DE102017102877A1 - Method and device for controlling a battery system - Google Patents

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batteriezellen, gekennzeichnet durch Erfassen von Information über einen zeitlichen Verlauf einer inkrementellen Kapazität an einer Batteriezelle des Batteriesystems durch Erfassen eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung der Batteriezelle des Batteriesystems und die Erfassung des zeitlichen Verlaufes eines Stromes der Batteriezelle des Batteriesystems,
Ermitteln von Information über einen Zeitpunkt, zu dem der zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt, Ermitteln von Information über einen zeitlichen Unterschied zwischen den Zeitpunkten,
Ermitteln von Information über einen Ladungsunterschied zwischen einer Ladung der Batteriezelle bezogen auf einen als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezelle, abhängig von der Information über den Zeitpunkt, sowie den zeitlichen Verlauf des Stromes der Batteriezelle, Regelung des Batteriesystems abhängig von der Information über den Ladungsunterschied.

Figure DE102017102877A1_0000
Method and apparatus for controlling a battery system having at least two battery cells, characterized by detecting information about a time course of an incremental capacity on a battery cell of the battery system by detecting a time course of a voltage of the battery cell of the battery system and the detection of the time course of a current of the battery cell the battery system,
Determining information about a time when the time course meets a condition, determining information about a time difference between the times,
Determining information about a charge difference between a charge of the battery cell based on a specified as compensation target battery level, depending on the information about the time, and the time course of the current of the battery cell, regulating the battery system depending on the information about the charge difference.
Figure DE102017102877A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Batteriesystems, insbesondere eines Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen bei einem Entladevorgang oder einem Ladevorgang.The invention relates to a method and a device for controlling a battery system, in particular a battery system with a plurality of battery cells in a discharge or a charging process.

Bei einem Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen kann sich die Kapazität verschiedener Batteriezellen aufgrund von Fertigungstoleranzen, Temperaturunterschieden und anderen Einflussfaktoren, insbesondere mit zunehmendem Gebrauch oder Alter, unterscheiden. Bei den im Folgenden beschriebenen Batteriezellen handelt es sich um sekundäre Batteriezellen, d.h. Akkumulatorzellen. Würde jede der Batteriezellen beim Ladevorgang so geladen, dass alle Batteriezelle im Batteriesystem ihre Ladeschlussspannung erreichen, würden die Batteriezellen mit niedriger Kapazität unter Umständen überladen. Dies würde zu einer Schädigung dieser Batteriezellen führen. Beim Entladevorgang würde eine Batteriezelle mit relativ gesehen geringerer Ladung im Batteriesystem unter Umständen zuerst die Entladeschlussspannung erreichen. Der Entladevorgang des Batteriesystems müsste dann abgebrochen werden, um Schäden an der bereits vollständig entladenen Batteriezelle zu vermeiden, obwohl noch nicht vollständig entladene Batteriezellen im Batteriesystem verfügbar sind. Differenzen in der Kapazität sind hier nicht der einzige relevante Mechanismus. Selbst bei mehreren Batteriezellen mit identischer Kapazität können sich beispielsweise durch Unterschiede in der Selbstentladung relative Verschiebungen der momentanen Ladestände (State-of-Charge, kurz: SoC) einstellen. Der State-of-Charge ist dabei die in der Zelle vorhandene Ladung bezogen auf ihre Kapazität.In a battery system having a plurality of battery cells, the capacity of different battery cells may differ due to manufacturing tolerances, temperature differences, and other factors, particularly with increasing use or age. The battery cells described below are secondary battery cells, i. Battery cells. If each of the battery cells were charged during charging so that all the battery cell in the battery system reach their end-of-charge voltage, the low-capacity battery cells may become overloaded. This would lead to damage to these battery cells. During the discharge process, a battery cell with a relatively lower charge in the battery system would possibly first reach the discharge end voltage. The discharge of the battery system would then have to be stopped in order to avoid damage to the already completely discharged battery cell, although not yet fully discharged battery cells are available in the battery system. Differences in capacity are not the only relevant mechanism here. Even with multiple battery cells with identical capacity, for example, due to differences in the self-discharge relative shifts of the current charge levels (state-of-charge, short: SoC) can be adjusted. The state-of-charge is the charge in the cell based on its capacity.

Durch das Ausgleichen von Ladungen zwischen den Batteriezellen, das Balancing, wird im Ladevorgang der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen aneinander angeglichen, so dass die Batteriezelle mit der höchsten Kapazität im Batteriesystem vollständig geladen werden kann, ohne dass andere Batteriezellen mit demgegenüber niedrigerer Kapazität durch Überladen geschädigt werden. Dazu wird beispielsweise während eines Ladevorgangs des Batteriesystems durch eine entsprechende elektronische Schaltung die Batteriezelle welche zuerst den Ladeschluss erreichen würde zur Ladung anderer Batteriezellen im Batteriesystem entladen. Der Ladevorgang für alle Batteriezellen wird fortgesetzt. Beim Entladevorgang wird entsprechend verfahren, um die Batteriezelle mit der niedrigsten Ladung im Batteriesystem durch Ladung aus der Batteriezelle mit der höchsten Ladung im Batteriesystem zu laden.By balancing charges between the battery cells, the balancing, the charging state of the individual battery cells is matched to each other, so that the battery cell with the highest capacity in the battery system can be fully charged without other battery cells are damaged by overcharging in contrast, lower capacity , For this purpose, for example, during a charging of the battery system by a corresponding electronic circuit, the battery cell which would first reach the end of charge to discharge other battery cells in the battery system discharged. Charging continues for all battery cells. During the discharge process, a procedure is followed to charge the battery cell with the lowest charge in the battery system by charging it from the battery cell with the highest charge in the battery system.

Um abzuschätzen, wie hoch der Bedarf an Ladungsausgleich, d.h. ein Balancing-Bedarf des Batteriesystems ist, werden beispielsweise, wie in DE 10 2012 207 826 A1 und US 7923969 B1 dargestellt, Spannungen der Batteriezellen gemessen und die Spannungen der Batteriezellen über eine Ladungszustandsausgleichsschaltung untereinander ausgeglichen.For example, to estimate how high the charge balance requirement, ie, a balancing demand of the battery system, is, as in DE 10 2012 207 826 A1 and US 7923969 B1 represented voltages of the battery cells measured and compensated the voltages of the battery cells via a charge state equalization circuit with each other.

Aus EP 1 685 622 B1 ist ein Aufladeverfahren bekannt, bei dem die Zellspannungen einzelner Batteriezellen andauernd gemessen werden und die Batteriezellen, abhängig vom jeweiligen Ladzustand der Batteriezellen, differenziert geladen werden.Out EP 1 685 622 B1 a charging method is known in which the cell voltages of individual battery cells are continuously measured and the battery cells, depending on the respective state of charge of the battery cells are charged differentiated.

In EP 2320242 B1 ist ein Abschätzmittel vorgesehen, welches die Spannung einer Batteriezelle mittels einer Spannungsmesseinheit, einer Temperaturmesseinheit, einer Speichereinheit und einer Abschätzeinheit ermittelt. Eine Ausgleichseinheit gleicht die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen untereinander aus.In EP 2320242 B1 an estimation means is provided, which determines the voltage of a battery cell by means of a voltage measuring unit, a temperature measuring unit, a memory unit and an estimating unit. A compensation unit balances the charging states of the individual battery cells with each other.

US 8710800 B1 offenbart diesbezüglich eine Batterieausgleichsstromstrecke, die das Laden einzelner Batteriezellen des Batteriesystems ermöglicht, während andere Batteriezellen des Batteriesystems nicht geladen werden. US 8710800 B1 in this regard, discloses a battery equalization current path that allows charging of individual battery cells of the battery system while other battery cells of the battery system are not being charged.

EP 2 592 714 B1 offenbart diesbezüglich die Ermittlung von Korrekturspannungen, die zum Ausgleich der Ladungen benötigt werden, basierend auf einem Innenwiderstand der auszugleichenden Batteriezelle. EP 2 592 714 B1 in this regard, discloses the detection of correction voltages needed to balance the charges based on an internal resistance of the battery cell to be equalized.

US 2015/318721 A1 offenbart eine Steuereinheit zum Ausgleichen der Ladezustände zwischen einzelnen Batteriezellen einer Batterie, wobei der Balancing-Bedarf durch Differenzbildung zwischen der Kapazität einer Referenz-Batteriezelle und der Kapazitäten der einzelnen Batteriezellen ermittelt wird. US 2015/318721 A1 discloses a control unit for balancing the states of charge between individual battery cells of a battery, the balancing requirement being determined by forming a difference between the capacitance of a reference battery cell and the capacities of the individual battery cells.

US 9472977 B1 offenbart ein Verfahren zum Ausgleich der Ladezustände zwischen einzelnen Batteriezellen einer Batterie, wobei der Ladzustand einer Batteriezelle durch einen Vergleich der Zellspannung mit einer durchschnittlichen Zellspannung abgeleitet wird, und die Batteriezellen basierend darauf ausgeglichen werden. US 9472977 B1 discloses a method of balancing the states of charge between individual battery cells of a battery, wherein the state of charge of a battery cell is derived by comparing the cell voltage with an average cell voltage, and balancing the battery cells based thereon.

EP 0 998 799 B1 offenbart ein Verfahren zum Aufladen von in Serie geschalteten Batteriezellen, wobei die Ladestrommenge über eine Abgleichschaltung gesteuert wird. EP 0 998 799 B1 discloses a method of charging serially connected battery cells, wherein the charging current amount is controlled via a balancing circuit.

DE 10 2013 206 885 A1 offenbart ein Verfahren zum Vorbereiten eines Ladevorgangs einer Batterie, wobei vor dem Ladevorgang für jede Batteriezelle jeweils eine für den Alterungszustand charakteristische Kenngröße bestimmt wird, und basierend darauf eine individuelle Startspannung ermittelt wird, mit der der Ladevorgang begonnen wird. DE 10 2013 206 885 A1 discloses a method for preparing a charging process of a battery, wherein before the charging process for each battery cell in each case a characteristic characteristic of the aging state is determined, and based on an individual starting voltage is determined, with which the charging operation is started.

Derartige Regelungen erfordern zur Ermittlung des aktuellen Balancing-Bedarfs die Betrachtung des Ladevorgangs oder Entladevorgangs während eines langen Zeitraums, einen Amperestundenzähler und/oder komplexe elektronische Schaltungen. Der Amperestundenzähler schätzt den Ladestand einer Batteriezelle beispielsweise durch Integration von Momentanwerten des Ladestroms oder des Entladestroms aus dieser Batteriezelle während der gesamten Dauer des Ladevorgangs beziehungsweise des Entladevorgangs ab. Der Zeitraum zur Ermittlung des aktuellen Balancing-Bedarfs ist dadurch lang. Zudem ist die Ermittlung des Ladezustands durch Integration fehlerbehaftet. Weiterhin ist spannungsgesteuertes Balancing auf Grund geringer dV/dQ-Gradienten in einem Plateaubereich stark fehlerbehaftet, sodass solche Verfahren vorzugsweise nur bei vollständigen Lade- und Entladezyklen verwendet werden können. Such regulations require consideration of the charging or discharging operation over a long period of time, an ampere-hour meter and / or complex electronic circuits to determine the current balancing demand. The ampere hour counter estimates the charge level of a battery cell, for example, by integrating instantaneous values of the charging current or the discharge current from this battery cell during the entire duration of the charging process or the discharging process. The period for determining the current balancing requirement is thereby long. In addition, the determination of the state of charge due to integration is subject to errors. Furthermore, voltage-controlled balancing due to low dV / dQ gradients in a plateau region is severely faulty, so that such methods can preferably only be used with complete charge and discharge cycles.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Regelung des Batteriesystems anzugeben.The present invention addresses the problem of providing an improved method of controlling the battery system.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by a method and a device according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Bezüglich des Verfahrens wird dieses Problem gelöst durch Erfassen von Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems durch Erfassen eines ersten zeitlichen Verlaufes einer ersten Spannung der ersten Batteriezelle des Batteriesystems und die Erfassung des ersten zeitlichen Verlaufes eines ersten Stromes der ersten Batteriezelle des Batteriesystems, Erfassen von Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementellen Kapazität an einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems durch Erfassen eines zweiten zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung der zweiten Batteriezelle des Batteriesystems und die Erfassung des zweiten zeitlichen Verlaufes eines zweiten Stromes der zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, Ermitteln von Information über einen ersten Zeitpunkt, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt, Ermitteln von Information über einen zweiten Zeitpunkt, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt, Ermitteln von Information über einen Ladungsunterschied zwischen einer ersten Ladung der ersten Batteriezelle bezogen auf einen als erstes Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der ersten Batteriezelle und einer zweiten Ladung der zweiten Batteriezelle bezogen auf einen als zweites Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der zweiten Batteriezelle abhängig von der Information über den zeitlichen Unterschied, und Regelung des Batteriesystems abhängig von der Information über den Ladungsunterschied. Zur Regelung wird der zeitliche Verlauf der inkrementellen Kapazität mittels ICA Kurve herangezogen. Als Ziel der Regelung soll beispielsweise ein Ausgleich, d.h. ein Übereinstimmen der Ladungszustände (SoC) der Batteriezellen zu einem Zeitpunkt und bei einem definierten Ladezustand, erreicht werden. Da die Extremwerte der ICA-Kurve bei charakteristischen Ladeständen auftreten, kann gleichwertig ein Übereinstimmen der ICA-Kurve zu einem Zeitpunkt und bei einem definierten Punkt der ICA-Kurve als Regelziel verwendet werden.Regarding the method, this problem is solved by acquiring information about a first time course of a first incremental capacity at a first battery cell of the battery system by detecting a first time course of a first voltage of the first battery cell of the battery system and detecting the first time course of a first current the first battery cell of the battery system, detecting information about a second time course of a second incremental capacity at a second battery cell of the battery system by detecting a second time course of a second voltage of the second battery cell of the battery system and the detection of the second time course of a second current of the second Battery cell of the battery system, determining information about a first time at which the first time course meets a condition, obtaining information about a second Time at which the second time course satisfies the condition, determining information about a charge difference between a first charge of the first battery cell based on a specified first compensation target charge level of the first battery cell and a second charge of the second battery cell with respect to a predetermined as a second compensation target Charging the second battery cell depending on the information about the time difference, and regulating the battery system depending on the information about the charge difference. For the regulation, the time profile of the incremental capacity is used by means of the ICA curve. For example, the aim of the scheme is to compensate, i. a coincidence of the charge states (SoC) of the battery cells at a time and at a defined state of charge can be achieved. Since the extreme values of the ICA curve occur with characteristic charge levels, it is equally possible to use a match of the ICA curve at one time and at a defined point of the ICA curve as a control target.

Der Balancing-Bedarf, d.h. eine Ladungsmenge, die zum Ausgleich des Unterschieds von einer Batteriezelle zu mindestens einer anderen Batteriezelle fließen muss, wird durch die Auswertung von Spannungen und Strömen einzelner Batteriezellen ermittelt. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Regelung unabhängig von der Art, in der die einzelnen Batteriezellen im Batteriesystem zu einem Verbund zusammengeschaltet sind. Zudem ermöglicht dies eine verbesserte Regelung zum Ladungsausgleich ohne fehlerbehaftete Integration eines Stroms.The balancing demand, i. An amount of charge which has to flow to compensate for the difference from one battery cell to at least one other battery cell is determined by the evaluation of voltages and currents of individual battery cells. This allows a simple way the control regardless of the way in which the individual battery cells are interconnected in the battery system to form a composite. In addition, this allows an improved charge balance control without faulty integration of a current.

Vorzugsweise wird die Information über den Ladungsunterschied zwischen mindestens zwei Batteriezellen, die in Serie geschaltet sind, abhängig von Information über eine momentane Stromstärke in der Serienschaltung ermittelt. Mittels der momentanen Stromstärke kann der Unterschied der Ladung bezüglich des jeweiligen Ausgleichsziel des Ladestands zwischen mindestens zwei Batteriezellen, die in Serie geschaltet sind einfach bestimmt werden.The information about the charge difference between at least two battery cells, which are connected in series, is preferably determined as a function of information about an instantaneous current intensity in the series circuit. By means of the instantaneous current intensity, the difference of the charge with respect to the respective compensation target of the charge level between at least two battery cells which are connected in series can be easily determined.

Vorzugsweise erfüllt ein zeitlicher Verlauf einer Spannung die Bedingung, wenn eine Ableitung der Ladung nach der Spannung einen Extremwert aufweist. Durch diese Bedingung sind in der ICA-Kurve Rückschlüsse auf den Ladestand der betreffenden Akkumulatorzelle möglich. Die Spannung, bei der diese auftreten, ist besonders für Rückschlüsse geeignet, da die Spannungen bei denen diese Extremwerte auftreten bei Batterien derselben Zellchemie bei gleicher Temperatur und gleichem Alterungszustand identisch sind. Temperaturbedingte und alterungsbedingte Änderungen sind nicht vernachlässigbar. Diese Einflüsse werden kompensiert, indem ihr Einfluss auf die ICA-Kurve bestimmt und anschließend rechnerisch neutralisiert wird. Extremwerte eignen sich daher besonders gut, um Information über den Ladungsunterschied zwischen Batteriezellen zu bestimmen.Preferably, a time course of a voltage fulfills the condition when a derivative of the charge after the voltage has an extreme value. This condition makes it possible to draw conclusions about the state of charge of the relevant battery cell in the ICA curve. The voltage at which these occur is particularly suitable for conclusions since the voltages at which these extreme values occur are identical for batteries of the same cell chemistry at the same temperature and the same aging state. Temperature-related and aging-related changes are not negligible. These effects are compensated for by determining their influence on the ICA curve and then mathematically neutralizing it. Extreme values are therefore particularly well suited to determine information about the charge difference between battery cells.

Vorzugsweise ist der Extremwert ein Maximalwert. Ein Maximalwert wird beispielsweise als ein Ausgleichsziel verwendet. D.h. es wird genau ein Punkt beider ICA-Kurven verwendet, welcher bei beiden ICA-Kurven zeitgleich erreicht werden soll. Typische Verläufe von Änderungen der Ladung einer Batteriezelle weisen für bestimmte Spannungen zwei Maximalwerte auf. Die Analyse der Steigung der Ladung Q über der Spannung V während des Lade- oder Entladevorgangs und das Bestimmen von Extremwerten oder Maximalwerten ermöglicht die besonders einfache Erfassung geeigneter Zeitpunkte, zu denen zuverlässig Information über Unterschiede in Ladungen von Batteriezellen bezüglich eines gewünschten Ausgleichsziel des Ladestands gewonnen werden kann. Dieses Vorgehen beruht auf einer inkrementellen Kapazitätsanalyse, ICA. Bei dieser wird durch eine Ableitung des zeitlichen Spannungsverlaufs während eines Ladevorgangs oder Entladevorgangs mit bekanntem konstantem Strom oder durch eine OCV-Abschätzung und Integralbildung des Stromes für eine Batteriezelle die ICA-Kurve bestimmt. Die charakteristischen Extremstellen der ICA-Kurve treten bei charakteristischen Werten der Spannung baugleicher Batteriezelle auf. Weiterhin treten die charakteristischen Extremstellen der ICA-Kurve bei charakteristischen Werten des Ladestandes auf. Daher kann die Regelung anhand der charakteristischen Extremstellen erfolgen. Die inkrementelle Kapazität ist also definiert als: ICA = dQ / dV

Figure DE102017102877A1_0001
Preferably, the extreme value is a maximum value. For example, a maximum value is used as a compensation target. That is, exactly one point of both ICA curves is used, which is to be achieved at the same time in both ICA curves. Typical variations of battery charge cell charge have two maximum values for certain voltages. The analysis of the slope of the charge Q over the voltage V during the charging or discharging process and the determination of extremes or maximum values enables the particularly simple detection of suitable times at which reliable information about differences in charges of battery cells with respect to a desired balance target of the charge state are obtained can. This procedure is based on an incremental capacity analysis, ICA. In this case, the ICA curve is determined by a derivation of the temporal voltage curve during a charging process or discharge process with a known constant current or by an OCV estimation and integral formation of the current for a battery cell. The characteristic extreme points of the ICA curve occur at characteristic values of the voltage of identical battery cells. Furthermore, the characteristic extreme points of the ICA curve occur at characteristic values of the charge state. Therefore, the control can be done on the basis of the characteristic extreme points. The incremental capacity is defined as: ICA = dQ / dV
Figure DE102017102877A1_0001

Vorzugsweise wird die Information über Spannungen während der Dauer eines Ladevorgangs in einem Spannungsintervall erfasst, das kürzer als ein Spannungsbereich zwischen einer ersten Spannung bei vollständig entladener Batteriezelle und einer zweiten Spannung bei vollständig geladener Batteriezelle ist. Es reicht aus, wenn der erfasste Bereich, mindestens einen Extremwert oder mindestens einen Maximalwert enthält. Beispielsweise wird bei Batteriezellen deren ICA-Kurve zwei Maximalwerte aufweist, die Spannung an der Batteriezelle im Ladevorgang nur in einem Bereich erfasst, in dem der höhere der Maximalwerte liegt. Die ICA-Kurve muss somit nicht im gesamten Spannungsbereich überprüft werden. Die realen Spannungsverläufe in Batteriezellen variieren abhängig von Zellchemie, Temperatur oder Alterungszustand. Für eine spezifische Zellchemie ist der Einfluss der Temperatur auf die Spannung bei der die Extremstellen auftreten gering. Unter der Annahme einer normalen Spreizung des Alterungszustands der einzelnen Batteriezellen, kann auch der Einfluss des Alterungszustands auf die Spannungslage der Extremstellen vernachlässigt werden. Zur Erfassung von Information über die Spannungen der Batteriezellen ist es ausreichend, einen kurzen Bereich des Verlaufs der Änderung in der Nähe von Extremstellen zu erfassen und auszuwerten. Die gesamte ICA- Kurve muss nicht bekannt sein.Preferably, the information about voltages during the duration of a charging process is detected in a voltage interval that is shorter than a voltage range between a first voltage when the battery cell is completely discharged and a second voltage when the battery cell is fully charged. It is sufficient if the detected area contains at least one extreme value or at least one maximum value. For example, in the case of battery cells, their ICA curve has two maximum values, the voltage across the battery cell during the charging process is detected only in a region in which the higher of the maximum values lies. The ICA curve therefore does not have to be checked over the entire voltage range. The real voltage curves in battery cells vary depending on cell chemistry, temperature or aging state. For a specific cell chemistry, the influence of temperature on the stress at which the extreme sites occur is low. Assuming a normal spread of the aging state of the individual battery cells, the influence of the aging state on the voltage level of the extreme points can be neglected. In order to acquire information about the voltages of the battery cells, it is sufficient to detect and evaluate a short portion of the course of the change in the vicinity of extreme points. The entire ICA curve does not need to be known.

Bezüglich des Verfahrens wird dieses Problem insbesondere auch gelöst durch Erfassen von Information über einen ersten Strom zu der ersten Batteriezelle des Batteriesystems, Erfassen von Information über einen zweiten Strom zu der zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, wobei der erste zeitliche Verlauf abhängig von einem ersten Integral des ersten Stroms über der Zeit bestimmt wird, wobei der zweite zeitliche Verlauf abhängig von einem zweiten Integral des zweiten Stroms über der Zeit bestimmt wird. Das bedeutet, der zeitliche Verlauf des Integrals Q = I dt wird für eine Auswertung der inkrementellen Kapazität mittels ICA Kurve herangezogen.With regard to the method, this problem is also solved in particular by acquiring information about a first current to the first battery cell of the battery system, acquiring information about a second current to the second battery cell of the battery system, wherein the first time profile depends on a first integral of the first Current over time is determined, the second time course is determined depending on a second integral of the second current over time. This means that the time profile of the integral Q = I dt is used for an evaluation of the incremental capacitance by means of the ICA curve.

Vorzugsweise ist der Regler zum Laden oder Entladen des Batteriesystems mit konstantem Strom ausgebildet.Preferably, the controller is designed to charge or discharge the battery system with a constant current.

Bezüglich der Vorrichtung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass eine Regeleinrichtung eine Messeinrichtung, eine Recheneinrichtung und eine Ausgleichseinrichtung vorgesehen sind, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, durch die Erfassung eines ersten zeitlichen Verlaufes einer ersten Spannung einer ersten Batteriezelle eines Batteriesystems und die Erfassung eines ersten zeitlichen Verlaufes eines ersten Stromes einer ersten Batteriezelle eines Batteriesystems Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an einer ersten Batteriezelle eines Batteriesystems zu erfassen, und durch die Erfassung eines zweiten zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung einer zweiten Batteriezelle eines Batteriesystems und die Erfassung eines zweiten zeitlichen Verlaufes eines zweiten Stromes einer zweiten Batteriezelle eines Batteriesystems Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementelle Kapazität an einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems zu erfassen, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist Information über einen ersten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt, Information über einen zweiten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt. Die Recheneinrichtung ist zudem ausgebildet Information über den Ladungsunterschied zwischen der ersten Ladung der ersten Batteriezelle bezogen auf einen als erstes Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der ersten Batteriezelle und der zweiten Ladung der zweiten Batteriezelle bezogen auf einen als zweites Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der zweiten Batteriezelle abhängig von der Information über den ersten Zeitpunkt, der Information über den zweiten Zeitpunkt, sowie den ersten zeitlichen Verlauf des Stromes einer ersten Batteriezelle und den zweiten zeitlichen Verlauf des Stromes einer zweiten Batteriezelle zu ermitteln. Die Regeleinrichtung ist ausgebildet die Ausgleichseinrichtung abhängig von der Information über den Ladungsunterschied zu regeln.With regard to the device, this problem is solved in that a control device, a measuring device, a computing device and a compensation device are provided, wherein the measuring device is formed by the detection of a first time course of a first voltage of a first battery cell of a battery system and the detection of a first temporal History of a first current of a first battery cell of a battery system to detect information about a first time course of a first incremental capacity at a first battery cell of a battery system, and by detecting a second time course of a second voltage of a second battery cell of a battery system and the detection of a second time Course of a second stream of a second battery cell of a battery system information about a second time course of a second incremental capacity on a second battery to detect cell of the battery system, wherein the computing device is adapted to determine information about a first time at which the first time course meets a condition to determine information about a second time at which the second time course meets the condition. The computing device is also designed information about the charge difference between the first charge of the first battery cell based on a specified first compensation target charge level of the first battery cell and the second charge of the second battery cell based on a second balance target predetermined charge level of the second battery cell depending on the information about determine the first time, the information about the second time, and the first time course of the current of a first battery cell and the second time course of the current of a second battery cell. The control device is designed to regulate the compensation device depending on the information about the charge difference.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Beschreibung, und aus der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

  • 1 schematisch einen Teil eines Batteriesystems,
  • 2 schematisch einen Verlauf einer Ableitung einer Ladung einer Batteriezelle nach der Spannung aufgetragen über der Spannung der Batteriezelle,
  • 3 schematisch einen Verlauf von zwei Ableitungen von Ladungen zweier verschiedener Batteriezellen nach der Spannung aufgetragen über der Spannung der Batteriezellen,
  • 4 schematisch Teile eines Verfahrens zur Regelung eines Batteriesystems.
Other features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the description, and from the drawing. In the drawing shows:
  • 1 schematically a part of a battery system,
  • 2 schematically a profile of a derivative of a charge of a battery cell after the voltage plotted against the voltage of the battery cell,
  • 3 schematically a plot of two derivatives of charges of two different battery cells after the voltage plotted against the voltage of the battery cells,
  • 4 schematically parts of a method for controlling a battery system.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder funktional gleiche Bauteile.In the figures, like reference numerals refer to like, similar or functionally identical components.

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 100 zur Regelung eines Batteriesystems 102 mit mindestens zwei Batteriezellen 104, 106, ..., 108, die in Serie geschaltet sind. Mehrere dieser Serienschaltungen können auch parallel geschaltet sein. 1 schematically shows a device 100 for controlling a battery system 102 with at least two battery cells 104 . 106 , ..., 108 , which are connected in series. Several of these series circuits can also be connected in parallel.

Eine Regeleinrichtung 110 und eine Messeinrichtung 112 sind mit einer Recheneinrichtung 114 über Datenleitungen verbunden. Die Regeleinrichtung 110 ist dazu ausgebildet die Batteriezellen 104, 106, ..., 108 mit einem momentanen Strom I zu laden, oder zu entladen. Die Regeleinrichtung 110 steuert zudem die Ausgleichseinrichtung 116 beim Laden oder Entladen des Batteriesystems 102. Vorzugsweise ist vorgesehen, den Ladevorgang während des Ladungsausgleichs zu unterbrechen. Der Entladevorgang wird vorzugsweise nicht unterbrochen.A control device 110 and a measuring device 112 are with a computing device 114 connected via data lines. The control device 110 is designed to the battery cells 104 . 106 , ..., 108 with a current I current to load or discharge. The control device 110 also controls the compensation device 116 when charging or discharging the battery system 102 , It is preferably provided to interrupt the charging process during charge equalization. The discharging process is preferably not interrupted.

Die Messeinrichtung 112 ist ausgebildet, Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an einer ersten Batteriezelle 104 eines Batteriesystems zu erfassen, und Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementellen Kapazität an einer zweiten Batteriezelle 106 des Batteriesystems zu erfassen.The measuring device 112 is formed, information about a first time course of a first incremental capacity at a first battery cell 104 a battery system, and information about a second time course of a second incremental capacity at a second battery cell 106 of the battery system.

Die Messeinrichtung 112 ist beispielsweise ausgebildet während des Ladens oder Entladens Information über Spannungen V1, ..., Vn an den Batteriezellen 104, 106, ..., 108 zu erfassen. Dazu dienen beispielsweise entsprechende parallel zu den Batteriezellen 104, 106, ..., 108 geschaltete Messschaltungen 1121, 1122, ..., 112n, die mit der Messeinrichtung 112 verbunden sind. Die elektrischen Verbindungen dazu sind in 1 als gestrichelte Linien dargestellt. Information über den Strom I wird beispielsweise ebenfalls durch entsprechend geschaltete Messschaltungen erfasst.The measuring device 112 is for example formed during charging or discharging information about voltages V1, ..., Vn to the battery cells 104 . 106 , ..., 108 to capture. For example, corresponding serve parallel to the battery cells 104 . 106 , ..., 108 switched measuring circuits 1121 . 1122 , ..., 112n that with the measuring device 112 are connected. The electrical connections are in 1 shown as dashed lines. Information about the current I, for example, also detected by appropriately switched measuring circuits.

Die Recheneinrichtung 114 ist ausgebildet Information über einen ersten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt und Information über einen zweiten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt.The computing device 114 is configured to determine information about a first time at which the first time course meets a condition and to obtain information about a second time at which the second time course meets the condition.

Die Recheneinrichtung 114 ist beispielsweise ausgebildet, für jede der Batteriezellen 104, 106, ..., 108 abhängig von der gemessenen Spannungen V1, ..., Vn eine Information über einen Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem ein zeitlicher Verlauf der inkrementellen Kapazität die Bedingung erfüllt. Die Bedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn die inkrementelle Kapazität der Batteriezelle einen Extremwert, insbesondere einen Maximalwert aufweist. Weitere Details dazu werden im Folgenden Verfahren beschrieben.The computing device 114 For example, it is designed to determine, for each of the battery cells 104, 106,..., 108, depending on the measured voltages V1,..., Vn, information about a time at which a time profile of the incremental capacity fulfills the condition. The condition is met, for example, if the incremental capacity of the battery cell has an extreme value, in particular a maximum value. Further details are described in the following procedure.

Die Recheneinrichtung 114 ist dazu ausgebildet Information über einen Ladungsunterschied zwischen den Ladungen der Batteriezellen 104, 106, ..., 108 bezogen auf einen als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen abhängig von der Information über den zeitlichen Unterschied zu ermitteln.The computing device 114 is designed to information about a charge difference between the charges of the battery cells 104 . 106 , ..., 108 Based on a given as compensation target charge level of the battery cells depending on the information about the time difference to determine.

Die Regeleinrichtung 110 ist ausgebildet, die Ausgleichseinrichtung 116 abhängig vom Unterschied zu regeln. Wenn Batteriezellen 104, 106, ..., 108 beim Ladevorgang unterschiedliche Ladungen bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen aufweisen, wird beispielsweise eine Batteriezelle 104, 106, ..., 108 mit niedrigster Ladung bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen aus einer anderen Batteriezelle 104, 106, ..., 108 mit höherer Ladung bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen solange geladen, bis der Ladestand der Batteriezellen 104, 106, ..., 108 an einem gewählten Ausgleichspunkt der ICA-Kurve, welcher dem Ausgleichsziel des Ladestandes der Batteriezellen entspricht, ungefähr gleich groß ist. Dies ist beispielsweise der Mittelpunkt der beiden Maxima der ICA-Kurve. Die Regelung erfolgt beim Entladevorgang entsprechend. Dadurch fließt Ladung aus einer Batteriezelle 104, 106, ..., 108 mit größerer Ladung bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen in Batteriezelle 104, 106, ..., 108 mit geringerer Ladung bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen. Die elektrischen Verbindungen dazu sind in 1 als strich-punktierte Linien dargestellt. Alternativ dazu kann die überschüssige Energie einer Batteriezelle mit größerer Ladung bezogen auf den als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen durch einen ohmschen Verbraucher dissipiert werden.The control device 110 is formed, the compensation device 116 depending on the difference. When battery cells 104 . 106 , ..., 108 have different charges with respect to the charge level of the battery cells specified as a compensation target during the charging process, for example, a battery cell 104 . 106 , ..., 108 with lowest charge based on the specified as compensation target battery level of the battery cells from another battery cell 104 . 106 , ..., 108 with a higher charge, based on the charge level of the battery cells specified as the compensation target, until the charge state of the battery cells is reached 104 . 106 , ..., 108 at a selected balancing point of the ICA curve, which corresponds to the balancing target of the charging state of the battery cells, is approximately equal. For example, this is the midpoint of the two maxima of the ICA curve. The regulation takes place during the unloading process accordingly. As a result, charge flows from a battery cell 104 . 106 , ..., 108 with a larger charge in relation to the charge level of the battery cells in the battery cell specified as a compensation target 104 . 106 , ..., 108 with a lower charge based on the charge level of the battery cells specified as compensation target. The electrical connections are in 1 shown as dash-dotted lines. Alternatively, the excess energy of a battery cell with a larger charge can be dissipated by an ohmic load, based on the charge level of the battery cells specified as a compensation target.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bestimmung des Balancing-Bedarfs am Beispiel von Lithium-Ionen Batteriezellen, die in beliebiger Art und Weise zu einem Verbund in Form eines Batteriesystems 102 oder einer Batterie verschaltet sind, beschrieben. Dabei wird im Beispiel zur Bestimmung des Balancing-Bedarfs Information über die Spannungen V1, V2, ..., Vn der Batteriezellen 104, 106, ..., 108 verwendet. The following is a method for determining the balancing need using the example of lithium-ion battery cells, which in any way to a composite in the form of a battery system 102 or a battery are described. In this case, in the example for determining the balancing requirement, information about the voltages V1, V2,..., Vn of the battery cells is obtained 104 . 106 , ..., 108 used.

Das Verfahren basiert auf der inkrementellen Kapazitätsanalyse, ICA. Mit der inkrementellen Kapazitätsanalyse wird eine Steigung der Ladung über der Spannung einer Batteriezelle während eines Lade- oder Entladevorgangs mit bekanntem Strom I dargestellt. Eine ICA-Kurve lässt sich abhängig von der Ableitung der Spannungskurve bei bekanntem Strom wie folgt bestimmen: dQ / dV = Ι ( dV / dt ) 1 .

Figure DE102017102877A1_0002
The method is based on the incremental capacity analysis, ICA. Incremental capacity analysis represents a slope of the charge over the voltage of a battery cell during a charged current or current I charge or discharge process. An ICA curve can be determined as follows, depending on the derivative of the voltage curve with known current: dQ / dV = Ι ( dV / dt ) - 1 ,
Figure DE102017102877A1_0002

Abhängig vom Alterungszustand der Batteriezelle, der Zelltemperatur, sowie der Zellchemie weist die ICA-Kurve charakteristische Extremstellen auf, die im Folgenden auch als Maximalwerte bezeichnet werden. Auch Minimalwerte können verwendet werden. Bei Lade- oder Entladevorgängen mit konstantem Strom I ist dieser auch bekannt. Ein momentaner Strom I kann auch von der Messeinrichtung 112 erfasst werden. Sofern für eine Batteriezelle die momentane Spannung V und/oder der momentane Strom I bekannt ist, lässt sich die ICA-Kurve abhängig von der zeitlichen Ableitung der Spannungskurve bei bekanntem Strom I während des Lade- oder Entladevorgangs mit Differentiations-Operationen, beispielsweise statistische Zählverfahren, ermitteln. Die Ableitung dQ/dV der Ladung Q einer Batteriezelle nach der Spannung V wird beispielsweise ohne Integration des Stroms zur Ermittlung der Ladung bestimmt. Ein Verlauf eines Umkehrbruchs der zeitlichen Ableitung der Spannung V ist proportional zum Verlauf der Ableitung der Ladung Q nach der Spannung V. Eine weitere Möglichkeit ist, durch Integration des Stromes I die Ladung Q zu bestimmen und diese nach der Spannung U abzuleiten. Für beide Verfahren ist dies bei konstantem Strom I oder nicht konstantem Strom I möglich. Für nicht konstanten Strom I wird zusätzlich eine Open cell voltage-Abschätzung vorgeschaltet.Depending on the aging state of the battery cell, the cell temperature and the cell chemistry, the ICA curve has characteristic extreme points, which are also referred to below as maximum values. Minimum values can also be used. During charging or discharging with constant current I this is also known. An instantaneous current I may also be from the measuring device 112 be recorded. If the instantaneous voltage V and / or the instantaneous current I are known for a battery cell, the ICA curve can be used with differentiation operations, for example statistical counting methods, depending on the time derivative of the voltage curve with known current I during the charging or discharging process. determine. The derivative dQ / dV of the charge Q of a battery cell after the voltage V is determined, for example, without integration of the current for determining the charge. A course of an inverse rupture of the time derivative of the voltage V is proportional to the course of the derivative of the charge Q to the voltage V. Another possibility is to determine the charge Q by integration of the current I and to derive this after the voltage U. For both methods, this is possible at constant current I or non-constant current I. For non-constant current I, an open cell voltage estimation is additionally connected upstream.

Eine typische ICA-Kurve, d.h. ein typischer Verlauf der Ableitung dQ/dV, mit zwei signifikanten Extremstellen E1, E2, ist in 2 in Abhängig der Spannung V für eine Batteriezelle exemplarisch dargestellt. In 2 bezeichnet VEoDCH die Entladeschlussspannung und VEoCH die Ladeschlussspannung. Ein erster Pfeil 202 zeigt die Laderichtung von VeoDCH nach VEoCH an. Ein zweiter Pfeil 204 zeigt in umgekehrter Richtung das Entladen an. Beginnend von der Entladeschlussspannung VEoDCH, steigt die ICA-Kurve bis zu einer ersten Extremstelle E1, einem Maximalwert, bei einer ersten Spannung VP2 an. Dann fällt die ICA-Kurve zunächst ab und steigt wieder bis zu einer zweiten Extremstelle E2, einem zweiten Maximalwert, bei einer zweiten Spannung VP1 an. Anschließend fällt die ICA-Kurve bis zur Ladeschlussspannung VEoCH.A typical ICA curve, ie, a typical course of the derivative dQ / dV, with two significant extremities E1, E2, is in 2 as an example of the voltage V for a battery cell. In 2 VEoDCH denotes the discharge end voltage and VEoCH the end-of-charge voltage. A first arrow 202 indicates the loading direction from VeoDCH to VEoCH. A second arrow 204 indicates in the reverse direction unloading. Starting from the discharge end voltage VEoDCH, the ICA curve rises up to a first extreme point E1, a maximum value, at a first voltage VP2. Then, the ICA curve first drops and increases again up to a second extreme point E2, a second maximum value, at a second voltage VP1. Subsequently, the ICA curve falls to the final charging voltage VEoCH.

Relevant ist nicht die Ausprägung, Gestalt oder Form der Extremstelle E1, E2, d.h. in der Darstellung deren Wert für dQ/dV, sondern die Spannung V, d.h. in der Darstellung der Wert VP2 bzw. VP1, bei dem diese Extremstellen E1, E2 auftreten. Die Extremstellen E1, E2 liegen in einem Spannungsintervall VI. Dieses ist kürzer als ein gesamter Spannungsbereich der von der Spannung VEoDCH bei vollständig entladener Batteriezelle und der Spannung VEoCH bei vollständig geladener Batteriezelle begrenzt wird. Jede der Extremstellen E1, E2 liegt dabei in unterschiedlichen Spannungsintervallen VI1, VI2. Eine Grenze des Spannungsintervalls VI oder der unterschiedlichen Spannungsintervalle VI1, VI2 wird vorzugsweise abhängig von der Steigung dQ/dV der Ladung über der Spannung für die Batteriezelle während des Ladvorgangs oder des Entladevorgangs mit Strom I, so bestimmt, dass das Spannungsintervall VI oder die unterschiedlichen Spannungsintervalle VI1, VI2 mindestens eine Extremstelle E1, E2 des Spannungsverlaufs umfasst beziehungsweise umfassen.Relevant is not the expression, shape or shape of the extreme point E1, E2, i. in the diagram, its value for dQ / dV, but the voltage V, i. in the illustration, the value VP2 or VP1 at which these extreme positions E1, E2 occur. The extreme points E1, E2 are in a voltage interval VI. This is shorter than an entire voltage range which is limited by the voltage VEoDCH at fully discharged battery cell and the voltage VEoCH at fully charged battery cell. Each of the extreme positions E1, E2 lies in different voltage intervals VI1, VI2. A limit of the voltage interval VI or the different voltage intervals VI1, VI2 is preferably determined depending on the slope dQ / dV of the charge over the voltage for the battery cell during charging or discharging with current I, such that the voltage interval VI or the different voltage intervals VI1, VI2 comprises or include at least one extreme point E1, E2 of the voltage curve.

Diese Spannungen VP1, VP2 sind für zwei Batteriezellen mit derselben Zellchemie bei gleicher Temperatur und gleichem Alterungszustand identisch. Experimente für eine spezifische Zellchemie zeigten, dass der Einfluss der Temperatur auf die Spannungslage der Extremstellen gering ist. Ebenso kann unter der Annahme einer normalen Spreizung des Alterungszustands der Batteriezellen dessen Einfluss vernachlässigt werden.These voltages VP1, VP2 are identical for two battery cells with the same cell chemistry at the same temperature and aging state. Experiments for a specific cell chemistry showed that the influence of temperature on the voltage level of the extremities is low. Likewise, assuming a normal spread of the aging state of the battery cells, its influence can be neglected.

3 zeigt schematisch einen Verlauf eines Vergleichs von zwei Ableitungen dQ/dV von Ladung Q zweier verschiedener Batteriezellen nach der Spannung V. Es handelt sich um zwei Batteriezellen verschiedener Kapazität, welche auf den Lade- oder Entladeschluss gebalanced wurden. Der Vergleich der Ableitungen dQ/dV ist auch für andere Ausganssituationen möglich. Die Ableitungen dQ/dV zweier seriell verschaltete Batteriezellen ist in 3 über der Zeit t aufgetragen. Der Verlauf für eine erste Batteriezelle ist mit durchgezogener Linie dargestellt. Der Verlauf für eine zweite Batteriezelle ist mit gestrichelter Linie dargestellt. Unerheblich ist, ob die Batteriezellen geladen oder entladen werden. Mit tstart wird ein erster Zeitpunkt des Beginns des Lade- oder Entladevorgangs bezeichnet. Mit tend wird ein zweiter Zeitpunkt des Endes des Lade- oder Entladevorgangs bezeichnet. Wie in 3 dargestellt treten die zwei signifikanten Extremstellen E11, E12 der ersten Batteriezelle zeitlich früher auf, als die zwei signifikanten Extremstellen E21, E22 der zweiten Batteriezelle. Der zeitliche Unterschied der jeweiligen signifikanten Extremstellen wird als in 3 mit ΔT1 und ΔT2 bezeichnet. Eine Auswertung des zeitlichen Abstandes des lokalen Minimums ist ebenfalls möglich. 3 schematically shows a course of a comparison of two derivatives dQ / dV of charge Q of two different battery cells after the voltage V. These are two battery cells of different capacity, which were gebalanced on the loading or unloading. The comparison of the derivatives dQ / dV is also possible for other starting situations. The derivatives dQ / dV of two series-connected battery cells is in 3 applied over time t. The course for a first battery cell is shown by a solid line. The course for a second battery cell is shown with a dashed line. It is irrelevant whether the battery cells are charged or discharged. By tstart is meant a first time of the beginning of the charging or discharging process. By tend a second time of the end of the loading or unloading process is designated. As in 3 represented occur two significant extreme points E11, E12 of the first battery cell earlier in time than the two significant extreme points E21, E22 of the second battery cell. The temporal difference of the respective significant extremities is called in 3 denoted by ΔT1 and ΔT2. An evaluation of the time interval of the local minimum is also possible.

Basierend auf den zeitlichen Unterschieden ΔT1 und ΔT2, sowie der Information über die bekannte Lade- bzw. Entladestromstärke I während dieser Intervalle, wird ermittelt, wie groß die Spreizung der Ladungsunterschied zwischen den Batteriezellen bezogen auf einen als Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der Batteriezellen dar. Daraus wird der Balancing-Bedarf abgeleitet.Based on the time differences .DELTA.T1 and .DELTA.T2, as well as the information about the known charging or discharging current I during these intervals, it is determined how large the spread of the charge difference between the battery cells with respect to a predefined as balancing target charge level of the battery cells derived from the balancing need.

Für die Funktionsweise des Verfahrens muss nicht die gesamte ICA-Kurve bekannt sein, sondern nur der Bereich der Extremstelle(n), d.h. mindestens eines der Spannungsintervalle VI1, VI2. Ausreichend ist dabei die Analyse nur einer Extremstelle, jedoch kann die Unsicherheit durch Betrachtung weiterer Extremstellen minimiert werden. Je nach der Verfügbarkeit der ICA-Kurve können Ausgleichsvorgänge für vollständige oder partielle Lade- bzw. Entladevorgänge durchgeführt werden. Dadurch wird dieser in zeitliche Deckung gebracht. Soll ein Punkt der ICA-Kurve, welcher kein Extremwert ist, in zeitliche Deckung gebracht werden, ist zumindest im Abstand einiger Ladezyklen die Erfassung beider Extremwerte vorgesehen.For the operation of the method, it is not necessary to know the entire ICA curve, but only the area of the extreme point (s), i. at least one of the voltage intervals VI1, VI2. Sufficient is the analysis of only one extreme point, however, the uncertainty can be minimized by looking at other extreme points. Depending on the availability of the ICA curve, compensation for full or partial load and unload operations can be performed. As a result, this is brought into temporal coverage. If a point of the ICA curve, which is not an extreme value, is brought into temporal coincidence, the detection of both extreme values is provided at least at intervals of some charging cycles.

4 zeigt schematisch Teile eines Verfahrens zur Regelung des Batteriesystems. 4 schematically shows parts of a method for controlling the battery system.

Das Verfahren dient der Regelung des Batteriesystems 102 mit mindestens zwei Batteriezellen 104, 106, ..., 108 und wird vorzugsweise beim Laden oder Entladen des Batteriesystems 102 mit momentanem Strom I angewendet. Erklärt wird das Verfahren im Folgenden mit zwei Batteriezellen 104, 106, die in Serie geschaltet sind. Das Verfahren ist auch für mehrere Batteriezellen und bei Parallelschaltung mehrerer Serienstränge, bestehend aus in Serie geschalteten Batteriezellen, für einzelne Serienstränge anwendbar. Eine Information über eine momentane Stromstärke I in der Serienschaltung ist als bekannt vorausgesetzt oder wird von der Messeinrichtung 112 laufend erfasst.The method is used to control the battery system 102 with at least two battery cells 104 . 106 , ..., 108 and preferably when charging or discharging the battery system 102 with instantaneous current I applied. The method is explained below with two battery cells 104 . 106 , which are connected in series. The method is also applicable to several battery cells and parallel connection of multiple series, consisting of series-connected battery cells, for individual series strands. Information about a momentary current I in the series circuit is assumed to be known or is provided by the measuring device 112 recorded continuously.

In einem Schritt 402 wird nach dem Start Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an einer ersten Batteriezelle 104 des Batteriesystems erfasst. Im Beispiel wird Information über eine erste Spannung V1 an der ersten Batteriezelle 104 des Batteriesystems 102 erfasst.In one step 402 After startup, information about a first time profile of a first incremental capacitance is applied to a first battery cell 104 of the battery system detected. In the example, information about a first voltage V1 is applied to the first battery cell 104 of the battery system 102 detected.

Anschließend wird in einem Schritt 404 Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementellen Kapazität an einer zweiten Batteriezelle 106 des Batteriesystems 102 erfasst. Im Beispiel wird Information über ein zweite Spannung V2 an der zweiten Batteriezelle 106 des Batteriesystems 102 erfasst.Subsequently, in one step 404 Information about a second time course of a second incremental capacity at a second battery cell 106 of the battery system 102 detected. In the example, information about a second voltage V2 at the second battery cell 106 of the battery system 102 detected.

Anschließend wird in einem Schritt 406 Information über einen ersten Zeitpunkt ermittelt, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt. Im Beispiel wird Information über den Zeitpunkt ermittelt, zu dem ein erster zeitlicher Verlauf der ersten Spannung V1 die Bedingung erfüllt. Die Bedingung ist erfüllt, wenn ein zeitlicher Verlauf einer Ableitung dQ1/dV1 einer ersten Ladung Q1 der ersten Batteriezelle 104 nach der ersten Spannung V1 die Bedingung erfüllt. Dies wird beispielsweise durch Differentiation mittels eines statistischen Zählverfahrens erkannt. Welcher der Extremwerte erreicht wird hängt davon ab ob es sich um einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang handelt, und wie hoch die Ladung anfänglich war. Bei partiellen Lade- und Entladevorgängen lassen sich ermittelte Extremwerte durch Definition plausibler Spannungsintervalle identifizieren.Subsequently, in one step 406 Information about a first time determined when the first time course meets a condition. In the example, information is determined about the time at which a first time profile of the first voltage V1 fulfills the condition. The condition is fulfilled if a time profile of a derivative dQ1 / dV1 of a first charge Q1 of the first battery cell 104 after the first voltage V1, the condition is fulfilled. This is detected, for example, by differentiation by means of a statistical counting method. Which of the extreme values is reached depends on whether it is a charge or a discharge, and how high the charge was initially. During partial loading and unloading processes, determined extreme values can be identified by defining plausible stress intervals.

Anschließend wird in einem Schritt 408 Information über einen zweiten Zeitpunkt ermittelt, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt. Im Beispiel wird Information über den Zeitpunkt ermittelt, zu dem ein zweiter zeitlicher Verlauf der zweiten Spannung V2 die Bedingung erfüllt. Die Bedingung ist erfüllt, wenn ein zeitlicher Verlauf einer zweiten Ableitung dQ2/dV2 einer zweiten Ladung Q2 der zweiten Batteriezelle 106 nach der zweiten Spannung V2 die Bedingung erfüllt. Dies wird beispielsweise durch Differentiation mittels des statistischen Zählverfahrens erkannt. Welcher der Extremwerte überschritten wird hängt davon ab ob es sich um einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang handelt, und wie hoch die Ladung anfänglich war.Subsequently, in one step 408 Information about a second time determined, to which the second time course meets the condition. In the example, information is determined about the time at which a second time profile of the second voltage V2 fulfills the condition. The condition is satisfied if a time course of a second derivative dQ2 / dV2 of a second charge Q2 of the second battery cell 106 after the second voltage V2 meets the condition. This is recognized, for example, by differentiation by means of the statistical counting method. Which of the extreme values is exceeded depends on whether it is a charge or a discharge, and how high the charge was initially.

Anschließend wird in einem Schritt 410 Information über einen zeitlichen Unterschied ΔT, d.h. entweder ΔT1 oder ΔT2, zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ermittelt.Subsequently, in one step 410 Information about a time difference ΔT, ie either ΔT1 or ΔT2, determined between the first time and the second time.

Anschließend wird in einem Schritt 412 Information über den Ladungsunterschied zwischen einer ersten Ladung der ersten Batteriezelle 104 bezogen auf einen als erstes Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der ersten Batteriezelle 104 und einer zweiten Ladung der zweiten Batteriezelle 106 bezogen auf einen als zweites Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der zweiten Batteriezelle 106 abhängig vom zeitlichen Unterschied ΔT und der während dieses Zeitintervalls vorliegenden momentanen Stromstärke I ermittelt.Subsequently, in one step 412 Information about the charge difference between a first charge of the first battery cell 104 in relation to a charge level of the first battery cell specified as the first compensation target 104 and a second charge of the second battery cell 106 based on a charge level of the second battery cell specified as a second compensation target 106 depending on the time difference .DELTA.T and the present during this time interval current current I determined.

Anschließend erfolgt in einem Schnitt 414 die Regelung des Batteriesystems 102 abhängig von der Information über den Ladungsunterschied. Dann wird der Schnitt 402 ausgeführt. Die Regelung erfolgt im Beispiel abhängig von der Spreizung des SoC, um diese durch Ladungsausgleich zu einem Zeitpunkt bei einem definierten SoC auf Null zu reduzieren. Subsequently, in a cut 414 the regulation of the battery system 102 depending on the information about the charge difference. Then the cut 402 executed. In the example, the regulation takes place as a function of the spread of the SoC in order to reduce it to zero by means of charge compensation at a point in time at a defined SoC.

Die Information über den Unterschied wird vorzugsweise mit zunehmender Spannung V oder abnehmender Spannung V für mehrere Extremwerte ermittelt, und zur Regelung des Batteriesystems 102 zu verschiedenen Zeitpunkten verwendet. Die Extremwerte sind vorzugsweise Werte, bei denen der Verlauf der Ableitung der Ladung der Batteriezelle nach der Spannung einen Maximalwert aufweist.The information about the difference is preferably determined with increasing voltage V or decreasing voltage V for several extreme values, and for the regulation of the battery system 102 used at different times. The extreme values are preferably values at which the course of the derivative of the charge of the battery cell after the voltage has a maximum value.

Die Information über die Spannungen V wird vorzugsweise während der Dauer eines Ladevorgangs nur in dem Spannungsintervall VI oder den unterschiedlichen Spannungsintervall VI1, VI2 erfasst.The information about the voltages V is preferably detected during the duration of a charging process only in the voltage interval VI or the different voltage interval VI1, VI2.

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  • DE 102013206885 A1 [0012]DE 102013206885 A1 [0012]

Claims (11)

Verfahrens zur Regelung eines Batteriesystems (102) mit mindestens zwei Batteriezellen (104, 106, ..., 108), gekennzeichnet durch Erfassen (402) von Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an einer ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102) durch Erfassen eines ersten zeitlichen Verlaufes einer ersten Spannung (V1) der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102) und die Erfassung des ersten zeitlichen Verlaufes eines ersten Stromes der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102), Erfassen (404) von Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementellen Kapazität an einer zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) durch Erfassen eines zweiten zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung (V2) der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) und die Erfassung eines zweiten zeitlichen Verlaufes eines zweiten Stromes der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102), Ermitteln (406) von Information über einen ersten Zeitpunkt, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt, Ermitteln (408) von Information über einen zweiten Zeitpunkt, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt, Ermitteln (412) von Information über einen Ladungsunterschied zwischen einer ersten Ladung der ersten Batteriezelle (104) bezogen auf einen als erstes Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der ersten Batteriezelle (104) und einer zweiten Ladung der zweiten Batteriezelle (106) bezogen auf einen als zweites Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der zweiten Batteriezelle (106) abhängig von der Information über den ersten Zeitpunkt, der Information über den zweiten Zeitpunkt sowie den ersten zeitlichen Verlauf des ersten Stromes der ersten Batteriezelle (104) und den zweiten zeitlichen Verlauf des zweiten Stromes der zweiten Batteriezelle (106), Regelung (414) des Batteriesystems (102) abhängig von der Information über den Ladungsunterschied.A method of controlling a battery system (102) having at least two battery cells (104, 106, ..., 108) characterized by detecting (402) information about a first time history of a first incremental capacitance on a first battery cell (104) of the battery system (102) by detecting a first time course of a first voltage (V1) of the first battery cell (104) of the battery system (102) and detecting the first time profile of a first current of the first battery cell (104) of the battery system (102), detecting ( 404) of information about a second time course of a second incremental capacity at a second battery cell (106) of the battery system (102) by detecting a second time course of a second voltage (V2) of the second battery cell (106) of the battery system (102) and the Detecting a second time course of a second current of the second battery cell (106) of the battery system (1 02), determining (406) information about a first time when the first time course satisfies a condition, determining (408) information about a second time when the second time course satisfies the condition, determining (412) of Information about a charge difference between a first charge of the first battery cell (104) in relation to a charge level of the first battery cell (104) specified as the first compensation target and a second charge of the second battery cell (106) relative to a charge state of the second battery cell specified as a second compensation target ( 106) depending on the information about the first time, the information about the second time and the first time course of the first current of the first battery cell (104) and the second time course of the second current of the second battery cell (106), control (414) of the battery system (102) depending on the information about the charge difference ied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Information über den Ladungsunterschied zwischen mindestens zwei Batteriezellen (104, 106, ..., 108), die in Serie geschaltet sind, abhängig von Information über eine momentane Stromstärke (I) in der Serienschaltung ermittelt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the information about the charge difference between at least two battery cells (104, 106, ..., 108), which are connected in series, depending on information about a current current strength (I) in the series circuit is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer Spannung (V1, V2) die Bedingung erfüllt, wenn ein zeitlicher Verlauf einer Ableitung (dQ1/dV1, dQ2/dV2) einer Ladung (Q1, Q2) nach der Spannung (V1, V2) einen Extremwert (E11, E21; E12, E22) aufweist.Method according to one of Claims 1 or 2 Characterized in that a time profile of a voltage (V1, V2) satisfying the condition, when a time profile of a discharge line (DQ1 / dV1, dQ2 / dV2) a charge (Q1, Q2) to the voltage (V1, V2) a Extreme value (E11, E21, E12, E22). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Spannungen (V1, V2, ...,Vn) während der Dauer eines Ladevorgangs in einem Spannungsintervall (VI, VI1, VI2) erfasst wird, das kürzer als ein Spannungsbereich zwischen einer ersten Spannung (VEoDCH) bei vollständig entladener Batteriezelle und einer zweiten Spannung (VEoCH) bei vollständig geladener Batteriezelle ist.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the information about voltages (V1, V2, ..., Vn) during the duration of a charging process in a voltage interval (VI, VI1, VI2) is detected which is shorter than a voltage range between a first voltage (VEoDCH) with fully discharged battery cell and a second voltage (VEoCH) with fully charged battery cell. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Erfassen von Information über den ersten Strom zu der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102), Erfassen von Information über den zweiten Strom zu der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102), wobei der erste zeitliche Verlauf abhängig von einem ersten Integral des ersten Stroms über der Zeit bestimmt wird, wobei der zweite zeitliche Verlauf abhängig von einem zweiten Integral des zweiten Stroms über der Zeit bestimmt wird.Method according to one of Claims 1 to 4 characterized by detecting information about the first current to the first battery cell (104) of the battery system (102), acquiring information about the second current to the second battery cell (106) of the battery system (102), the first time history depending on a first integral of the first current over time is determined, wherein the second time profile is determined depending on a second integral of the second current over time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet, durch Laden oder Entladen des Batteriesystems mit konstantem Strom.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized by charging or discharging the battery system with a constant current. Vorrichtung (100) zur Regelung eines Batteriesystems (102) mit mindestens zwei Batteriezellen (104, 106, 108), gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (110) eine Messeinrichtung (112), eine Recheneinrichtung (114) und eine Ausgleichseinrichtung (116), wobei die Messeinrichtung (112) ausgebildet ist, durch die Erfassung eines ersten zeitlichen Verlaufes einer ersten Spannung (V1) einer ersten Batteriezelle (104) eines Batteriesystems (102) und die Erfassung eines ersten zeitlichen Verlaufes eines ersten Stromes der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102) Information über einen ersten zeitlichen Verlauf einer ersten inkrementellen Kapazität an der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102) zu erfassen, und durch die Erfassung eines zweiten zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung (V2) einer zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) und die Erfassung eines zweiten zeitlichen Verlaufes eines zweiten Stromes der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) Information über einen zweiten zeitlichen Verlauf einer zweiten inkrementelle Kapazität an der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) zu erfassen, wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist Information über einen ersten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der erste zeitliche Verlauf eine Bedingung erfüllt, Information über einen zweiten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der zweite zeitliche Verlauf die Bedingung erfüllt, und Information über einen Ladungsunterschied zwischen einer ersten Ladung der ersten Batteriezelle (104) bezogen auf einen als erstes Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der ersten Batteriezelle (104) und einer zweiten Ladung der zweiten Batteriezelle (106) bezogen auf einen als zweites Ausgleichsziel vorgegebenen Ladestand der zweiten Batteriezelle (106) abhängig von der Information über den ersten Zeitpunkt, der Information über den zweiten Zeitpunkt sowie den ersten zeitlichen Verlauf des Stromes der ersten Batteriezelle (104) und den zweiten zeitlichen Verlauf des Stromes der zweiten Batteriezelle (106) zu ermitteln, und wobei die Regeleinrichtung (110) ausgebildet ist, die Ausgleichseinrichtung (116) abhängig von der Information über den Ladungsunterschied zu regeln.Device (100) for controlling a battery system (102) having at least two battery cells (104, 106, 108), characterized by a control device (110), a measuring device (112), a computing device (114) and a compensation device (116), wherein the Measuring device (112) is formed by the detection of a first time course of a first voltage (V1) of a first battery cell (104) of a battery system (102) and the detection of a first time course of a first current of the first battery cell (104) of the battery system ( 102) to detect information about a first time course of a first incremental capacity at the first battery cell (104) of the battery system (102), and by detecting a second time course of a second voltage (V2) of a second battery cell (106) of the battery system ( 102) and the detection of a second time course of a second current of the second battery cell (106) of the Batt eriesystems (102) to detect information about a second time course of a second incremental capacity at the second battery cell (106) of the battery system (102), wherein the computing means (114) is adapted to determine information about a first time at which the first temporal Course meets a condition to determine information about a second time at which the second time course satisfies the condition, and information about a charge difference between a first charge of the first battery cell (104) based on a first compensation target charge state of the first battery cell ( 104) and a second charge of the second battery cell (106) to a charge level of the second battery cell (106) specified as a second compensation target as a function of the information about the first time, the information about the second time and the first time course of the current of the first battery cell (104) and the second time course of the current of the second Battery cell (106) to determine, and wherein the control device (110) is adapted to regulate the compensation device (116) depending on the information about the charge difference. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (112) ausgebildet ist, Information über die erste Spannung (V1) an der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems zu erfassen, und Information über die zweite Spannung (V2) an der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems zu erfassen, wobei der erste zeitlicher Verlauf eine erste Ableitung (dQ1/dV) einer ersten Ladung (Q1) der ersten Batteriezelle (104) nach der ersten Spannung (V1) ist, und wobei der zweite zeitliche Verlauf eine zweite Ableitung (dQ2/dV2) einer zweiten Ladung (Q2) der zweiten Batteriezelle (106) nach der zweiten Spannung (V2) ist.Device (100) according to Claim 7 , characterized in that the measuring device (112) is designed to detect information about the first voltage (V1) at the first battery cell (104) of the battery system, and information about the second voltage (V2) at the second battery cell (106) of the The first time course is a first derivative (dQ1 / dV) of a first charge (Q1) of the first battery cell (104) after the first voltage (V1), and wherein the second time course is a second derivative (dQ2 / dV2) of a second charge (Q2) of the second battery cell (106) after the second voltage (V2). Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Batteriezellen (104, 106, ..., 108) in Serie geschaltet sind, wobei Unterschiede zwischen Ladungen der mindestens zwei Batteriezellen (104, 106, ..., 108) abhängig von Information über eine momentane Stromstärke (I) in der Serienschaltung ermittelt wird.Device after Claim 7 or 8th Characterized in that at least two battery cells (104, 106, ..., 108) are connected in series, with differences between charges of the at least two battery cells (104, 106, ..., 108) depending on information about an instantaneous current (I) is determined in the series connection. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer Spannung (V1, V2) die Bedingung erfüllt, wenn ein zeitlicher Verlauf einer Ableitung (dQ1/dV1, dQ2/dV2) einer Ladung (Q1, Q2) nach der Spannung (V1, V2) einen Extremwert (E11, E21; E12, E22) aufweist.Device according to one of Claims 7 to 9 , characterized in that a time profile of a voltage (V1, V2) meets the condition when a time course of a derivative (dQ1 / dV1, dQ2 / dV2) of a charge (Q1, Q2) after the voltage (V1, V2) a Extreme value (E11, E21, E12, E22). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (112) ausgebildet ist Information über einen ersten Strom zu der ersten Batteriezelle (104) des Batteriesystems (102) zu erfassen, und Information über einen zweiten Strom zu der zweiten Batteriezelle (106) des Batteriesystems (102) zu erfassen, wobei der erste zeitliche Verlauf abhängig von einem ersten Integral des ersten Stroms über der Zeit bestimmt wird, wobei der zweite zeitliche Verlauf abhängig von einem zweiten Integral des zweiten Stroms über der Zeit bestimmt wird.Device according to one of Claims 7 to 10 characterized in that the measuring device (112) is adapted to detect information about a first current to the first battery cell (104) of the battery system (102), and information about a second current to the second battery cell (106) of the battery system (102) wherein the first time course is determined as a function of a first integral of the first current over time, wherein the second time profile is determined as a function of a second integral of the second current over time.
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