiligen Speicherzelle zum festgesetzten Zeitpunkt des einen Zyklus gemäß folgender Gleichung ergibt: S O C j , P r o g ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c r e l , j × ( S O C i ( t 2 ) S O C i ( t 1 ) )

Figure DE102016225988A1_0002
According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the prediction of the state of charge of the respective memory cell at the fixed point in time of the one cycle results according to the following equation: S O C j . P r O G ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c r e l . j × ( S O C i ( t 2 ) - S O C i ( t 1 ) )
Figure DE102016225988A1_0002

Dabei ist SOCj, Prog der prognostizierte Ladungszustand der jeweiligen Speicherzelle und SOCi der bestimmte Ladungszustand der Referenzelle.In this case, SOC j, Prog is the predicted state of charge of the respective memory cell and SOC i is the specific state of charge of the reference cell.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der jeweilige Ladungszustand SOC der Speicherzellen j zum festgelegten Zeitpunkt t2 gemäß folgender Gleichung ergibt: S O C j ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c j × I d t + k o n s t × Ι K u r z s c h l u s s , j d t + Δ M o d e l l u n d   M e s s f e h l e r

Figure DE102016225988A1_0003
According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the respective charge state SOC of the memory cells j at the fixed time t 2 is given by the following equation: S O C j ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c j × I d t + k O n s t × Ι K u r z s c H l u s s . j d t + Δ M O d e l l - u n d M e s s f e H l e r
Figure DE102016225988A1_0003

Dabei ist I der Strom, Ikurzschluss,j ein Kurzschlussstrom, konst eine Konstante und ΔModell- und Messfehler eine Unschärfe aufgrund von Modell- und Messfehlern.In this case, I is the current, I short circuit, j a short-circuit current, const a constant and Δ model and measurement errors a blur due to model and measurement errors.

Es ist weiterhin mit Vorteil vorgesehen, dass das Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes SOC der Speicherzellen durch Messung der jeweiligen Ruhe- bzw. Leerlaufspannung (OCV: open circuit voltage) erfolgt.It is further provided with advantage that the determination of the respective charge state SOC of the memory cells by measuring the respective idle or open circuit voltage (OCV: open circuit voltage) takes place.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Arbeitszyklus (a) ein Lade-/Entladezyklus der wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit oder ein Fahrzyklus der wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit eines Fahrzeugs.According to a further preferred embodiment of the invention, the duty cycle is (a) a charge / discharge cycle of the rechargeable electric energy storage unit or a driving cycle of the rechargeable electric energy storage unit of a vehicle.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Fehlstrom ein Energiespeichereinheits- oder Speicherzellen-interner Kurzschlussstrom.According to yet another preferred embodiment of the invention, the fault current is an energy storage unit or memory cell internal short-circuit current.

Bei dem entsprechenden System zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das System zur Durchführung der folgenden Schritte eingerichtet ist:

  1. (i) fortlaufendes Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes SOC der Speicherzellen zu einem festgelegten Zeitpunkt im jeweiligen Arbeitszyklus der Energiespeichereinheit;
  2. (ii) Ermitteln einer relativen Kapazität crel einer jeweiligen Speicherzelle;
  3. (iii) Prognostizieren des Ladungszustandes zumindest einer der Speicherzellen zu dem festgelegen Zeitpunkt t2 eines bestimmten Zyklus mittels der ermittelten relativen Kapazitäten crel der Speicherzellen;
  4. (iv) Erkennen eines Fehlstroms bei der zumindest einen Speicherzelle durch Vergleich des ermittelten Ladungszustandes mit dem prognostizierten Ladungszustand der zumindest einen Speicherzelle zu dem festgelegten Zeitpunkt t2 des bestimmten Zyklus; und
  5. (v) Ausgabe eines entsprechenden Ausgabewertes.
In the corresponding system for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electrical energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit, it is provided according to the invention that the system is set up to carry out the following steps:
  1. (i) continuously determining the respective state of charge SOC of the memory cells at a predetermined time in the respective operating cycle of the energy storage unit;
  2. (ii) determining a relative capacitance c rel of a respective memory cell;
  3. (iii) predicting the state of charge of at least one of the memory cells at the fixed time t 2 of a particular cycle by means of the determined relative capacitances c rel of the memory cells;
  4. (iv) detecting a fault current in the at least one memory cell by comparing the detected charge state with the predicted state of charge of the at least one memory cell at the specified time t 2 of the particular cycle; and
  5. (v) Output of a corresponding output value.

Das System ist insbesondere ein System zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.The system is in particular a system for carrying out the aforementioned method.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist dieses System eine Computereinrichtung mit

  1. (a) einem Prozessor,
  2. (b) zumindest einem Datenspeicher und
  3. (c) zumindest einer Schnittstelle auf.
According to a preferred embodiment of the system according to the invention, this system has a computer device
  1. (a) a processor,
  2. (b) at least one data store and
  3. (c) at least one interface.

Die Computereinrichtung weist diese Komponenten bevorzugt zur Durchführung der vorgenannten Schritte auf.The computer device preferably has these components for carrying out the aforementioned steps.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens auf einer einen Prozessor und einen Datenspeicher umfassenden Computereinrichtung.The invention further relates to a computer program product for carrying out the aforementioned method on a computer device comprising a processor and a data memory.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch das folgende Ausführungsbeispiel und die sich anschließende Zeichnung 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 Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the following embodiment and the accompanying drawings and described in the following description, the features described individually or in any combination may be an object of the present invention, insofar as not from the context clearly gives the opposite. It should be noted that the drawing has only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way.

Beispiel:Example:

In einer Ruhephase, bei der kein Strom fließt, wird nach einer angemessenen Wartezeit der Ladezustand jeder Zelle bestimmt und gespeichert. Nach der nächsten Belastungsphase werden die Ladezustände erneut bestimmt und für jede Zelle die Differenz gebildet. Für eine größere Zahl von Zellen, z.B. die Zellen in einem Modul oder Pack, wird die OCV (open circuit voltage) jeder Zelle im Pack oder Modul bestimmt und daraus der SOC berechnet. Zu einem späteren Zeitpunkt, bei dem die OCV mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wie z.B. am Ende des Fahrzyklus oder eines anderen Arbeitszyklus, werden die SOC-Werte erneut mit Hilfe der OCV bestimmt. Die SOC-Differenz ist für jede Zelle proportional zur Ladungsmenge, die insgesamt entnommen oder hinzugefügt wurde. Der SOC einer Zelle j zum Zeitpunkt k berechnet sich auf folgende Weise: S O C j ( k ) = S O C j ( k 1 ) + c j × I d t + k o n s t × Ι K u r z s c h l u s s , j d t + Δ S O C r e l a x

Figure DE102016225988A1_0004
In a resting phase in which no current flows, the state of charge of each cell is determined and stored after a reasonable waiting time. After the next load phase, the charge states are determined again and the difference is formed for each cell. For a larger number of cells, eg the cells in a module or pack, the OCV (open circuit voltage) of each cell in the pack or module is determined and from this the SOC is calculated. At a later time, when the OCV can be determined with high accuracy, such as at the end of the drive cycle or other duty cycle, the SOC values are again determined using the OCV. The SOC difference for each cell is proportional to the total amount of charge taken or added. The SOC of a cell j at time k is calculated in the following way: S O C j ( k ) = S O C j ( k - 1 ) + c j × I d t + k O n s t × Ι K u r z s c H l u s s . j d t + Δ S O C r e l a x
Figure DE102016225988A1_0004

Die Größe cj kennzeichnet die Kapazität einer Zelle j. Der Strom IKurzschluss,j ist für eine „gesunde“ Zelle sehr klein und kann vernachlässigt werden. Im Mittelwert spielt diese Größe für eine Zelle, welche keinen Defekt aufweist, nur eine untergeordnete Rolle. Abhängig von der Dynamik des Stroms in der letzten Lastphase und der verstrichenen Wartezeit enthält der SOC noch einen Offset ΔSOCrelax zur Ruhespannung OCV.The quantity c j denotes the capacity of a cell j. The current I short circuit, j is very small for a "healthy" cell and can be neglected. On average, this size plays only a minor role for a cell which has no defect. Depending on the dynamics of the current in the last load phase and the elapsed waiting time, the SOC also contains an offset ΔSOC relax to the rest voltage OCV.

Mit Hilfe der folgenden Rechenvorschrift wird für jede Zelle eine relative Kapazität bestimmt: c r e l , j ( k ) = N × S O C j ( k ) S O C j ( k 1 ) j S O C j ( k ) S O C j ( k 1 )

Figure DE102016225988A1_0005
Using the following calculation rule, a relative capacity is determined for each cell: c r e l . j ( k ) = N × S O C j ( k ) - S O C j ( k - 1 ) Σ j S O C j ( k ) - S O C j ( k - 1 )
Figure DE102016225988A1_0005

N ist die Zahl der Zellen.N is the number of cells.

Die Größen crel,j (k) werden abgespeichert. Zusätzlich werden die Zellspannungen am Ende der Ruhephase gespeichert und in der nächsten Phase die Werte crel,j (k) erneut berechnet. Für jede Zelle wird der Wert crel,j über mehrere Zyklen hinweg auf geeignete Weise gefiltert. Über längere Zeit wird die Streuung der Werte zwischen den Zellen Δj crel,j sowie die Streuung einer Zelle Δk crel,j (k) über viele Zyklen hinweg betrachtet.The quantities c rel, j (k) are stored. In addition, the cell voltages are stored at the end of the quiescent phase and the values c rel, j (k) are recalculated in the next phase. For each cell, the value c rel, j is filtered appropriately over several cycles. For a long time, the scattering of the values between the cells Δ j c rel, j and the scattering of a cell Δ k c rel, j (k) over many cycles is considered.

Nach Gleichung (1) und (2) kann der SOC einer Zelle, welche keinen Fehler aufweist, mit Hilfe des eingelernten Wertes crel,j prognostiziert werden. Dazu müssen die SOC-Werte aller anderen Zellen bekannt sein: S O C j , Pr o g ( k ) = S O C j ( k 1 ) + c r e l a t i v , j × ( i j S O C i ( k ) S O C i ( k 1 ) ) N 1

Figure DE102016225988A1_0006
According to Equations (1) and (2), the SOC of a cell having no error can be predicted with the aid of the learned value c rel, j . For this, the SOC values of all other cells must be known: S O C j . pr O G ( k ) = S O C j ( k - 1 ) + c r e l a t i v . j × ( Σ i j S O C i ( k ) - S O C i ( k - 1 ) ) N - 1
Figure DE102016225988A1_0006

Aufgrund der Messungenauigkeit und verschiedener anderer Effekte weicht der prognostizierte Wert vom tatsächlich gemessenen Wert ab. Mit Hilfe der relativen Streuungen Δk crel,j (k) und Δj crel,j, welche in früheren Messungen bestimmt wurden, kann die statistische Ungenauigkeit der Prognose angegeben werden: Δ S O C j , Pr o g ( k ) = max ( Δ j c r e l a t i v , j , Δ k c r e l a t i v , j ( k ) × ( i j S O C i ( k ) S O C i ( k 1 ) ) N 1

Figure DE102016225988A1_0007
Due to the measurement inaccuracy and various other effects, the predicted value deviates from the actually measured value. With the help of the relative variations Δ k rel c, j (k) and Δ j c rel, j which have been determined in previous measurements, the statistical uncertainty of the prediction can be specified: Δ S O C j . pr O G ( k ) = Max ( Δ j c r e l a t i v . j . Δ k c r e l a t i v . j ( k ) × ( Σ i j S O C i ( k ) - S O C i ( k - 1 ) ) N - 1
Figure DE102016225988A1_0007

Falls die Abweichung deutlich größer ist als die zu erwartende statistische Streuung, dann ist dies nach Formel (1) ein Hinweis auf einen erhöhten Leckstrom bzw. Kurzschlussstrom IKurzschluss,j. Dies bedeutet, für die Zelle j wird ein Fehler ausgegeben, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: S O C j , Pr o g n o s e ( k ) S O C j ( k ) > > Δ S O C j , Pr o g n o s e ( k )

Figure DE102016225988A1_0008
If the deviation is significantly greater than the expected statistical dispersion, then this is according to formula (1) an indication of an increased leakage current or short-circuit current I short-circuit, j . This means that cell j will fail if the following condition is true: S O C j . pr O G n O s e ( k ) - S O C j ( k ) > > Δ S O C j . pr O G n O s e ( k )
Figure DE102016225988A1_0008

Konkrete Ausführungsform des Beispiels:Concrete Embodiment of the Example:

Zur Veranschaulichung betrachten wir ein Modul aus 4 Zellen. Die Ladezustände der Zellen werden in drei Ruhephasen betrachtet und ergeben folgende Werte: Index j der Zelle SOC in 1. Ruhephase SOC in 2. Ruhephase SOC in 3. Ruhephase 1 20% 80% 30% 2 21% 82% 20% 3 20.5% 84% 31% 4 20.5% 80% 30% By way of illustration we consider a module of 4 cells. The charge states of the cells are considered in three phases of rest and give the following values: Index j of the cell SOC in 1st resting phase SOC in 2nd resting phase SOC in 3rd resting phase 1 20% 80% 30% 2 21% 82% 20% 3 20.05% 84% 31% 4 05.20% 80% 30%

Während der zweiten Ruhephase werden folgende Wert für die relativen Kapazitäten berechnet: Index j der Zelle crel,j (1) 1 4 × 80 20 ( 80 20 ) + ( 82 21 ) + ( 84 20.5 ) + ( 80 20.5 ) = 0.9836

Figure DE102016225988A1_0009
2 82 21 ( 80 20 ) + ( 82 21 ) + ( 84 20.5 ) + ( 80 20.5 ) = 1
Figure DE102016225988A1_0010
3 84 20.5 ( 80 20 ) + ( 82 21 ) + ( 84 20.5 ) + ( 80 20.5 ) = 1.0498
Figure DE102016225988A1_0011
4 80 20.5 ( 80 20 ) + ( 82 21 ) + ( 84 20.5 ) + ( 80 20.5 ) = 1.0098
Figure DE102016225988A1_0012
During the second rest period, the following values are calculated for the relative capacities: Index j of the cell c rel, j (1) 1 4 × 80 - 20 ( 80 - 20 ) + ( 82 - 21 ) + ( 84 - 20.5 ) + ( 80 - 20.5 ) = 0.9836
Figure DE102016225988A1_0009
2 82 - 21 ( 80 - 20 ) + ( 82 - 21 ) + ( 84 - 20.5 ) + ( 80 - 20.5 ) = 1
Figure DE102016225988A1_0010
3 84 - 20.5 ( 80 - 20 ) + ( 82 - 21 ) + ( 84 - 20.5 ) + ( 80 - 20.5 ) = 1.0498
Figure DE102016225988A1_0011
4 80 - 20.5 ( 80 - 20 ) + ( 82 - 21 ) + ( 84 - 20.5 ) + ( 80 - 20.5 ) = 1.0098
Figure DE102016225988A1_0012

Die Streuung Δcrel liegt bei 0.0498.The scatter Δc rel is 0.0498.

Für die dritte Ruhephase wird auf dieser Grundlage für Zelle 2 folgender SOC-Wert prognostiziert: S O C 2, Pr o g ( 3 ) = S O C j ( 2 ) + 1 × ( 30 80 ) + ( 31 84 ) + ( 30 80 ) 3 = 31 % .

Figure DE102016225988A1_0013
For the third sleep phase, the following SOC value is predicted for cell 2 on this basis: S O C 2, pr O G ( 3 ) = S O C j ( 2 ) + 1 × ( 30 - 80 ) + ( 31 - 84 ) + ( 30 - 80 ) 3 = 31 % ,
Figure DE102016225988A1_0013

Die geschätzte statistische Abweichung beträgt: Δ S O C 2, Pr o g ( 3 ) = 0.0498 × ( 30 80 ) + ( 31 84 ) + ( 30 80 ) 3 = 2,5 %

Figure DE102016225988A1_0014
The estimated statistical variance is: Δ S O C 2, pr O G ( 3 ) = 0.0498 × ( 30 - 80 ) + ( 31 - 84 ) + ( 30 - 80 ) 3 = 2.5 %
Figure DE102016225988A1_0014

Die tatsächliche Abweichung liegt bei31%-20% = 11% und ist damit deutlich größer als die statistische Abweichung. Dies deutet auf einen Defekt bei Zelle 2 hin.The actual deviation is31% -20% = 11%, which is significantly larger than the statistical deviation. This indicates a defect in cell 2.

Im Folgenden soll die Anwendung des Verfahrens zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit in dem zuvor beschriebenen Beispiel in einer Figur visualisiert werden.In the following, the application of the method for detecting spurious currents in memory cells of a rechargeable electrical energy storage unit in the example described above is to be visualized in a figure.

Es zeigt die

  • 1 ein Blockschaltbild des Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
It shows the
  • 1 a block diagram of the method according to a preferred embodiment.

Die 1 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens im Rahmen des zuvor behandelten Beispiels in einem Blockschaltbild, welches vier Schritte S1, S2, S3, S4 umfasst. Dabei umfasst sowohl Schritt S1 zwei Teilschritte S1.1, S1.2 als auch Schritt S4 zwei Teilschritte S4.1, S4.2.The 1 shows the schematic sequence of the method in the context of the previously discussed example in a block diagram, which comprises four steps S1, S2, S3, S4. In this case, both step S1 comprises two substeps S1.1, S1.2 and step S4 comprises two substeps S4.1, S4.2.

In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob der Strom I eingeschaltet ist. Dazu wird, falls kein Strom fließt (I = 0), gewartet bis Strom fließt (I > 0). Dadurch wird im Beispiel der Start des Arbeitszyklus festgelegt. Dieser ergibt sich im Beispiel also als Beginn des Entladezyklus bzw. Fahrzyklus. Vor dem Einschalten des Stroms, insbesondere unmittelbar vor Einschalten des Stroms sollten die Ladezustandswerte (SOC-Werte) bestimmt und gegebenenfalls gespeichert werden - Teilschritt S1.1. Anschließend Ermitteln/Berechnen der relativen Kapazität crel, insbesondere mit einer Filterung der bereits „gelernten“ Werte. - Teilschritt S1.2.In step S1, it is first checked whether the current I is turned on. If no current flows (I = 0), wait until current flows (I> 0). This sets the start of the work cycle in the example. This results in the example so as the beginning of the discharge cycle or driving cycle. Before the current is switched on, in particular immediately before the current is switched on, the state of charge values (SOC values) should be determined and, if necessary, stored - substep S1.1. Subsequently, determining / calculating the relative capacity c rel , in particular with a filtering of the already "learned" values. - Sub-step S1.2.

Im Schritt S2 wird das Ende des Entlade- bzw. Fahrteils des Arbeitszyklus bestimmt. Dazu wird bei einem Strom > 0 so lange gewartet, bis der Strom = 0 ist.In step S2, the end of the unloading portion of the duty cycle is determined. To do this, wait for a current> 0 until the current = 0.

Im Schritt S3 wird noch eine Relaxationszeit eingeführt. Dazu wird für den Fall, dass der Strom = 0 ist noch solange abgewartet, bis die vordefinierte Relaxationszeit, beispielsweise eine Stunde (1h) erreicht ist.In step S3, a relaxation time is introduced. For this purpose, in the event that the current = 0 is still waiting until the predefined relaxation time, for example one hour ( 1h ) is reached.

In Schritt S4 werden dann in einem ersten Teilschritt S4.1 die SOC-Werte - basierend auf den relativen Kapazitäten crel - prognostiziert und anschließend in einem zweiten Teilschritt S4.2 die Diagnose durchgeführt.In step S4, the SOC values-based on the relative capacities c rel -are then predicted in a first sub-step S4.1, and then the diagnosis is carried out in a second sub-step S4.2.

Im Folgenden soll der Kern der Erfindung noch einmal mit anderen Worten anhand einer mehrere Zellen aufweisenden Batterie beschrieben werden: In the following, the core of the invention will be described again in other words with reference to a battery having multiple cells:

Über mehrere Zyklen aus Ruhe und Belastung hinweg werden die Ruhespannungen mehrere Batteriezellen, z.B. alle Zellen in einem Modul oder einem Pack, gemessen. Durch einen statistischen Vergleich der Zellen werden die relativen Kapazitäten der Zellen bestimmt. Nach einer Belastungsphase, z.B. Laden, Entladen oder Fahrzyklus, wird in der anschließenden Ruhephase einige Zeit gewartet und anschließend der mittlere SOC der Zellen bestimmt. Mit Hilfe der eingelernten relativen Kapazitäten und der abgespeicherten Ladezustände am Ende der letzten Ruhephase kann für jede Zelle der SOC abgeschätzt werden. Ist die Differenz zwischen dem abgeschätzten Wert und dem tatsächlichen Wert zu groß, so deutet dies auf eine erhöhte Selbstentladung bzw. auf Leckströme hin.Over several cycles of rest and stress, the quiescent voltages become several battery cells, e.g. all cells in a module or pack, measured. A statistical comparison of the cells determines the relative capacities of the cells. After a loading phase, e.g. Charging, discharging or driving cycle, is waited in the subsequent resting phase for some time and then determines the average SOC of the cells. With the aid of the learned relative capacities and the stored charging states at the end of the last rest phase, the SOC can be estimated for each cell. If the difference between the estimated value and the actual value is too large, this indicates increased self-discharge or leakage currents.

Im Gegensatz zu gängigen Verfahren zur Bestimmung des Alterungs- oder Gesundheitszustands (state of health: SOH_C), welcher die verbliebenen Restkapazitäten bestimmt, ist dieses Verfahren unabhängig von der Strommessung und somit auch unabhängig von der Messgenauigkeit der Strommessung.In contrast to common methods for determining the state of health (SOH_C), which determines the remaining capacity, this method is independent of the current measurement and thus independent of the measurement accuracy of the current measurement.

Der Betrag, um den sich die Ladezustände während einer Relaxationsphase ändern, ist für alle Zellen ähnlich groß. Dieser systematische Fehler wird durch die relative Betrachtung der Ladezustände eliminiert.The amount by which the charge states change during a relaxation phase is similar for all cells. This systematic error is eliminated by the relative consideration of the states of charge.

Die gelernten relativen Zellkapazitäten ändern sich aufgrund der Batteriealterung nur sehr langsam. Diese Werte ändern sich langsamer als der SOH_C des Moduls/Packs. Systematische Effekte, welche alle Zellen gleichermaßen betreffen, werden auch hier eliminiert.The learned relative cell capacities change only very slowly due to the battery aging. These values change more slowly than the SOH_C of the module / pack. Systematic effects that affect all cells equally are also eliminated here.

Durch die Erfassung mehrere Zellen und die Betrachtung über einen längeren Zeitraum kann die Streuung der relativen Zellkapazitäten erfasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, signifikante Änderungen von zufälligem Rauschen zu unterscheiden.By capturing multiple cells and looking over a longer period of time, the scatter of relative cell capacities can be detected. In this way it is possible to distinguish significant changes from random noise.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2336794 A2 [0002]EP 2336794 A2 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit, mit den folgenden Schritten: - fortlaufendes Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes der Speicherzellen zu einem festgelegten Zeitpunkt im jeweiligen Arbeitszyklus der Energiespeichereinheit (S1.1); - Ermitteln einer relativen Kapazität einer jeweiligen Speicherzelle (S1.2); - Prognostizieren des Ladungszustandes zumindest einer der Speicherzellen zu dem festgelegen Zeitpunkt eines bestimmten Zyklus mittels der ermittelten relativen Kapazitäten der Speicherzellen (S4.1); und - Erkennen eines Fehlstroms bei der zumindest einen Speicherzelle durch Vergleich des ermittelten Ladungszustandes mit dem prognostizierten Ladungszustand der zumindest einen Speicherzelle zu dem festgelegten Zeitpunkt des bestimmten Zyklus (S.4.2).A method for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electrical energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit, comprising the following steps: - continuously determining the respective state of charge of the memory cells at a predetermined time in the respective operating cycle of the energy storage unit (S1.1); Determining a relative capacity of a respective memory cell (S1.2); - predicting the state of charge of at least one of the memory cells at the fixed point in time of a particular cycle by means of the determined relative capacities of the memory cells (S4.1); and Detecting a fault current in the at least one memory cell by comparing the determined charge state with the predicted state of charge of the at least one memory cell at the specified point in time of the particular cycle (S.4.2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die relative Kapazität der jeweiligen Speicherzelle durch die Bestimmung eines Verhältnisses der Veränderung des Ladungszustandes dieser Speicherzelle zwischen dem festgelegten Zeitpunkt eines der Zyklen und dem festgelegten Zeitpunkt eines diesem Zyklus vorangegangenen Zyklus zu der Veränderung des Ladungszustandes einer als Referenzzelle definierten Speicherzelle der Einheit zwischen dem festgelegten Zeitpunkt des einen der Zyklen und dem festgelegten Zeitpunkt des diesem Zyklus vorangegangenen Zyklus ergibt.Method according to Claim 1 characterized in that the relative capacitance of the respective memory cell is determined by determining a ratio of the change in state of charge of that memory cell between the designated time of one of the cycles and the predetermined time of a cycle preceding that cycle to change the state of charge of a memory cell defined as the reference cell Unit between the specified time of one of the cycles and the specified time of the cycle preceding this cycle. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Prognose des Ladungszustandes der jeweiligen Speicherzelle zum festgesetzten Zeitpunkt des einen Zyklus gemäß folgender Gleichung ergibt: S O C j , Pr o g ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c r e l , j × ( S O C i ( t 2 ) S O C i ( t 1 ) )
Figure DE102016225988A1_0015
wobei j ein Index der jeweiligen Speicherzelle, i der Index der Referenzzelle, t2 der festgelegte Zeitpunkt des einen Zyklus, t1 der festgelegte Zeitpunkt des diesem Zyklus vorangegangenen Zyklus, SOCj, Prog der prognostizierte Ladungszustand der jeweiligen Speicherzelle, SOCj der bestimmte Ladungszustand der jeweiligen Speicherzelle und SOCi der bestimmte Ladungszustand der Referenzelle ist.
Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the prediction of the charge state of the respective memory cell at the fixed time of the one cycle results according to the following equation: S O C j . pr O G ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c r e l . j × ( S O C i ( t 2 ) - S O C i ( t 1 ) )
Figure DE102016225988A1_0015
where j is an index of the respective memory cell, i is the index of the reference cell, t 2 is the specified time of the one cycle, t 1 is the fixed time of the cycle preceding this cycle, SOC j, Prog is the predicted state of charge of the respective memory cell, SOC j is the determined state of charge the respective memory cell and SOC i is the specific charge state of the reference cell.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Ladungszustand SOC der Speicherzellen j zum festgelegten Zeitpunkt t2 gemäß folgender Gleichung ergibt: S O C j ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c j × Ι d t + k o n s t × Ι K u r z s c h l u s s , j d t + Δ M o d e l l u n d   M e s s e f e h l e r
Figure DE102016225988A1_0016
wobei j ein Index der jeweiligen Speicherzelle, t2 der festgelegte Zeitpunkt des einen Zyklus, t1 der festgelegte Zeitpunkt des diesem Zyklus vorangegangenen Zyklus, SOCj der bestimmte Ladungszustand der jeweiligen Speicherzelle, I der Strom, Ikurzschluss,j ein Kurzschlussstrom, konst eine Konstante und ΔModell- und Messfehler eine Unschärfe aufgrund von Modell- und Messfehlern ist.
Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the respective charge state SOC of the memory cells j at the fixed time t 2 is given by the following equation: S O C j ( t 2 ) = S O C j ( t 1 ) + c j × Ι d t + k O n s t × Ι K u r z s c H l u s s . j d t + Δ M O d e l l - u n d M e s s e f e H l e r
Figure DE102016225988A1_0016
where j is an index of the respective memory cell, t 2 is the specified time of the one cycle, t 1 is the fixed time of the cycle preceding this cycle, SOC j is the specific charge state of the respective memory cell, I is the current, I short circuit, j is a short-circuit current, const a Constant and Δ model and measurement error is a blur due to model and measurement errors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes der Speicherzellen durch Messung der jeweiligen Leerlaufspannung erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the determination of the respective state of charge of the memory cells by measuring the respective open circuit voltage. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszyklus ein Lade-/Entladezyklus oder ein Fahrzyklus der wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit eines Fahrzeugs ist.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the duty cycle is a charge / discharge cycle or a drive cycle of the rechargeable electric energy storage unit of a vehicle. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlstrom ein Energiespeichereinheits- oder Speicherzellen-interner Kurzschlussstrom ist.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the fault current is an energy storage unit or memory cell internal short-circuit current. System zur Erkennung von Fehlströmen bei Speicherzellen einer wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterieeinheit, wobei das System zur Durchführung der folgenden Schritte eingerichtet ist: - fortlaufendes Bestimmen des jeweiligen Ladungszustandes der Speicherzellen zu einem festgelegten Zeitpunkt im jeweiligen Arbeitszyklus der Energiespeichereinheit; - Ermitteln einer relativen Kapazität einer jeweiligen Speicherzelle; - Prognostizieren des Ladungszustandes zumindest einer der Speicherzellen zu dem festgelegen Zeitpunkt eines bestimmten Zyklus mittels der ermittelten relativen Kapazitäten der Speicherzellen; - Erkennen eines Fehlstroms bei der zumindest einen Speicherzelle durch Vergleich des ermittelten Ladungszustandes mit dem prognostizierten Ladungszustand der zumindest einen Speicherzelle zu dem festgelegten Zeitpunkt t2 des bestimmten Zyklus; und - Ausgabe eines entsprechenden Ausgabewertes.System for detecting fault currents in memory cells of a rechargeable electric energy storage unit, in particular a rechargeable battery unit, wherein the system is adapted to carry out the following steps: - continuously determining the respective charge state of the memory cells at a predetermined time in the respective operating cycle of the energy storage unit; Determining a relative capacity of a respective memory cell; - Predicting the state of charge of at least one of the memory cells at the fixed time of a particular cycle by means of the determined relative capacities of the memory cells; Detecting a fault current in the at least one memory cell by comparing the determined charge state with the predicted state of charge of the at least one memory cell at the predetermined time t 2 of the particular cycle; and - output a corresponding output value. System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Computereinrichtung mit - einem Prozessor, - zumindest einem Datenspeicher und - zumindest einer Schnittstelle.System after Claim 8 characterized by a computer device with a processor, at least one data memory and at least one interface. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf einer einen Prozessor und einen Datenspeicher umfassenden Computereinrichtung.Computer program product for carrying out a method according to one of Claims 1 to 7 on a computer device comprising a processor and a data memory.
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