DE102020005169A1 - Method for estimating a current distribution within an on-board electrical system of a motor vehicle using a battery management system and battery management system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Stromverteilung innerhalb eines elektrischen Bornetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei in dem elektrischen Bordnetz zumindest eine erste Batteriezelle und einer zur ersten Batteriezelle parallel verschaltete zweite Batteriezelle bereitgestellt werden, und wobei mittels eines mathematischen Modells einer elektronischen Recheneinrichtung des Batteriemanagementsystems auf Basis zumindest eines ersten charakterisierenden Parameters der ersten Batteriezelle und auf Basis zumindest eines zweiten charakterisierenden Parameters der zweiten Batteriezelle die Stromverteilung mittels der elektronischen Recheneinrichtung abgeschätzt wird, wobei im mathematischen Modell das elektrische Bordnetz in einem vereinfachten Ersatzschaltbild übergeführt wird und durch Bestimmen eines Stroms zu einem unendlichen Zeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern, durch Bestimmung eines Stroms zu einem Nullzeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern und durch Bestimmen einer Zeitkonstante in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern das Abschätzen der Stromverteilung mittels des mathematischen Modells durchgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem (12).The invention relates to a method for estimating a current distribution within an on-board electrical system of a motor vehicle, at least one first battery cell and one second battery cell connected in parallel to the first battery cell being provided in the on-board electrical system, and using a mathematical model of an electronic computing device of the battery management system on the basis at least one first characterizing parameter of the first battery cell and on the basis of at least one second characterizing parameter of the second battery cell, the current distribution is estimated by means of the electronic computing device, with the on-board electrical system being converted into a simplified equivalent circuit diagram in the mathematical model and by determining a current at an infinite point in time as a function of the at least two characterizing parameters, by determining a current at a zero instant as a function of of the at least two characterizing parameters and by determining a time constant as a function of the at least two characterizing parameters, the estimation of the current distribution is carried out using the mathematical model. The invention also relates to a battery management system (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Stromverteilung innerhalb eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Batteriemanagementsystems gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem.The invention relates to a method for estimating a current distribution within an on-board electrical system of a motor vehicle using a battery management system according to the preamble of
Elektrische Energiespeicher, welche auch als Batterien bezeichnet werden können, im Kraftfahrzeug enthalten insbesondere eine hohe Anzahl parallel und seriell geschalteter Batteriezellen, um den Energie- und Leistungsbedarf von Kraftfahrzeugen, insbesondere von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, zu decken. Aufgrund von Strom-/Ladungszustands- und Temperaturunterschieden zwischen den Batteriezellen, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können, die durch die Zellproduktion und Toleranzen des Batteriedesigns verursacht werden, ist die Leistung der Batterie auf die am stärksten belastete Zelle begrenzt. Um eine möglichst optimale Batterieleistung hinsichtlich Schnellladung, Rekuperation und Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu erreichen, muss die Stromverteilung innerhalb der parallel geschalteten Zellen an Bord abgeschätzt werden.Electrical energy stores, which can also be referred to as batteries, in motor vehicles contain in particular a large number of battery cells connected in parallel and in series in order to cover the energy and power requirements of motor vehicles, in particular of at least partially electrically operated motor vehicles. Due to current/state of charge and temperature differences between the battery cells, which can be configured as lithium-ion cells, for example, caused by cell production and battery design tolerances, the performance of the battery is limited to the most heavily loaded cell. In order to achieve the best possible battery performance in terms of rapid charging, recuperation and acceleration of the vehicle, the current distribution within the cells connected in parallel on board must be estimated.
In der wissenschaftlichen Veröffentlichung von A. Fill, S. Koch, K.P. Birke: „Analytical model of the current distribution of parallel-connected battery cells and strings“, Journal of Energy Storage 23 (2019), Seiten 37-43, ist insbesondere ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für das elektrische Bordnetz gezeigt.In the scientific publication by A. Fill, S. Koch, K.P. Birke: "Analytical model of the current distribution of parallel-connected battery cells and strings", Journal of Energy Storage 23 (2019), pages 37-43, a simplified equivalent circuit diagram for the on-board electrical system is shown in particular.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Batteriemanagementsystem zu schaffen, mittels welchen eine effiziente Abschätzung einer Stromverteilung innerhalb eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs realisiert werden kann.The object of the present invention is to provide a method and a battery management system by means of which an efficient estimation of a current distribution within an on-board electrical system of a motor vehicle can be implemented.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Batteriemanagementsystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method and by a battery management system according to the independent patent claims. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Stromverteilung innerhalb eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Batteriemanagementsystems, wobei in dem elektrischen Bordnetz zumindest eine erste Batteriezelle und eine zur ersten Batteriezelle parallel verschaltete zweite Batteriezelle bereitgestellt werden, und wobei mittels eines mathematischen Modells einer elektronischen Recheneinrichtung des Batteriemanagementsystems auf Basis zumindest eines ersten charakterisierenden Parameters der ersten Batteriezelle und auf Basis zumindest eines zweiten charakterisierenden Parameters der zweiten Batteriezelle die Stromverteilung mittels der elektronischen Recheneinrichtung abgeschätzt wird.One aspect of the invention relates to a method for estimating a current distribution within an electrical system of a motor vehicle using a battery management system, wherein in the electrical system at least a first battery cell and a second battery cell connected in parallel to the first battery cell are provided, and using a mathematical model of an electronic Computing device of the battery management system based on at least one first characterizing parameter of the first battery cell and on the basis of at least one second characterizing parameter of the second battery cell, the current distribution is estimated by means of the electronic computing device.
Es ist vorgesehen, dass im mathematischen Modell das elektrische Bordnetz in ein vereinfachtes Ersatzschaltbild übergeführt wird und durch Bestimmen eines Stroms zu einem unendlichen Zeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern, durch Bestimmung eines Stroms zu einem Nullzeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern und durch Bestimmen einer Zeitkonstante in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern das Abschätzen der Stromverteilung mittels des mathematischen Modells durchgeführt wird.It is provided that in the mathematical model the on-board electrical system is converted into a simplified equivalent circuit diagram and by determining a current at an infinite point in time as a function of the at least two characterizing parameters, by determining a current at a zero point in time as a function of the at least two characterizing parameters and by determining a time constant as a function of the at least two characterizing parameters, the current distribution is estimated using the mathematical model.
Dadurch ist ein effizienteres Abschätzen der Stromverteilung ermöglicht. Insbesondere kann mit geringem Rechenaufwand mittels der elektronischen Recheneinrichtung die entsprechende Stromverteilung bestimmt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass in Echtzeit insbesondere kraftfahrzeugintern die entsprechende Stromverteilung abgeschätzt werden kann. Insbesondere ist somit ein halbanalytisches mathematisches Modell zur Abschätzung der Stromverteilung offenbart, das mit geringem Parametrisierungs- und Rechenaufwand für eine Implementierung im Batteriemanagementsystem innerhalb des Kraftfahrzeugs realisiert werden kann.This enables a more efficient estimation of the current distribution. In particular, the corresponding current distribution can be determined with little computing effort using the electronic computing device. This makes it possible for the corresponding current distribution to be estimated in real time, in particular inside the motor vehicle. In particular, a semi-analytical mathematical model for estimating the current distribution is thus disclosed, which can be implemented with little parameterization and computing effort for implementation in the battery management system inside the motor vehicle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der Strom in der ersten Batteriezelle durch Subtraktion des Stroms von der zweiten Batteriezelle von dem Strom in dem elektrischen Bordnetz und umgekehrt bestimmt. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Strom in der zweiten Batteriezelle durch Subtraktion des Stroms von der ersten Batteriezelle von dem Strom in dem elektrischen Bordnetz durchgeführt wird. Somit kann aufwandsreduziert und effizient mit wenig Rechenaufwand die Stromverteilung innerhalb des elektrischen Bordnetzes realisiert werden.According to an advantageous embodiment, the current in the first battery cell is determined by subtracting the current from the second battery cell from the current in the vehicle electrical system and vice versa. In other words, it can be provided that the current in the second battery cell is carried out by subtracting the current from the first battery cell from the current in the vehicle electrical system. The current distribution within the on-board electrical system can thus be implemented with reduced effort and efficiently with little computing effort.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn ein erster Strom in der ersten Batteriezelle mittels der Formel:
Weiterhin vorteilhaft ist das Bestimmen eines ersten Stroms in der ersten Batteriezelle zu einem unendlichen Zeitpunkt mittels der Formel:
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Bestimmen eines ersten Stroms in der ersten Batteriezelle zu einem Nullzeitpunkt mittels der Formel:
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Bestimmen der Zeitkonstante mittels der Formel:
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht, dass vorgegeben wird, dass die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle jeweils durch einen seriellen Widerstand und einer Spannungsquelle beschrieben sind. Somit kann auf einfache Art und Weise das elektrische Bordnetz beschrieben werden, wobei rechenreduziert die Bestimmung der Stromverteilung durchgeführt werden kann.According to a further advantageous embodiment, the equivalent circuit diagram is simplified by specifying that the first battery cell and the second battery cell are each described by a series resistor and a voltage source. The on-board electrical system can thus be described in a simple manner, with the determination of the current distribution being able to be carried out with reduced computation.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht wird, dass vorgegeben wird, dass ein jeweiliger serieller Widerstand invariant ist. Mit anderen Worten ist der serielle Widerstand als konstant vorgegeben. Somit kann auf einfache Art und Weise und rechenreduziert die Bestimmung der Stromverteilung durchgeführt werden.Provision can furthermore be made for the equivalent circuit diagram to be simplified by specifying that a respective series resistance is invariant. In other words, the series resistance is set to be constant. The determination of the current distribution can thus be carried out in a simple manner and with reduced computation.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht wird, wenn vorgegeben wird, dass eine jeweilige Batteriezellenkapazität einer jeweiligen Batteriezelle invariant ist. Mit anderen Worten ist die jeweilige Batteriezellenkapazität als konstant vorgegeben. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise und rechenreduziert die Stromverteilung innerhalb des elektrischen Bordnetzes bestimmen.Furthermore, it has proven to be advantageous if the equivalent circuit diagram is simplified by specifying that a respective battery cell capacity of a respective battery cell is invariant. In other words, the respective battery cell capacity is specified as constant. As a result, the current distribution within the on-board electrical system can be determined in a simple manner and with reduced computation.
Bevorzugt kann ferner vorgesehen sein, dass auch vorgegeben wird, dass die Temperatur der jeweiligen Batteriezelle als konstant vorgegeben wird. Es wird insbesondere vorgegeben, dass die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle parallel zueinander verschaltet sind. Dadurch ist es ebenfalls ermöglicht, dass auf einfache Art und Weise und rechenreduziert die Stromverteilung innerhalb des elektrischen Bordnetzes bestimmt werden kann.It can preferably also be provided that it is also specified that the temperature of the respective battery cell is specified as constant. In particular, it is specified that the first battery cell and the second battery cell are connected in parallel to one another. This also makes it possible for the current distribution within the on-board electrical system to be determined in a simple manner and with reduced computing power.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei das Batteriemanagementsystem zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des Batteriemanagementsystems durchgeführt.A further aspect of the invention relates to a battery management system for a motor vehicle with at least one electronic computing device, the battery management system being designed to carry out a method according to the preceding aspect. In particular, the method is carried out using the battery management system.
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemanagementsystem nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist zumindest teilweise elektrisch betrieben. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug vollelektrisch betrieben.Yet another aspect of the invention relates to a motor vehicle with a battery management system according to the preceding aspect. The motor vehicle is at least partially electrically operated. In particular, the motor vehicle is operated fully electrically.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.
Dabei zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes mit einer Ausführungsform eines Batteriemanagementsystems; und -
2 ein schematisches Schaltbild zur Darstellung eines mathematischen Modells.
-
1 a schematic block diagram of an embodiment of an electrical system with an embodiment of a battery management system; and -
2 a schematic circuit diagram to represent a mathematical model.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures.
Bei einem Verfahren zum Abschätzen einer Stromverteilung 18 des elektrischen Bordnetzes 10 eines rein schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs 20 mittels des Batteriemanagementsystems 12 wird das elektrische Bordnetz 10 mit zumindest der ersten Batteriezelle 14 und der zur ersten Batteriezelle 14 parallel verschalteten zweiten Batteriezelle 16 bereitgestellt, und es wird mittels eines mathematischen Modells 22 einer elektronischen Recheneinrichtung 24 des Batteriemanagementsystems 12 auf Basis zumindest eines ersten charakterisierenden Parameters der ersten Batteriezelle 14 und auf Basis zumindest eines zweiten charakterisierenden Parameters der zweiten Batteriezelle 16 die Stromverteilung 18 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 24 abgeschätzt.In a method for estimating a current distribution 18 of the
Es ist vorgesehen, dass im mathematischen Modell 22 das elektrische Bordnetz 10 in einem vereinfachten Ersatzschaltbild, wie in
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass das Zählverhalten auf eine Ersatzschaltung übertragen wird, um die nicht-Linearität der Stromverteilung 18 und die Wechselwirkung der verschiedenen Zellparameter und -zustände zu demonstrieren. Zu diesem Zweck wurde insbesondere das Ersatzschaltbild mit zwei RC-Paaren verwendet. Auf Basis der Kirchhoffschen Maschengleichung können die jeweiligen Ströme I1, I2 mit den Polarisations- und Diffusionsüberpotentialen, den Serienwiderständen RSER sowie dem Batteriestrom Ibatt beschrieben werden. Dadurch dass die Zellströme in Interaktion mit der Stromverteilung 18 in Abhängigkeit der SOC-Veränderung (State of Charge) sind und ebenfalls in Abhängigkeit einer Zelltemperatur sind, entsteht ein nicht-lineares System von Gleichungen für die Stromverteilung 18.In particular, it is therefore provided that the counting behavior is transferred to an equivalent circuit in order to demonstrate the non-linearity of the current distribution 18 and the interaction of the various cell parameters and states. For this purpose, the equivalent circuit with two RC pairs was used in particular. Based on Kirchhoff's mesh equation, the respective currents I 1 , I 2 can be described with the polarization and diffusion overpotentials, the series resistances R SER and the battery current I batt . The fact that the cell currents interact with the current distribution 18 as a function of the SOC change (state of charge) and are also dependent on a cell temperature results in a non-linear system of equations for the current distribution 18.
Durch die Annahme, wie sie in
Es wird hierbei eine lineare Korrelation zwischen dem Wechsel der Spannungsquelle beim SOC mU,i einer jeden Zelle durchgeführt. Die Steigung und die Batteriespannung sind innerhalb jeden Zeitschrittes aktualisiert. Durch die Kombination der Diskretisierung und der analytischen Lösung wird mit diesem mathematischen Modell 22 eine genaue Simulation sowie ein geringer Rechenaufwand und geringer Speicherplatz benötigt. Der jeweilige Batteriezellenwiderstand RSER,i und die Kapazität Ci werden mit den erwarteten Werten des Zellwiderstands µR und der µc in Beziehung gesetzt. Aufgrund der vorher getätigten Annahmen reduziert sich die Gesamtdifferenz der Zellströme auf
Diese Gleichung kann durch die Separation der Variablen und einer entsprechenden Definition von Grenzen bestimmt werden. Bei balancierten Batteriezellen 14, 16 entspricht der Ladungszustand der ersten Batteriezelle 14 dem Ladungszustand der zweiten Batteriezelle bei einem Zeitpunkt t = 0. Dies führt zu der nachfolgenden Formel
Auf Basis der Grenzbedingungen der balancierten Zellen und der Kirchhoffschen Maschengleichung ergibt sich die Formel
Durch das Setzen der konstanten Integration und einer weiteren Transformation ergibt sich die
Die Stromverteilung 18 hat somit 3 signifikante Verteilungswerte, wodurch insbesondere der erste Strom λ∞ in der ersten Batteriezelle 14 zu einem unendlichen Zeitpunkt bestimmt wird:
Es kann dann die Parametrisierung des mathematischen Modells 22 mittels der Daten aus der DVA durchgeführt werden, wobei eine Anzahl von Kurven in Abhängigkeit einer Simulationsgenauigkeit und einer Speicherkapazität durchgeführt werden kann.The parameterization of the
Um das beschriebene halb-analytische Modell für eine kraftfahrzeuginterne Bewertung der Zellströme zu verwenden, sind die entsprechenden Berechnungsschritte des Algorithmus durchzuführen. Da die Überpotentiale bei der Strombelastung entstehen, wird die Berechnung von mu in einen zeitabhängigen und einen zeitunabhängigen Teil aufgeteilt, wobei dies abhängig von der Zeitkonstante τ der Polarisations- und Diffusionsprozess τRC und die Dauer t der aktuellen Belastung durchgeführt wird. Neben der fahrzeugseitigen Schätzung der Stromverteilung 18 bietet das mathematische Modell 22 eine Methode zur Schätzung der Zellströme aus den Spannungsdaten.
Initialisierung: k = 1
Berechnung: k ≥ 2
Initialization: k = 1
Calculation: k ≥ 2
Es ist somit ein semi-analytisches mathematisches Modell 22 zur aktuellen Stromverteilung 18 innerhalb parallel geschalteter Batteriezellen 14, 16 gezeigt. Aufgrund der analytischen Lösung kann die Stromverteilung 18 durch die drei charakteristischen Werte beschrieben werden. Hierbei wird der Rechen- und Parametrisierungsaufwand des mathematischen Modells 22 für das Batteriemanagementsystem 12 reduziert. Das mathematische Modell 22 ist insbesondere, wie in
Bezugszeichenlistereference list
- 1010
- Elektrisches BordnetzOn-board electrical system
- 1212
- Batteriemanagementsystembattery management system
- 1414
- Erste BatteriezelleFirst battery cell
- 1616
- Zweite BatteriezelleSecond battery cell
- 1818
- Stromverteilungpower distribution
- 2020
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 2222
- Mathematisches ModellMathematical Model
- 2424
- Elektronische Recheneinrichtungelectronic computing device
- 2626
- Erste KurveFirst curve
- 2828
- Zweite KurveSecond curve
- 3030
- Dritte KurveThird curve
- 3232
- Vierte KurveFourth curve
- 3434
- Fünfte KurveFifth curve
- 3535
- Kreuzungspunktcrossing point
- IbattIbatt
- Stromcurrent
- I1I1
- Erster StromFirst stream
- I2I2
- Zweiter Stromsecond stream
- USC,1USC,1
- Erster SpannungsquelleFirst voltage source
- USC,2USC,2
- Zweite SpannungsquelleSecond power source
- RSER,1RSER,1
- Erster serieller WiderstandFirst serial resistor
- RSER,2RSER,2
- Zweiter serieller WiderstandSecond serial resistor
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Date | Code | Title | Description |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MERCEDES-BENZ GROUP AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE |