DE102018213333A1 - Method for operating a battery system and electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug, wobei das Batteriesystem mindestens zwei parallel verschaltbare Batteriemodule aufweist und jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei die einzelnen Batteriemodule separat und unabhängig voneinander auf einen Verbraucher zuschaltbar sind, umfassend folgende Schritte:- Erfassen einer ersten Modultemperatur eines ersten Batteriemoduls und einer zweiten Modultemperatur eines zweiten Batteriemoduls;- Vergleichen der ersten Modultemperatur sowie der zweiten Modultemperatur mit einer vorgegebenen Maximaltemperatur;- Reduzieren eines für das Batteriesystem maximal zulässigen Betriebsstroms, wenn die erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur überschreitet;- Nochmaliges Erfassen der ersten Modultemperatur des ersten Batteriemoduls nach einer vorgegebenen Zeitdauer;- Nochmaliges Vergleichen der ersten Modultemperatur mit der vorgegebenen Maximaltemperatur.Die Erfindung betrifft auch ein Elektrofahrzeug, das ein Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.The invention relates to a method for operating a battery system for an electric vehicle, the battery system having at least two battery modules that can be connected in parallel and each battery module having at least one battery cell, and wherein the individual battery modules can be connected to a consumer separately and independently of one another, comprising the following steps: Detecting a first module temperature of a first battery module and a second module temperature of a second battery module; - Comparing the first module temperature and the second module temperature with a predetermined maximum temperature; - Reducing a maximum operating current for the battery system if the first module temperature of the first battery module exceeds the predetermined maximum temperature ; - Detection of the first module temperature of the first battery module again after a predetermined period of time; - Comparison of the first module temperature with that before given maximum temperature. The invention also relates to an electric vehicle comprising a battery system which is operated using the method according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug, wobei das Batteriesystem mindestens zwei parallel verschaltbare Batteriemodule aufweist und jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei die einzelnen Batteriemodule separat und unabhängig voneinander auf einen Verbraucher zuschaltbar sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug, welches ein Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.The invention relates to a method for operating a battery system for an electric vehicle, the battery system having at least two battery modules that can be connected in parallel and each battery module having at least one battery cell, and wherein the individual battery modules can be connected to a consumer separately and independently of one another. The invention further relates to an electric vehicle which comprises a battery system which is operated using the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete und parallel miteinander verschaltete Batteriemodule.It is becoming apparent that electric vehicles will increasingly be used in the future. Rechargeable battery systems are used in electrically powered motor vehicles, such as electric vehicles and hybrid vehicles, but also in stationary applications, primarily to supply electrical drive devices with electrical energy. Battery systems with lithium battery cells are particularly suitable for such applications. Lithium battery cells are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Several lithium battery cells of this type are electrically connected in series and in parallel with one another and connected to form battery modules. A battery system of the electric vehicle comprises a plurality of battery modules designed in this way and connected in parallel with one another.
Im Betrieb des Elektrofahrzeugs werden die Batteriezellen des Batteriesystems zum Antrieb des Elektrofahrzeugs sowie zur Versorgung weiterer Verbraucher genutzt und dabei entladen. Aber auch bei einem ruhenden Elektrofahrzeug findet eine geringe Entladung der Batteriezellen in Form einer Selbstentladung statt. Beim Entladen der Batteriezellen fließt ein Strom, und die Batteriezellen werden erwärmt. Wenn die Temperatur der Batteriezellen einen vorgegebenen Temperaturwert überschreitet, so können die Batteriezellen, bedingt durch diese hohe Temperatur, beschädigt oder zerstört werden.During operation of the electric vehicle, the battery cells of the battery system are used to drive the electric vehicle and to supply other consumers, and are discharged in the process. But even when the electric vehicle is at rest, the battery cells discharge slightly in the form of self-discharge. When the battery cells are discharged, a current flows and the battery cells are heated. If the temperature of the battery cells exceeds a predetermined temperature value, the battery cells can be damaged or destroyed due to this high temperature.
Um eine Beschädigung oder Zerstörung der Batteriezellen durch Überhitzung zu vermeiden weisen Batteriesysteme ein Kühlsystem zur Kühlung der Batteriezellen auf. Falls es trotz des Kühlsystems zu einer Erwärmung der Batteriezellen auf oder über den vorgegebenen Temperaturwert kommt, so kann der von den Batteriezellen gelieferte Strom reduziert werden. Bei einem reduzierten Strom steht dem Elektrofahrzeug aber nicht mehr die volle Leistung des Batteriesystems zur Verfügung.In order to avoid damage or destruction of the battery cells due to overheating, battery systems have a cooling system for cooling the battery cells. If, despite the cooling system, the battery cells are heated to or above the specified temperature value, the current supplied by the battery cells can be reduced. With a reduced current, the electric vehicle is no longer able to use the full power of the battery system.
Aus dem Dokument
Aus dem Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem weist dabei mindestens zwei parallel verschaltbare Batteriemodule auf. Jedes der Batteriemodule weist mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere Batteriezellen, auf. Bei den Batteriezellen handelt es sich beispielsweise um wieder aufladbare Lithium-Batteriezellen, welche elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet sind.A method for operating a battery system for an electric vehicle is proposed. The battery system has at least two battery modules that can be connected in parallel. Each of the battery modules has at least one battery cell, preferably a plurality of battery cells. The battery cells are, for example, rechargeable lithium battery cells which are connected to one another electrically in series and in parallel.
Die einzelnen Batteriemodule sind separat und unabhängig voneinander auf einen Verbraucher zuschaltbar. Unter Zuschalten ist unter anderem das Herstellen einer elektrischen Verbindung mit dem Verbraucher zu verstehen, wodurch elektrische Energie von dem zugeschalteten Batteriemodul zu dem Verbraucher fließen kann. Unter Zuschalten ist auch das Herstellen einer elektrischen Verbindung einzelner Batteriemodule zu verstehen, wodurch die zugeschalteten Batteriemodule parallel miteinander verschaltet werden. Die so parallel miteinander verschalteten Batteriemodule können dann mit einem Verbraucher verbunden werden.The individual battery modules can be switched to a consumer separately and independently of one another. Switching on means inter alia the establishment of an electrical connection to the consumer, as a result of which electrical energy can flow from the switched-on battery module to the consumer. Switching on is also to be understood to mean the establishment of an electrical connection of individual battery modules, as a result of which the switched battery modules are connected in parallel with one another. The battery modules connected in parallel with one another in this way can then be connected to a consumer.
Das Verfahren wird hier vereinfacht anhand eines Batteriesystems mit genau zwei Batteriemodulen, nämlich einem ersten Batteriemodul und einem zweiten Batteriemodul, beschrieben. Das Verfahren kann selbstverständlich an ein Batteriesystem mit mehreren, insbesondere mehr als zwei, Batteriemodulen angepasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens die nachfolgend genannten Schritte.The method is described here in a simplified manner using a battery system with exactly two battery modules, namely a first battery module and a second battery module. The method can of course be adapted to a battery system with several, in particular more than two, battery modules. The invention The method comprises at least the steps mentioned below.
Zunächst erfolgt ein Erfassen einer ersten Modultemperatur des ersten Batteriemoduls des Batteriesystems und einer zweiten Modultemperatur des zweiten Batteriemoduls des Batteriesystems. Dann erfolgt ein Vergleichen der ersten Modultemperatur sowie der zweiten Modultemperatur mit einer vorgegebenen Maximaltemperatur.First, a first module temperature of the first battery module of the battery system and a second module temperature of the second battery module of the battery system are detected. The first module temperature and the second module temperature are then compared with a predetermined maximum temperature.
Wenn die erste Modultemperatur und die zweite Modultemperatur die vorgegebene Maximaltemperatur überschreiten, so werden das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul abgeschaltet. Wenn also die Modultemperaturen von allen Batteriemodulen des Batteriesystems die vorgegebene Maximaltemperatur überschreiten, so ist ein Betrieb des Elektrofahrzeugs nicht möglich.If the first module temperature and the second module temperature exceed the predetermined maximum temperature, the first battery module and the second battery module are switched off. If the module temperatures of all battery modules of the battery system exceed the specified maximum temperature, the electric vehicle cannot be operated.
Wenn die erste Modultemperatur und die zweite Modultemperatur die vorgegebene Maximaltemperatur unterschreiten und auch eine vorgegebene Minimaltemperatur überschreiten, so können das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul zugeschaltet bleiben. Wenn also die Modultemperaturen von allen Batteriemodulen die vorgegebene Maximaltemperatur unterschreiten, so ist ein Betrieb des Elektrofahrzeugs möglich, wobei alle Batteriemodule des Batteriesystems parallel geschaltet sind.If the first module temperature and the second module temperature fall below the predetermined maximum temperature and also exceed a predetermined minimum temperature, then the first battery module and the second battery module can remain connected. If the module temperatures of all battery modules fall below the predetermined maximum temperature, the electric vehicle can be operated, with all battery modules of the battery system being connected in parallel.
Es erfolgt ein Reduzieren eines für das Batteriesystem maximal zulässigen Betriebsstroms, wenn die erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur überschreitet, und wenn die zweite Modultemperatur des zweiten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur unterschreitet.A maximum permissible operating current for the battery system is reduced when the first module temperature of the first battery module exceeds the predetermined maximum temperature and when the second module temperature of the second battery module falls below the predetermined maximum temperature.
Dann erfolgen ein nochmaliges Erfassen der ersten Modultemperatur des ersten Batteriemoduls nach einer vorgegebenen Zeitdauer sowie ein nochmaliges Vergleichen der ersten Modultemperatur mit der vorgegebenen Maximaltemperatur. In Abhängigkeit von dem Ergebnis des besagten Vergleichs nach der vorgegebenen Zeitdauer können verschiedene weitere Schritte ausgeführt werden.The first module temperature of the first battery module is then recorded again after a predetermined period of time and the first module temperature is compared again with the predetermined maximum temperature. Depending on the result of said comparison after the predetermined time period, various further steps can be carried out.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der für das Batteriesystem maximal zulässige Betriebsstrom wieder erhöht, wenn die nach der vorgegebenen Zeitdauer erfasste erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur wieder, insbesondere um eine vorgebbare Temperaturschwelle, unterschreitet.According to an advantageous embodiment of the invention, the maximum permissible operating current for the battery system is increased again when the first module temperature of the first battery module detected after the predetermined period of time falls below the predetermined maximum temperature again, in particular by a predeterminable temperature threshold.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden, wenn die nach der vorgegebenen Zeitdauer erfasste erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur überschreitet, die nachfolgend genannten Schritte ausgeführt.According to a further advantageous embodiment of the invention, if the first module temperature of the first battery module detected after the predetermined time period exceeds the predetermined maximum temperature, the steps mentioned below are carried out.
Zunächst erfolgt ein Erfassen eines durch den Verbraucher fließenden Batteriestroms. Anschließend erfolgt ein Vergleichen des durch den Verbraucher fließenden Batteriestroms mit einem von dem zweiten Batteriemodul lieferbaren Modulstrom.First, a battery current flowing through the consumer is detected. The battery current flowing through the consumer is then compared with a module current that can be supplied by the second battery module.
Dabei erfolgt ein weiteres Reduzieren des für das Batteriesystem maximal zulässigen Betriebsstroms, wenn der durch den Verbraucher fließende Batteriestrom größer ist als der von dem zweiten Batteriemodul lieferbare Modulstrom, wenn also das zweite Batteriemodul nicht in der Lage ist, den durch den Verbraucher fließenden Batteriestrom alleine zu liefern.The maximum permissible operating current for the battery system is further reduced if the battery current flowing through the consumer is greater than the module current that can be supplied by the second battery module, i.e. if the second battery module is unable to handle the battery current flowing through the consumer alone deliver.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden, wenn der durch den Verbraucher fließende Batteriestrom geringer ist als der von dem zweiten Batteriemodul lieferbare Modulstrom, wenn also das zweite Batteriemodul in der Lage ist, den durch den Verbraucher fließenden Batteriestrom alleine zu liefern, die nachfolgend genannten Schritte ausgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, if the battery current flowing through the consumer is less than the module current that can be supplied by the second battery module, that is to say if the second battery module is able to supply the battery current flowing through the consumer alone, the following steps are carried out executed.
Zunächst erfolgt ein Vergleichen des durch den Verbraucher fließenden Batteriestroms mit einem vorgegebenen Stromschwellenwert. Es erfolgt ein weiteres Reduzieren des für das Batteriesystem maximal zulässigen Betriebsstroms, wenn der durch den Verbraucher fließende Batteriestrom größer ist als der vorgegebene Stromschwellenwert.First of all, the battery current flowing through the consumer is compared with a predetermined current threshold value. The maximum permissible operating current for the battery system is further reduced if the battery current flowing through the consumer is greater than the predetermined current threshold value.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Abschalten des ersten Batteriemoduls, wenn der durch den Verbraucher fließende Batteriestrom geringer ist als der vorgegebene Stromschwellenwert, und wenn der durch den Verbraucher fließende Batteriestrom geringer ist als der von dem zweiten Batteriemodul lieferbare Modulstrom.According to an advantageous development of the invention, the first battery module is switched off when the battery current flowing through the consumer is less than the predetermined current threshold value and when the battery current flowing through the consumer is lower than the module current that can be supplied by the second battery module.
Optional können nach dem Abschalten des ersten Batteriemoduls die nachfolgend genannten Schritte ausgeführt werden. Zunächst können ein nochmaliges Erfassen der ersten Modultemperatur des ersten Batteriemoduls nach einer vorgegebenen Zeitdauer und ein nochmaliges Vergleichen der ersten Modultemperatur mit der vorgegebenen Maximaltemperatur erfolgen. Dabei erfolgt wieder ein Zuschalten des ersten Batteriemoduls, wenn die nach der vorgegebenen Zeitdauer erfasste erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur unterschreitet. Optionally, the following steps can be carried out after the first battery module has been switched off. First, the first module temperature of the first battery module can be recorded again after a predetermined period of time and the first module temperature can be compared again with the predetermined maximum temperature. The first battery module is switched on again when the after the predetermined period of time detected first module temperature of the first battery module falls below the predetermined maximum temperature.
Vorzugsweise unterbleibt ein Zuschalten des ersten Batteriemoduls jedoch, wenn die nach der vorgegebenen Zeitdauer erfasste erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls die vorgegebene Maximaltemperatur immer noch überschreitet.However, the first battery module is preferably not switched on if the first module temperature of the first battery module detected after the predetermined period of time still exceeds the predetermined maximum temperature.
Dabei kann nach dem Abschalten des ersten Batteriemoduls auch der für das Batteriesystem maximal zulässige Betriebsstrom wieder erhöht werden.After switching off the first battery module, the maximum permissible operating current for the battery system can also be increased again.
Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.An electric vehicle is also proposed which comprises a battery system which is operated using the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Batteriesystem mit mehreren Batteriemodulen verhältnismäßig lange mit einer verhältnismäßig hohen Leistung betrieben werden, auch wenn ein einzelnes Batteriemodul eine zu hohe Modultemperatur hat. Das Verfahren ermöglicht ein sanftes Zurücknehmen der Leistung des Batteriesystems durch Abschalten eines Batteriemoduls, welches eine zu hohe Modultemperatur hat, so dass dieses Batteriemodul abkühlen kann, während die erforderliche Leistung von den restlichen Batteriemodulen zur Verfügung gestellt wird. Das Verfahren erlaubt insbesondere eine möglichst lange Betriebsdauer des Elektrofahrzeugs und damit das Erreichen einer höheren Fahrzeugreichweite durch die Nutzung der Batteriemodule, welche sich noch im Betriebstemperaturbereich befinden. Das Verfahren verhindert somit ein frühzeitiges Stehenbleiben des Elektrofahrzeugs, wenn ein einzelnes Batteriemodul eine zu hohe Modultemperatur hat. Das Verfahren ist zur Anwendung in Batteriesystemen mit mehreren parallel verschaltbaren Batteriemodulen geeignet. Vor dem Abschalten eines Batteriemoduls erfolgt zunächst eine sukzessive Reduzierung eines maximal zulässigen Betriebsstroms sowie einer maximal zulässigen Leistung. Das Verfahren erlaubt auch ein selbständiges Zurücksetzen der Leistungsreduzierung, wenn die Batteriemodule mit einer zuvor zu hohen Modultemperatur wieder abgekühlt sind. Das Batteriesystem kann somit ohne externe Einwirkung wieder in den regulären Betrieb zurückwechseln, in dem alle Batteriemodule parallel verschaltet sind und jeweils einen Modulstrom liefern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für fehlertolerante Systeme in autonom fahrenden Elektrofahrzeugen zwingend erforderlich, um einen Ausfall des Elektrofahrzeugs zu verhindern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem lernenden System ausgeführt werden. Durch eine Verarbeitung entsprechender Informationen einer automatischen Fahrtstreckenerkennung oder eines Navigationssystems kann das Verfahren bereits frühzeitig auf einer geeigneten Fahrtstrecke angewendet werden, um eine Leistungsreduzierung bis hin zu einer möglichen Abschaltung zu vermeiden.By means of the method according to the invention, a battery system with several battery modules can be operated for a relatively long time with a relatively high output, even if a single battery module has an excessively high module temperature. The method enables the power of the battery system to be gently reduced by switching off a battery module which has a module temperature which is too high, so that this battery module can cool down while the required power is provided by the remaining battery modules. In particular, the method allows the electric vehicle to be operated for as long as possible and thus to achieve a greater vehicle range by using the battery modules, which are still in the operating temperature range. The method thus prevents the electric vehicle from stopping prematurely if a single battery module has an excessively high module temperature. The method is suitable for use in battery systems with several battery modules that can be connected in parallel. Before a battery module is switched off, the maximum permissible operating current and the maximum permissible power are gradually reduced. The method also allows the power reduction to be reset automatically when the battery modules have cooled down again with a module temperature that was previously too high. The battery system can thus switch back to regular operation without external influence, in which all battery modules are connected in parallel and each supply a module current. The method according to the invention is imperative, in particular for fault-tolerant systems in autonomously driving electric vehicles, in order to prevent failure of the electric vehicle. The method according to the invention can be carried out in a learning system. By processing corresponding information from an automatic route recognition or a navigation system, the method can be applied early on a suitable route, in order to avoid a reduction in output and a possible shutdown.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriemodulen und -
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Batteriesystems.
-
1 a schematic representation of a battery system with several battery modules and -
2 is a schematic representation of a method for operating a battery system.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Jede Batteriezelle
Die Batteriemodule
Das Batteriesystem
Das Verfahren wird hier vereinfacht anhand eines Batteriesystems
In einem Schritt
Wenn die zweite Modultemperatur größer als die Minimaltemperatur und kleiner als die Maximaltemperatur ist, so erfolgt in einem Schritt
Wenn die erste Modultemperatur des ersten Batteriemoduls
Nach der vorgegebenen Zeitdauer erfolgen in einem Schritt
Wenn im Schritt
Wenn im Schritt
Wenn im Schritt
Wenn im Schritt
Wenn im Schritt
Wenn im Schritt
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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.
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