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 patent claim 1. The invention also relates to a battery management system.

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: I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]

Figure DE102020005169A1_0001
bestimmt wird, wobei xRi einem jeweiligen Batteriezellewiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellenwiderstand, xCi einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einer jeweilig erwarteten Batteriezellenkapazität, f einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen, Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetz, t einem Zeitpunkt und τ der Zeitkonstante entsprechen. Insbesondere kann mittels der Formel vereinfacht die Stromverteilung innerhalb des elektrischen Bordnetzes bestimmt werden.It is also advantageous if a first current in the first battery cell using the formula: I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]
Figure DE102020005169A1_0001
is determined, where x Ri a respective battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance, x Ci a battery cell capacity in relation to a respective expected battery cell capacity, f a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells, I batt the current in the electrical system, t a point in time and τ correspond to the time constant. In particular, the current distribution within the on-board electrical system can be determined in a simplified manner using the formula.

Weiterhin vorteilhaft ist das Bestimmen eines ersten Stroms in der ersten Batteriezelle zu einem unendlichen Zeitpunkt mittels der Formel: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t

Figure DE102020005169A1_0002
durchgeführt wird, wobei xCi einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einer jeweilig erwarteten Batteriezellenkapazität, ξ einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen und Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetzentsprechen.It is also advantageous to determine a first current in the first battery cell at an infinite point in time using the formula: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0002
is carried out, where x Ci corresponds to a battery cell capacity in relation to a respectively expected battery cell capacity, ξ to a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells and I batt to the current in the vehicle electrical system.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Bestimmen eines ersten Stroms in der ersten Batteriezelle zu einem Nullzeitpunkt mittels der Formel: λ 0 = I 1 = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t

Figure DE102020005169A1_0003
durchgeführt wird, wobei xRi einem jeweiligen Batteriezellenwiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellenwiderstand und Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetz entsprechen. Somit kann aufwandsreduziert und insbesondere kraftfahrzeugintern die Stromverteilung bestimmt werden.In a further advantageous embodiment, a first current in the first battery cell is determined at a zero point in time using the formula: λ 0 = I 1 = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0003
is carried out, where x Ri corresponds to a respective battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance and I batt corresponds to the current in the vehicle electrical system. In this way, the effort can be reduced and, in particular, the current distribution can be determined inside the motor vehicle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Bestimmen der Zeitkonstante mittels der Formel: τ = ( x R 1 + x R 2 ) μ R μ C x C 1 x C 2 m U ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )

Figure DE102020005169A1_0004
durchgeführt, wobei xRi einem Batteriezellenwiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellenwiderstand, xCi einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einer jeweilig erwarteten Batteriezellenkapazität, ξ einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen, mU,2 der Spannungssteilheit der zweiten Batteriezelle, µR dem erwarteten Batteriezellenwiderstand und µc der erwarteten Batteriezellenkapazität entsprechen.In a further advantageous embodiment, the time constant is determined using the formula: τ = ( x R 1 + x R 2 ) µ R µ C x C 1 x C 2 m u ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0004
carried out, where x Ri a battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance, x Ci a battery cell capacity in relation to a respective expected battery cell capacity, ξ a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells, m U,2 the voltage gradient of the second battery cell, µ R the expected Battery cell resistance and µ c correspond to the expected battery cell capacity.

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.
show:
  • 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.

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes 10. Das elektrische Bordnetz 10 weist ein Batteriemanagementsystem 12 auf. Ferner weist das elektrische Bordnetz 10 eine erste Batteriezelle 14 sowie eine zweite Batteriezelle 16 auf. Die erste Batteriezelle 14 und die zweite Batteriezelle 16 sind parallel miteinander verschaltet. Insbesondere ist somit ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für das elektrische Bordnetz 10 dargestellt. Das vereinfachte Ersatzschaltbild geht insbesondere davon aus, dass eine jeweilige Batteriezelle 14, 16 mittels einer Spannungsquelle Usc und einem seriellen Widerstand RSER beschrieben werden kann. Insbesondere weist somit die erste Batteriezelle 14 eine erste Spannungsquelle USC1 und einen ersten seriellen Widerstand RSER1 auf. Die zweite Batteriezelle 16 weist eine zweite Spannungsquelle USC2 sowie einen zweiten seriellen Widerstand RSER2 auf. Innerhalb der ersten Batteriezelle 14 fließt ein erster Strom I1, und innerhalb der zweiten Batteriezelle 16 fließt ein zweiter Strom I2. Das gesamte elektrische Bordnetz weist einen Strom von Ibatt auf. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of an electrical system 10. The electrical system 10 has a battery management system 12 on. Furthermore, the on-board electrical system 10 has a first battery cell 14 and a second battery cell 16 . The first battery cell 14 and the second battery cell 16 are connected to one another in parallel. In particular, a simplified equivalent circuit diagram for the on-board electrical system 10 is thus shown. The simplified equivalent circuit diagram assumes in particular that a respective battery cell 14, 16 can be described by means of a voltage source Usc and a serial resistor R SER . In particular, therefore, the first battery cell 14 has a first voltage source U SC1 and a first serial resistor R SER1 . The second battery cell 16 has a second voltage source U SC2 and a second series resistor R SER2 . A first current I 1 flows within the first battery cell 14 and a second current I 2 flows within the second battery cell 16 . The entire vehicle electrical system has a current of I batt .

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 electrical system 10 of a motor vehicle 20, shown purely schematically, using the battery management system 12, the electrical system 10 is provided with at least the first battery cell 14 and the second battery cell 16 connected in parallel to the first battery cell 14, and it is a mathematical model 22 of an electronic computing device 24 of the battery management system 12 based on at least one first characterizing parameter of the first battery cell 14 and based on at least one second characterizing parameter of the second battery cell 16, the current distribution 18 is estimated by means of the electronic computing device 24.

Es ist vorgesehen, dass im mathematischen Modell 22 das elektrische Bordnetz 10 in einem vereinfachten Ersatzschaltbild, wie in 1 dargestellt, übergeführt wird, und durch Bestimmen eines Stroms λ zu einem unendlich Zeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern, durch Bestimmung eines Stroms λ0 zu einem Nullzeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern und durch Bestimmung einer Zeitkonstante τ in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern das Abschätzen der Stromverteilung 18 mittels des mathematischen Modells 22 durchgeführt wird.Provision is made for the on-board electrical system 10 to be represented in the mathematical model 22 in a simplified equivalent circuit diagram, as in 1 shown, is converted, and by determining a current λ at an infinite point in time as a function of the at least two characterizing parameters, by determining a current λ 0 at a zero point in time as a function of the at least two characterizing parameters and by determining a time constant τ as a function the estimation of the current distribution 18 is carried out by means of the mathematical model 22 from the at least two characterizing parameters.

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 1 dargestellt ist, dass das Zellverhalten einer Batteriezelle 14, 16 auf die Spannungsquelle Usc und auf den seriellen Widerstand RSER beschränkt ist, kann dies vereinfacht werden. Ferner wird insbesondere angenommen, dass sich die Batteriezellen 14, 16 in einem parallel verschalteten Zustand befinden. Es wird insbesondere vorgegeben, dass die seriellen Widerstände RSER invariant sind und somit konstant. Ferner wird insbesondere vorgegeben, dass die Batteriezellenkapazitäten C ebenfalls invariant und konstant sind. Des Weiteren wird von einer konstanten Zelltemperatur ausgegangen. Somit ergibt sich das vereinfachte Ersatzschaltbild, wie dies in 1 dargestellt ist. Ferner wird vorgegeben, dass innerhalb jedes Zeitschütz Δt die folgenden Formeln gelten: I b a t t = k o n s t a n t ; δ U S C , i δ S O C i m U , i = k o n s t a n t

Figure DE102020005169A1_0005
By assuming as in 1 shown that the cell behavior of a battery cell 14, 16 is limited to the voltage source Usc and the serial resistance R SER , this can be simplified. Furthermore, it is assumed in particular that the battery cells 14, 16 are in a parallel-connected state. In particular, it is specified that the series resistances R SER are invariant and therefore constant. Furthermore, it is specified in particular that the battery cell capacities C are likewise invariant and constant. Furthermore, a constant cell temperature is assumed. This results in the simplified equivalent circuit diagram, as shown in 1 is shown. Furthermore, it is specified that the following formulas apply within each time contactor Δt: I b a t t = k O n s t a n t ; δ u S C , i δ S O C i m u , i = k O n s t a n t
Figure DE102020005169A1_0005

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 x R i = R S E R , i μ R , x C i = C i μ C

Figure DE102020005169A1_0006
d I 1 d t = 1 μ R ( x R 1 + x R 2 ) d Δ 2 1 U S C d t , d I 2 d t = d I 1 d t
Figure DE102020005169A1_0007
unter der Annahme der abgeleiteten Zeit eines jeden Ladungszustands (SOC) einer jeden Zelle ergibt sich d S O C 1 d t = 1 x C 1 μ C I 1 , d δ S O C 2 d t = 1 x C 2 μ C I 2
Figure DE102020005169A1_0008
wobei die Zeitableitung von Usc mittels der Formel d U S C ,1 d t = m U ,1 x C 1 μ C I 1 , d U S C ,2 d t = m U ,2 x C 2 μ C I 2 ,
Figure DE102020005169A1_0009
bestimmt werden kann, wobei hier eine individuelle Spannungssteilheit mit mU,1 und mU,2 einer jeden Zelle bereitgestellt ist. Die Abweichung einer jeweiligen Spannungsquellendifferenz ist mit den Formeln d Δ 2 1 U S C d t = m U ,2 x C 2 μ C x C 1 [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ] ξ = m U ,1 m U ,2
Figure DE102020005169A1_0010
bestimmt. Dadurch kann das lineare Differential für die Zellspannungen bestimmt werden: d I 1 d t = m U ,2 μ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 μ C x C 1 [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ]
Figure DE102020005169A1_0011
In this case, a linear correlation is carried out between the change in the voltage source at the SOC m U,i of each cell. The slope and the battery voltage are updated within each time step. With this mathematical model 22, the combination of the discretization and the analytical solution requires an exact simulation as well as little computation effort and little storage space. The respective battery cell resistance R SER,i and the capacity C i are related to the expected values of the cell resistance μ R and μ c . Due to the assumptions made previously, the total difference in cell currents is reduced to x R i = R S E R , i µ R , x C i = C i µ C
Figure DE102020005169A1_0006
i.e I 1 i.e t = 1 µ R ( x R 1 + x R 2 ) i.e Δ 2 1 u S C i.e t , i.e I 2 i.e t = i.e I 1 i.e t
Figure DE102020005169A1_0007
assuming the derived time of each state of charge (SOC) of each cell i.e S O C 1 i.e t = 1 x C 1 µ C I 1 , i.e δ S O C 2 i.e t = 1 x C 2 µ C I 2
Figure DE102020005169A1_0008
where the time derivative of Usc is given by the formula i.e u S C ,1 i.e t = m u ,1 x C 1 µ C I 1 , i.e u S C ,2 i.e t = m u ,2 x C 2 µ C I 2 ,
Figure DE102020005169A1_0009
can be determined, with an individual voltage rate of rise with m U,1 and m U,2 being provided for each cell. The deviation of a respective voltage source difference is with the formulas i.e Δ 2 1 u S C i.e t = m u ,2 x C 2 µ C x C 1 [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ] ξ = m u ,1 m u ,2
Figure DE102020005169A1_0010
certainly. This allows the linear differential for the cell voltages to be determined: i.e I 1 i.e t = m u ,2 µ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 µ C x C 1 [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ]
Figure DE102020005169A1_0011

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 [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ] d I 1 = m U ,2 μ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 μ C x C 1 d t

Figure DE102020005169A1_0012
welche teilweise integriert werden kann, so dass die nachfolgende Formel: 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) ln x C 1 I b a t t I 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) = m U ,2 μ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 μ C x C 1 t + C 0
Figure DE102020005169A1_0013
formuliert werden kann, wobei C0 als konstant integriert ist. Die Formel kann dann weiterhin transformiert werden zu: x C 1 I b a t t I 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) = C 0 ˜ e m U ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 ) μ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 μ C x C 1 t
Figure DE102020005169A1_0014
This equation can be determined by separating the variables and defining limits accordingly. With balanced battery cells 14, 16, the state of charge of the first battery cell 14 corresponds to the state of charge of the second battery cell at a point in time t=0. This leads to the following formula [ x C 1 I b a t t ( x C 1 + ξ x C 2 ) I 1 ] i.e I 1 = m u ,2 µ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 µ C x C 1 i.e t
Figure DE102020005169A1_0012
which can be partially integrated so that the following formula: 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) ln x C 1 I b a t t I 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) = m u ,2 µ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 µ C x C 1 t + C 0
Figure DE102020005169A1_0013
can be formulated with C 0 integrated as a constant. The formula can then be further transformed to: x C 1 I b a t t I 1 ( x C 1 + ξ x C 2 ) = C 0 ˜ e m u ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 ) µ R ( x R 1 + x R 2 ) x C 2 µ C x C 1 t
Figure DE102020005169A1_0014

Auf Basis der Grenzbedingungen der balancierten Zellen und der Kirchhoffschen Maschengleichung ergibt sich die Formel I 1 ( t = 0 ) = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t

Figure DE102020005169A1_0015
wobei dann die Integrationskonstante bestimmt werden kann, und es ergibt sich die Formel C 0 ˜ = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t + x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0016
The formula is based on the boundary conditions of the balanced cells and Kirchhoff's mesh equation I 1 ( t = 0 ) = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0015
where the constant of integration can then be determined, and the formula results C 0 ˜ = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t + x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0016

Durch das Setzen der konstanten Integration und einer weiteren Transformation ergibt sich die I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]

Figure DE102020005169A1_0017
was wiederum in der Stromverteilung 18 resultiert.By setting the constant integration and a further transformation, the I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]
Figure DE102020005169A1_0017
which in turn results in the current distribution 18 .

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: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t

Figure DE102020005169A1_0018
mit dem ersten Strom λ0 in der ersten Batteriezelle 14 zu dem Nullzeitpunkt: λ 0 = I 1 = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0019
und der Zeitkonstante τ: τ = ( x R 1 + x R 2 ) μ R μ C x C 1 x C 2 m U ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0020
gebildet ist.The current distribution 18 thus has 3 significant distribution values, as a result of which the first current λ in the first battery cell 14 is determined at an infinite point in time: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0018
with the first current λ 0 in the first battery cell 14 at the zero time: λ 0 = I 1 = x R 2 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0019
and the time constant τ: τ = ( x R 1 + x R 2 ) µ R µ C x C 1 x C 2 m u ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0020
is formed.

2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Abschätzung der Stromverteilung 18. Insbesondere sind zwei Diagramme gezeigt. In dem oberen Diagramm ist eine Entladekurve und in dem unteren Diagramm eine Ladekurve gezeigt. Auf der Ordinate ist insbesondere der Strom I aufgetragen und auf der Abszisse ist der Ladedurchfluss in Colomb durch Ampere-Stunden aufgetragen. Ferner ist auch das Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten ξ auf der Ordinate aufgetragen. Die 2 zeigt insbesondere eine erste Kurve 26, welche einer tatsächlich gemessenen Kurve des ersten Stroms I1 entspricht. Eine zweite Kurve 28 entspricht insbesondere dem simulierten ersten Strom I1. Eine dritte Kurve 30 entspricht insbesondere einem gemessenen Strom I2. Eine vierte Kurve 32 entspricht dem simulierten zweiten Strom I2. Ferner sind in einer fünften Kurve 34 jeweils die Spannungssteilheiten f gezeigt. Zum Bestimmen einer Auswirkung einer Leerlaufspannung (OCV) und eines Überpotenzials auf mu bietet sich eine differentielle Spannungsanalyse (DVA) an, und das Entladen bei unterschiedlichen C-Werten wird durchgeführt. D V A = Δ U Δ S O C

Figure DE102020005169A1_0021
2 12 shows a schematic diagram for estimating the current distribution 18. In particular, two diagrams are shown. A discharging curve is shown in the upper diagram and a charging curve is shown in the lower diagram. In particular, the current I is plotted on the ordinate and the charging flow in Colombs per ampere-hour is plotted on the abscissa. Furthermore, the ratio of the respective voltage gradients ξ is also plotted on the ordinate. the 2 12 shows in particular a first curve 26 which corresponds to an actually measured curve of the first current I 1 . A second curve 28 corresponds in particular to the simulated first current I 1 . A third curve 30 corresponds in particular to a measured current I 2 . A fourth curve 32 corresponds to the simulated second current I 2 . Furthermore, the voltage gradients f are shown in each case in a fifth curve 34 . To determine an effect of an open circuit voltage (OCV) and an overpotential on mu, a differential voltage analysis (DVA) is useful and discharging at different C values is performed. D V A = Δ u Δ S O C
Figure DE102020005169A1_0021

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 mathematical model 22 can then be carried out using the data from the DVA, with a number of curves being able to be carried out depending on a simulation accuracy and a memory capacity.

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 t 1 = 0

Figure DE102020005169A1_0022
S O C 1,1 = S O C 2,1 = S O C 0
Figure DE102020005169A1_0023
Δ 2 1 U S C ,1 = 0
Figure DE102020005169A1_0024
m U ,1 = m U ,0
Figure DE102020005169A1_0025
I 1,1 = x R 1 x R 1 + x R 2 I b a t t ,1 , I 2,1 = I b a t t ,1 I 1,1
Figure DE102020005169A1_0026

Berechnung: k ≥ 2 t k = t k 1 + Δ t S O C 1, k = S O C 1, k 1 I 1, k 1 Δ t μ C x C 1 , S O C 2, k = S O C 2, k 1 I 2, k 1 Δ t μ C x C 2
Figure DE102020005169A1_0027
Δ 2 1 U S C , k = I 1, k 1 μ R ( x R 1 + x R 2 ) I b a t t , k x R 2 μ R
Figure DE102020005169A1_0028
m U , i , k * = D V A ( S O C , I b a t t )
Figure DE102020005169A1_0029
m U , i , k = { m U , i , k * , w e n n t k > 5 τ R C ( m U , i , k 1 m U , i , k * ) e Δ t τ R C + m U , i , k * ,
Figure DE102020005169A1_0030
oder ξ k = m U ,1, k m U ,2, k
Figure DE102020005169A1_0031
λ 0, k = Δ 2 1 U k μ R ( x R 1 + x R 2 ) + x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t , k
Figure DE102020005169A1_0032
λ , k = x C 1 x C 1 + ξ k x C 2 I b a t t , k
Figure DE102020005169A1_0033
τ k = ( x R 1 + x R 2 ) μ R μ C x C 1 x C 2 m U ,2, k ( x C 1 + ξ k x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0034
I 1, k = ( λ 0, k λ , k ) e Δ t τ R C + λ , k
Figure DE102020005169A1_0035
I 2, k = I b a t t , k I 1, k
Figure DE102020005169A1_0036
In order to use the semi-analytical model described for an in-vehicle evaluation of the cell currents, the corresponding calculation steps of the algorithm must be carried out. Since the overpotentials arise during the current load, the calculation of mu is divided into a time-dependent and a time-independent part, whereby this is carried out depending on the time constant τ of the polarization and diffusion process τ RC and the duration t of the current load. In addition to estimating the current distribution 18 on the vehicle side, the mathematical model 22 offers a method for estimating the cell currents from the voltage data.
Initialization: k = 1 t 1 = 0
Figure DE102020005169A1_0022
S O C 1.1 = S O C 2.1 = S O C 0
Figure DE102020005169A1_0023
Δ 2 1 u S C ,1 = 0
Figure DE102020005169A1_0024
m u ,1 = m u ,0
Figure DE102020005169A1_0025
I 1.1 = x R 1 x R 1 + x R 2 I b a t t ,1 , I 2.1 = I b a t t ,1 I 1.1
Figure DE102020005169A1_0026

Calculation: k ≥ 2 t k = t k 1 + Δ t S O C 1, k = S O C 1, k 1 I 1, k 1 Δ t µ C x C 1 , S O C 2, k = S O C 2, k 1 I 2, k 1 Δ t µ C x C 2
Figure DE102020005169A1_0027
Δ 2 1 u S C , k = I 1, k 1 µ R ( x R 1 + x R 2 ) I b a t t , k x R 2 µ R
Figure DE102020005169A1_0028
m u , i , k * = D V A ( S O C , I b a t t )
Figure DE102020005169A1_0029
m u , i , k = { m u , i , k * , w e n n t k > 5 τ R C ( m u , i , k 1 m u , i , k * ) e Δ t τ R C + m u , i , k * ,
Figure DE102020005169A1_0030
or ξ k = m u ,1, k m u ,2, k
Figure DE102020005169A1_0031
λ 0, k = Δ 2 1 u k µ R ( x R 1 + x R 2 ) + x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t , k
Figure DE102020005169A1_0032
λ , k = x C 1 x C 1 + ξ k x C 2 I b a t t , k
Figure DE102020005169A1_0033
τ k = ( x R 1 + x R 2 ) µ R µ C x C 1 x C 2 m u ,2, k ( x C 1 + ξ k x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0034
I 1, k = ( λ 0, k λ , k ) e Δ t τ R C + λ , k
Figure DE102020005169A1_0035
I 2, k = I b a t t , k I 1, k
Figure DE102020005169A1_0036

2 zeigt insbesondere die Ergebnisse einer vollständigen Entladung und Ladung von den zwei parallel geschalteten Batteriezellen 14, 16, wobei diese insbesondere vorliegend als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Es ist gezeigt, dass die simulierten Ströme die tatsächlichen Messergebnisse gut nachbilden. Diese Genauigkeit ist ausreichend, um kraftfahrzeugintern die entsprechende Stromverteilung 18 prüfen zu können, wobei dies insbesondere, wie gezeigt, sehr recheneffizient durchgeführt werden kann. Insbesondere ist der Rechen- und Parametrisierungsaufwand reduziert. Ein charakteristischer Kreuzungspunkt 36 der Zellströme I1, ergibt sich nach dem Minimum der DVA für die Entladung. Aufgrund der Erhöhung der DVA übersteigt anschließend f den Wert 1. Basierend auf dem charakteristischen Wert des Zellstroms λ wird die Kapazität von der zweiten Batteriezelle 16 C2 mit ξ gewichtet. Daher ist die Bedingung f = 1 ein Kipppunkt der Stromverteilung 18. Dieser Einfluss ist ebenfalls in der Figur dargestellt, wobei f = 1 kurz vor dem Kreuzen der Zellströme erreicht wird, was in der Abbildung durch den entsprechenden Punkt 36 dargestellt ist. Derselbe Effekt von ξ bewirkt einen Stromdurchgang während des Ladens. Darüber hinaus beeinflusst die Korrelation der Zeitkonstante τ mit der Steilheit mU die Stromverteilung 18, was zu einer schnellen Konvergenz der Zellströme zum Beginn der Ladung führt. 2 shows in particular the results of a complete discharge and charge of the two battery cells 14, 16 connected in parallel, these being in particular in the form of lithium-ion cells. It is shown that the simulated currents closely match the actual measurement results. This accuracy is sufficient to be able to check the corresponding current distribution 18 inside the motor vehicle, and this can be carried out in a very computationally efficient manner, as shown. In particular, the computing and parameterization effort is reduced. A characteristic crossing point 36 of the cell currents I 1 results after the minimum of the DVA for the discharge. Because of the increase in the DVA, f then exceeds the value 1. Based on the characteristic value of the cell current λ∞ , the capacity of the second battery cell 16 C 2 is weighted with ξ. Hence the condition f=1 is a tipping point of the current distribution 18. This influence is also shown in the figure, where f=1 is reached just before the crossing of the cell currents, which is represented by the corresponding point 36 in the figure. The same effect of ξ causes current passage during charging. In addition, the correlation of the time constant τ with the slope m U affects the current distribution 18, which leads to rapid convergence of the cell currents at the beginning of charging.

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 2 gezeigt, entsprechend validiert.A semi-analytical mathematical model 22 for the current current distribution 18 within battery cells 14, 16 connected in parallel is thus shown. Due to the analytical solution, the current distribution 18 can be described by the three characteristic values. In this case, the computing and parameterization effort of the mathematical model 22 for the battery management system 12 is reduced. The mathematical model 22 is in particular, as in 2 shown, validated accordingly.

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

Claims (10)

Verfahren zum Abschätzen einer Stromverteilung (18) innerhalb eines elektrischen Bornetzes (10) eines Kraftfahrzeugs (20) mittels eines Batteriemanagementsystems (12), wobei in dem elektrischen Bordnetz (10) zumindest eine erste Batteriezelle (14) und eine zur ersten Batteriezelle (14) parallel verschaltete zweite Batteriezelle (16) bereitgestellt werden, und wobei 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 wird, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen Modell (22) das elektrische Bordnetz (10) in einem vereinfachten Ersatzschaltbild übergeführt wird und durch Bestimmen eines Stroms (λ) zu einem unendlichen Zeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern, durch Bestimmung eines Stroms (λ0) zu einem Nullzeitpunkt in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern und durch Bestimmen einer Zeitkonstante (τ) in Abhängigkeit von den zumindest zwei charakterisierenden Parametern das Abschätzen der Stromverteilung (18) mittels des mathematischen Modells (22) durchgeführt wird.Method for estimating a current distribution (18) within an on-board electrical system (10) of a motor vehicle (20) using a battery management system (12), wherein in the on-board electrical system (10) at least one first battery cell (14) and one for the first battery cell (14) second battery cell (16) connected in parallel are provided, and using a mathematical model (22) of an electronic computing device (24) of the battery management system (12) on the basis of at least one first characterizing parameter of the first battery cell (14) and on the basis of at least a second characterizing parameter Parameters of the second battery cell (16), the current distribution (18) is estimated by means of the electronic computing device (24), characterized in that in the mathematical model (22) the electrical system (10) is converted into a simplified equivalent circuit diagram and by determining a current ( λ ) at an infinite point in time in Dep Dependence on the at least two characterizing parameters, by determining a current (λ 0 ) at a zero point in time depending on the at least two characterizing parameters and by determining a time constant (τ) depending on the at least two characterizing parameters, estimating the current distribution (18) is carried out by means of the mathematical model (22). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strom (I1) in der ersten Batteriezelle (14) durch Subtraktion des Stroms (I2)von der zweiten Batteriezelle (16) von dem Strom (Ibatt) in dem elektrischen Bordnetz (10) und umgekehrt bestimmt wird.procedure after claim 1 , characterized in that a first current (I 1 ) in the first battery cell (14) by subtracting the current (I 2 ) from the second battery cell (16) from the current (I batt ) in the electrical system (10) and vice versa is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strom (I1) in der ersten Batteriezelle (14) mittels der Formel: I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]
Figure DE102020005169A1_0037
bestimmt wird, wobei xRi einem jeweiligen Batteriezellwiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellwiderstand, xCi einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einer jeweilig erwarten Batteriezellenkapazität, f einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen (14, 16), Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetz (10), t einem Zeitpunkt und τ der Zeitkonstante entsprechen.
procedure after claim 1 or 2 , characterized in that a first current (I 1 ) in the first battery cell (14) using the formula: I 1 ( t ) = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t [ ( x R 2 x R 1 + x R 2 x C 1 + ξ x C 2 x C 1 1 ) e t τ + 1 ]
Figure DE102020005169A1_0037
is determined, where x R i a respective battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance, x C i a battery cell capacity in relation to a respectively expected battery cell capacity, f a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells (14, 16), I batt correspond to the current in the vehicle electrical system (10), t correspond to a point in time and τ to the time constant.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen eines ersten Stroms (λ) in der ersten Batteriezelle (14) zu einem unendlichen Zeitpunkt mittels der Formel: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0038
durchgeführt wird, wobei xCi einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einem jeweilig erwarten Batteriezellenkapazität, ξ einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen (14, 16) und Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetz (10) entsprechen.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of a first current (λ ) in the first battery cell (14) at an infinite time using the formula: λ = I 1 = x C 1 x C 1 + ξ x C 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0038
is performed, where x C i a battery cell capacity in relation to a respectively expected battery cell capacity, ξ a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells (14, 16) and I batt correspond to the current in the vehicle electrical system (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen eines ersten Stroms (λ0) in der ersten Batteriezelle (14) zu einem Nullzeitpunkt mittels der Formel: λ 0 = I 1 = x R 1 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0039
durchgeführt wird, wobei xRi einem jeweiligen Batteriezellwiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellwiderstand und Ibatt dem Strom im elektrischen Bordnetz (10) entsprechen.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of a first current (λ 0 ) in the first battery cell (14) at a zero point in time using the formula: λ 0 = I 1 = x R 1 x R 1 + x R 2 I b a t t
Figure DE102020005169A1_0039
is performed, where x R i a respective battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance and I batt correspond to the current in the vehicle electrical system (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Zeitkonstante (τ) mittels der Formel: τ = ( x R 1 + x R 2 ) μ R μ C x C 1 x C 2 m U ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0040
durchgeführt wird, wobei xRi einem jeweiligen Batteriezellwiderstand im Verhältnis zu einem jeweiligen erwarteten Batteriezellwiderstand, xci einer Batteriezellenkapazität im Verhältnis zu einer jeweilig erwarten Batteriezellenkapazität, f einem Verhältnis der jeweiligen Spannungssteilheiten der Batteriezellen (14, 16), mU,2 der Spannungssteilheit der zweiten Batteriezelle (16), µR dem erwarteten Batteriezellenwiderstand und µc der erwarteten Batteriezellenkapazität entsprechen.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the time constant (τ) by means of the formula: τ = ( x R 1 + x R 2 ) µ R µ C x C 1 x C 2 m u ,2 ( x C 1 + ξ x C 2 )
Figure DE102020005169A1_0040
is performed, where x R i a respective battery cell resistance in relation to a respective expected battery cell resistance, x c i a battery cell capacity in relation to a respectively expected battery cell capacity, f a ratio of the respective voltage gradients of the battery cells (14, 16), m U,2 the voltage gradient of the second battery cell (16), µ R the expected battery cell resistance and µ c the expected battery cell capacity.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht wird, dass vorgegeben wird, dass die erste Batteriezelle (14) und die zweite Batteriezelle (16) jeweils durch einen seriellen Widerstand (Rser) und einer Spannungsquelle (Usc)beschrieben sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the equivalent circuit diagram is simplified by specifying that the first battery cell (14) and the second battery cell (16) are each replaced by a series resistor (R ser ) and a voltage source (Usc) are described. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht wird, dass vorgegeben wird, dass ein jeweiliger serieller Widerstand (Rser) invariant ist.procedure after claim 7 , characterized in that the equivalent circuit diagram is simplified by specifying that a respective serial resistance (R ser ) is invariant. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltbild dadurch vereinfacht wird, dass vorgegeben wird, dass eine jeweilige Batteriezellenkapazität einer jeweiligen Batteriezelle (14, 16) invariant ist.procedure after claim 7 or 8th , characterized in that the equivalent circuit diagram is simplified by specifying that a respective battery cell capacity of a respective battery cell (14, 16) is invariant. Batteriemanagementsystem (12) für ein Kraftfahrzeug (20), mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung (24), wobei das Batteriemanagementsystem (12) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.Battery management system (12) for a motor vehicle (20), with at least one electronic computing device (24), wherein the battery management system (12) for performing a method according to one of Claims 1 until 9 is trained.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114624603A (en) * 2022-03-15 2022-06-14 哈尔滨工业大学(威海) Battery system branch current estimation method based on machine learning

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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