DE102019202465A1 - Method for operating a battery system in a motor vehicle and a correspondingly operable battery system and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (16) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei das Batteriesystem (16) mehrere Batteriezellen (34) zum Erzeugen einer Batteriespannung (U) und eines Batteriestroms (I) an Batterieanschlüssen (40) des Batteriesystems (16) und zumindest eine Untersuchungseinrichtung (EIS) zum Durchführen eines Zelltests der Batteriezellen (34) aufweist. Die Erfindung sieht vor, dass ein Anregungssignal (45) eingestellt wird und durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung (EIS) aus dem Netzwerk (N) ein elektrisches Antwortsignal (46) des Netzwerks (N) empfangen wird und in Abhängigkeit von dem Antwortsignal (46) zumindest ein Parameterwert (25) des elektrischen Netzwerks (N) ermittelt wird.The invention relates to a method for operating a battery system (16) in a motor vehicle (10), the battery system (16) having several battery cells (34) for generating a battery voltage (U) and a battery current (I) at battery connections (40) of the battery system (16) and at least one examination device (EIS) for performing a cell test on the battery cells (34). The invention provides that an excitation signal (45) is set and an electrical response signal (46) from the network (N) is received by the at least one examination device (EIS) from the network (N) and depending on the response signal (46) at least one parameter value (25) of the electrical network (N) is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug, wobei davon ausgegangen wird, dass in dem Batteriesystem mehrere Batteriezellen sowie mindestens eine Untersuchungseinrichtung zum Durchführen eines jeweiligen Zelltests der Batteriezellen vorhanden sind. Die Erfindung stellt auch ein Batteriesystem bereit, in welchem das Verfahren durchgeführt werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug, in welchem das erfindungsgemäße Batteriesystem bereitgestellt ist.The invention relates to a method for operating a battery system in a motor vehicle, it being assumed that a plurality of battery cells and at least one examination device for carrying out a respective cell test of the battery cells are present in the battery system. The invention also provides a battery system in which the method can be carried out, as well as a motor vehicle in which the battery system according to the invention is provided.
Der elektrische Antrieb eines Elektrofahrzeugs kann aus einem Batteriesystem und einer daran als ein elektrisches Netzwerk angeschlossenen Leistungselektronik zur Steuerung der angeschlossenen elektrischen Maschine bestehen. Die Regelung der elektrischen Maschine (beispielsweise ihrer Drehzahl) erfolgt durch gezielte Ansteuerung der Leistungselektronik mittels eines Regelungssystems. Für die Regelung müssen Kennwerte oder Parameterwerte der elektrischen Maschine, des Batteriesystems und der Leistungselektronik sowie auch der mechanischen Komponenten, die von der elektrischen Maschine angetrieben werden, bekannt sein. Typischerweise werden diese Parameterwerte während der Produktion bestimmt. Diese Parameterwerte der einzelnen Komponenten (elektrisches Netzwerk mit Leistungselektronik, elektrische Maschine, mechanische Komponenten) können sich aber über der Zeit verändern. So können sich die Parameterwerte der Komponenten zum einen durch Alterung/Verschleiß oder auch aufgrund ihres aktuellen Betriebszustands (beispielsweise Temperatur) verändern. Zum anderen können sich ausbreitende Fehler (wie beispielsweise fehlerhafte Kontakte oder elektrische Isolierungen) auf die Parameterwerte auswirken.The electric drive of an electric vehicle can consist of a battery system and power electronics connected to it as an electric network for controlling the connected electric machine. The control of the electrical machine (for example its speed) takes place through targeted control of the power electronics by means of a control system. For the regulation, characteristic values or parameter values of the electrical machine, the battery system and the power electronics as well as the mechanical components that are driven by the electrical machine must be known. Typically these parameter values are determined during production. However, these parameter values of the individual components (electrical network with power electronics, electrical machine, mechanical components) can change over time. The parameter values of the components can change due to aging / wear or due to their current operating status (for example temperature). On the other hand, spreading errors (such as faulty contacts or electrical insulation) can affect the parameter values.
Da aber die Parameterwerte in der Regel nicht im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermittelt werden können, muss ein Prädiktionsmodell, das ein Verhalten des Kraftfahrzeugs prädizieren soll, auf die ursprünglichen, bei der Produktion ermittelten Parameterwerte zurückgreifen, was die Prognose ungenau macht. Auch eine Erkennung von Fehlern im Elektrofahrzeug kann nur auf der Grundlage von Soll-Kennwerten oder Soll-Parameterwerten erfolgen, die nur für ein produktionsneues Kraftfahrzeug repräsentativ sind.However, since the parameter values cannot usually be determined during operation of the motor vehicle, a prediction model that is intended to predict the behavior of the motor vehicle has to fall back on the original parameter values determined during production, which makes the prognosis imprecise. Faults in the electric vehicle can also only be detected on the basis of nominal characteristic values or nominal parameter values which are only representative of a motor vehicle that is new to production.
Aus der
Eine Form der Analyse oder eines Zelltests für eine Batteriezelle ist durch die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) gegeben, wie sie beispielsweise in der
Aus der
Die beschriebenen Probleme ergeben sich nicht nur bei einem Elektrofahrzeug, sondern allgemein bei einem Kraftfahrzeug, in welchem ein Batteriesystem bereitgestellt ist, das eine oder mehrere Batteriezellen aufweist und an das ein elektrisches Netzwerk mit zumindest einer elektrischen Komponente angeschlossen ist. Eine Überwachung eines solchen Netzwerks erfordert in der Regel zusätzliche Sensorik und möglicherweise Aktorik, was den Schaltungsaufwand unerwünscht erhöht.The problems described arise not only in an electric vehicle, but generally in a motor vehicle in which a battery system is provided which has one or more battery cells and to which an electrical network with at least one electrical component is connected. Monitoring such a network usually requires additional sensors and possibly actuators, which undesirably increases the circuit complexity.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem auch eine Überwachung des an das Batteriesystem angeschlossenen elektrischen Netzwerks zu ermöglichen.The invention is based on the object of also making it possible to monitor the electrical network connected to the battery system in a motor vehicle with a battery system.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Batteriesystem weist mehrere Batteriezellen auf, die dazu eingerichtet sind, eine Batteriespannung und einen Batteriestrom an Batterieanschlüssen des Batteriesystems zu erzeugen. Des Weiteren weist das Batteriesystem zumindest eine Untersuchungseinrichtung zum Durchführen eines Zelltests der Batteriezellen auf. Insbesondere ist zumindest eine Untersuchungseinrichtung für eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) einzelner Batteriezellen des Batteriesystems bereitgestellt. Die Batteriezellen sind jeweils schaltbar ausgestaltet, das heißt es handelt sich um schaltbare Batteriezellen, indem in jeder Batteriezelle zumindest ein Schaltelement zum Schalten eines Zellstroms der Batteriezelle vorgesehen ist und das Batteriesystem eine Steuereinrichtung zum Steuern des zumindest einen Schaltelements der jeweiligen Batteriezelle aufweist. Jede einzelne Batteriezelle kann also individuell zwischen die Batterieanschlüsse zugeschaltet und weggeschaltet werden. Schaltbare Batteriezellen werden hier auch als SmartCells bezeichnet.The invention provides a method for operating a battery system in a motor vehicle. The battery system has a plurality of battery cells which are set up to generate a battery voltage and a battery current at battery connections of the battery system. Furthermore, the battery system has at least one examination device for performing a cell test on the battery cells. In particular, at least one examination device for electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of individual battery cells of the battery system is provided. The battery cells are each designed to be switchable, i.e. they are switchable battery cells in that at least one switching element is provided in each battery cell for switching a cell current of the battery cell and the battery system has a control device for controlling the at least one switching element of the respective Has battery cell. Each individual battery cell can therefore be switched on and off individually between the battery connections. Switchable battery cells are also referred to here as SmartCells.
Das Batteriesystem wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens dahingehend betrieben, dass mittels des Batteriesystems auch zumindest ein Parameterwert ermittelt wird, der keine Komponente in dem Batteriesystem selbst beschreibt, sondern zumindest eine Komponente außerhalb des Batteriesystems. Es wird also zumindest ein batteriesystemexterner Parameterwert ermittelt. Es wird hierzu ein Anregungssignal in ein an die Batterieanschlüsse angeschlossenes elektrisches Netzwerk abgegeben. Es kann sich hierbei um ein unveränderliches, konstantes Anregungssignal oder ein zeitlich veränderliches Anregungssignal handeln. Durch die elektrische Verbindung zwischen Batterieanschlüssen einerseits und Netzwerk andererseits setzt sich das Anregungssignal von den Batterieanschlüssen in das elektrische Netzwerk fort. Durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung, die eigentlich für die internen Zelltests innerhalb des Batteriesystems vorgesehen ist, wird nun über die Batterieanschlüsse auch gemessen, wie das elektrische Netzwerk jenseits der Batterieanschlüsse auf das Anregungssignal reagiert. Hierzu wird durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung aus dem Netzwerk über die Batterieanschlüsse ein elektrisches Antwortsignal des Netzwerks empfangen. In Abhängigkeit von dem Antwortsignal ermittelt die zumindest eine Untersuchungseinrichtung mittels einer vorbestimmten Analysevorschrift zumindest einen Parameterwert des elektrischen Netzwerks selbst und/oder zumindest einer mit dem elektrischen Netzwerk über einen elektromechanischen Wandler gekoppelten mechanischen Komponente. Der elektromechanische Wandler ist insbesondere eine elektrische Maschine, die als Fahrantrieb vorgesehen ist. Eine mechanische Komponente kann beispielsweise ein Bestandteil eines mechanischen Fahrantriebs sein, welcher über die elektrische Maschine mit dem elektrischen Netzwerk gekoppelt ist.The battery system is operated by means of the method according to the invention in such a way that at least one parameter value is also determined by means of the battery system which does not describe a component in the battery system itself, but at least one component outside the battery system. At least one parameter value external to the battery system is thus determined. For this purpose, an excitation signal is emitted into an electrical network connected to the battery connections. This can be an unchangeable, constant excitation signal or a time-varying excitation signal. Due to the electrical connection between the battery connections on the one hand and the network on the other hand, the excitation signal from the battery connections continues into the electrical network. The at least one examination device, which is actually provided for the internal cell tests within the battery system, is now also used to measure via the battery connections how the electrical network beyond the battery connections reacts to the excitation signal. For this purpose, the at least one examination device receives an electrical response signal from the network from the network via the battery connections. Depending on the response signal, the at least one examination device determines at least one parameter value of the electrical network itself and / or at least one mechanical component coupled to the electrical network via an electromechanical transducer by means of a predetermined analysis rule. The electromechanical converter is, in particular, an electrical machine that is provided as a travel drive. A mechanical component can, for example, be part of a mechanical travel drive which is coupled to the electrical network via the electrical machine.
Durch die Erfindung wird also in vorteilhafter Weise zumindest eine Untersuchungseinrichtung, die für einen batterieinternen Zelltest der Batteriezellen vorgesehen ist, nun zusätzlich dazu genutzt, zumindest einen Parameterwert eines batterieexternen elektrischen Netzwerks und/oder einer batterieexternen mechanischen Komponente zu ermitteln.The invention therefore advantageously uses at least one examination device, which is provided for a battery-internal cell test of the battery cells, to determine at least one parameter value of a battery-external electrical network and / or a battery-external mechanical component.
Die zumindest eine Untersuchungseinrichtung und/oder die Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltelemente der Batteriezellen können jeweils beispielsweise auf Batteriezellebene, also durch Einzelkomponenten in jeder Batteriezelle, und/oder auf Systemebene als separate, batteriezellexterne Einheiten des Batteriesystems bereitgestellt sein. Die jeweilige Untersuchungseinrichtung kann auf der Grundlage zumindest eines integrierten Schaltkreises (IC - Integrated Circuit) und/oder zumindest eines Mikroprozessors und/oder zumindest eines Mikrocontrollers realisiert sein. Die Steuereinrichtung kann auf der Grundlage zumindest eines integrierten Schaltkreises und/oder zumindest eines Mikroprozessors und/oder zumindest eines Mikrocontrollers bereitgestellt sein. Für den Fall, dass eine Prozessoreinrichtung (Mikroprozessor und/oder Mikrocontroller) vorgesehen ist, können die Verfahrensschritte als ein Programmcode bereitgestellt sein, der Programminstruktionen aufweist, die bei Ausführen durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung oder Steuereinrichtung die jeweiligen Verfahrensschritte durchführen, die durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung oder die Steuereinrichtung gemäß dem Verfahren durchzuführen sind.The at least one examination device and / or the control device for controlling the switching elements of the battery cells can each be provided, for example, at the battery cell level, i.e. by individual components in each battery cell, and / or at the system level as separate, battery-cell-external units of the battery system. The respective examination device can be implemented on the basis of at least one integrated circuit (IC) and / or at least one microprocessor and / or at least one microcontroller. The control device can be provided on the basis of at least one integrated circuit and / or at least one microprocessor and / or at least one microcontroller. In the event that a processor device (microprocessor and / or microcontroller) is provided, the method steps can be provided as a program code that has program instructions that, when executed by the at least one examination device or control device, carry out the respective method steps that are performed by the at least one The examination device or the control device are to be carried out according to the method.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also comprises embodiments which result in additional advantages.
Bisher wurde nicht spezifiziert, wie die Anregung entsteht. Prinzipiell sind hier mehrere Varianten denkbar, die auch kombinierbar sind.So far it has not been specified how the excitation arises. In principle, several variants are conceivable here, which can also be combined.
In einer Ausführungsform stellt die Steuereinrichtung durch Einstellen einer Schaltkonstellation des zumindest einen Schaltelements der Batteriezellen an den Batterieanschlüssen die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom mit einem vorbestimmten zeitlichen Signalverlauf als das Anregungssignal ein. Mit anderen Worten stell die Steuereinrichtung des Batteriesystems durch Einstellen einer Schaltkonstellation des zumindest einen Schaltelements der Batteriezellen an den Batterieanschlüssen die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom auf einen vorbestimmten zeitlichen Signalverlauf ein, der in das an die Batterieanschlüsse angeschlossene elektrische Netzwerk propagiert. Dieser Signalverlauf stellt dann ein Anregungssignal dar.In one embodiment, by setting a switching constellation of the at least one switching element of the battery cells at the battery connections, the control device sets the battery voltage and / or the battery current with a predetermined time signal curve as the excitation signal. In other words, by setting a switching constellation of the at least one switching element of the battery cells at the battery connections, the control device of the battery system sets the battery voltage and / or the battery current to a predetermined temporal signal profile that propagates in the electrical network connected to the battery connections. This signal curve then represents an excitation signal.
In einer Ausführungsform wird die besagte Schaltkonstellation in den Batteriezellen durch die Steuereinrichtung iterativ oder stufenweise eingestellt, indem eine Abweichung des tatsächlich erzeugten Anregungssignals an den Batterieanschlüssen von einem Soll-Anregungssignal mittels einer Signalregelung minimiert wird. Mit anderen Worten wird also das Anregungssignal in seinem zeitlichen Verlauf mittels einer Signalregelung erzwungen. Hierdurch kann beispielsweise ein Stromwert eines Batteriestroms, der als Anregungssignal benutzt werden soll, auf einen Soll-Verlauf eingeregelt werden. Somit kann das Batteriesystem als Strom- und/oder Spannungsquelle fungieren.In one embodiment, the said switching constellation in the battery cells is set iteratively or step-wise by the control device by minimizing a deviation of the actually generated excitation signal at the battery connections from a target excitation signal by means of signal control. In other words, the excitation signal is enforced in its temporal course by means of a signal control. In this way, for example, a current value of a battery current that is to be used as an excitation signal can be adjusted to a desired curve. The battery system can thus act as a current and / or voltage source.
Zusätzlich oder alternativ zu der Schaltkonstellation in den Batteriezellen weist die zumindest eine Untersuchungseinrichtung eine eigene Strom- und/oder Spannungsquelle auf, mittels welcher sie das Anregungssignal erzeugt. In dieser zweiten Variante enthält die zumindest eine Untersuchungseinrichtung eine eigene Strom- und/oder Spannungsquelle (und insbesondere die dafür nötige Schaltung/Schalter). Die Energie dafür kann dann wiederum aus der Batteriezelle selbst oder aus einem Hilfsspannungsnetz (z.B. 12 Volt Bordnetz) kommen.In addition or as an alternative to the switching configuration in the battery cells, the at least one examination device has its own current and / or voltage source, by means of which it generates the excitation signal. In this second variant, the at least one examination device contains its own current and / or voltage source (and in particular the circuit / switch required for this). The energy for this can then come from the battery cell itself or from an auxiliary voltage network (eg 12 volt on-board network).
Zusätzlich oder alternativ dazu wird ein durch einen Fahrbetrieb entstehendes Anregungssignal genutzt. In dieser zusätzlichen Variante wird nicht aktiv angeregt/eingegriffen, sondern die Anregung durch den Betrieb genutzt (genannt passive EIS). Die Schaltelemente sind dennoch wichtig, da sie auch hier organisieren, welche Zellen vermessen/betrieben werden.In addition or as an alternative to this, an excitation signal generated by driving is used. In this additional variant, the system does not actively stimulate / intervene, but rather uses the stimulus from operation (called passive EIS). The switching elements are still important because they organize which cells are measured / operated here as well.
In einer Ausführungsform verarbeitet die zumindest eine Untersuchungseinrichtung zum Ermitteln des zumindest einen Parameterwerts das empfangene Antwortsignal mittels einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Mit anderen Worten wird also ein Programmcode oder ein Programmmodul genutzt, welches eigentlich für den batterieinternen Zelltest vorgesehen ist. Da die Impedanzspektroskopie eine spektrale Analyse vorsieht, kann diese auch dazu genutzt werden, den zumindest einen Parameterwert einer batterieexternen Komponente zu ermitteln. Somit ist keine separate Analysesoftwäre notwendig. Die besagte Analysevorschrift umfasst also in diesem Fall die EIS.In one embodiment, the at least one examination device processes the received response signal by means of electrochemical impedance spectroscopy in order to determine the at least one parameter value. In other words, a program code or a program module is used which is actually intended for the battery-internal cell test. Since impedance spectroscopy provides for a spectral analysis, this can also be used to determine the at least one parameter value of a component external to the battery. No separate analysis software is therefore necessary. In this case, the analysis specification mentioned thus includes the EIS.
Zusätzlich oder alternativ dazu berechnet die zumindest eine Untersuchungseinrichtung aus einem Verhältnis der Batteriespannung und des Batteriestroms ein Übertragungsverhalten des Netzwerks, woraus der zumindest eine Parameterwert hergeleitet werden kann. Es kann also beispielsweise eine Impulsantwort oder der Frequenzgang des Netzwerks durch die Analysevorschrift ermittelt werden. Ist bekannt, welche elektrischen Komponenten in dem Netzwerk verschaltet sind und/oder welche mechanische Komponenten mit dem Netzwerk über den elektromechanischen Wandler gekoppelt sind, so kann für diese Komponenten zumindest ein Parameterwert auf der Grundlage eines elektrischen Modells des Netzwerks aus dem ermittelten Übertragungsverhalten hergeleitet werden. Hierzu kann eine Methode der Systemidentifikation zugrunde gelegt werden. Beispielsweise kann ein iteratives Fitting-Verfahren genutzt werden.Additionally or alternatively, the at least one examination device calculates a transmission behavior of the network from a ratio of the battery voltage and the battery current, from which the at least one parameter value can be derived. For example, an impulse response or the frequency response of the network can be determined by the analysis rule. If it is known which electrical components are connected in the network and / or which mechanical components are coupled to the network via the electromechanical converter, at least one parameter value can be derived for these components on the basis of an electrical model of the network from the determined transmission behavior. A system identification method can be used as a basis for this. For example, an iterative fitting process can be used.
In einer Ausführungsform sieht die Analysevorschrift entsprechend vor, dass der jeweilige Parameterwert mittels eines vorbestimmten Fitting-Verfahrens oder Anpassungsverfahrens zum Anpassen von Modellparametern eines Modells des elektrischen Netzes an das Antwortsignal ermittelt wird. Mittels des Fitting-Verfahrens wird also zumindest ein Modellparameter des elektrischen Netzwerks iterativ eingestellt oder angepasst, damit eine Modellantwort, die das Modell in Abhängigkeit von dem Anregungssignal erzeugt, mit dem Antwortsignal so weit übereinstimmt, dass ein vorbestimmtes Fitting-Kriterium erfüllt ist, also beispielsweise ein Unterschied kleiner als ein Schwellenwert ist. Der Unterschied kann als Summe der Quadrate der Differenzen zwischen der Modellantwort und dem Antwortsignal für mehrere Abtastpunkte oder Abtastwerte berechnet werden. Die Fitting-Methode oder das Fitting-Verfahren weist den Vorteil auf, dass auch ein komplexes Modell mit mehreren Modellparametern konfiguriert werden kann, wenn ein Antwortsignal vorliegt.In one embodiment, the analysis rule accordingly provides that the respective parameter value is determined by means of a predetermined fitting method or adaptation method for adapting model parameters of a model of the electrical network to the response signal. Using the fitting method, at least one model parameter of the electrical network is iteratively set or adapted so that a model response that the model generates as a function of the excitation signal corresponds to the response signal to such an extent that a predetermined fitting criterion is met, for example a difference is less than a threshold. The difference can be calculated as the sum of the squares of the differences between the model response and the response signal for several sample points or sample values. The fitting method or the fitting method has the advantage that a complex model can also be configured with a plurality of model parameters if a response signal is present.
In einer Ausführungsform wird zumindest ein Parameterwert des zumindest einen Schaltelements ermittelt und/oder es wird das Anregungssignal in das elektrische Netzwerk eines elektrischen Fahrantriebs des Kraftfahrzeugs abgegeben. Es kann also zumindest ein zellinterner Parameterwert für beispielsweise das zumindest eine Schaltelement (zum Beispiel der Durchgangswiderstand Rdson) ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ wird davon ausgegangen, dass an die Batterieanschlüsse ein Fahrantrieb mit einer Leistungselektronik und einer elektrischen Maschine an das Batteriesystem angeschlossen ist. Der zumindest eine Parameter wird dann entsprechend in dem Fahrantrieb ermittelt. Hierdurch kann für den Fahrantrieb ein Modell konfiguriert werden, auf dessen Grundlage eine Regelung oder ein Regelungssystem für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs konfiguriert werden kann.In one embodiment, at least one parameter value of the at least one switching element is determined and / or the excitation signal is emitted into the electrical network of an electric travel drive of the motor vehicle. At least one cell-internal parameter value can therefore be determined for, for example, the at least one switching element (for example the volume resistance Rdson). Additionally or alternatively, it is assumed that a drive with power electronics and an electrical machine is connected to the battery system at the battery connections. The at least one parameter is then determined accordingly in the travel drive. As a result, a model can be configured for the drive, on the basis of which a control or a control system can be configured for the driving operation of the motor vehicle.
So kann in einer Ausführungsform in dem Netzwerk ein Zwischenkreiskondensator zwischen die Batterieanschlüsse geschaltet sein. In dieser Ausführungsform wird zumindest ein aus Sicht der Batterieanschlüsse dem Zwischenkreiskondensator nachgeschaltetes Schaltelement oder mehrere Schaltelemente elektrisch sperrend geschaltet und es wird zumindest ein Parameterwert des Zwischenkreiskondensators ermittelt. Indem die dem Zwischenkreiskondensator nachgeschalteten Schaltelemente elektrisch sperrend geschaltet werden, ist von den Batterieanschlüssen aus gesehen nur der Zwischenkreiskondensator in dem Netzwerk wirksam und es kann für diesen zumindest ein Parameterwert ermittelt werden. Die besagten Schaltelemente können beispielsweise Bestandteil einer Leistungselektronik des einen Fahrantriebs sein, also beispielsweise Schaltelemente eines Stromrichters.In one embodiment, an intermediate circuit capacitor can be connected between the battery connections in the network. In this embodiment, at least one switching element or a plurality of switching elements connected downstream of the intermediate circuit capacitor from the point of view of the battery connections is electrically blocked and at least one parameter value of the intermediate circuit capacitor is determined. Since the switching elements connected downstream of the intermediate circuit capacitor are switched to be electrically blocking, only the intermediate circuit capacitor is effective in the network from the point of view of the battery connections and at least one parameter value can be determined for this. Said switching elements can, for example, be part of the power electronics of the one travel drive, that is to say for example switching elements of a converter.
In einer Ausführungsform wird in dem Netzwerk mittels einer Leistungselektronik (zum Beispiel mittels eines Stromrichters) ein Kurzschluss zwischen den Batterieanschlüssen geschaltet und zumindest ein Parameterwert von Schaltelementen der Leistungselektronik ermittelt. Ein solcher Parameterwert kann beispielsweise der Durchgangswiderstand Rdson und/oder ein Spannungsabfall an Dioden und/oder zumindest ein parasitärer Effekt sein. Somit kann also auch die Leistungselektronik von dem Batteriesystem aus in Bezug auf den zumindest einen Parameter vermessen werden.In one embodiment, a short circuit is switched between the battery connections in the network by means of power electronics (for example by means of a converter) and at least one parameter value is determined by switching elements of the power electronics. Such a parameter value can for example be the volume resistance Rdson and / or a voltage drop across diodes and / or at least a parasitic effect. The power electronics can therefore also be measured from the battery system with regard to the at least one parameter.
In einer Ausführungsform wird in dem Netzwerk zumindest ein Parameterwert von Strängen einer elektrischen Maschine ermittelt. Mit anderen Worten wird das Anregungssignal in elektrische Spulen (Stränge) der elektrischen Maschine gesendet. Dies kann beispielsweise durch eine Leistungselektronik hindurch erfolgen, indem deren Schaltelemente passend oder entsprechend geschaltet werden. Somit kann auch ein elektrische Maschine, also der besagte elektromechanische Wandler, vermessen werden.In one embodiment, at least one parameter value of strings of an electrical machine is determined in the network. In other words, the excitation signal is sent in electrical coils (strands) of the electrical machine. This can be done, for example, through power electronics, in that their switching elements are switched appropriately or accordingly. An electrical machine, that is to say the aforementioned electromechanical converter, can thus also be measured.
Wie bereits ausgeführt, können in dem Netzwerk der Zwischenkreiskondensator, ein Stromrichter und eine elektrische Maschine aus Sicht der Batterieanschlüsse hintereinander verschaltet sein. Um diese elektrischen Komponenten einzeln zu vermessen, sieht eine Ausführungsform vor, dass durch die Steuereinrichtung nach dem Empfangen des Antwortsignals zumindest eine Schalteinstellung in dem Netzwerk verändert wird und dann mittels zumindest eines weiteren Anregungssignals zumindest ein weiterer Parameterwert mittels der Analysevorschrift ermittelt wird. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass zunächst der Zwischenkreiskondensator bei elektrisch sperrend geschaltetem, nachgeschaltetem Stromrichter vermessen wird und dann anschließend Schaltelemente des Stromrichters elektrisch leitfähig geschaltet werden, um beispielsweise die Schaltelemente des Stromrichters in der beschriebenen Weise zu vermessen. So kann stufenweise ausgehend von den Batterieanschlüssen nacheinander für eine elektrische Komponente zumindest ein Parameterwert ermittelt werden und dann nach Änderung der Schalteinstellung die nächste, aus Sicht des Batteriesystems nachgeschaltete elektrische Komponente in Bezug auf deren zumindest einen Parameterwert vermessen werden.As already stated, the intermediate circuit capacitor, a converter and an electrical machine can be connected in series in the network from the point of view of the battery connections. In order to measure these electrical components individually, one embodiment provides that the control device changes at least one switching setting in the network after receiving the response signal and then at least one further parameter value is determined by means of the analysis rule using at least one further excitation signal. It can therefore be provided, for example, that the intermediate circuit capacitor is first measured with the downstream converter switched to be electrically blocking and then switching elements of the converter are then switched to be electrically conductive, for example in order to measure the switching elements of the converter in the manner described. Thus, starting from the battery connections, at least one parameter value can be determined one after the other for an electrical component and then, after changing the switch setting, the next electrical component, which is connected downstream from the point of view of the battery system, can be measured with regard to its at least one parameter value.
Hierbei kann der Einfluss eines Signalbeitrags einer bereits vermessenen elektrischen Komponente ermittelt und aus dem empfangenen Mischsignal entfernt werden. In einer Ausführungsform wird dazu durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung das Antwortsignal mit einem dem Antwortsignal überlagerten Signalbeitrag der Batteriezellen (also einem batterieinternen Signalbeitrag) und/oder einem Signalbeitrag einer in dem Netzwerk enthaltenen weiteren Komponente empfangen. Diese weitere Komponente des Netzwerks kann beispielsweise eine bereits vermessene Komponente sein, zu der also bereits zumindest ein Parameterwert bestimmt wurde, die aber für eine weitere Messung nicht in dem Netzwerk abgeschaltet werden kann und deshalb weiterhin einen Signalbeitrag erzeugt, wenn ein Anregungssignal in das Netzwerk gegeben wird. Das Antwortsignal und der Signalbeitrag werden durch die zumindest eine Untersuchungseinrichtung also als ein Mischsignal empfangen, wobei der Signalbeitrag, der dem Antwortsignal überlagert ist, in der zumindest einen Untersuchungseinrichtung bereits vorgegeben oder bekannt ist, das heißt es wird vorgegeben oder aus einer vorangegangenen Messung gespeichert, wie der überlagerte Signalbeitrag (bei gegebenem Anregungssignal) aussehen oder verlaufen muss. Die zumindest eine Untersuchungseinrichtung entfernt entsprechend auf der Grundlage des bekannten Signalverlaufs den Signalbeitrag aus dem Mischsignal, um das Antwortsignal zu rekonstruieren oder zu erhalten. Somit können also auch aus einem überlagerten Mischsignal Informationen betreffend den zumindest einen Parameterwert extrahiert werden, indem ein bekannter Signalbeitrag zumindest einer anderen Komponente entfernt wird. Das Entfernen kann beispielsweise durch Subtrahieren oder auf der Grundlage einer inversen Übertragungsfunktion mittels einer Faltung oder im Spektralbereich durchgeführt werden, wobei die inverse Übertragungsfunktion auf der Grundlage eines Modells der bereits vermessenen anderen Komponente (deren Parameterwert also schon bekannt ist) gebildet werden kann.Here, the influence of a signal contribution from an electrical component that has already been measured can be determined and removed from the received mixed signal. In one embodiment, the response signal is received by the at least one examination device with a signal contribution from the battery cells superimposed on the response signal (ie a battery-internal signal contribution) and / or a signal contribution from a further component contained in the network. This further component of the network can, for example, be a component that has already been measured, for which at least one parameter value has already been determined, but which cannot be switched off in the network for a further measurement and therefore continues to generate a signal when an excitation signal is passed into the network becomes. The response signal and the signal contribution are received by the at least one examination device as a mixed signal, the signal contribution that is superimposed on the response signal being already specified or known in the at least one examination device, i.e. it is specified or stored from a previous measurement, how the superimposed signal contribution (with a given excitation signal) has to look like or run. The at least one examination device accordingly removes the signal contribution from the mixed signal on the basis of the known signal profile in order to reconstruct or obtain the response signal. Information relating to the at least one parameter value can thus also be extracted from a superimposed mixed signal by removing a known signal contribution from at least one other component. The removal can be carried out, for example, by subtracting or on the basis of an inverse transfer function by means of a convolution or in the spectral range, wherein the inverse transfer function can be formed on the basis of a model of the other component that has already been measured (whose parameter value is therefore already known).
In einer Ausführungsform wird für den zumindest einen Parameterwert ein korrespondierender Soll-Parameterwert vorgegeben wird und ein Fehler dem Batteriesystem und/oder in dem Netzwerk und/oder der zumindest einen mechanischen Komponente signalisiert wird, falls der zumindest eine Parameterwert von seinem korrespondierenden Soll-Parameterwert um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert abweicht. In vorteilhafter Weise wird hierdurch eine automatisierte Fehlerdetektion bereitgestellt.In one embodiment, a corresponding setpoint parameter value is specified for the at least one parameter value and a fault is signaled to the battery system and / or in the network and / or the at least one mechanical component if the at least one parameter value changes from its corresponding setpoint parameter value deviates by more than a predetermined tolerance value. In this way, automated error detection is advantageously provided.
Die Erfindung umfasst auch ein Batteriesystem, mittels welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Das Batteriesystem weist in der beschriebenen Weise mehrere Batteriezellen auf, um an Batterieanschlüssen des Batteriesystems eine Batteriespannung und einen Batteriestrom zu erzeugen, und das Batteriesystem weist zumindest eine Untersuchungseinrichtung zum Durchführen eines Zelltests der Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind in der beschriebenen Weise schaltbar ausgestaltet. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist in der beschriebenen Weise dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wozu eine Steuereinrichtung und die zumindest eine Untersuchungseinrichtung in der beschriebenen Weise ausgestaltet sein können.The invention also includes a battery system by means of which the method according to the invention can be carried out. In the manner described, the battery system has a plurality of battery cells in order to generate a battery voltage and a battery current at battery connections of the battery system, and the battery system has at least one testing device for performing a cell test on the battery cells. The battery cells are designed to be switchable in the manner described. The battery system according to the invention is set up in the manner described to carry out an embodiment of the method according to the invention, for which purpose a control device and the at least one examination device can be configured in the manner described.
Zu der Erfindung gehört schließlich auch ein Kraftfahrzeug, in welchem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems bereitgestellt ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder als Motorrad ausgestaltet sein. Es handelt sich insbesondere um eine Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Batteriesystem kann beispielsweise als sogenannte Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie ausgestaltet sein.Finally, the invention also includes a motor vehicle in which an embodiment of the battery system according to the invention is provided. The motor vehicle according to the invention can be designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or as a motorcycle. It is in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, as an electrically drivable motor vehicle. The battery system can be designed as a so-called high-voltage battery or traction battery, for example.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und -
2 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention; and -
2 a flowchart to illustrate an embodiment of the method according to the invention.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
In dem Elektrikteil
In dem Mechanikteil
Zum Steuern der elektrischen Komponenten
In dem Kraftfahrzeug
Es kann hierbei auch eine mechanische Randbedingung beispielsweise durch Ansteuern des Bremssystems
Eine andere mechanische Randbedingung kann z.B. durch Öffnen der Kupplung
Der Fahrantrieb
Jede Batteriezelle
Die Leistungselektronik
Die Leistungselektronik
Durch die Steuereinrichtung
Das Verfahren kann zumindest einen Messdurchlauf vorsehen, in dem jeweils für zumindest einen Parameterwert
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Denn eine nicht erkannte Änderung des zumindest einen Parameterwerts
Das Batteriesystem
Die Parameterwerte jeder einzelnen Batteriezelle
Parameteränderungen können somit im Betrieb gemessen werden. Dadurch kann die Regelung adaptiert werden, was die Regelgüte erhöht. Zusätzlich können bestehende und sich anbahnende Fehler erkannt werden. Durch die Anwendung der EIS auf den gesamten Fahrantrieb
Die Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist dabei unabhängig von der Anzahl der Batteriezellen
Die Vermessung des Batteriesystems kann wie folgt erfolgen: Durch Hinzuschalten einzelner zu vermessender Batteriezellen
Die Verbindung mehrerer Batteriezellen
Das Vermessung der Leistungselektronik kann somit wie folgt erfolgen: Sind keine Schaltelemente
Die Vermessung der elektrischen Maschine
Fehlerhafte Verbindungen könne wie folgt ermittelt werden: Da die EIS-Untersuchungseinrichtung vom Batteriesystem
Als Parameterwert
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Systemdiagnose in einem Fahrantrieb mittels EIS bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide a system diagnosis in a travel drive using EIS.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2014/0117938 A1 [0004]US 2014/0117938 A1 [0004]
- WO 2016/012922 A1 [0005]WO 2016/012922 A1 [0005]
- US 2003/0052689 A1 [0006]US 2003/0052689 A1 [0006]
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DE102021116579A1 (en) | 2021-06-28 | 2022-12-29 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Method for operating a charging system for a vehicle with a galvanically non-separated charging device |
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