DE102018206353B3 - Method for determining charge states of cells in a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen (132, 152) in einer Batterie (130, 150), wobei die Zellen (132, 152) auf einen einzelnen Strang (134, 154) oder auf mindestens zwei in Parallelschaltung verbundene Stränge (134, 154) in der Batterie (130, 150) verteilt sind, wobei die Zellen (132, 152) innerhalb des Strangs (134, 154) in Reihenschaltung angeordnet sind. Das Verfahren umfasst die Schritte:
a) Bereitstellen eines Wertes für einen Innenwiderstands einer jeden Zelle (132, 152);
b) messtechnische Erfassung einer an jeder Zelle (132, 152) anliegenden Spannung;
c) Bestimmen eines Wertes für einen Strom durch jeden Strang (134, 154) unter Verwendung einer Differenz zwischen der an jeder Zelle (132, 152) anliegenden messtechnisch erfassten Spannung und einer geschätzten Spannung, welche aus einem Schätzwert für den Ladungszustand einer jeden Zelle (132, 152) ermittelt wird, wobei der Wert für den Innenwiderstand einer jeden Zelle (132, 152) berücksichtigt wird; und
d) Anpassen des Schätzwertes für den Ladungszustand einer jeden Zelle (132, 152) unter Verwendung des bestimmten Wertes für den Strom durch jeden Strang (134, 154).
Das Verfahren ermöglicht es, die Ladungszustände der Vielzahl der Zellen (132, 152) in der Batterie (130, 150) in Echtzeit zu ermitteln, wobei die Anzahl an erforderlichen Stromsensoren gegenüber dem Stand der Technik verringert werden kann.
The invention relates to a method for determining charge states of a plurality of cells (132, 152) in a battery (130, 150), wherein the cells (132, 152) are arranged on a single strand (134, 154) or at least two in parallel connected strands (134, 154) are distributed in the battery (130, 150), wherein the cells (132, 152) are arranged in series within the strand (134, 154). The method comprises the steps:
a) providing an internal resistance value of each cell (132, 152);
b) metrological detection of a voltage applied to each cell (132, 152) voltage;
c) determining a value for a current through each string (134, 154) using a difference between the metrologically detected voltage applied to each cell (132, 152) and an estimated voltage resulting from an estimate of the state of charge of each cell ( 132, 152), taking into account the value of the internal resistance of each cell (132, 152); and
d) adjusting the estimate of the charge state of each cell (132, 152) using the determined value for the current through each leg (134, 154).
The method makes it possible to determine the charge states of the plurality of cells (132, 152) in the battery (130, 150) in real time, whereby the number of required current sensors can be reduced compared to the prior art.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie, wobei die Zellen auf einen einzelnen Strang oder auf mindestens zwei in Parallelschaltung verbundene Stränge in der Batterie verteilt sind, wobei die Zellen innerhalb eines Strangs in Reihen- oder Serienschaltung angeordnet sind, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen und ein zur Durchführung des Verfahrens entsprechend ausgestattetes Batteriemanagementsystem.The invention relates to a method for determining charge states of a plurality of cells in a battery, wherein the cells are distributed on a single strand or on at least two parallel connected strands in the battery, wherein the cells are arranged within a string in series or series connection are a computer program adapted to perform the steps of the method and a battery management system appropriately equipped to perform the method.
Stand der TechnikState of the art
Zur Ermittlung eines Ladungszustands jeder einzelnen Batteriezelle oder Zelle innerhalb einer Batterie oder eines Batteriesystems ist mindestens ein Stromsensor für jeden einzelnen Strang erforderlich, welcher vorzugsweise jeweils mittels eines Batteriemanagementsystems betrieben und ausgelesen werden kann. Diese Stromsensoren ermöglichen eine Bestimmung des zu ermittelnden Teilstroms durch den betreffenden Strang, um auf diese Weise den Ladungszustand (engl. state of charge, kurz SOC) jeder einzelnen Zelle in der Batterie ermitteln zu können. Allerdings fällt hierbei gleichzeitig über jeden der eingesetzten Stromsensoren eine Verlustleistung ab, welche insbesondere für größere Batterien, die über 10 bis 100 Stränge verfügen können, eine beträchtliche Größenordnung annehmen kann, was insbesondere im Hinblick auf Kosten und Energieeffizienz des Batteriemanagementsystems nachteilig ist. Es wäre daher wünschenswert, bei möglichst gleichbleibender Genauigkeit der Ermittlung der Ladungszustände, die Anzahl an erforderlichen Stromsensoren verringern zu können.To determine a state of charge of each individual battery cell or cell within a battery or a battery system, at least one current sensor is required for each individual strand, which can preferably each be operated and read out by means of a battery management system. These current sensors make it possible to determine the partial current to be determined by the respective string in order to be able to determine the state of charge (SOC) of each individual cell in the battery in this way. At the same time, however, a power dissipation drops across each of the current sensors used, which can assume a considerable order of magnitude, in particular for larger batteries, which may have 10 to 100 strings, which is disadvantageous in particular with regard to cost and energy efficiency of the battery management system. It would therefore be desirable to be able to reduce the number of required current sensors while the accuracy of the determination of the charge states remains as constant as possible.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie bekannt. Hierbei wird zur Bestimmung eines elektrischen Ladungszustands SOCk (t) in einem Strang k der Batterie angeordneten Zellen üblicherweise eine Integration des Stroms ik(t) durch den Strang k über die Zeit t gemäß Gleichung (1)
Alternativ oder zusätzlich können meist aufwändige regelungstechnische Filteralgorithmen eingesetzt werden, wobei in der Regel nur einzelne Zellen betrachtet oder nur die Teilströme durch einen einzelnen Strang als reine Eingangsgrößen angesehen werden. Auch hier wird nach wie vor mindestens ein Stromsensor pro Strang benötigt, um so eine messtechnische Erfassung der Teilströme durch jeden Strang und damit eine Kenntnis aller Teilströme durch alle Stränge zu ermöglichen.Alternatively or additionally, complicated control technology filter algorithms can usually be used, with usually only individual cells being considered or only the partial flows being considered as pure input variables by a single strand. Again, at least one current sensor per strand is still needed so as to allow a metrological detection of the partial flows through each strand and thus a knowledge of all partial flows through all strands.
In der
Die
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie, ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.Based on this, the object of the present invention is to provide a method for determining charge states of a plurality of cells in a battery, a computer program and a battery management system, which at least partially overcome the disadvantages and limitations of the prior art.
Insbesondere soll das vorgeschlagene Verfahren ermöglichen, Ladungszustände der einzelnen Zellen in der Batterie in Echtzeit ermitteln zu können, wobei sich die Anzahl an erforderlichen Stromsensoren gegenüber dem Stand der Technik verringern lässt.In particular, the proposed method should make it possible to be able to determine charge states of the individual cells in the battery in real time, whereby the number of required current sensors can be reduced compared to the prior art.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie, durch ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Patentansprüchen dargestellt.This object is achieved by a method for determining charge states of a plurality of cells in a battery, by a computer program and a battery management system according to the features of the independent patent claims. Advantageous developments, which can be implemented individually or in any combination, are shown in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.Hereinafter, the terms "having", "having", "including" or "including" or any grammatical variations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms may refer to situations in which, in addition to the features introduced by these terms, there are no other features or to situations in which one or more other features are present. For example, the expression "A has B", "A has B", "A includes B" or "A includes B" can both refer to the situation in which, apart from B, there is no further element in A. (ie a situation in which A consists exclusively of B), as well as the situation in which, in addition to B, one or more further elements in A are present, for example element C, elements C and D or even further elements ,
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.It is further to be understood that the terms "at least one" and "one or more" and grammatical variations of these terms, when used and expressed in connection with one or more elements or features, are intended to make the element or feature simple or may be provided more than once, as a rule be used only once, for example, at the first introduction of the feature or element. In a subsequent renewed mention of the feature or element of the corresponding term "at least one" or "one or more" is usually no longer used, without limiting the possibility that the feature or element may be provided simply or repeatedly.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.Furthermore, the terms "preferably", "in particular", "for example" or similar terms are used below in connection with optional features, without restricting alternative embodiments thereof. Thus, features introduced by these terms are optional features, and it is not intended by these features to limit the scope of the claims and, in particular, the independent claims. Thus, as those skilled in the art will recognize, the invention may be practiced using other embodiments. Similarly, features introduced by "in one embodiment of the invention" or by "in one embodiment of the invention" are to be understood as optional features without, however, being construed as limiting alternative embodiments or the scope of the independent claims. Furthermore, these introductory expressions are intended to leave untouchable all possibilities of combining the features introduced thereby with other features, be they optional or non-optional features.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie. Der Begriff der „Batterie“ bezeichnet hierbei eine elektrische Zusammenschaltung von mindestens zwei elektrochemischen Zellen, welche auch als „galvanische Zellen“ oder „Batteriezellen“ bezeichnet werden, welche vorzugsweise zur Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie eingesetzt werden. Jede Zelle in der Batterie nimmt zu jeder Zeit einen so genannten „Ladungszustand“ (engl. state of charge, kurz SOC) ein, welcher in der Regel als prozentualer Anteil einer sich in der betreffenden Zelle tatsächlich gespeicherten elektrischen Ladung in Bezug auf die gesamte Ladungskapazität Qn der Zelle angegeben werden kann. Als „Zelle“ wird üblicherweise eine Einrichtung benannt, welche zwei räumlich voneinander getrennte Elektroden aufweist, die jeweils eine verschiedene Polarität besitzen und daher auch als „Kathode“ bzw. als „Anode“ bezeichnet werden können. In der Zelle stehen die beiden Elektroden zum einen über mindestens einen ionenleitenden Elektrolyten miteinander in Kontakt, während ein für die Ionen durchlässiger Separator die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Neben so genannten „Primärbatterien“, welche sich während ihres Lebenszyklus' nur einmalig einsetzen lassen, existiert eine Vielzahl von so bezeichneten „Sekundärbatterien“, welche sich über eine Vielzahl von Zyklen mit elektrischer Energie laden und entladen lassen. Hierfür ist ein Einsatz von geeigneten Aktivmaterialien erforderlich, welche sich reversibel zwischen mindestens zwei elektronischen Zuständen umwandeln lassen, um auf diese Weise chemische Energie in elektrische Energie bzw. umgekehrt umsetzen zu können. Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien können dies typischerweise LiNixMnyCozO2 (NMC), LiFePO4 (LFP), LiCoO2 (LCO) oder LiMn2O4 (LMO) sein. Andere Arten von Batterien, Zellen und/oder Materialien sind jedoch ebenfalls möglich.In a first aspect, the present invention relates to a method for determining charge states of a plurality of cells in a battery. The term "battery" here refers to an electrical interconnection of at least two electrochemical cells, which are also referred to as "galvanic cells" or "battery cells", which are preferably used for storage of chemical energy and for the delivery of electrical energy. Each cell in the battery at all times occupies a so-called "state of charge" (SOC), which is typically expressed as a percentage of an actual electrical charge stored in the cell in question with respect to the total charge capacity Q n of the cell can be specified. As a "cell" usually a device is named, which has two spatially separated electrodes, each having a different polarity and therefore can also be referred to as a "cathode" or as an "anode". In the cell, the two electrodes are in contact with one another via at least one ion-conducting electrolyte, while a separator permeable to the ions electrically insulates the two electrodes from one another in order to avoid a short circuit. In addition to so-called "primary batteries", which can be used only once during their life cycle, there are a large number of so-called "secondary batteries" which can be charged and discharged over a large number of cycles with electrical energy. For this purpose, a use of suitable active materials is required, which can be reversibly convert between at least two electronic states, in order to be able to convert chemical energy into electrical energy or vice versa in this way. In the case of lithium-ion batteries, these may typically be LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC), LiFePO 4 (LFP), LiCoO 2 (LCO) or LiMn 2 O 4 (LMO). However, other types of batteries, cells and / or materials are also possible.
Die Vielzahl der Zellen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Array“ in Form einer Serien-Parallel-Konfiguration angeordnet. Hierzu sind die Zellen in einem einzelnen Strang angeordnet oder auf mindestens zwei, in Parallelschaltung miteinander verbundene Stränge verteilt, wobei jeder der Stränge über genau eine einzelne Zelle oder über mindestens zwei in Reihenschaltung angeordnete Zellen verfügt. Die Anordnung der Zellen in der Batterie, d.h. eine erste Anzahl der Stränge in der Batterie und eine zweite Anzahl der Zellen in jedem Strang, ist jeweils festgelegt und bekannt. Der Begriff „verbunden“ bezeichnet hierbei eine elektrisch leitfähige Verbindung. Der Begriff der „Reihenschaltung“ oder „Serienschaltung“ bezeichnet hierbei eine aufeinanderfolgende Anbringung von mindestens zwei Zellen innerhalb eines Stranges in einer Weise, dass hierdurch ein einzelner Strompfad durch die mindestens zwei Zellen ausgebildet wird. Folglich werden zwei in Reihe geschaltete Zellen mit einem Strom derselben Höhe durchflossen. Im Unterschied hierzu bezeichnet der Begriff der „Parallelschaltung“ eine Anordnung von mindestens zwei Zellen in gesonderten Strängen, wobei sich ein die Batterie durchfließender Gesamtstrom als Teilströme auf die elektrisch miteinander verbundenen Stränge aufteilt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung des Arrays, d.h. die Anzahl der Stränge und die sich in jedem Strang befindliche Zahl an Zellen, grundsätzlich beliebig, wobei aus Sicherheitserwägungen eine maximale, an der Batterie anliegende Spannung nicht überschritten werden sollte.The plurality of cells is arranged in the context of the present invention as an "array" in the form of a series-parallel configuration. For this purpose, the cells are arranged in a single strand or distributed on at least two, in parallel connected strands, wherein each of the strands has exactly one single cell or at least two arranged in series cells. The arrangement of the cells in the battery, i. a first number of strands in the battery and a second number of cells in each strand are each fixed and known. The term "connected" refers to an electrically conductive connection. The term "series connection" or "series connection" here refers to a successive attachment of at least two cells within a strand in such a way that thereby a single current path is formed by the at least two cells. Consequently, two cells connected in series are traversed by a current of the same height. In contrast thereto, the term "parallel connection" designates an arrangement of at least two cells in separate strands, with a total current flowing through the battery being divided as partial currents onto the strands which are electrically connected to one another. According to the present invention, the configuration of the array, i. the number of strands and the number of cells located in each strand, in principle arbitrary, for safety reasons a maximum, voltage applied to the battery voltage should not be exceeded.
Das vorliegende Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte a) bis d), wobei die Schritte a) bis d) in der angegebenen Reihenfolge bevorzugt nacheinander ausgeführt werden können, beginnend mit Schritt a) und endend mit Schritt d), wobei es besonders vorteilhaft sein kann, die Schritte b) bis d) mehrfach zu wiederholen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen eines Wertes für einen Innenwiderstand einer jeden Zelle;
- b) messtechnische Erfassung einer an jeder Zelle anliegenden Spannung;
- c) Bestimmen eines Wertes für einen Strom durch jeden Strang unter Verwendung einer Differenz zwischen der an jeder Zelle anliegenden messtechnisch erfassten Spannung und einer geschätzten Spannung, welche aus einem Schätzwert für den Ladungszustand einer jeden Zelle ermittelt wird, wobei der Wert für den Innenwiderstand einer jeden Zelle berücksichtigt wird; und
- d) Anpassen des Schätzwertes für den Ladungszustand einer jeden Zelle unter Verwendung des bestimmten Wertes für den Strom durch jeden Strang.
- a) providing a value for an internal resistance of each cell;
- b) metrological detection of a voltage applied to each cell voltage;
- c) determining a value for a current through each string using a difference between the metrologically detected voltage applied to each cell and an estimated voltage determined from an estimate of the state of charge of each cell, wherein the value of the internal resistance of each Cell is taken into account; and
- d) adjusting the estimate of the charge state of each cell using the determined value for the current through each leg.
Gemäß Schritt a) erfolgt eine Bereitstellung eines Wertes für einen Innenwiderstand einer jeden Zelle. Der so bereitgestellte Wert für den Innenwiderstand einer jeden Zelle kann gleichzeitig oder, vorzugsweise, zuvor durch messtechnische Erfassung einer an jeder Zelle anliegenden Spannung ermittelt und, insbesondere für eine spätere Bereitstellung gemäß Schritt a), gespeichert werden. Zur Ermittlung des Wertes für den Innenwiderstand einer jeden Zelle kann eine messtechnische Erfassung einer an der betreffenden Zelle anliegenden Spannung vorgenommen und hieraus der Innenwiderstand der betreffenden Zelle ermittelt werden. Hierbei bezeichnet der Begriff der „messtechnische Erfassung“ einen Verfahrensschritt zur Bestimmung von Rohdaten, welche als Ausgangspunkt zur Ermittlung von weiteren Daten, ggf. in Zusammenwirkung mit weiteren messtechnisch erfassten Rohdaten oder hieraus abgeleiteten Daten.According to step a), a value for an internal resistance of each cell is provided. The value thus provided for the internal resistance of each cell can be determined simultaneously or, preferably, beforehand by metrological detection of a voltage applied to each cell and stored, in particular for later provision according to step a). To determine the value for the internal resistance of each cell, a metrological detection of a voltage applied to the cell in question can be made and from this the internal resistance of the relevant cell can be determined. Here, the term "metrological detection" denotes a method step for the determination of raw data, which serves as a starting point for the determination of further data, possibly in cooperation with further metrologically recorded raw data or data derived therefrom.
Gemäß einem unten näher beschriebenen Zellmodell kann sich eine an jeder Zelle anliegende Spannung aus einer Leerlaufspannung (engl. open circuit voltage, kurz OCV), welche sich aufgrund des gesuchten Ladungszustands der betreffenden Zelle einstellen kann, aus einer Diffusionsspannung aufgrund von Diffusionsprozessen und/oder Ladungstransfer innerhalb der Zelle sowie aus einer weiteren Spannung, welche sich aufgrund des ohmschen Innenwiderstands der betreffenden Zelle durch welche ein Strom fließt, ergeben. Der Begriff des „Innenwiderstands“ bezeichnet hierbei einen elektrischen Widerstand, welcher eine direkte Antwort in Form einer Spannung auf eine Beaufschlagung der Zelle mit einem äußeren Strom nach dem Ohm'schen Gesetz beschreibt. Der Innenwiderstand kann jedoch, ohne das vorliegende Verfahren zu beeinträchtigen, von dem Ladungszustand der Zelle oder anderen Größen, insbesondere einer in der Zelle herrschenden Temperatur, abhängen, insbesondere bei geringen Ladungszuständen einen höheren Wert annehmen.According to a cell model described in more detail below, a voltage applied to each cell from an open circuit voltage (OCV), which can adjust due to the sought charge state of the cell in question, from a diffusion voltage due to diffusion processes and / or charge transfer within the cell as well as from a further voltage which flows due to the ohmic internal resistance of the relevant cell through which a current flows. The term "internal resistance" here refers to an electrical resistance which describes a direct response in the form of a voltage to an exposure of the cell to an external current according to Ohm's law. However, the internal resistance, without affecting the present method, may depend on the state of charge of the cell or other quantities, in particular a temperature prevailing in the cell, and may assume a higher value, in particular at low charge states.
Die Ermittlung des Wertes für den Innenwiderstand einer jeden Zelle durch messtechnische Erfassung einer an jeder Zelle anliegenden Spannung kann vorzugsweise von einer dafür eingerichteten Vorrichtung durchgeführt werden, welche üblicherweise als „Batteriemanagementsystem“ bezeichnet wird. Das Batteriemanagementsystem kann hierbei auch dazu eingesetzt werden, um die bereits ermittelten Werte für den Innenwiderstand einer jeden Zelle, insbesondere für die spätere Bereitstellung gemäß Schritt a), zu speichern. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können die Werte für den Innenwiderstand einer jeden Zelle nur einmal vorab ermittelt werden, in einer Tabelle gespeichert und bei Bedarf aus der Tabelle ausgelesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriemanagementsystem weitere Werte für den Innenwiderstand einer jeden Zelle bestimmen, zum Beispiel nach Zeitablauf oder nach Eintreten eines festgelegten Ereignisses. Vorzugsweise kann eine an einer einzelnen Zelle anliegende Spannung mittels eines Spannungsmessgeräts, welches auch als „Voltmeter“ bezeichnet werden kann, bestimmt werden, wobei sich das betreffende Spannungsmessgerät in dem Batteriemanagementsystem befinden kann und/oder durch das Batteriemanagementsystem ausgelesen werden kann. In ähnlicher Weise kann darüber hinaus auch mindestens ein Stromsensor, welcher auch als „Amperemeter“ bezeichnet wird, vorgesehen sein, welcher die Bestimmung eines durch die Batterie fließenden Gesamtstroms oder der Teilströme in einzelnen Strängen ermöglichen kann.The determination of the value for the internal resistance of each cell by metrological detection of a voltage applied to each cell can preferably be carried out by a device designed for this purpose, which is usually referred to as a "battery management system". The battery management system can also be used to store the already determined values for the internal resistance of each cell, in particular for the subsequent provision according to step a). In a particularly preferred embodiment, the values for the internal resistance of each cell can be determined only once in advance, stored in a table and read out from the table as needed. Alternatively or additionally, the battery management system may determine further values for the internal resistance of each cell, for example, after the timeout or after the occurrence of a specified event. Preferably, a voltage applied to a single cell voltage can be determined by means of a voltage measuring device, which can also be referred to as a "voltmeter", wherein the relevant voltage measuring device can be located in the battery management system and / or can be read by the battery management system. In a similar manner, moreover, at least one current sensor, which is also referred to as an "ammeter", may be provided, which may enable the determination of a total current flowing through the battery or the partial currents in individual strings.
Gemäß Schritt b) erfolgt eine messtechnische Erfassung einer an jeder Zelle anliegenden Spannung. Vorzugsweise kann hierzu die an einer einzelnen Zelle anliegende Spannung mittels des oben genannten Spannungsmessgeräts oder „Voltmeters“ bestimmt werden, wobei sich das betreffende Spannungsmessgerät in dem Batteriemanagementsystem befinden kann und/oder durch das Batteriemanagementsystem ausgelesen werden kann.According to step b), a metrological detection of a voltage applied to each cell takes place. Preferably, for this purpose, the voltage applied to a single cell voltage can be determined by means of the above-mentioned voltmeter or "voltmeter", wherein the relevant voltage measuring device can be located in the battery management system and / or can be read by the battery management system.
Gemäß Schritt c) erfolgt hieran anschließend eine Bestimmung eines Wertes für einen Strom durch jeden Strang unter Verwendung einer Differenz zwischen an jeder Zelle anliegenden messtechnisch erfassten Spannung und einem Schätzwert der Zellspannung, welche anhand eines Schätzwertes für den Ladungszustand einer jeden Zelle, besonders bevorzugt anhand des Schätzwertes der Spannungen für die Diffusionsprozesse und/oder den Ladungstransfer, ermittelt wird. Hierbei wird der gemäß Schritt a) bereitgestellte Wert für den Innenwiderstand einer jeden Zelle berücksichtigt. Der Begriff des „Ermittelns einer Differenz“ oder der „Ermittlung einer Differenz“ bezeichnet hierbei einen Verfahrensschritt, welcher einen Unterschied zwischen zwei bereitgestellten Werten bestimmt. Zur Ermittlung der Differenz kann bevorzugt das „Kalman-Filter“ eingesetzt werden, bei welchem es sich um ein rekursives Verfahren handelt, wodurch mittels dieses Schätzalgorithmus eine Echtzeitbestimmung ermöglicht werden kann. Zur Bestimmung eines gesonderten Schätzwertes für einen Strom durch den Strang, welcher unter Verwendung des gemäß Schritt a) bereitgestellten Innenwiderstands einer jeden Zelle in dem Strang ermittelt wird, kann ein Schätzalgorithmus eingesetzt werden, welcher - ohne Kenntnis des Stroms durch die Zelle - den Strom durch den einzelnen Strang oder den Teilstrom durch mindestens zwei miteinander verbundene Stränge ermitteln kann. Der Begriff des „Schätzwerts“ bezeichnet hierbei einen mittels eines Schätzalgorithmus bestimmten Wertes, welchen der Schätzalgorithmus als wahrscheinlichster Wert annimmt. Als Schätzalgorithmus kann vorzugsweise ein aus dem Stand der Technik bekanntes „Kalman-Filter“ eingesetzt werden, wobei der „Kalman-Filter einen Schätzalgorithmus bezeichnet, in welchem eine Vielzahl von Messwerten, welche Ungenauigkeiten aufweisen können, verwendet werden und hieraus ein Schätzwert für eine genauere Variable erzeugt wird. Bevorzugt kann dieser Schätzalgorithmus ein zweistufiges Verfahren aufweisen, wobei - in einer ersten Stufe - ein Schätzwert für die Variablen entsprechend ihrer Genauigkeit erzeugt und - in einer zweiten Stufe - weitere Messwerte für eine Erhöhung der Messgenauigkeit verwendet werden. Entsprechend kann gemäß Schritt c) ein zunächst erzeugter Schätzwert eingesetzt und gemäß Schritt d) an die bestimmten Werte für den Strom durch jeden Strang angepasst werden. Ein Einsatz von anderen Schätzalgorithmen ist jedoch ebenfalls möglich. Unabhängig von dem tatsächlich eingesetzten Schätzalgorithmus kann der Innenwiderstand einer jeden Zelle in dem Strang zur Bestimmung des Stroms, insbesondere des Teilstroms, durch den Strang verwendet werden.According to step c), this is followed by a determination of a value for a current through each string using a difference between the measured voltage applied to each cell and an estimate of the cell voltage, which is based on an estimate of the charge state of each cell, particularly preferably with reference to FIG Estimate the voltages for the diffusion processes and / or the charge transfer, is determined. Here, the value provided according to step a) for the internal resistance of each cell is taken into account. The term "determination of a difference" or "determination of a difference" here denotes a method step which makes a difference between two determined values. In order to determine the difference, the "Kalman filter" can be used, which is a recursive method, whereby a real-time determination can be made possible by means of this estimation algorithm. To determine a separate current flow estimate, which is determined using the internal resistance of each cell in the string provided in step a), an estimation algorithm can be used which, without knowledge of the current through the cell, passes the current determine the single strand or the partial flow by at least two interconnected strands. The term "estimate" here denotes a value determined by means of an estimation algorithm, which the estimation algorithm assumes as the most probable value. As an estimation algorithm, a "Kalman filter" known from the prior art can be preferably used, wherein the "Kalman filter designates an estimation algorithm in which a multiplicity of measured values, which may have inaccuracies, are used, and from this an estimated value for a more accurate one Variable is generated. Preferably, this estimation algorithm can have a two-stage method, wherein-in a first stage-an estimated value for the variables is generated according to their accuracy and-in a second stage-further measured values are used to increase the measurement accuracy. Accordingly, according to step c), an initially generated estimated value can be used and, according to step d), adapted to the determined values for the current through each strand. However, it is also possible to use other estimation algorithms. Regardless of the estimation algorithm actually used, the internal resistance of each cell in the string can be used to determine the current, particularly the partial current, through the string.
Gemäß Schritt d) erfolgt eine Anpassung des Schätzwertes für den Ladungszustand einer jeden Zelle unter Verwendung der ermittelten Differenz aus Schritt c). Der Begriff des „Anpassens des Schätzwertes“ bezieht sich auf eine Veränderung des Wertes, welchen der Schätzalgorithmus nach einem weiteren Schritt als nunmehr wahrscheinlichsten Wert annimmt. Damit wird schließlich eine Ermittlung der gesuchten Ladungszustände für jede einzelne Zelle in dem Strang möglich. Der Begriff des „Ermittelns der Ladungszustände“ oder der „Ermittlung der Ladungszustände“ bezeichnet hierbei eine Bestimmung des Ladungszustands (engl. state of charge, kurz SOC) für jede einzelne Zelle in dem betrachteten Strang, in der Regel als prozentualer Anteil einer sich in der betreffenden Zelle tatsächlich gespeicherten elektrischen Ladung in Bezug auf die gesamte Ladungskapazität Qn der Zelle.According to step d), the charge state estimate of each cell is adjusted using the determined difference from step c). The term "fitting the estimate" refers to a change in the value which the estimation algorithm takes as the next most probable value after a further step. This finally makes it possible to determine the desired charge states for each individual cell in the string. The term "determining the state of charge" or "determining the states of charge" in this case refers to a determination of the state of charge (SOC) for each individual cell in the strand in question, usually as a percentage of a cell actually stored electrical charge with respect to the total charge capacity Q n of the cell.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens können zumindest die Schritte b) bis d) nach einem ersten Zeitpunkt zu mindestens einem weiteren Zeitpunkt, vorzugsweise zu einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, wiederholt werden. Hierbei kann in besonders vorteilhafter Weise der gemäß Schritt d) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt angepasste Schätzwert für den Ladungszustand einer jeden Zelle zu einem folgenden Zeitpunkt als der Schätzwert für den Ladungszustand einer jeden Zelle gemäß Schritt c) eingesetzt werden. Auf diese Weise kann das vorliegende Verfahren als rekursives Verfahren zu den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchgeführt werden. Zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte können hierbei durch ein Zeitintervall von 0,001 s bis 10 s, vorzugsweise von 0,01 s bis 1 s, besonders bevorzugt von 0,05 s bis 0,5 s, voneinander getrennt sein, wobei aufeinanderfolgende Zeitintervalle bevorzugt äquidistant sein können. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich, beispielsweise nicht äquidistante Zeitintervalle oder die Durchführung der Schritte b) bis d) nach Zeitablauf oder nach Eintreten eines festgelegten Ereignisses. Unabhängig von der Art der Ausführung, kann auf diese Weise ein besserer Schätzwert für den Strom, insbesondere den Teilstrom, durch mindestens einen Strang erhalten werden.In a particularly preferred embodiment of the present method, at least steps b) to d) can be repeated after a first time at at least one further time, preferably at a multiplicity of successive points in time. Here, in a particularly advantageous manner, the charge state estimate of each cell, adapted according to step d) at a previous time, may be used at a subsequent time as the charge state estimate of each cell according to step c). In this way, the present method can be performed as a recursive method at the successive times. Two successive times can be separated from each other by a time interval of 0.001 s to 10 s, preferably from 0.01 s to 1 s, particularly preferably from 0.05 s to 0.5 s, with successive time intervals preferably being able to be equidistant. However, other embodiments are possible, for example, non-equidistant time intervals or the implementation of steps b) to d) after the expiration of time or after the occurrence of a specified event. Regardless of the type of execution, in this way a better estimate of the flow, in particular the partial flow, can be obtained by at least one strand.
Das hier vorgestellte Verfahren mit den Schritten a) bis d) eignet sich insbesondere für die Ermittlung der gesuchten Ladungszustände für jede einzelne Zelle in einem einzelnen Strang der Batterie, wobei die gesamten Zellen der Batterie in dem Strang in Reihe oder Serie geschaltet sind. Alternativ kann dieses Verfahren auch für die Ermittlung der gesuchten Ladungszustände für jede einzelne Zelle, welche auf einem oder auf mehr als einem einzelnen Strang der Batterie aufgeteilt sind, eingesetzt werden, soweit die einzelnen Stränge der Batterie vorzugsweise unabhängig voneinander betrachtet werden. Unabhängig davon, ob die Zellen in der Batterie auf einen oder auf mehrere Stränge verteilt sind, lässt sich so eine gute Abschätzung der gesuchten Ladungszustände jeder einzelnen Zelle ermöglichen, wobei, wie unten näher dargestellt ist, deren Qualität mit zunehmender Anzahl der Zellen in mindestens einem Strang ebenfalls zunimmt. In besonders vorteilhafter Weise kann hierbei - im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren - eine messtechnische Erfassung eines Stromwerts vollständig unterbleiben.The method presented here with the steps a) to d) is particularly suitable for determining the desired charge states for each individual cell in a single strand of the battery, wherein the entire cells of the battery in the strand are connected in series or series. Alternatively, this method can also be used for the determination of the sought charge states for each individual cell, which are distributed on one or on more than a single strand of the battery, as far as the individual strands of the battery are preferably considered independently. Regardless of whether the cells in the battery are distributed over one or more strands, it is possible to make a good estimate of the sought charge states of each individual cell, with their quality increasing as the number of cells in at least one cell increases, as shown in more detail below Strand is also increasing. In a particularly advantageous manner, in contrast to methods known from the prior art, a metrological detection of a current value can be completely omitted.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die einzelnen Stränge der Batterie jedoch nicht länger unabhängig voneinander betrachtet, sondern in Beziehung zueinander gesetzt, wodurch sich Synergieeffekte zwischen einigen oder sogar allen Strängen der Batterie dadurch ergeben können, dass die für einen Strang ermittelten Schätzwerte in Schätzwerte für andere Stränge, insbesondere für benachbarte Stränge, einfließen. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Batterie somit mindestens zwei Stränge auf. Erfindungsgemäß werden hierbei die Ladungszustände einer jeden Zelle in einem Strang jeweils gemeinsam mit den Ladungszuständen einer jeden Zelle in einem benachbarten Strang ermittelt. Hierbei fließt unter Anwendung des 1. Kirchhoffschen Gesetzes mit ein, dass sich der Gesamtstrom auf einzelne Teilströme in den Strängen aufteilt. Zur Ermittlung der Teilströme eines jeden Strangs gemäß Schritt c) kann vorzugsweise ein Gesamtstrom durch die Batterie, insbesondere mittels eines Stromsensors, messtechnisch erfasst und anschließend in dem Schätzalgorithmus verwendet werden, wobei die Berücksichtigung der Aufteilung der einzelnen Teilströme auf die Stränge sukzessiv oder gleichzeitig erfolgen kann. Somit können hierbei zur Bestimmung des Schätzwertes für einen Teilstrom durch einen ausgewählten Strang die Schätzwerte der einzelnen Ladungszustände und/oder der Schätzwert für einen Teilstrom durch einen oder mehrere andere Stränge mit einbezogen werden. Insbesondere in dem bereits erwähnten Zellmodell können hierbei Unterschiede zwischen den verschiedenen Strängen der Batterie dadurch berücksichtigt werden, dass für jeden einzelnen Strang ein gesonderter Strangwiderstand verwendet wird und - gemäß dem 2. Kirchhoffschen Gesetz - die über jeden Strang) abfallende Spannung als gleich angenommen wird.In a particularly preferred embodiment of the present method, however, the individual strands of the battery are no longer considered independently, but in relation to each other, whereby synergies between some or even all strands of the battery may result in that the estimated values for a strand in Estimates for other strands, especially for adjacent strands. In this particularly preferred embodiment, the battery thus has at least two strands. According to the invention, the charge states of each cell in a string are determined in each case together with the charge states of each cell in an adjacent strand. In accordance with Kirchhoff's 1st law, this implies that the total flow is divided into individual partial flows in the strands. In order to determine the partial flows of each strand according to step c), preferably a total current through the battery, in particular by means of a current sensor, can be detected by measurement and subsequently used in the estimation algorithm, whereby the division of the individual partial currents into the strands can be considered successively or simultaneously , Thus, for determining the estimated value for a partial flow through a selected branch, the estimated values of the individual charge states and / or the estimated value for a partial flow can be included by one or more other strings. In particular, in the cell model already mentioned, differences between the different strands of the battery can be taken into account by using a separate strand resistance for each individual strand and assuming that the voltage drop across each strand is assumed to be equal, according to Kirchhoff's second law.
In einer besonderen Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens, in welchem die Zellen auf mindestens drei in Parallelschaltung verbundene Stränge in der Batterie verteilt sind, kann eine Einbeziehung des Schätzwertes für einen Teilstrom durch einen benachbarten Strang sukzessiv für die parallel angeordneten Stränge erfolgen. Hierbei können die für einen Strang ermittelten Schätzwerte nacheinander dem Schätzalgorithmus für den jeweils benachbarten Strang übergeben werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann hierbei für jeden Strang eine Masche mit einem der beiden hierzu benachbarten Stränge gebildet und jeweils der Schätzwert für den Teilstrom durch die Masche bestimmt werden. Der Begriff der „Masche“ geht hierbei ebenfalls auf das 2. Kirchhoffsche Gesetz zurück, welches besagt, dass sich Teilspannungen innerhalb eines geschlossenen elektrischen Strompfades, welcher auch als „Umlauf“ bezeichnet werden kann, bei Abwesenheit sich zeitlich ändernder magnetischer Flüsse, wovon im vorliegenden Fall ausgegangen werden kann, zu Null aufaddieren, so dass der Strom innerhalb der Masche als konstant angenommen werden kann. Werden nun zwei benachbarte Stränge als eine einzige Masche betrachtet, so kann deren Strom zueinander in Beziehung gesetzt werden. Mit anderen Worten. Aus einem bereits ermittelten Schätzwert für den Strom durch einen ausgewählten Pfad kann somit jeweils ein Schätzwert für den Strom durch einen, zu dem ausgewählten benachbarten Pfad ermittelt werden.In a particular embodiment of the present method, in which the cells are distributed in at least three parallel connected strands in the battery, an inclusion of the estimated value for a partial flow through an adjacent strand can be carried out successively for the strands arranged in parallel. In this case, the estimated values determined for one strand can be successively transferred to the estimation algorithm for the respectively adjacent strand. In a particularly preferred embodiment of the method, a mesh with one of the two adjacent strands can be formed for each strand and in each case the estimated value for the partial flow through the mesh can be determined. The term "mesh" also goes back to the second Kirchhoff's law, which states that partial stresses within a closed electrical current path, which can also be called "circulation", in the absence of temporally changing magnetic fluxes, of which in the present Case can be assumed to add to zero, so that the current within the mesh can be assumed to be constant. Now, if two adjacent strands are considered as a single mesh, their current can be related to each other. In other words. From an already determined estimated value for the current through a selected path, it is thus possible in each case to determine an estimated value for the current through a selected adjacent path.
Darüber hinaus können in einer besonderen Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens auch nicht-benachbarte Stränge entsprechend zueinander in Beziehung gesetzt werden.In addition, in a particular embodiment of the present method, non-adjacent strands can also be correlated with one another.
Unabhängig von der gewählten Ausgestaltung, mittels welcher einzelne Stränge der Batterie zueinander in Beziehung gesetzt werden, genügt es hierbei, lediglich den Gesamtstrom durch die Batterie zu erfassen und in dem Schätzalgorithmus zu verwenden. Damit lassen sich bis zu einem Stromsensor pro Strang einsparen, was sowohl den Aufwand für die Batterie als auch für das Batteriemanagementsystem erheblich verringert.Regardless of the chosen embodiment, by means of which individual strands of the battery are related to each other, it is sufficient in this case to detect only the total current through the battery and to use in the estimation algorithm. This can save up to one current sensor per string, which significantly reduces both the expense of the battery and the battery management system.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere im Hinblick auf eine Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte, wird auf die unten stehende Ausführungsbeispiele verwiesen.For further details with regard to the method according to the invention, in particular with regard to carrying out the individual method steps, reference is made to the embodiments below.
In einer weiteren Ausgestaltung kann jedoch alternativ oder zusätzlich zu der messtechnischen Erfassung des Gesamtstroms mindestens ein Teilstrom durch einen der Stränge der Batterie messtechnisch erfasst werden, wobei erfindungsgemäß zumindest ein Strang der Batterie verbleibt, in welchem keine messtechnische Erfassung des Teilstroms erfolgt. Auf diese Weise können messtechnisch zusätzlich erfasste Werte in die Ermittlung der Ladungszustände der einzelnen Zellen einfließen, jedoch auf Kosten einer höheren Anzahl an Stromsensoren.In a further embodiment, however, alternatively or in addition to the metrological detection of the total current, at least one partial flow can be detected by one of the strands of the battery, wherein according to the invention at least one strand of the battery remains, in which no metrological detection of the partial flow takes place. In this way, metrologically additionally detected values can be included in the determination of the charge states of the individual cells, but at the expense of a higher number of current sensors.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie durchzuführen. Damit lassen sich die gewünschten Parameter und Größen, vorzugsweise in Echtzeit, berechnen, wobei bestimmte Parameter vorgegeben, messtechnisch erfasst, berechnet und gespeichert werden können. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere in einem elektronischen Speicher, welcher sich in einem unten näher beschriebenen Batteriemanagementsystem befinden kann, vorgehalten werden. Alternativ oder zusätzlich können das Computerprogramm sowie die darin verwendeten Parameter und Größen extern, insbesondere auf externen Speichern, einem Server oder innerhalb einer Cloud, gespeichert und bei Bedarf online zur Verfügung gestellt werden. In another aspect, the present invention relates to a computer program configured to perform the steps of the method of determining charge states of a plurality of cells in a battery as described herein. In this way, the desired parameters and variables can be calculated, preferably in real time, whereby specific parameters can be predetermined, metrologically recorded, calculated and stored. In this case, the computer program can be stored in particular in an electronic memory, which can be located in a battery management system described in more detail below. Alternatively or additionally, the computer program and the parameters and variables used therein can be stored externally, in particular on external memories, a server or within a cloud, and made available online as needed.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemanagementsystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet ist. Der Begriff des „Batteriemanagementsystem“ bezeichnet hierbei eine ein- oder mehrteilige Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, um die Batterie zu betreiben und zu überwachen, indem Parameter und Größen, bevorzugt in Echtzeit, vorgegeben, messtechnisch erfasst, berechnet und gespeichert werden. Das Batteriemanagementsystem kann hierzu vorzugsweise über mehrere Komponenten verfügen, welche innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses angeordnet sein können. Insbesondere können hierzu diskrete oder integrierte Schaltkreise oder eine Kombination hiervon vorgesehen sein, beispielsweise anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (application-specified integrated circuits; ASICs), Universalschaltkreise, insbesondere FPGAs (field-programmable gate arrays) oder FPAAs (Field programmable analog arrays), Mikrocomputer oder Computer. Weitere Arten der Ausgestaltung des Batteriemanagementsystems sind jedoch möglich.In a further aspect, the present invention relates to a battery management system that is equipped to carry out the method according to the invention. The term "battery management system" here refers to a one-part or multi-part device, which is set up to operate and monitor the battery by setting parameters and variables, preferably in real time, predetermined, metrologically recorded, calculated and stored. For this purpose, the battery management system can preferably have a plurality of components which can be arranged inside and / or outside a housing. In particular, discrete or integrated circuits or a combination thereof may be provided for this purpose, for example application-specific integrated circuits (ASICs), universal circuits, in particular FPGAs (field programmable gate arrays) or FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), microcomputers or Computer. However, other types of embodiment of the battery management system are possible.
Das Batteriemanagementsystem zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie, wobei die Zellen auf einen einzelnen Strang oder auf mindestens zwei in Parallelschaltung verbundene Stränge in der Batterie verteilt sind, wobei die Zellen innerhalb eines Strangs in Reihenschaltung angeordnet sind, umfasst hierbei zumindest
- - mindestens ein Spannungsmessgerät, welches zur messtechnischen Erfassung einer an jeder Zelle anliegenden Spannung eingerichtet ist; und
- - mindestens eine Auswerteeinrichtung, welche zur Ermittlung der Ladungszustände einer jeden Zelle unter Verwendung eines Computerprogramms, welches dazu ausgestattet ist, um die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie durchzuführen.
- - At least one voltage measuring device, which is set up for the metrological detection of a voltage applied to each cell voltage; and
- at least one evaluation device, which is used to determine the charge states of each cell using a computer program which is equipped to perform the steps of the method described herein for determining charge states of a plurality of cells in a battery.
In einer besonderen Ausgestaltung kann das Batteriemanagementsystem weiterhin umfassen
- - mindestens eine Einrichtung zur Auslesung eines Stromsensors, welcher zur messtechnischen Erfassung eines Gesamtstroms durch die Batterie oder eines Teilstroms durch einen einzelnen Strang der Batterie eingerichtet ist.
- - At least one means for reading a current sensor, which is adapted for metrological detection of a total current through the battery or a partial flow through a single strand of the battery.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Batteriemanagementsystem wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.For further details with respect to the battery management system, reference is made to the description of the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das vorliegende Verfahren eignet sich zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in einer Batterie, wobei ganz oder teilweise auf sehr genaue und damit aufwändige sowie kostenintensive Stromsensoren verzichtet werden kann. Da über jeden in der Batterie verwendeten Stromsensor notwendigerweise eine Verlustleistung bei einer Durchführung einer Strommessung abfällt, können dadurch Leistungsverluste der Batterie bei der Ermittlung der Ladungszustände der Zellen deutlich verringert werden. Damit lassen sich Aufwand und Kosten in Form von Stromsensoren und Energie zu deren Betrieb deutlich verringern. Ein nach dem Stand der Technik erforderlicher Bias-Abgleich der verschiedenen Stromsensoren kann vollständig oder teilweise entfallen. Das vorgeschlagene verteilte Schätzverfahren kann zudem die benötigte Rechenzeit und den Speicherbedarf des Systems in vorteilhafter Weise verringern.The present method is suitable for the determination of charge states of a plurality of cells in a battery, wholly or partially dispensing with very accurate and therefore expensive as well as expensive current sensors. Since any power sensor used in the battery necessarily dissipates a power loss when carrying out a current measurement, thereby power losses of the battery in determining the charge states of the cells can be significantly reduced. This significantly reduces costs and costs in the form of current sensors and energy for their operation. A prior art bias adjustment of the various current sensors may be completely or partially eliminated. The proposed distributed estimation method can also advantageously reduce the required computation time and memory requirements of the system.
Figurenlistelist of figures
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.Further details and features of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, in particular in conjunction with the dependent claims. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. However, the invention is not limited to the embodiments. The embodiments are shown schematically in the following figures. Here, like reference numerals in the figures designate the same or functionally identical elements or with respect to their functions corresponding elements.
Im Einzelnen zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer Batterie und eines zugehörigen Batteriemanagementsystems zur Durchführung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in der Batterie; -
2 eine schematische Darstellung eines in Verfahren zur Ermittlung des Ladungszustands einer einzigen Zelle eingesetzten Kalman-Filters; -
3 ein Blockschaltbild für ein Zellmodell der Zelle einer Batterie; -
4 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen, welche in einem einzigen Strang angeordnet sind; -
5 ein Blockschaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen, welche in mindestens zwei benachbarten Strängen angeordnet sind; -
6 ein Blockschaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen, welche in mindestens zwei benachbarten Strängen angeordnet sind; -
7A-7C : eine schematische Darstellung von verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen zur Ermittlung von Ladungszuständen einer Vielzahl von Zellen in mindestens zwei benachbarten Strängen; -
8A-8C : eine Darstellung eines Vergleichs von direkten Messungen mit Ergebnissen aus der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Ladungszustands einer Einzelzelle; -
9A-9C : eine Darstellung eines Vergleichs von direkten Messungen mit Ergebnissen aus der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Ladungszustände von jeweils 3 Zellen in 2 Strängen; und -
10A-10D : eine Darstellung eines Vergleichs von direkten Messungen mit Ergebnissen aus der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Ladungszustände von jeweils 3 Zellen in 3 Strängen.
-
1 a block diagram of a battery and an associated battery management system for performing a method known in the prior art for detecting charge states of a plurality of cells in the battery; -
2 a schematic representation of a Kalman filter used in methods for determining the charge state of a single cell; -
3 a block diagram for a cell model of the cell of a battery; -
4 a block diagram of a preferred embodiment for determining charge states of a plurality of cells, which are arranged in a single strand; -
5 a block diagram of another preferred embodiment for determining charge states of a plurality of cells, which are arranged in at least two adjacent strands; -
6 a block diagram of another preferred embodiment for determining charge states of a plurality of cells, which are arranged in at least two adjacent strands; -
7A-7C : A schematic representation of various preferred embodiments for determining charge states of a plurality of cells in at least two adjacent strands; -
8A-8C : a representation of a comparison of direct measurements with results from carrying out the method according to the invention for determining a charge state of a single cell; -
9A-9C : a representation of a comparison of direct measurements with results from carrying out the method according to the invention for determining the charge states of 3 cells each in 2 strands; and -
10A-10D : A representation of a comparison of direct measurements with results from carrying out the method according to the invention for determining the charge states of 3 cells in 3 strands.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Zur Ermittlung von Ladungszuständen jeder einzelnen Zelle
Unter Verwendung einer Stromintegration ik(t) über die Zeit t gemäß Gleichung (1)
Wie eingangs bereits erwähnt, sind aus dem Stand der Technik weiterhin meist aufwändige regelungstechnische Filteralgorithmen zur Schätzung des Ladungszustands jeder einzelnen Zelle
Hierbei bezeichnen
- - ein erster Term OCV(SOCk) eine Leerlaufspannung (engl. open circuit voltage, kurz OCV), welche sich aufgrund des gesuchten Ladungszustands
SOC der betreffenden Zelle112 einstellen kann, - - ein zweiter Term
uRC,k eine Diffusionsspannung aufgrund von Diffusionsprozessen und/oder Ladungstransfer in derZelle 112 , welche sich schematisch mittels eines parallelen WiderstandsRp und einer parallelen KapazitätCp ausdrücken lassen, sowie - - ein dritter Term
R0ik eine weitere Spannung, welche sich aufgrund des ohmschen InnenwiderstandsR0 der betreffenden Zelle112 , durch welche der Stromik fließt, ergibt.
- a first term OCV (SOC k ) an open circuit voltage (OCV for short), which depends on the required state of charge
SOC the cell inquestion 112 can adjust - - a second term
u RC, k a diffusion voltage due to diffusion processes and / or charge transfer in thecell 112 , which is schematically by means of a parallel resistorR p and a parallel capacityC p express as well - - a third term
R 0 i k another voltage, which is due to the ohmic internal resistanceR 0 the cell inquestion 112 through which the streami k flows, results.
Der gesuchte Ladungszustand SOC (in %) der betreffenden Zelle
Hierbei bezeichnen
Im Unterschied zum Stand der Technik ist in dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kein Stromsensor
Der gesuchte Ladungszustand SOC (in %) jeder einzelnen der Zellen
Für weitere Details zu der Darstellung gemäß
Für die vorliegende Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient somit der Strom ik = i in dem Strang
Zur Ermittlung der Ladungszustände SOC jeder einzelnen Zelle
In dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, abgesehen von der jeder einzelnen Zelle
Hierbei bezeichnen Ri,g den Gesamtwiderstand der Batterie
Für Stränge
Folglich können die benachbart zueinander angeordneten Stränge
Verschiedene Arten, wie die in der Batterie
Unabhängig von der Art der Kommunikation zwischen den einzelnen Strängen
In einer weiteren Ausführung (hier nicht dargestellt) kann alternativ oder zusätzlich zu der messtechnischen Erfassung des Gesamtstroms
In den
Weiterhin zeigt
Die
Da in der Praxis der Ladungszustand einer Zelle zum Zeitpunkt t = 0 nicht genau bekannt ist, wurden in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- Batteriebattery
- 112112
- Zellecell
- 114114
- Strangstrand
- 116116
- BatteriemanagementsystemBattery Management System
- 118118
- Spannungsmessgerät (Voltmeter)Voltage meter (voltmeter)
- 120120
- Stromsensor (Amperemeter)Current sensor (ammeter)
- 122122
- Kalman-FilterKalman filter
- 124124
- Zellmodellcell model
- 130130
- Batteriebattery
- 132132
- Zellecell
- 134134
- Strangstrand
- 136136
- BatteriemanagementsystemBattery Management System
- 138138
- Spannungsmessgerät (Voltmeter)Voltage meter (voltmeter)
- 150150
- Batteriebattery
- 152152
- Zellecell
- 154, 154', 154"154, 154 ', 154 "
- Strangstrand
- 156156
- BatteriemanagementsystemBattery Management System
- 158158
- Spannungsmessgerät (Voltmeter)Voltage meter (voltmeter)
- 160160
- Stromsensor (Amperemeter)Current sensor (ammeter)
- 162162
- Batteriemodellbattery model
- 170 bis 199170 to 199
- Zeitlicher VerlaufTime course
Claims (12)
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---|---|---|---|
DE102018206353.2A DE102018206353B3 (en) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | Method for determining charge states of cells in a battery |
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---|---|---|---|
DE102018206353.2A DE102018206353B3 (en) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | Method for determining charge states of cells in a battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018206353B3 true DE102018206353B3 (en) | 2019-03-21 |
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ID=65526742
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DE102018206353.2A Active DE102018206353B3 (en) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | Method for determining charge states of cells in a battery |
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DE (1) | DE102018206353B3 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020214180A1 (en) | 2020-11-11 | 2022-05-12 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method and device for determining a state variable of an electrical energy store |
WO2024077519A1 (en) * | 2022-10-12 | 2024-04-18 | 宁德时代未来能源(上海)研究院有限公司 | Soc determination method and apparatus, device, storage medium, and energy storage system |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009038663A1 (en) | 2009-08-24 | 2011-07-14 | Audi Ag, 85057 | Method for determining e.g. loading ability, of starter battery of motor vehicle, involves obtaining values by diagnostic device, and deriving loading ability and/or aging state of battery of motor vehicle from values |
DE102012014436A1 (en) | 2012-07-13 | 2014-05-08 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Method for detecting current flow through battery device of battery system in motor car, involves determining current flow through single cell depending on internal resistance, cell voltage and cell temperature by current detection function |
-
2018
- 2018-04-25 DE DE102018206353.2A patent/DE102018206353B3/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009038663A1 (en) | 2009-08-24 | 2011-07-14 | Audi Ag, 85057 | Method for determining e.g. loading ability, of starter battery of motor vehicle, involves obtaining values by diagnostic device, and deriving loading ability and/or aging state of battery of motor vehicle from values |
DE102012014436A1 (en) | 2012-07-13 | 2014-05-08 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Method for detecting current flow through battery device of battery system in motor car, involves determining current flow through single cell depending on internal resistance, cell voltage and cell temperature by current detection function |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
C. Y. Chun, J. Back, G.S. Seo, B. Cho, J. Kim, I. K. Chang, und S. Lee, „Current sensorless state-of-charge estimation algorithm for lithium-ion batteries utilizing filtered terminal voltage," Journal of Power Sources 273, S. 255-263, 2015 |
CHUN, Chang Yoon [u.a.]: Current sensor-less state-of-charge estimation algorithm for lithium-ion batteries utilizing filtered terminal voltage. In: Journal of Power Sources, Vol. 273, 2015, S. 255-263. - ISSN 0378-7753 (P). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.121. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775314013962/pdfft?md5=8c581043b98211e1f38e842b17c8cf39&pid=1-s2.0-S0378775314013962-main.pdf [abgerufen am 2018-10-16] * |
F. Sun und R. Xiong, „A novel dual-scale cell state-of-charge estimation approach for series-connected battery pack used in electric vehicles," Journal of Power Sources 274, S. 582-594, 2015 |
H. Dai, X. Wei, Z. Sun, J. Wang, und W. Gu, „Online cell soc estimation of li-ion battery packs using a dual time-scale Kalman filtering for ev applications," Applied Energy 95, S. 227-237, 2012 |
J. Kim, J. Shin, C. Jeon, und B. Cho, „High accuracy state-of-charge estimation of li-ion battery pack based on screening process," in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011, Twenty-Sixth Annual IEEE. IEEE, 2011, S. 1984-1991 |
M.-S. Wu, C.-Y. Lin, Y.-Y. Wang, C.-C. Wan, und C. Yang, „Numerical simulation for the discharge behaviors of batteries in series and/or parallel-connected battery packs," Electrochimica Acta 52, S. 1349-1357, 2006 |
S. Sepasi, R. Ghorbani, und B. Y. Liaw, „lmproved extended kalman filter for state of charge estimation of battery packs," Journal of Power Sources 255, S. 368-376, 2014 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020214180A1 (en) | 2020-11-11 | 2022-05-12 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method and device for determining a state variable of an electrical energy store |
WO2024077519A1 (en) * | 2022-10-12 | 2024-04-18 | 宁德时代未来能源(上海)研究院有限公司 | Soc determination method and apparatus, device, storage medium, and energy storage system |
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