DE102020109210A1 - Method for determining a capacity of battery cells, capacity determining device and motor vehicle with a capacity determining device - Google Patents

Method for determining a capacity of battery cells, capacity determining device and motor vehicle with a capacity determining device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsermittlungsvorrichtung (14) und ein Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität von Batteriezellen (16, 17, 18, 19) einer Fahrzeugbatterie (12). Das Verfahren umfasst ein Starten (S10) eines Ausgleichverfahrens der Fahrzeugbatterie (12), wobei eine Startzeit und ein Ladezustandsparameter (20, 21, 22, 23) für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) zur Startzeit bestimmt wird, und ein Feststellen (S12) einer Beendigung des Ausgleichverfahrens, wobei eine Beendigungszeit und der Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) zur Beendigungszeit bestimmt wird. Anschließend wird ein Entladestrom in Abhängigkeit der Ladezustandsparameter durch ein Batteriezellenmodell bestimmt (S14). Schließlich wird eine Ausgleichdauer für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) aus der Startzeit und der jeweiligen Beendigungszeit bestimmt (S16) und es wird die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle (16, 17, 18, 19) mittels einer jeweiligen Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, des jeweiligen Entladestroms und der jeweiligen Ausgleichdauer ermittelt (S18).The invention relates to a capacity determining device (14) and a method for determining a capacity of battery cells (16, 17, 18, 19) of a vehicle battery (12). The method comprises starting (S10) a compensation method for the vehicle battery (12), a start time and a state of charge parameter (20, 21, 22, 23) being determined for each battery cell (16, 17, 18, 19) at the start time, and a Establishing (S12) a termination of the equalization process, a termination time and the state of charge parameter being determined for each battery cell (16, 17, 18, 19) at the termination time. A discharge current is then determined as a function of the state of charge parameters using a battery cell model (S14). Finally, a compensation period for each battery cell (16, 17, 18, 19) is determined from the start time and the respective end time (S16) and the capacity of the respective battery cell (16, 17, 18, 19) is determined by means of a respective difference in the state of charge parameters determined for the start and end time, the respective discharge current and the respective equalization period (S18).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität von Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie, eine Kapazitätsermittlungsvorrichtung zur Ermittlung einer Kapazität von Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie und einer solchen Kapazitätsermittlungsvorrichtung.The invention relates to a method for determining a capacity of battery cells of a vehicle battery, a capacity determining device for determining a capacity of battery cells and a motor vehicle with a vehicle battery and such a capacity determining device.

Unter einer Kapazität von Batteriezellen, beziehungsweise Batteriekapazität, wird die Ladungsmenge verstanden, die eine Batterie bei vollem Ladezustand, also bei 100 Prozent (State of Charge 100 Prozent), aufnehmen kann. Die Kapazität einer Batteriezelle kann sich über ihre Lebensdauer verändern, weswegen es notwendig ist, die Kapazität wiederkehrend erneut zu bestimmen.The capacity of battery cells, or battery capacity, is understood to be the amount of charge that a battery can absorb when fully charged, i.e. at 100 percent (state of charge 100 percent). The capacity of a battery cell can change over its service life, which is why it is necessary to determine the capacity again and again.

Aus der US 2016/0190829 A1 ist ein passives Ausgleichverfahren für ein Lithium-Eisenphosphat-Batteriepack offenbart, welches eine Leistung und eine Lebensdauer des Batteriepacks verbessern soll.From the US 2016/0190829 A1 discloses a passive balancing method for a lithium iron phosphate battery pack which is intended to improve a performance and a service life of the battery pack.

Aus der WO 2017/132344 A1 sind ein Verfahren, ein Batteriemodul, eine Energiespeichervorrichtung und ein Energieverwaltungssystem bekannt. Die Kapazität des Moduls und der Energiespeichervorrichtung wird während eines Stromausgleichs zwischen Zellen des Moduls bestimmt. Die Kapazität wird anschließend verwendet, um eine Energie zu und von der Energiespeichervorrichtung zu steuern, um die Energiespeichervorrichtung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der maximalen Kapazität der Energiespeichervorrichtung zu halten. Die bestimmte Kapazität wird als maximale Kapazität für die Energiespeichervorrichtung verwendet.From the WO 2017/132344 A1 a method, a battery module, an energy storage device and an energy management system are known. The capacity of the module and the energy storage device is determined during current balancing between cells of the module. The capacity is then used to control energy to and from the energy storage device in order to maintain the energy storage device within a predetermined range of the maximum capacity of the energy storage device. The determined capacity is used as the maximum capacity for the energy storage device.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Methode zur Ermittlung einer Kapazität von Batteriezellen bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved method for determining a capacity of battery cells.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.This object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention are disclosed by the dependent claims, the following description and the figures.

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität von Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie bereitgestellt. Die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise eine Hochvolt- oder Niedrigvolt-Batterie eines Fahrzeugs sein, die aus mehreren Batteriemodulen aufgebaut ist, wobei jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen kann. Durch das Verfahren soll die Kapazität von jeder der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie ermittelt werden. Die Kapazität einer Batteriezelle kann mittels der SI-Einheit Coulomb angegeben werden, was einem Integral des Stroms über die Zeit, das heißt Amperesekunden oder Amperestunden, entspricht. Üblicherweise wird bei Hochvolt-Batterien die Kapazität in Amperestunden angegeben.The invention provides a method for determining a capacity of battery cells of a vehicle battery. The vehicle battery can be, for example, a high-voltage or low-voltage battery of a vehicle, which is constructed from a plurality of battery modules, wherein each battery module can have a plurality of battery cells. The method is intended to determine the capacity of each of the battery cells of the vehicle battery. The capacity of a battery cell can be specified using the SI unit Coulomb, which corresponds to an integral of the current over time, i.e. ampere-seconds or ampere-hours. The capacity of high-voltage batteries is usually given in ampere-hours.

Das Verfahren weist als Schritt a) ein Starten eines Ausgleichverfahrens der Fahrzeugbatterie auf, wobei bei dem Ausgleichverfahren die Batteriezellen zur Erreichung eines Ladezustandsniveaus entladen werden und wobei eine Startzeit des Ausgleichverfahrens und ein Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle zur Startzeit bestimmt wird. Das Ausgleichverfahren ist ein bekanntes Verfahren zur Regelung der elektrischen Ladungsverteilung zwischen mehreren Batteriezellen. Das Ausgleichverfahren wird auch Balancing-Verfahren oder passives Balancing genannt. Als Schritt b) umfasst das Verfahren ein Feststellen einer Beendigung des Ausgleichverfahrens, wobei eine Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens und der Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle zur Beendigungszeit bestimmt wird. Als Schritt c) umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines Entladestroms für jede Batteriezelle, mit welchem die Batteriezellen durch das Ausgleichverfahren entladen wurden, wobei der Entladestrom der jeweiligen Batteriezelle in Abhängigkeit der Ladezustandsparameter der jeweiligen Batteriezelle zur Startzeit und zur Beendigungszeit durch ein Batteriezellenmodell bestimmt wird. Als Schritt d) umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Ausgleichdauer für jede Batteriezelle aus der Startzeit und der jeweiligen Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens und als Schritt e) ein Ermitteln der Kapazität der jeweiligen Batteriezelle mittels einer jeweiligen Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, des jeweiligen Entladestroms und der jeweiligen Ausgleichdauer.As step a), the method includes starting a balancing process for the vehicle battery, the battery cells being discharged in the balancing process to achieve a state of charge level and a start time of the balancing process and a state of charge parameter being determined for each battery cell at the start time. The equalization method is a well-known method for regulating the electrical charge distribution between several battery cells. The balancing process is also called the balancing process or passive balancing. As step b), the method comprises determining that the equalization process has ended, a termination time of the equalization process and the state of charge parameters being determined for each battery cell at the termination time. As step c), the method includes determining a discharge current for each battery cell with which the battery cells were discharged by the equalization process, the discharge current of the respective battery cell being determined by a battery cell model as a function of the state of charge parameters of the respective battery cell at the start time and at the end time. As step d), the method comprises determining an equalization duration for each battery cell from the start time and the respective termination time of the equalization process and, as step e), determining the capacity of the respective battery cell by means of a respective difference between the state of charge parameters and the start and termination time, the respective discharge current and the respective compensation period.

Mit anderen Worten bestimmt das Verfahren bei einem Start des Ausgleichverfahrens einen Ladezustandsparameter der jeweiligen Batteriezelle. Danach werden die Batteriezellen durch das Ausgleichverfahren entladen, insbesondere, um die Batteriezellen auf eine gleichmäßige elektrische Ladungsverteilung zu bringen. Bei Beendigung des Ausgleichverfahrens wird zum einen die Beendigungszeit für jede Batteriezelle bestimmt, das heißt die Zeit, nach der ein Ausgleich einer Ladungsverteilung einer Batteriezelle erfolgreich abgeschlossen wurde oder die Zeit, nach der das Ausgleichverfahren abgebrochen wurde und zum anderen wird der Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle bestimmt, den die Batteriezellen bei Beendigung des Ausgleichverfahrens aufweist. Mit Ladezustandsparameter ist hier gemeint, dass ein Parameter der Batteriezelle bestimmt wird, der angibt, welchen Ladezustand die Batteriezelle bei der Messung aufweist. Dieser kann beispielsweise als Spannung in Volt angegeben werden, also zum Beispiel 3,8 Volt, oder dieser Parameter kann den Ladezustand (State of Charge, SoC) in Prozent angeben, wie beispielsweise 70 Prozent. Das heißt, dass der Ladezustandsparameter zur Startzeit beispielsweise 70 Prozent sein kann und der Ladezustandsparameter zur Beendigungszeit beispielsweise 50 Prozent.In other words, the method determines a state of charge parameter of the respective battery cell when the equalization method is started. The battery cells are then discharged using the equalization process, in particular in order to bring the battery cells to a uniform electrical charge distribution. At the end of the equalization process, on the one hand, the termination time is determined for each battery cell, i.e. the time after which equalization of a charge distribution of a battery cell has been successfully completed or the time after which the equalization process was canceled and, on the other hand, the state of charge parameter is determined for each battery cell that the battery cells have at the end of the equalization process. The state of charge parameter here means that a parameter of the battery cell is determined which indicates the state of charge of the battery cell during the measurement. This can be specified as a voltage in volts, for example 3.8 volts, or this parameter can specify the state of charge (SoC) in percent, such as 70 percent. It means that the state of charge parameter at the start time can be, for example, 70 percent and the state of charge parameter at the end time, for example, 50 percent.

Aus diesen Ladezustandsparametern zur Start- und Beendigungszeit kann dann mittels eines Batteriezellenmodells bestimmt werden, durch welchen Entladestrom jede Batteriezelle beim Ausgleichverfahren entladen wurde. Das Batteriezellenmodell kann die Ladezustandsparameter der jeweiligen Batteriezelle zur Startzeit und zur Beendigungszeit als Eingangsparameter verwenden und daraus den Entladestrom auswählen oder berechnen. Ferner kann das Batteriezellenmodell spezifisch auf jede Batteriezelle angepasst sein und insbesondere auch eine Temperatur der Batteriezelle berücksichtigen. Beispielsweise kann ein Temperatursensor für die jeweilige Batteriezelle vorgesehen sein, der den Temperaturwert als weitere Eingabe an das Batteriezellenmodell weiterleitet.From these state of charge parameters at the start and end times, a battery cell model can then be used to determine the discharge current through which each battery cell was discharged during the equalization process. The battery cell model can use the state of charge parameters of the respective battery cell at the start time and at the end time as input parameters and select or calculate the discharge current therefrom. Furthermore, the battery cell model can be specifically adapted to each battery cell and, in particular, also take into account a temperature of the battery cell. For example, a temperature sensor can be provided for the respective battery cell, which forwards the temperature value as a further input to the battery cell model.

Des Weiteren kann aus einer Differenz der Beendigungszeit und der Startzeit des Ausgleichverfahrens eine Ausgleichdauer für jede Batteriezelle berechnet werden, also die Dauer, die das Ausgleichverfahren zum Ausgleich der jeweiligen Batteriezelle gebraucht hat oder die Dauer, die das Ausgleichverfahren bis zu einem Abbruch des Verfahrens durchgeführt wurde.Furthermore, an equalization duration for each battery cell can be calculated from a difference in the termination time and the start time of the equalization process, i.e. the time that the equalization process needed to equalize the respective battery cell or the time that the equalization process was carried out until the process was terminated .

Schließlich kann für jede Batteriezelle die Kapazität ermittelt werden, indem die Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, der jeweilige Entladestrom der Batteriezelle und die Ausgleichdauer miteinander verrechnet werden. Mit der Kapazität der jeweiligen Batteriezelle ist die elektrische Ladung gemeint, die die Batteriezelle bei einem Ladezustand von 100 Prozent aufweisen kann. Eine Berechnung der Kapazität kann beispielsweise mittels eines Dreisatzes durchgeführt werden.Finally, the capacity can be determined for each battery cell by offsetting the difference between the state of charge parameters at the start and end time, the respective discharge current of the battery cell and the equalization period. The capacity of the respective battery cell means the electrical charge that the battery cell can have at a state of charge of 100 percent. A calculation of the capacity can be carried out, for example, using a rule of three.

Durch das Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass durch das Ausgleichverfahren ein genügend hoher Entladehub entsteht, wodurch eine genauere Messung der Batteriekapazität durchgeführt werden kann. Des Weiteren kann die Kapazität der Batteriezellen somit öfter ermittelt werden, wodurch immer aktuelle Werte zur Kapazität vorliegen. Da die Kapazität der Batteriezellen wichtig ist, um einen Schutz einzelner Batteriezellen vor kritischen Ladezuständen zu erhalten, kann durch dieses Verfahren auch eine Sicherheit für die Fahrzeugbatterie verbessert werden.The method results in the advantage that the equalization method creates a sufficiently high discharge stroke, as a result of which a more precise measurement of the battery capacity can be carried out. Furthermore, the capacity of the battery cells can thus be determined more often, which means that current values for the capacity are always available. Since the capacity of the battery cells is important in order to protect individual battery cells from critical states of charge, this method can also improve safety for the vehicle battery.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Batteriezellen beim Ausgleichverfahren auf das Ladezustandsniveau der Batteriezelle mit dem niedrigsten Ladezustandsniveau entladen werden. Mit anderen Worten werden alle Batteriezelle an das Ladezustandsniveau derjenigen Batteriezelle angeglichen, die das niedrigste Ladezustandsniveau aufweist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Ausgleichverfahren den Ladezustand aller Batteriezellen ausgleichen kann und die Kapazität der angeglichenen Batteriezellen mittels des Verfahrens bestimmt werden kann.One embodiment provides that the battery cells are discharged during the equalization process to the state of charge level of the battery cell with the lowest state of charge level. In other words, all battery cells are matched to the state of charge level of that battery cell which has the lowest state of charge level. This has the advantage that the equalization method can equalize the state of charge of all battery cells and the capacity of the equalized battery cells can be determined by means of the method.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass beim Ausgleichverfahren alle Batteriezellen zumindest um einen vorgegebenen Ladezustandswert entladen werden. Das heißt, dass beispielsweise auch die Batteriezelle mit dem niedrigsten Ladezustandsniveau um den vorgegebenen Ladezustandswert entladen wird. Vorzugsweise können die anderen Batteriezellen dann auf das um den vorgegebenen Ladezustandswert gesenkte Ladezustandsniveau der Batteriezelle mit dem niedrigsten Ladezustandsniveau entladen werden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass für jede Batteriezelle ein genügend hoher Entladehub erzeugt werden kann, mittels dem die Kapazität der Batteriezellen bestimmt werden kann.Another embodiment provides that all battery cells are discharged by at least a predetermined state of charge value in the compensation process. This means that, for example, the battery cell with the lowest state of charge level is also discharged by the specified state of charge value. The other battery cells can then preferably be discharged to the state of charge level of the battery cell with the lowest state of charge level, which has been reduced by the predetermined state of charge value. This embodiment has the advantage that a sufficiently high discharge stroke can be generated for each battery cell, by means of which the capacity of the battery cells can be determined.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der vorgegebene Ladezustandswert, mit dem alle Batteriezellen zumindest entladen werden, zehn Prozent eines Anfangsladezustandsniveaus der jeweiligen Batteriezelle ist. Mit anderen Worten wird jede Batteriezelle zumindest um zehn Prozent entladen. Das Anfangsladezustandsniveau kann dem Ladezustandsparameter zur Startzeit entsprechen. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass ein genügend hoher Ladehub erzeugt werden kann, wodurch sich die Berechnung der Kapazität verbessert.In an advantageous embodiment it is provided that the predefined state of charge value with which all battery cells are at least discharged is ten percent of an initial state of charge level of the respective battery cell. In other words, each battery cell is discharged by at least ten percent. The initial state of charge level may correspond to the state of charge parameter at the start time. This embodiment has the advantage that a sufficiently high charging stroke can be generated, which improves the calculation of the capacity.

Vorzugsweise ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Ladezustandsparameter einen Ladezustand oder eine Spannung der jeweiligen Batteriezelle angibt. Das heißt, dass der Ladezustandsparameter einerseits der Ladezustand (SoC) in Prozent sein kann oder die Spannung der Batteriezelle in Volt.In a further embodiment it is preferably provided that the state of charge parameter indicates a state of charge or a voltage of the respective battery cell. This means that the state of charge parameter can either be the state of charge (SoC) in percent or the voltage of the battery cell in volts.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Batteriezellenmodell eine vorbestimmte Entladestromtabelle und/oder eine Entladestromsimulation der jeweiligen Batteriezelle ist. Die vorbestimmte Entladestromtabelle kann beispielsweise aus einer vorhergehenden Messung für jede Batteriezelle bestimmt worden sein. Das heißt, dass gemessen wurde, für welche Differenz der Ladezustandsparameter welcher Entladestrom fließt. Die vorbestimmte Entladestromtabelle kann des Weiteren temperaturabhängig sein. Somit kann für jede Differenz der Ladezustandsparameter der dazugehörige Entladestrom ausgelesen werden. Die Entladestromsimulation kann beispielsweise eine mathematische Simulation der Entladeströme für jede Batteriezelle sein. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass der Entladestrom während des Ausgleichverfahrens nicht mitgemessen werden muss, wodurch Energie eingespart werden kann.Another embodiment provides that the battery cell model is a predetermined discharge current table and / or a discharge current simulation of the respective battery cell. The predetermined discharge current table can, for example, have been determined from a previous measurement for each battery cell. This means that it was measured for which difference in the state of charge parameter which discharge current flows. The predetermined discharge current table can furthermore be temperature-dependent. Thus, for each difference in the state of charge parameter, the associated Discharge current can be read out. The discharge current simulation can be, for example, a mathematical simulation of the discharge currents for each battery cell. This embodiment has the advantage that the discharge current does not have to be measured during the equalization process, so that energy can be saved.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in Schritt e) die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle ermittelt wird, indem mittels des Entladestroms und der Ausgleichdauer eine elektrische Ladung, also eine Differenzkapazität, der jeweiligen Batteriezelle für die jeweilige Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit bestimmt wird und dieser linear auf ein maximales Ladezustandsniveau der jeweiligen Batteriezelle hochgerechnet wird. Mit anderen Worten kann die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle mittels eines Dreisatzes berechnet werden. Das bedeutet, dass die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle berechnet werden kann, indem der Entladestrom mit der Ausgleichdauer multipliziert wird, um eine Differenzkapazität zu erhalten, die für die Differenz der Ladezustandsparameter vorliegt. Diese Differenzkapazität kann dann linear auf eine Gesamtkapazität extrapoliert werden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle leicht bestimmt werden kann.Another embodiment provides that in step e) the capacity of the respective battery cell is determined by using the discharge current and the equalization duration to determine an electrical charge, i.e. a differential capacity, of the respective battery cell for the respective difference in the state of charge parameters at the start and end time and this is extrapolated linearly to a maximum state of charge level of the respective battery cell. In other words, the capacity of the respective battery cell can be calculated using a rule of three. This means that the capacity of the respective battery cell can be calculated in that the discharge current is multiplied by the equalization period in order to obtain a differential capacity which is available for the difference in the state of charge parameters. This differential capacitance can then be extrapolated linearly to a total capacitance. This embodiment has the advantage that the capacity of the respective battery cell can easily be determined.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass vor der Bestimmung des Ladezustandsparameters zur Startzeit in Schritt a) und des Ladezustandsparameters zur Beendigungszeit in Schritt b) eine vorgegebene Relaxationszeit abgewartet wird. Das heißt, dass vor Start des Ausgleichverfahrens zunächst eine Ruhephase stattfindet (Relaxationszeit) und nach dieser Zeit der Ladezustandsparameter bestimmt wird. Ist das Ausgleichverfahren beendet, wird wiederum die vorgegebene Relaxationszeit abgewartet, bis der Ladezustandsparameter zur Beendigungszeit bestimmt wird. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass durch eine mögliche Hysterese der Batteriezellen die Bestimmung des Ladezustandsparameters nicht verzerrt wird. Außerdem können mögliche Temperaturschwankungen durch die Relaxationszeit ausgeglichen werden. Hierdurch kann die Bestimmung des Ladezustandsparameters und damit der Kapazität verbessert werden.Another embodiment provides that a predetermined relaxation time is awaited before the state of charge parameter at the start time in step a) and the state of charge parameter at the end time in step b) are determined. This means that before the start of the equalization process, there is a rest phase (relaxation time) and after this time the state of charge parameter is determined. Once the equalization process has ended, the predetermined relaxation time is again waited for until the state of charge parameter is determined at the end time. This embodiment has the advantage that the determination of the state of charge parameter is not distorted by a possible hysteresis of the battery cells. In addition, possible temperature fluctuations can be compensated for by the relaxation time. In this way, the determination of the state of charge parameter and thus the capacity can be improved.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kapazitätsermittlungsvorrichtung zur Ermittlung einer Kapazität von Batteriezellen, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen. Hierbei ergeben sich gleiche Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie bei dem Verfahren.Another aspect of the invention relates to a capacity determining device for determining a capacity of battery cells, which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims. This results in the same advantages and possible variations as with the method.

Erfindungsgemäß ist auch ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie und einer Kapazitätsermittlungsvorrichtung vorgesehen.According to the invention, a motor vehicle with a vehicle battery and a capacity determining device is also provided.

Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.The control device for the motor vehicle also belongs to the invention. The control device has a processor device which is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and / or at least one microcontroller and / or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and / or at least one DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, the processor device can have program code which is set up to carry out the embodiment of the method according to the invention when it is executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory of the processor device.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kapazitätsermittlungsvorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kapazitätsermittlungsvorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the capacity determining device according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the capacity determining device according to the invention are not described again here.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

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:

  • 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie und einer Kapazitätsermittlungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 2 ein schematisches Verfahrensdiagramm gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:
  • 1 a motor vehicle having a vehicle battery and a capacity determining device according to an exemplary embodiment;
  • 2 a schematic process diagram according to an exemplary embodiment.

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 which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case 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 that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Fahrzeugbatterie 12 und einer Kapazitätsermittlungsvorrichtung 14 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Fahrzeugbatterie 12 kann ein Batteriemodul (nicht gezeigt) aufweisen, das Batteriezellen umfasst, in diesem Ausführungsbeispiel die Batteriezellen 16, 17, 18 und 19.In 1 is a motor vehicle 10 with a vehicle battery 12th and a capacity determining device 14th illustrated according to an exemplary embodiment. The vehicle battery 12th may have a battery module (not shown) that includes battery cells, in this exemplary embodiment the battery cells 16 , 17th , 18th and 19th .

Die Batteriezellen 16 bis 19 können sich beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Alterungserscheinungen bei einer Verwendung der Fahrzeugbatterie 12 nicht gleichmäßig entladen, wodurch ein Ladezustand der Batteriezellen 16 bis 19 untereinander unterschiedlich sein kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ladezustand 20, 21, 22 und 23 für jede Batteriezelle 16 bis 19 schematisch als Balken innerhalb der Batteriezelle dargestellt. Das heißt, dass der Balken an einem oberen Ende der Batteriezellen 16 bis 19 einen vollständigen Ladezustand (100 Prozent State of Charge, SoC) darstellen kann und am unteren Ende einen minimalen Ladezustand (0 Prozent SoC). Alternativ kann der Ladezustand 20 bis 23 auch als noch vorhandene Spannung in Volt angegeben werden.The battery cells 16 until 19th can change, for example, due to manufacturing tolerances or signs of aging when using the vehicle battery 12th not discharging evenly, creating a state of charge in the battery cells 16 until 19th can be different from each other. In this embodiment, the state of charge is 20th , 21 , 22nd and 23 for each battery cell 16 until 19th shown schematically as a bar within the battery cell. That is, the bar is at an upper end of the battery cells 16 until 19th a fully charged state ( 100 Percent State of Charge, SoC) and at the lower end a minimum state of charge ( 0 Percent SoC). Alternatively, the state of charge 20th until 23 can also be specified as the remaining voltage in volts.

In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise der Ladezustand 20 der Batteriezelle 16 leicht niedriger als der Ladezustand 21 der Batteriezelle 17 sein. Der Ladezustand 22 der Batteriezelle 18 kann jedoch noch geringer sein und sich auf einem niedrigsten Ladezustandsniveau 24 im Vergleich zu den anderen Ladezuständen 20, 21 und 23 befinden.In this exemplary embodiment, for example, the state of charge 20th the battery cell 16 slightly lower than the state of charge 21 the battery cell 17th be. The state of charge 22nd the battery cell 18th however, it can still be lower and be at the lowest state of charge level 24 compared to the other states of charge 20th , 21 and 23 are located.

Dieser Unterschied der Ladezustände 20 bis 23 könnte dazu führen, dass bei einer Benutzung der Fahrzeugbatterie 12 eine kritische Tiefenentladung beziehungsweise eine Überladung einzelner Batteriezellen entstehen kann und daher Schäden an der Fahrzeugbatterie 12 auftreten können. Um das zu vermeiden, ist ein Ausgleichverfahren bekannt, das die Ladezustände 20 bis 23 über Widerstände entladen kann, vorzugsweise auf ein gleiches Ladungsniveau, wie beispielsweise auf das Ladungsniveau 24.This difference in charge levels 20th until 23 could result in a use of the vehicle battery 12th A critical deep discharge or overcharging of individual battery cells can occur and therefore damage the vehicle battery 12th may occur. In order to avoid this, a compensation method is known that determines the states of charge 20th until 23 can discharge via resistors, preferably to the same charge level, such as the charge level 24 .

Neben einem gleichen Ladungsniveau der Batteriezellen 16 bis 19 ist es für einen Hersteller der Fahrzeugbatterie 12 jedoch auch wichtig, eine Kapazität der Batteriezellen 16 bis 19 zu kennen, da die Kapazität bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen eine funktionssicherheitsrelevante Eingangsgröße ist. Beispielsweise kann die Fahrzeugbatterie 12 fahrsicherheitsrelevante Funktionen mit Energie versorgen und es muss immer sichergestellt sein, dass genug Energie, das bedeutet Strom, für diese Funktionen vorhanden ist. Die Kapazität gibt hierbei an, wie lange ein elektrischer Strom von den jeweiligen Batteriezellen 16 bis 19 bereitgestellt werden kann.In addition to the same charge level of the battery cells 16 until 19th it is for a vehicle battery manufacturer 12th however, the capacity of the battery cells is also important 16 until 19th to know, since the capacity in electrically operated motor vehicles is an input variable relevant to functional safety. For example, the vehicle battery 12th Supplying driving safety-relevant functions with energy and it must always be ensured that enough energy, i.e. electricity, is available for these functions. The capacity indicates how long an electrical current from the respective battery cells 16 until 19th can be provided.

Um die Kapazität der Batteriezellen 16 bis 19 oft und genau bestimmen zu können, kann in dem Kraftfahrzeug 10 die Kapazitätsermittlungsvorrichtung 14 vorgesehen sein, die eine Steuervorrichtung 26 aufweisen kann. Die Steuervorrichtung 26 kann beispielsweise feststellen, wann das Ausgleichverfahren der Fahrzeugbatterie 12 gestartet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 26 auch ausgebildet sein, die Fahrzeugbatterie 12 anzusteuern, sodass das Ausgleichverfahren gestartet wird.About the capacity of the battery cells 16 until 19th To be able to determine often and precisely, can be in the motor vehicle 10 the capacity determining device 14th be provided which has a control device 26th may have. The control device 26th can for example determine when the vehicle battery balancing procedure 12th is started. Alternatively or additionally, the control device 26th also be designed the vehicle battery 12th to be controlled so that the compensation procedure is started.

Bei Start des Ausgleichverfahrens kann die Steuervorrichtung eine Startzeit des Ausgleichverfahrens speichern und zusätzlich einen Ladezustandsparameter für jede der Batteriezellen 16 bis 19 zur Startzeit bestimmen. Hierzu kann beispielsweise eine Sensorvorrichtung 28 vorgesehen sein, die einen jeweiligen Ladezustandsparameter misst, wobei der Ladezustandsparameter eine Spannung oder ein daraus bestimmter Ladezustand (SoC) zur Messzeit der jeweiligen Batteriezelle sein kann. In diesem Ausführungsbeispiel gleicht der zur Startzeit des Ausgleichverfahrens aufgenommene Ladezustandsparameter also den Ladezuständen 20 bis 23.When the equalization method starts, the control device can store a start time of the equalization method and, in addition, a state of charge parameter for each of the battery cells 16 until 19th determine the start time. A sensor device, for example, can be used for this purpose 28 which measures a respective state of charge parameter, wherein the state of charge parameter can be a voltage or a state of charge (SoC) determined therefrom at the measurement time of the respective battery cell. In this exemplary embodiment, the state of charge parameter recorded at the start time of the equalization process thus equals the state of charge 20th until 23 .

Ferner kann durch die Steuervorrichtung 26 festgestellt werden, wann das Ausgleichverfahren beendet wird. Das Ausgleichverfahren kann beispielsweise beendet werden, wenn der Ladezustand 20 bis 23 jeder Batteriezelle das niedrigste Ladezustandsniveau 24 erreicht hat. Möglicherweise kann das Ausgleichverfahren jedoch auch früher durch einen Benutzer des Kraftfahrzeugs 10 beendet werden, beispielsweise indem der Benutzer das Kraftfahrzeug 10 starten möchte.Furthermore, by the control device 26th determine when the settlement procedure will end. The compensation process can be ended, for example, when the state of charge 20th until 23 the lowest state of charge level of each battery cell 24 has reached. However, the compensation process may possibly also be carried out earlier by a user of the motor vehicle 10 be terminated, for example by the user of the motor vehicle 10 want to start.

Besonders bevorzugt kann das Ausgleichverfahren jedoch erst dann beendet werden, wenn alle Batteriezellen zumindest um einen vorgegebenen Ladezustandswert entladen werden. Das heißt, dass alle Ladezustände 20 bis 23 der Batteriezellen 16 bis 19 auf ein Ladezustandsniveau 30 entladen werden, welches niedriger als das niedrigste Ladezustandsniveau 24 ist. Somit kann erreicht werden, dass selbst der Ladezustand 22 der Batteriezelle 18 um zumindest den vorgegebenen Ladezustandswert entladen wird.Particularly preferably, however, the compensation method can only be ended when all battery cells are discharged by at least a predetermined state of charge value. That means that all charge levels 20th until 23 of the battery cells 16 until 19th to a state of charge level 30th which is lower than the lowest state of charge level 24 is. Thus it can be achieved that even the state of charge 22nd the battery cell 18th is discharged by at least the predetermined state of charge value.

Besonders bevorzugt kann der vorgegebene Ladezustandswert zehn Prozent eines Anfangsladezustandsniveaus der jeweiligen Batteriezelle sein. Das heißt, dass bei dem Ausgleichverfahren jede Batteriezelle um zumindest zehn Prozent entladen wird. Folglich kann das Ladezustandsniveau 30 einen Ladezustand aufweisen, der zehn Prozent unter dem niedrigsten Ladezustandsniveau 24 liegt. Vorzugsweise können dann alle Batteriezellen 16 bis 19 auf das Ladezustandsniveau 30 ausgeglichen werden.The predefined state of charge value can particularly preferably be ten percent of an initial state of charge level of the respective battery cell. This means that each battery cell is discharged by at least ten percent during the compensation process. Consequently, the state of charge level 30th have a charge level that is ten percent below the lowest charge level 24 lies. All battery cells can then preferably 16 until 19th on the state of charge level 30th be balanced.

Sind alle Batteriezellen 16 bis 19 auf das Ladezustandsniveau 30 entladen, kann die Steuervorrichtung 26 den Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle zur Beendigungszeit bestimmen, das heißt, in diesem Fall kann der Ladezustandsparameter den Wert des Ladezustands der jeweiligen Batteriezelle auf dem Ladezustandsniveau 30 aufweisen. Außerdem wird eine jeweilige Beendigungszeit bestimmt, an der jede Batteriezelle das Ladezustandsniveau 30 erreicht hat.Are all battery cells 16 until 19th on the state of charge level 30th discharged, the control device 26th determine the state of charge parameter for each battery cell at the termination time, that is to say in this case the state of charge parameter can be the value of the state of charge of the respective battery cell at the state of charge level 30th exhibit. In addition, a respective termination time is determined at which each battery cell has the state of charge level 30th has reached.

Die Ladezustandsparameter zur Startzeit und zur Beendigungszeit von jeder Batteriezelle 16 bis 19 können dann von der Steuervorrichtung 26 an eine Recheneinrichtung 32 der Kapazitätsermittlungsvorrichtung 14 zur Berechnung eines Entladestroms für jede Batteriezelle 16 bis 19 bereitgestellt werden. Die Recheneinrichtung 32 kann beispielsweise ein Computer mit einem Prozessor, insbesondere einem Mikroprozessor, umfassen. Die Recheneinrichtung 32 kann dazu ausgebildet sein, mittels der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit einen Entladestrom für jede Batteriezelle 16 bis 19 zu bestimmen, mit dem die jeweilige Batteriezelle während des Ausgleichverfahrens entladen wurde.The state of charge parameters for the start time and the end time of each battery cell 16 until 19th can then from the control device 26th to a computing device 32 the capacity determining device 14th to calculate a discharge current for each battery cell 16 until 19th to be provided. The computing device 32 can for example comprise a computer with a processor, in particular a microprocessor. The computing device 32 can be designed to use the state of charge parameters at the start and end time to set a discharge current for each battery cell 16 until 19th to determine with which the respective battery cell was discharged during the equalization procedure.

Dazu kann die Recheneinrichtung 32 ein Batteriezellenmodell aufweisen, das im einfachsten Fall eine vorbestimmte Entladestromtabelle der jeweiligen Batteriezelle aufweist. Das bedeutet, dass für jede Batteriezelle 16 bis 19 durch Messung bestimmt wurde, welcher effektive Strom zwischen den bestimmten Ladezuständen geflossen ist. Dies kann beispielsweise auch in Abhängigkeit einer Temperatur der Batteriezelle durchgeführt worden sein, sodass mehrere Entladestromtabellen beziehungsweise Entladestromkurven für jede Batteriezelle vorhanden sind.The computing device 32 have a battery cell model which, in the simplest case, has a predetermined discharge current table of the respective battery cell. That means for every battery cell 16 until 19th it was determined by measurement which effective current flowed between the specific charge states. This can for example also have been carried out as a function of a temperature of the battery cell, so that several discharge current tables or discharge current curves are available for each battery cell.

Beispielsweise kann der Ladezustandsparameter 23 zur Startzeit der Batteriezelle 19 einen Wert von 90 Prozent gehabt haben und der Ladezustandsparameter zur Beendigungszeit, beispielsweise bei dem Ladezustandsniveau 30, einen Wert von 60 Prozent, also 30 Prozent weniger. Daraus kann dann beispielsweise aus der Entladestromtabelle ein Wert für den Entladestrom ausgelesen werden, der beispielsweise bei 38 Milliampere liegen kann. Dieser Entladestrom kann dann in ähnlicher Weise für alle Batteriezellen bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Recheneinrichtung 32 die Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle auch für eine Entladestromsimulation verwenden, wobei die Entladestromsimulation mittels mathematischer Methoden einen Entladestrom für jede Batteriezelle berechnen kann.For example, the state of charge parameter 23 at the start time of the battery cell 19th had a value of 90 percent and the state of charge parameter at the end time, for example the state of charge level 30th , a value of 60 percent, i.e. 30 percent less. From this, a value for the discharge current can then be read out, for example from the discharge current table, which can be, for example, 38 milliamperes. This discharge current can then be determined in a similar way for all battery cells. Alternatively or additionally, the computing device could 32 use the state of charge parameters for each battery cell also for a discharge current simulation, wherein the discharge current simulation can calculate a discharge current for each battery cell by means of mathematical methods.

In einer anderen Ausführungsform wäre es auch möglich, den Entladestrom während des Ausgleichverfahrens zu messen. Dies wäre jedoch im Vergleich zu der Verwendung des Batteriezellenmodells mit einem höheren Stromverbrauch verbunden, weswegen die Verwendung des Batteriezellenmodells zu bevorzugen ist. Bei dem hier gezeigten Verfahren reicht jeweils eine Messung zur Startzeit und zur Beendigungszeit aus, wobei die Kapazitätsermittlungsvorrichtung 14 während des Ausgleichverfahrens in einem Ruhemodus gehen kann. Hierdurch kann ein Energieverbrauch reduziert werden.In another embodiment, it would also be possible to measure the discharge current during the equalization process. However, this would be associated with a higher power consumption in comparison to the use of the battery cell model, which is why the use of the battery cell model is to be preferred. In the method shown here, one measurement at the start time and one at the end time is sufficient, with the capacity determining device 14th can go into a sleep mode during the settlement procedure. This can reduce energy consumption.

Nachdem von der Recheneinrichtung 32 für jede Batteriezelle der Entladestrom bestimmt wurde, kann auch eine Ausgleichdauer für jede Batteriezelle 16 bis 19 bestimmt werden. Die Ausgleichdauer kann beispielsweise eine Differenz zwischen der Start- und der jeweiligen Beendigungszeit sein.After from the computing device 32 The discharge current has been determined for each battery cell, an equalization period can also be used for each battery cell 16 until 19th to be determined. The compensation duration can be, for example, a difference between the start and the respective end time.

Schließlich kann durch die Kapazitätsermittlungsvorrichtung 14, beispielsweise durch die Recheneinrichtung 32, die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle 16 bis 19 mittels einer jeweiligen Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, des jeweiligen Entladestroms und der Ausgleichdauer ermittelt werden. Das heißt, dass beispielsweise mittels einer Dreisatzrechnung die Kapazität bestimmt werden kann. Dazu kann beispielsweise mittels des jeweiligen Entladestroms und der Ausgleichdauer jeder Batteriezelle eine elektrische Ladung bestimmt werden, also eine Differenzkapazität, die für die Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit aufgetreten ist. Diese kann dann linear auf ein maximales Ladezustandsniveau der jeweiligen Batteriezelle hochgerechnet werden, um die jeweilige Kapazität der Batteriezellen 16 bis 19 zu bestimmen. Zum Beispiel kann ein Entladestrom ermittelt worden sein, der bei einer Differenz der Ladezustandsparameter von 20 Prozent geflossen ist. Dieser Entladestrom kann dann auf 100 Prozent extrapoliert werden, indem der Entladestrom mit fünf multipliziert wird.Finally, by the capacity determining device 14th , for example by the computing device 32 , the capacity of the respective battery cell 16 until 19th can be determined by means of a respective difference between the state of charge parameters for the start and end time, the respective discharge current and the equalization period. This means that, for example, the capacity can be determined using a rule of three. For this purpose, for example, an electrical charge can be determined by means of the respective discharge current and the equalization duration of each battery cell, that is to say a differential capacity that has occurred for the difference in the state of charge parameters at the start and end time. This can then be extrapolated linearly to a maximum state of charge level of the respective battery cell in order to obtain the respective capacity of the battery cells 16 until 19th to determine. For example, a discharge current may have been determined that flowed when the state of charge parameters differ by 20 percent. This discharge current can then be extrapolated to 100 percent by multiplying the discharge current by five.

Besonders bevorzugt kann vor der Bestimmung der Ladezustandsparameter zur Startzeit und zur Beendigungszeit eine vorgegebene Relaxationszeit abgewartet werden. Dies ist sinnvoll, damit Temperatur oder Hystereseeffekte die Bestimmung des Ladezustandsparameters nicht stören und beispielsweise eine richtige Ruhespannung ermittelt werden kann.Particularly preferably, a predetermined relaxation time can be waited for before the determination of the state of charge parameters at the start time and at the end time. This is useful so that temperature or hysteresis effects do not interfere with the determination of the state of charge parameter and, for example, a correct open-circuit voltage can be determined.

In 2 ist ein schematisches Verfahrensdiagramm für ein Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität von Batteriezellen 16 bis 19 einer Fahrzeugbatterie 12 dargestellt. In einem Schritt S1 wird ein Ausgleichverfahren der Fahrzeugbatterie 12 gestartet, wobei bei dem Ausgleichverfahren die Batteriezellen 16 bis 19 zur Erreichung eines Ladezustandsniveaus 30 entladen werden und wobei eine Startzeit des Ausgleichverfahrens und ein Ladezustandsparameter 20 bis 23 für jede Batteriezelle 16 bis 19 zur Startzeit bestimmt wird.In 2 is a schematic process diagram for a method for determining a capacity of battery cells 16 until 19th a vehicle battery 12th shown. In one step S1 becomes a compensation procedure for the vehicle battery 12th started, the battery cells in the compensation process 16 until 19th to achieve a charge level 30th being discharged and being a start time of the equalization procedure and a State of charge parameters 20th until 23 for each battery cell 16 until 19th is determined at the start time.

In einem Schritt S12 wird eine Beendigung des Ausgleichverfahrens festgestellt, wobei eine Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens und der Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle 16 bis 19 zur Beendigungszeit bestimmt wird.In one step S12 a termination of the equalization process is determined, a termination time of the equalization process and the state of charge parameters for each battery cell 16 until 19th is determined at the termination time.

In einem Schritt S14 wird ein Entladestrom für jede Batteriezelle 16 bis 19 bestimmt, mit welchem die Batteriezellen 16 bis 19 durch das Ausgleichverfahren entladen wurden, wobei der Entladestrom der jeweiligen Batteriezelle 16 bis 19 in Abhängigkeit der Ladezustandsparameter der jeweiligen Batteriezelle 16 bis 19 zur Startzeit und zur Beendigungszeit durch ein Batteriezellenmodell bestimmt wird.In one step S14 becomes a discharge current for each battery cell 16 until 19th determines with which the battery cells 16 until 19th were discharged by the equalization process, the discharge current of the respective battery cell 16 until 19th depending on the state of charge parameters of the respective battery cell 16 until 19th at the start time and the end time is determined by a battery cell model.

In einem Schritt S16 wird eine Ausgleichdauer für jede Batteriezelle aus der Startzeit und der jeweiligen Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens bestimmt.In one step S16 an equalization period is determined for each battery cell from the start time and the respective end time of the equalization process.

Schließlich wird in einem Schritt S18 die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle ermittelt. Hierzu wird der jeweilige Entladestrom der Batteriezellen 16 bis 19, die jeweilige Ausgleichdauer der Batteriezellen und die jeweilige Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit verwendet.Finally, in one step S18 the capacity of the respective battery cell is determined. The respective discharge current of the battery cells is used for this purpose 16 until 19th , the respective equalization duration of the battery cells and the respective difference in the state of charge parameters at the start and end time are used.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, dass ein genügend großer Entladehub nicht nur durch einen Stromverbraucher im aktiven Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 entstehen kann, sondern bei Lithiumsystemen auch durch ein passives Balancing (Ausgleichverfahren). Die bisher verwendeten Algorithmen benötigen einen hohen Lade- oder Entladehub im Betrieb. Gerade bei Mildhybridfahrzeugen und bei Hybridelektrofahrzeugen wird die Batterie jedoch immer um einen gleichbleibenden Ladezustandswert herum in einem schmalen Fenster betrieben, sodass im Normalbetrieb keine hohen Ladezustandsdifferenzen (SoC-Differenzen) zwischen den Fahrzyklen auftreten und so die Berechnung der Kapazität nur ungenau ausgeführt werden kann.In another exemplary embodiment, one aspect is that a sufficiently large discharge stroke is not only caused by a power consumer in the active operation of the motor vehicle 10 can arise, but in lithium systems also through passive balancing (compensation process). The algorithms used up to now require a high loading or unloading stroke during operation. In mild hybrid vehicles and hybrid electric vehicles in particular, however, the battery is always operated around a constant state of charge value in a narrow window, so that in normal operation there are no large differences in the state of charge (SoC differences) between the driving cycles and the calculation of the capacity can therefore only be carried out imprecisely.

Bei einem Balancing (Ausgleichverfahren) sollen eigentlich Ungleichheiten der Batteriezellen ausgeglichen werden, indem Batteriezellen mit einem höheren Ladezustand gezielt über einen Lastwiderstand auf das Niveau der anderen Batteriezellen entladen werden, während das Fahrzeug steht oder schläft. Während dieser Zeit ist der Energiespeicher vom Rest des Fahrzeugs elektrisch getrennt, das bedeutet, dass Schütze und Relais offen sind.In a balancing process, inequalities in the battery cells are actually supposed to be balanced out by specifically discharging battery cells with a higher state of charge via a load resistor to the level of the other battery cells while the vehicle is stationary or asleep. During this time, the energy storage device is electrically isolated from the rest of the vehicle, which means that contactors and relays are open.

Um eine Kapazität jeder Batteriezelle bestimmen zu können, können zusätzlich nicht nur die Batteriezellen mit dem höchsten Ladezustand gezielt entladen werden, sondern alle Batteriezellen, sodass zwar der Ladezustand der Fahrzeugbatterie gesamtheitlich sinkt, aber für jede Batteriezelle ein genügend hoher Entladehub stattfinden kann, um daraus noch eine Kapazität abschätzen zu können.In order to be able to determine the capacity of each battery cell, not only the battery cells with the highest state of charge can be specifically discharged, but also all battery cells, so that although the state of charge of the vehicle battery drops as a whole, a sufficiently high discharge stroke can take place for each battery cell to be able to estimate a capacity.

Mit dem Verfahren können entweder einzelne Batteriezellen, die sowieso gebalanct werden müssen, berechnet werden. Alternativ können auch alle Batteriezellen gezielt über die Balancingwiderstände entladen werden, womit für jede Zelle die Kapazität bestimmt werden kann.The method can be used to calculate either individual battery cells that have to be balanced anyway. Alternatively, all battery cells can also be specifically discharged via the balancing resistors, with which the capacity can be determined for each cell.

Nach einer genügend langen Relaxationszeit, das heißt die Zellspannung entspricht der Ruhespannung, kann das Balancing gestartet werden und es kann die Zeit mitgemessen werden. Aus der Spannung vor Beginn des Balancingvorgangs kann der Ladezustandsparameter zur Startzeit, beispielsweise SoC Start, bestimmt werden. Alternativ kann auch direkt die Spannung verwendet werden. Entsprechend kann ein Batteriezellenmodell für nachfolgende Schritte entweder mit dem Ladezustand (SoC) oder Ruhespannungen arbeiten.After a sufficiently long relaxation time, i.e. the cell voltage corresponds to the rest voltage, the balancing can be started and the time can be measured. From the voltage before the start of the balancing process, the state of charge parameter at the start time, for example SoC start, can be determined. Alternatively, the voltage can also be used directly. Accordingly, a battery cell model can work with either the state of charge (SoC) or open-circuit voltages for subsequent steps.

Da ein Entladestrom über den Balancingwiderstand nicht konstant ist, kann nicht einfach über die Zeit und den gegebenen Balancingwiderstand auf die daraus entladenen Amperestunden zurückgerechnet werden. Auch eine Messung des Stroms wäre wirtschaftlich nicht sinnvoll. Daher kann über eine bekannte Entladecharakteristik, die beispielsweise aus einer vorhergehenden Messung bestimmt worden ist, ein effektiver Strom während des gesamten Entladevorgangs berechnet werden. Dieser effektive Entladestrom kann beispielsweise in einer vorbestimmten Entladestromtabelle über Start und Entspannung oder SoC Start und SoC Ende hinterlegt werden oder dynamisch über eine Entladestromsimulation berechnet werden. Beispielsweise kann in der Entladestromtabelle der jeweilige effektive Entladestrom für eine Temperatur aufgetragen sein.Since a discharge current via the balancing resistor is not constant, it is not possible to simply calculate back to the ampere-hours discharged from it using the time and the given balancing resistance. Measuring the current would also not make economic sense. An effective current during the entire discharge process can therefore be calculated using a known discharge characteristic which has been determined, for example, from a previous measurement. This effective discharge current can, for example, be stored in a predetermined discharge current table about start and relaxation or SoC start and SoC end, or it can be calculated dynamically using a discharge current simulation. For example, the respective effective discharge current for a temperature can be plotted in the discharge current table.

Nach einem genügend hohen Entladehub, zum Beispiel zehn Prozent, für Zellen mit der niedrigsten Spannung kann das Entladen für die jeweilige Zelle über die Balancingwiderstände gestoppt werden. Nach einer genügend langen Relaxationszeit kann aus der Spannung der Ladezustand nach dem Balancing, das heißt SoC Ende, bestimmt werden. Batteriezellen mit noch höherer Spannung können weiterhin entladen werden, um das eigentliche Ziel, das heißt eine gebalancte Fahrzeugbatterie, zu erreichen.After a sufficiently high discharge stroke, for example ten percent, for cells with the lowest voltage, the discharge for the respective cell can be stopped via the balancing resistors. After a sufficiently long relaxation time, the voltage can be used to determine the state of charge after balancing, i.e. the end of the SoC. Battery cells with an even higher voltage can continue to be discharged in order to achieve the actual goal, i.e. a balanced vehicle battery.

Aus dem effektiven Entladestrom und der gesamten Zeit, während der gebalanct wurde, das heißt der Ausgleichdauer, können die entladenen Amperestunden über das Produkt der Ausgleichdauer mit dem effektiven Entladestrom einfach berechnet werden. Aus SoC Start und SoC Ende, das bedeutet mittels der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, und den entladenen Amperestunden kann beispielsweise über einen Dreisatz auf eine Gesamtkapazität der Batteriezelle zurückgerechnet werden. Eine Genauigkeit dieses Verfahrens kann dabei primär von einer Toleranz der Balancingwiderstände und einer Größe des Entladehubs abhängen. Insbesondere kann eine Genauigkeit des Verfahrens an jeweilige Erfordernisse über die Größe des Entladehubs (eine Entladung um einen vorgegebenen Ladezustandswert) angepasst werden. Auch kann beispielsweise die Kapazität einer Fahrzeugbatterie zum Beispiel für Funktionssicherheit öfter geschätzt werden. Zusätzlich kann das Verfahren im Kraftfahrzeug auch aktiv angetriggert werden, um eine Bestimmung der Kapazität zu erzwingen und so einen weiteren Beitrag zur Sicherstellung der Funktionssicherheit zu leisten.From the effective discharge current and the total time during which the balance was carried out, i.e. the equalization period, the discharged ampere-hours can easily be calculated using the product of the equalization period and the effective discharge current will. From SoC start and SoC end, that is, using the state of charge parameters at the start and end time, and the discharged ampere hours, a rule of three can be used to calculate the total capacity of the battery cell. The accuracy of this method can primarily depend on a tolerance of the balancing resistors and a size of the discharge stroke. In particular, the accuracy of the method can be adapted to the respective requirements via the size of the discharge stroke (a discharge by a predetermined state of charge value). For example, the capacity of a vehicle battery can also be estimated more often for functional reliability, for example. In addition, the method in the motor vehicle can also be actively triggered in order to force a determination of the capacity and thus make a further contribution to ensuring functional reliability.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Methode zur Kapazitätsermittlung, insbesondere von Lithiumsystemen, während oder durch das Balancing bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide a method for determining capacity, in particular of lithium systems, during or through balancing.

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Claims (10)

Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität von Batteriezellen (16, 17, 18, 19) einer Fahrzeugbatterie (12) mit den Schritten: a) Starten (S10) eines Ausgleichverfahrens der Fahrzeugbatterie (12), wobei bei dem Ausgleichverfahren die Batteriezellen (16, 17, 18, 19) zur Erreichung eines Ladezustandsniveaus (24, 30) entladen werden und wobei eine Startzeit des Ausgleichverfahrens und ein Ladezustandsparameter (20, 21, 22, 23) für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) zur Startzeit bestimmt wird; b) Feststellen (S12) einer Beendigung des Ausgleichverfahrens, wobei eine Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens und der Ladezustandsparameter für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) zur Beendigungszeit bestimmt wird; c) Bestimmen (S14) eines Entladestroms für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19), mit welchem die Batteriezellen (16, 17, 18, 19) durch das Ausgleichverfahren entladen wurden, wobei der Entladestrom der jeweiligen Batteriezelle (16, 17, 18, 19) in Abhängigkeit der Ladezustandsparameter der jeweiligen Batteriezelle zur Startzeit und zur Beendigungszeit durch ein Batteriezellenmodell bestimmt wird; d) Bestimmen (S16) einer Ausgleichdauer für jede Batteriezelle (16, 17, 18, 19) aus der Startzeit und der jeweiligen Beendigungszeit des Ausgleichverfahrens; und e) Ermitteln (S18) der Kapazität der jeweiligen Batteriezelle (16, 17, 18, 19) mittels einer jeweiligen Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit, des jeweiligen Entladestroms und der jeweiligen Ausgleichdauer.Method for determining a capacity of battery cells (16, 17, 18, 19) of a vehicle battery (12) with the steps: a) starting (S10) a balancing process for the vehicle battery (12), the battery cells (16, 17, 18, 19) being discharged to achieve a state of charge level (24, 30) in the balancing process, and a start time of the balancing process and a state of charge parameter ( 20, 21, 22, 23) is determined for each battery cell (16, 17, 18, 19) at the start time; b) determining (S12) a termination of the equalization process, a termination time of the equalization process and the state of charge parameters being determined for each battery cell (16, 17, 18, 19) at the termination time; c) determining (S14) a discharge current for each battery cell (16, 17, 18, 19) with which the battery cells (16, 17, 18, 19) were discharged by the equalization method, the discharge current of the respective battery cell (16, 17 , 18, 19) is determined as a function of the state of charge parameters of the respective battery cell at the start time and at the end time by a battery cell model; d) determining (S16) an equalization duration for each battery cell (16, 17, 18, 19) from the start time and the respective end time of the equalization process; and e) Determining (S18) the capacity of the respective battery cell (16, 17, 18, 19) by means of a respective difference between the state of charge parameters for the start and end time, the respective discharge current and the respective equalization period. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (16, 17, 18, 19) beim Ausgleichverfahren auf das Ladezustandsniveau der Batteriezelle mit dem niedrigsten Ladezustandsniveau (24) entladen werden.Procedure according to Claim 1 wherein the battery cells (16, 17, 18, 19) are discharged during the equalization process to the state of charge level of the battery cell with the lowest state of charge level (24). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ausgleichverfahren alle Batteriezellen (16, 17, 18, 19) zumindest um einen vorgegebenen Ladezustandswert entladen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein in the compensation method all battery cells (16, 17, 18, 19) are discharged at least by a predetermined state of charge value. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der vorgegebene Ladezustandswert mit dem alle Batteriezellen zumindest entladen werden, 10 % eines Anfangsladezustandsniveaus der jeweiligen Batteriezelle ist.Procedure according to Claim 3 , wherein the predetermined state of charge value with which all battery cells are at least discharged is 10% of an initial state of charge level of the respective battery cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladezustandsparameter einen Ladezustand (20, 21, 22, 23) oder eine Spannung der jeweiligen Batteriezelle angibt.Method according to one of the preceding claims, wherein the state of charge parameter indicates a state of charge (20, 21, 22, 23) or a voltage of the respective battery cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriezellenmodell eine vorbestimmte Entladestromtabelle und/oder eine Entladestromsimulation der jeweiligen Batteriezelle ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the battery cell model is a predetermined discharge current table and / or a discharge current simulation of the respective battery cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt e) die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle (16, 17, 18, 19) ermittelt wird, indem mittels des Entladestroms und der Ausgleichdauer eine elektrische Ladung der jeweiligen Batteriezelle für die jeweilige Differenz der Ladezustandsparameter zur Start- und Beendigungszeit bestimmt wird und diese linear auf ein maximales Ladezustandsniveau der jeweiligen Batteriezelle hochgerechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in step e) the capacity of the respective battery cell (16, 17, 18, 19) is determined by an electrical charge of the respective battery cell for the respective difference in the state of charge parameters at the start using the discharge current and the equalization period - and termination time is determined and this is extrapolated linearly to a maximum state of charge level of the respective battery cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der Bestimmung des Ladezustandsparameters zur Startzeit in Schritt a) und des Ladezustandsparameters zur Beendigungszeit in Schritt b) eine vorgegebene Relaxationszeit abgewartet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein before the determination of the state of charge parameter at the start time in step a) and the state of charge parameter at the end time in step b) a predetermined relaxation time is awaited. Kapazitätsermittlungsvorrichtung (14) zur Ermittlung einer Kapazität von Batteriezellen (16, 17, 18, 19), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Capacity determining device (14) for determining a capacity of battery cells (16, 17, 18, 19), which is designed to carry out the method according to one of the preceding claims. Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugbatterie (12) und einer Kapazitätsermittlungsvorrichtung (14) nach Anspruch 9.Motor vehicle (10) with a vehicle battery (12) and a capacity determining device (14) according to Claim 9 .
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