DE102018200144A1

DE102018200144A1 - Verfahren und Managementsystem zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen eines Batteriepacks sowie Batteriepack

Info

Publication number: DE102018200144A1
Application number: DE102018200144.8A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Behrendt; Mykola RAIEVSKYI
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-07-11
Also published as: JP7242683B2; WO2019134891A1; CN111542451A; EP3737581A1; CN111542451B; US20200386824A1; KR20200106512A; JP2021510059A; US11486935B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen (2) eines Batteriepacks (5), wobei von mindestens einer Erfassungseinheit (20) von jeder Batteriezelle (2) je ein Datensatz von Zustandsgrößen erfasst und zu einer Selektiereinheit (32) übertragen wird; von der Selektiereinheit (32) einzelne Zustandsgrößen aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen selektiert werden, welche einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen bilden; von einer Simulationseinheit (34) ein Modell einer virtuellen Zelle (8) aus den selektierten Zustandsgrößen erstellt wird; und von einer Datenverarbeitungseinheit (36) ein Grenzwert eines Ladestroms (I) zum Laden der Batteriezellen (2) des Batteriepacks (5) aus den selektierten Zustandsgrößen der virtuellen Zelle (8) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen eines Batteriepacks durch Erfassen von Zustandsgrößen der Batteriezellen und Berechnen eines Grenzwerts eines Ladestroms zum Laden der Batteriezellen des Batteriepacks aus den Zustandsgrößen. Die Erfindung betrifft auch ein Managementsystem zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen eines Batteriepacks. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriepack, welches ein erfindungsgemäßes Managementsystem und mehrere Batteriezellen umfasst.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen hohe Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit auf. Ein nicht sachgemäßer Betrieb der Batteriezellen kann zu exothermen Reaktionen bis hin zum Brand und/oder zur Entgasung führen.
Eine Batteriezelle weist eine mit einem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal verbundene Kathode auf. Mehrere derartige Batteriezellen werden elektrisch insbesondere seriell miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen oder Batteriepacks verbunden. Mehrere solcher Batteriemodule oder Batteriepacks werden miteinander verschaltet und bilden so das Batteriesystem des Elektrofahrzeugs. Ein Batteriepack umfasst ein Batterie-Managementsystem, welches den Betrieb der Batteriezellen überwacht und derart steuert, dass die Batteriezellen sicher und nachhaltig bezüglich ihrer Lebensdauer betrieben werden.
Um dieses zu realisieren, wird von dem Batterie-Managementsystem für jede Batteriezelle eines Batteriepacks ein aktueller Betriebszustand ermittelt. Der Betriebszustand kann durch verschiedene Parameter, beispielsweise Ladezustand, Alterungszustand, Innenwiderstand, Kapazität, Temperatur, Spannung, Überpotential der Elektroden und Lithiumkonzentration in der Batteriezelle beschrieben werden. Für eine möglichst genaue Bestimmung des Betriebszustands kommen komplexe elektrochemische Modellbeschreibungen zum Einsatz.
Basierend auf den Betriebszuständen der Batteriezellen werden in weiteren Funktionen des Batterie-Managementsystems Kenngrößen des Batteriepacks, beispielsweise Stromgrenzwerte für verschiedene Betriebszustände der Batteriezellen, berechnet. Besagte Kenngrößen werden von dem Batterie-Managementsystem an ein Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs kommuniziert.
Aus der US 2013/154572 A1 ist ein Energiespeichersystem für ein Elektrofahrzeug bekannt, welches mehrere Energiespeichervorrichtungen umfasst. Dabei sind mehrere Zustandsinformations-Erfassungsvorrichtungen vorgesehen, welche Zustandsinformationen, insbesondere einen Strom, eine Gesamtspannung, eine Zellenspannung und eine Temperatur erfassen. Beim Betrieb des Energiespeichersystems wird dabei insbesondere ein schlechtester Wert der erfassten Zustandsinformationen berücksichtigt.
Aus der US 2015/0258897 A1 ist ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug bekannt, welches mehrere Batteriezellen umfasst. Es sind Erfassungseinheiten vorgesehen, welche Daten erfassen, wie beispielsweise einen Strom sowie eine Gesamtspannung. Weitere Daten, wie beispielsweise ein Ladezustand, werden berechnet. Anhand dieser Daten wird dann die schlechteste Batteriezelle identifiziert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen eines Batteriepacks vorgeschlagen. Das Batteriepack ist dabei insbesondere zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug vorgesehen. Dabei kann es sich unter anderem um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug sowie ein Plug-In-Hybridfahrzeug handeln. Das Batteriepack kann aber auch in Consumer-Elektronik-Produkten, wie beispielsweise Mobiltelefonen, Tablet-PCs, Notebooks oder Elektrowerkzeugen verwendet werden. Die Batteriezellen des Batteriepacks sind vorzugsweise elektrisch seriell miteinander verschaltet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von mindestens einer Erfassungseinheit von jeder Batteriezelle je ein Datensatz von Zustandsgrößen erfasst und zu einer Selektiereinheit übertragen. Dabei kann jeder Batteriezelle eine separate Erfassungseinheit zugeordnet sein. Es kann auch eine Erfassungseinheit vorgesehen sein, welche Datensätze von Zustandsgrößen mehrerer Batteriezellen erfasst. Aus dem Datensatz von Zustandsgrößen kann ein Zustand der Batteriezelle ermittelt werden.
Anschließend werden von der Selektiereinheit einzelne Zustandsgrößen aus den mehreren übertragenen Datensätzen von Zustandsgrößen selektiert. Die selektierten Zustandsgrößen bilden dabei einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen. Die selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes können somit aus den Datensätzen von Zustandsgrößen verschiedener Batteriezellen stammen.
Dann wird von einer Simulationseinheit ein Modell einer virtuellen Zelle aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes erstellt. Die virtuelle Zelle simuliert somit eine Batteriezelle mit dem zuvor erstellten virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen. Aus dem virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen kann ein Zustand der virtuellen Zelle ermittelt werden.
Anschließend wird von einer Datenverarbeitungseinheit ein Grenzwert eines Ladestroms zum Laden der Batteriezellen des Batteriepacks aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle berechnet. Der so berechnete Grenzwert des Ladestroms wird dann beispielsweise zu einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät kann somit beim Laden der Batteriezellen des Batteriepacks den Ladestrom entsprechend diesem Grenzwert begrenzen.
In Abhängigkeit von dem Zustand der Batteriezelle kann ein zu hoher Ladestrom die Batteriezelle beschädigen. Deshalb darf jede der Batteriezellen nur mit einem zulässigen Ladestrom geladen werden, welcher keine Beschädigung der Batteriezelle verursacht. Der jeweils zulässige Ladestrom ist dabei von dem Zustand der Batteriezelle abhängig. Je schlechter der Zustand der Batteriezelle ist, umso kleiner ist der zulässige Ladestrom. Je besser der Zustand der Batteriezelle ist, umso größer ist der zulässige Ladestrom.
Der Grenzwert des Ladestroms zum Laden der Batteriezellen des Batteriepacks wird erfindungsgemäß lediglich einmal aus den selektierten Zustandsgrößen der virtuellen Zelle berechnet. Eine separate Berechnung von zulässigen Ladeströmen für mehrere oder gar für alle Batteriezellen des Batteriepacks ist nicht erforderlich. Wenn die Batteriezellen des Batteriepacks elektrisch seriell miteinander verschaltet sind, so fließt auch stets der gleiche Ladestrom durch alle Batteriezellen.
Vorzugsweise werden dabei von der Selektiereinheit aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen selektiert, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle darstellen. Der Zustand der virtuellen Zelle ist somit nicht besser als der Zustand einer beliebigen Batteriezelle des Batteriepacks. Dadurch ist sichergestellt, dass der so berechnete Grenzwert des Ladestroms nicht größer ist als der zulässige Ladestrom einer beliebigen Batteriezelle des Batteriepacks. Somit wird ein minimaler Grenzwert des Ladestroms berechnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird von einer Energieprädiktionseinheit zusätzlich eine in den Batteriezellen des Batteriepacks speicherbare elektrische Energie aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle prädiziert. Die so prädizierte in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie wird dann beispielsweise zu einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät kann die prädizierte in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie beispielsweise bei der Ermittlung einer Reichweite des Elektrofahrzeugs berücksichtigen.
Die in einer der Batteriezellen speicherbare elektrische Energie ist dabei von dem Zustand der Batteriezelle abhängig. Je schlechter der Zustand der Batteriezelle ist, umso kleiner ist die in der Batteriezelle speicherbare elektrische Energie. Je besser der Zustand der Batteriezelle ist, umso größer ist die in der Batteriezelle speicherbare elektrische Energie.
Vorzugsweise werden dabei von der Selektiereinheit aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen selektiert, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle darstellen. Der Zustand der virtuellen Zelle ist somit nicht besser als der Zustand einer beliebigen Batteriezelle des Batteriepacks. Dadurch ist sichergestellt, dass die so prädizierte in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie nicht größer ist als eine real in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird von einer Leistungsprädiktionseinheit zusätzlich eine den Batteriezellen des Batteriepacks maximal entnehmbare elektrische Leistung aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle prädiziert. Die so prädizierte den Batteriezellen maximal entnehmbare elektrische Leistung wird dann beispielsweise zu einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät kann die prädizierte den Batteriezellen maximal entnehmbare elektrische Leistung beispielsweise berücksichtigen, um einen Entladestrom des Batteriepacks zu begrenzen.
Die in einer der Batteriezellen entnehmbare elektrische Leistung ist dabei von dem Zustand der Batteriezelle abhängig. Je schlechter der Zustand der Batteriezelle ist, umso kleiner ist die der Batteriezelle entnehmbare elektrische Leistung. Je besser der Zustand der Batteriezelle ist, umso größer ist die der Batteriezelle entnehmbare elektrische Leistung.
Vorzugsweise werden dabei von der Selektiereinheit aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen selektiert, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle darstellen. Der Zustand der virtuellen Zelle ist somit nicht besser als der Zustand einer beliebigen Batteriezelle des Batteriepacks. Dadurch ist sichergestellt, dass die so prädizierte den Batteriezellen entnehmbare elektrische Leistung nicht größer ist als eine real den Batteriezellen entnehmbare elektrische Leistung.
Vorteilhaft umfasst jeder Datensatz von Zustandsgrößen einer Batteriezelle mindestens eine Spannung der Batteriezelle, eine Temperatur der Batteriezelle, ein Überpotential an einer Anode der Batteriezelle, ein Überpotential an einer Kathode der Batteriezelle, einen Ladezustand an der Anode der Batteriezelle und einen Ladezustand an der Kathode der Batteriezelle. Aus den besagten Zustandsgrößen kann der Zustand der Batteriezelle ausreichend genau ermittelt werden.
Vorteilhaft umfasst der virtuelle Datensatz von Zustandsgrößen der virtuellen Zelle mindestens eine Spannung der Batteriezelle, eine Temperatur der Batteriezelle, ein Überpotential an einer Anode der Batteriezelle, ein Überpotential an einer Kathode der Batteriezelle, einen Ladezustand an der Anode der Batteriezelle und einen Ladezustand an der Kathode der Batteriezelle. Aus den besagten Zustandsgrößen kann der Zustand der Batteriezelle ausreichend genau ermittelt werden.
Es wird auch ein Managementsystem zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen eines Batteriepacks vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Managementsystem umfasst dabei eine Selektiereinheit zum Selektieren von einzelnen Zustandsgrößen aus mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen, welche zu der Selektiereinheit übertragen werden. Die selektierten Zustandsgrößen bilden einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen.
Vorzugsweise erfasst dabei eine Erfassungseinheit von jeder Batteriezelle des Batteriepacks je einen Datensatz von Zustandsgrößen und überträgt die erfassten Datensätzen von Zustandsgrößen zu der Selektiereinheit des Managementsystems.
Das erfindungsgemäße Managementsystem umfasst auch eine Simulationseinheit zum Erstellen eines Modells einer virtuellen Zelle aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes. Die virtuelle Zelle simuliert eine Batteriezelle mit dem gebildeten virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen.
Das erfindungsgemäße Managementsystem umfasst ferner eine Datenverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Grenzwerts eines Ladestroms zum Laden der Batteriezellen des Batteriepacks aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle. Der so berechnete Grenzwert des Ladestroms kann zu einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen werden, welches somit beim Laden der Batteriezellen des Batteriepacks den Ladestrom entsprechend diesem Grenzwert begrenzen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung selektiert die Selektiereinheit aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle darstellen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Managementsystem ferner eine Energieprädiktionseinheit zur Prädiktion einer in den Batteriezellen speicherbaren elektrischen Energie aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle. Die so prädizierte in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie kann zu einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen werden, welches die prädizierte in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie beispielsweise bei der Ermittlung einer Reichweite des Elektrofahrzeugs berücksichtigen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Managementsystem ferner eine Leistungsprädiktionseinheit zur Prädiktion einer den Batteriezellen maximal entnehmbaren elektrischen Leistung aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle. Die so prädizierte den Batteriezellen maximal entnehmbare elektrische Leistung kann einem Zentralsteuergerät des Elektrofahrzeugs übertragen werden, welches die prädizierte den Batteriezellen maximal entnehmbare elektrische Leistung beispielsweise berücksichtigen kann, um einen Entladestrom des Batteriepacks zu begrenzen.
Es wird auch ein Batteriepack vorgeschlagen, welches ein erfindungsgemäßes Managementsystem, mehrere Batteriezellen, welche seriell miteinander verschaltet sind, und mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen von je einem Datensatz von Zustandsgrößen jeder Batteriezelle und zum Übertragen des Datensatzes an eine Selektiereinheit des Managementsystems umfasst.
Dabei kann jeder Batteriezelle eine separate Erfassungseinheit zugeordnet sein. Es kann aber auch eine Erfassungseinheit vorgesehen sein, welche Datensätze von Zustandsgrößen mehrerer Batteriezellen erfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug, welches mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriepack umfasst. Bei dem Elektrofahrzeug kann es sich unter anderem um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug sowie ein Plug-In-Hybridfahrzeug handeln.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung gestattet, wichtige Kenngrößen zum sicheren und nachhaltigen Betrieb der Batteriezellen des Batteriepacks auf verhältnismäßig einfache Weise und mit Einsatz verhältnismäßig geringer Rechenleistung zu berechnen, beziehungsweise zu prädizieren. Zu den besagten Kenngrößen gehören unter anderem ein Grenzwert eines Ladestroms zum Laden der Batteriezellen, eine den Batteriezellen maximal entnehmbare elektrische Leistung sowie eine in den Batteriezellen speicherbare elektrische Energie. Die besagten Kenngrößen müssen nicht für jede der Batteriezellen separat berechnet, beziehungsweise prädiziert, und anschließend miteinander verknüpft werden, sondern jede der besagten Kenngrößen muss nur einmal berechnet, beziehungsweise prädiziert, werden. Somit sind Rechenleistung und Speicherbedarf in dem Managementsystem vorteilhaft reduziert. Auch ist auch sichergestellt, dass die besagten Kenngrößen stets derart berechnet, beziehungsweise prädiziert, werden, dass ein sicherer und nachhaltiger Betrieb aller Batteriezellen des Batteriepacks möglich ist.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriepacks und
2 eine schematische Darstellung eines Managementsystems eines Batteriepacks 5.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriepacks 5, welches insbesondere zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug vorgesehen ist. Das Batteriepack 5 umfasst ein Managementsystem 30, welches vorliegend eine Selektiereinheit 32, eine Simulationseinheit 34 und eine Datenverarbeitungseinheit 36 aufweist.
Das Batteriepack 5 umfasst ferner mehrere Batteriezellen 2, welche elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Jede Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche jeweils eine Anode 11 und eine Kathode 12 aufweist.
Die Anode 11 der Elektrodeneinheit ist mit einem negativen Stromsammler 15 der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode 12 der Elektrodeneinheit ist mit einem positiven Stromsammler 16 der Batteriezelle 2 verbunden. Zwischen der Anode 11 und der Kathode 12 ist ein Separator 18 angeordnet. Zur seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 ist jeweils das negative Stromsammler 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Stromsammler 16 der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
Die Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 werden in der hier gezeigten Darstellung von einem Ladestrom I durchflossen. Aufgrund der elektrisch seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 fließt der gleiche Ladestrom I durch jede der Batteriezellen 2.
Das Batteriepack 5 umfasst vorliegend auch mehrere Erfassungseinheiten 20. Dabei ist jeder Batteriezelle 2 eine Erfassungseinheit 20 zugeordnet. Jede der Erfassungseinheiten 20 erfasst je einen Datensatz von Zustandsgrößen der zugeordneten Batteriezelle 2. Alternativ kann auch eine Erfassungseinheit 20 vorgesehen sein, welche Datensätze von Zustandsgrößen mehrerer Batteriezellen 2 oder aller Batteriezellen 2 erfasst.
Die Batteriezellen 2 und die den Batteriezellen 2 zugeordneten Erfassungseinheiten 20 bilden eine Batterieeinheit 7. Das Batteriepack 5 umfasst somit das Managementsystem 30 und die Batterieeinheit 7.
Jeder Datensatz von Zustandsgrößen einer der Batteriezellen 2 umfasst vorliegend eine Spannung der Batteriezelle 2, welche zwischen dem positiven Stromsammler 16 und dem negativen Stromsammler 15 anliegt. Ferner umfasst jeder Datensatz von Zustandsgrößen eine Temperatur der Batteriezelle 2, ein Überpotential an der Anode 11, ein Überpotential an der Kathode 12, einen Ladezustand an der Anode 11 und einen Ladezustand an der Kathode 12. Der Datensatz kann auch noch weitere Zustandsgrößen umfassen.
Die erfassten Datensätze von Zustandsgrößen der Batteriezellen 2 werden von den Erfassungseinheiten 20 an die Selektiereinheit 32 des Managementsystems 30 übertragen. In der Selektiereinheit 32 liegt somit für jede Batteriezelle 2 des Batteriepacks 5 ein Datensatz vor, welcher die oben beschriebenen Zustandsgrößen umfasst.
Die Erfassungseinheiten 20 können dabei nahe der Batteriezellen 2 angeordnet und mit dem Managementsystem 30 verbunden sein. Die Erfassungseinheiten 20 können aber auch in das Managementsystem 30 integriert sein und mit entsprechenden Sensoren zur Messung verschiedener Größen der Batteriezellen 2 verbunden sein.
Von der Selektiereinheit 32 des Managementsystems 30 werden einzelne Zustandsgrößen aus den Datensätzen von Zustandsgrößen der Batteriezellen 2 selektiert. Die selektierten Zustandsgrößen bilden dann einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen. Dieser virtuelle Datensatz umfasst ebenfalls die oben beschriebenen Zustandsgrößen. Die selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes können dabei alle aus einer einzigen Batteriezelle 2 stammen. In der Regel stammen die selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes aber aus den Datensätzen von Zustandsgrößen verschiedener Batteriezellen 2.
Von der Selektiereinheit 32 werden aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen der Batteriezellen 2 diejenigen Zustandsgrößen selektiert, welche jeweils einen schlechtestmöglichen Zustand darstellen. Beispielsweise werden aus allen Datensätzen die höchste Spannung der Batteriezellen 2, die höchste Temperatur der Batteriezellen 2, das geringste Überpotential an der Anode 11 der Batteriezellen 2, das höchste Überpotential an der Kathode 12 der Batteriezellen 2, der höchste Ladezustand an der Anode 11 der Batteriezellen 2 und der geringste Ladezustand an der Kathode 12 der Batteriezellen 2 selektiert.
Aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes wird von der Simulationseinheit 34 des Managementsystems 30 ein Modell einer virtuellen Zelle 8 erstellt. Die virtuelle Zelle 8 simuliert eine Batteriezelle 2 mit dem zuvor erstellten virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen. Die virtuelle Zelle 8 weist somit diejenigen Zustandsgrößen auf, welche jeweils den schlechtestmöglichen Zustand darstellen.
Aus den selektierten Zustandsgrößen der virtuellen Zelle 8 wird von einer Datenverarbeitungseinheit 36 des Managementsystems 30 ein Grenzwert eines Ladestroms I zum Laden der Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 berechnet. Der so berechnete Grenzwert des Ladestroms I wird zu einem Zentralsteuergerät 40 des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät 40 kann somit beim Laden der Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 den Ladestrom I entsprechend diesem Grenzwert begrenzen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Managementsystems 30 des Batteriepacks 5. Abweichend von dem in 1 gezeigten Managementsystem 30 weist das in 2 dargestellte Managementsystems 30 zusätzlich eine Energieprädiktionseinheit 37 und eine Leistungsprädiktionseinheit 38 auf. Die Selektiereinheit 32, die Simulationseinheit 34 und die Datenverarbeitungseinheit 36 sind unverändert. Die Selektiereinheit 32 ist vorliegend nur mit einer einzigen Erfassungseinheit 20 verbunden, welche die Datensätze von Zustandsgrößen aller Batteriezellen 2 erfasst und überträgt.
Aus den selektierten Zustandsgrößen der virtuellen Zelle 8 wird von der Energieprädiktionseinheit 37 zusätzlich eine in den Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 speicherbare elektrische Energie prädiziert. Die so prädizierte in den Batteriezellen 2 speicherbare elektrische Energie wird ebenfalls zu dem Zentralsteuergerät 40 des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät 40 kann somit die prädizierte in den Batteriezellen 2 speicherbare elektrische Energie bei der Ermittlung einer Reichweite des Elektrofahrzeugs berücksichtigen.
Aus den selektierten Zustandsgrößen der virtuellen Zelle 8 wird von der Leistungsprädiktionseinheit 38 zusätzlich eine den Batteriezellen 2 des Batteriepacks 5 maximal entnehmbare elektrische Leistung prädiziert. Die so prädizierte den Batteriezellen 2 maximal entnehmbare elektrische Leistung wird auch zu dem Zentralsteuergerät 40 des Elektrofahrzeugs übertragen. Das Zentralsteuergerät 40 kann somit die prädizierte den Batteriezellen 2 maximal entnehmbare elektrische Leistung berücksichtigen, um beispielsweise einen Entladestrom des Batteriepacks 5, beispielsweise beim Beschleunigen des Elektrofahrzeugs, zu begrenzen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013154572 A1 [0006]
US 2015/0258897 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen (2) eines Batteriepacks (5), wobei von mindestens einer Erfassungseinheit (20) von jeder Batteriezelle (2) je ein Datensatz von Zustandsgrößen erfasst und zu einer Selektiereinheit (32) übertragen wird; von der Selektiereinheit (32) einzelne Zustandsgrößen aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen selektiert werden, welche einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen bilden; von einer Simulationseinheit (34) ein Modell einer virtuellen Zelle (8) aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes erstellt wird; und von einer Datenverarbeitungseinheit (36) ein Grenzwert eines Ladestroms (I) zum Laden der Batteriezellen (2) des Batteriepacks (5) aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei von der Selektiereinheit (32) aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen selektiert werden, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle (8) darstellen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von einer Energieprädiktionseinheit (37) eine in den Batteriezellen (2) speicherbare elektrische Energie aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8) prädiziert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von einer Leistungsprädiktionseinheit (38) eine den Batteriezellen (2) maximal entnehmbare elektrische Leistung aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8) prädiziert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Datensatz von Zustandsgrößen einer Batteriezelle (2) mindestens eine Spannung der Batteriezelle (2), eine Temperatur der Batteriezelle (2), ein Überpotential an einer Anode (11) der Batteriezelle (2), ein Überpotential an einer Kathode (12) der Batteriezelle (2), einen Ladezustand an der Anode (11) der Batteriezelle (2) und einen Ladezustand an der Kathode (12) der Batteriezelle (2) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der virtuelle Datensatz von Zustandsgrößen der virtuellen Zelle (8) mindestens eine Spannung der Batteriezelle (2), eine Temperatur der Batteriezelle (2), ein Überpotential an einer Anode (11) der Batteriezelle (2), ein Überpotential an einer Kathode (12) der Batteriezelle (2), einen Ladezustand an der Anode (11) der Batteriezelle (2) und einen Ladezustand an der Kathode (12) der Batteriezelle (2) umfasst.
Managementsystem (30) zum Steuern und Überwachen von mehreren Batteriezellen (2) eines Batteriepacks (5), umfassend eine Selektiereinheit (32) zum Selektieren von einzelnen Zustandsgrößen aus mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen, welche zu der Selektiereinheit (32) übertragen werden, wobei die selektierten Zustandsgrößen einen virtuellen Datensatz von Zustandsgrößen bilden; eine Simulationseinheit (34) zum Erstellen eines Modells einer virtuellen Zelle (8) aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes; und eine Datenverarbeitungseinheit (36) zum Berechnen eines Grenzwerts eines Ladestroms (I) zum Laden der Batteriezellen (2) des Batteriepacks (5) aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8).
Managementsystem (30) nach Anspruch 7, wobei die Selektiereinheit (32) aus den mehreren Datensätzen von Zustandsgrößen diejenigen Zustandsgrößen selektiert, welche einen schlechtestmöglichen Zustand der virtuellen Zelle (8) darstellen.
Managementsystem (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, ferner umfassend eine Energieprädiktionseinheit (37) zur Prädiktion einer in den Batteriezellen (2) speicherbaren elektrischen Energie aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8).
Managementsystem (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend eine Leistungsprädiktionseinheit (38) zur Prädiktion einer den Batteriezellen (2) maximal entnehmbaren elektrischen Leistung aus den selektierten Zustandsgrößen des virtuellen Datensatzes der virtuellen Zelle (8).
Batteriepack (5), umfassend ein Managementsystem (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mehrere Batteriezellen (2), welche seriell miteinander verschaltet sind, und mindestens eine Erfassungseinheit (20) zum Erfassen von je einem Datensatz von Zustandsgrößen jeder Batteriezelle (2) und zum Übertragen des Datensatzes an eine Selektiereinheit (32) des Managementsystem (30).
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Elektrofahrzeug, welches mindestens ein Batteriepack (5) nach Anspruch 11 umfasst.