DE102020111788A1

DE102020111788A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung defekter zellen innerhalb einer batterie

Info

Publication number: DE102020111788A1
Application number: DE102020111788.4A
Authority: DE
Inventors: Timothy Hughes
Original assignee: Siemens PLC
Current assignee: Siemens PLC
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-11-05
Also published as: GB2583510B; GB201906150D0; GB2583510A

Abstract

Verfahren zur Erkennung defekter Zellen innerhalb einer Batterie, wobei ein Merkmal jeder einer Mehrzahl von Zellen einer Batterie als eine Zeitreihe von Werten an einer Mehrzahl von Zeitpunkten gemessen wird. Für jeden Zeitpunkt werden die Ergebnisse innerhalb eines Histogramms angeordnet. Zellen, deren Messung die Position innerhalb des Histogramms zwischen Zeitpunkten signifikant verändert, werden als sich verschlechternd identifiziert.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zur Erkennung der Verschlechterung von Zellen innerhalb einer Batterie, sodass vorbeugende Wartung oder der Austausch einzelner Zellen geplant werden kann.
Durch Erkennen der allmählichen Verschlechterung einer Zelle kann diese Zelle zu einem geeigneten Zeitpunkt repariert oder ausgetauscht werden, bevor die sich verschlechternde Zelle eine Fehlfunktion der gesamten Batterie verursacht.
Energiespeicherung in elektrischen Batterien kommt in Anwendungen wie etwa Netzstabilisierung, Autos, Busse, Züge, Fähren aktuell eine zunehmende Bedeutung zu. In solchen Anwendungen verwendete Batteriepacks bestehen aus sehr vielen Zellen.
Solche Zellen verschlechtern sich im Laufe der Zeit, wobei sie typischerweise entweder einen zunehmenden inneren Widerstand oder eine abnehmende Ladungspeicherkapazität zeigen.
Aus diesem Grund muss einer für eine bestimmte Aufgabe ausgelegten Batterie eine erwartete Lebensdauer zuordnet werden, sodass ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, am Ende ihrer geplanten Lebensdauer ausreichend ist, um einen vorgegebenen Bedarf zu erfüllen. Herkömmlicherweise bedeutete dies, dass Batterien dazu neigen, am Anfang ihres Lebenszyklus überspezifiziert zu sein, um zu gewährleisten, dass sie am Ende ihres Lebenszyklus ausreichend bleiben. Dementsprechend sind Lebenszyklusschätzung und Lebenszyklusmetriken in Batterie-Anwendungsfällen von großer Bedeutung, damit ein Entwickler die erforderliche Kapazität am Anfang des Lebens einer Batterie bestimmen kann, sodass sie am Ende des Lebens der Batterie ausreichend bleibt.
In herkömmlichen Verfahren und Systemen zur Batteriezustandsüberwachung misst ein Batteriemanagementsystem die Kapazität der ganzen Batterie und misst die Zellenspannungen jeder Zelle, um so anzugeben, wann eine Zelle eine Spannung aufweist, die außerhalb eines bestimmten gewünschten Bereichs liegt, oder wann die Batterie als Ganzes eine Ladungskapazität aufweist, die unter ein bestimmtes, minimal tolerierbares Niveau gefallen ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriemanagementsystem die Temperatur jeder Zelle messen und kann angeben, wenn eine Temperatur einer Zelle einen bestimmten Höchstwert übersteigt.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, ein Batteriezustandsüberwachungssystem bereitzustellen, das einen früheren Hinweis auf eine sich verschlechternde Zelle gibt, als dies im Stand der Technik möglich war. Tatsächlich zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine sich verschlechternde Zelle zu identifizieren, noch bevor die Zellenleistung aus einem akzeptablen Bereich herausfällt. Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, ein selbstkalibrierendes Verfahren zur Ermittlung ausfallender Zellen in einer Batterie bereitzustellen.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen wie in den beigefügten Ansprüchen definiert vor.
Die obigen und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher bei Betrachtung der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich als nicht einschränkende Beispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

die 1A und 1B Histogramme von Zellenparametermessungen veranschaulichen, die zu verschiedenen Zeiten während der Nutzungsdauer einer Batterie vorgenommen wurden, um ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen,
2 ein Histogramm von Zellenparametermessungen veranschaulicht, die zu verschiedenen Zeiten während der Nutzungsdauer einer Batterie vorgenommen wurden, um ein Verfahren nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen,
die 3A und 3B Histogramme von Zellenparametermessungen veranschaulichen, die zu verschiedenen Zeiten während der Nutzungsdauer einer Batterie vorgenommen wurden, um ein Verfahren nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, und
4 eine Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung 40 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Merkmale der verschiedenen Zellen einer Batterie gemessen, jede als eine Zeitreihe. Für jeden Zeitpunkt und für jedes Merkmal in Beispielen, wo mehr als ein Merkmal gemessen wird, werden die Ergebnisse innerhalb eines Histogramms angeordnet. Die Entwicklung dieses Histogramms im Zeitverlauf wird verwendet, um ausfallende Zellen zu identifizieren, vorzugsweise noch bevor die ausfallende Zelle überhaupt aus akzeptablen Betriebswerten herausfällt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen erkennen, wenn der von einem Merkmal gemessene Wert einer Zelle die Position innerhalb des Histogramms ändert oder wenn das Histogramm die Form ändert. Wenn die Änderungen der Position oder Form signifikant genug sind (wie durch einen oder mehrere vorgegebenen Parameter definiert), dann werden das Verfahren und/oder System der vorliegenden Erfindung die Zellen identifizieren, die am signifikantesten zu dieser Änderung beitragen, und werden diese Zellen als sich verschlechternd angeben. Dann kann für einen geeigneten Zeitpunkt ein Wartungsvorgang vorgesehen werden, um die betroffenen Zellen zu reparieren oder auszutauschen, wobei gewährleistet wird, dass die Batterie jederzeit in einem für die Nutzung akzeptablen Zustand bleibt.
Bestimmte spezifische Ausführungsformen werden nur anhand von nicht einschränkenden Ausführungsformen beschrieben.
In bestimmten Ausführungsformen werden die Zellenspannung und der Zellenstrom für jede Zelle gemessen. Der Ladezustand für jede Zelle wird ebenfalls aufgezeichnet. Jede dieser Messungen wird wiederholt durchgeführt und die Ergebnisse werden dann in einer zeitlich geordneten Reihe zusammengestellt. In bestimmten Ausführungsformen werden diese Zeitreihen von Daten zusammen mit dem jeweiligen Zellenladezustand und der jeweiligen Zellenruhespannung verwendet, um Zellenschaltungsparameter wie etwa Ladekapazität und innerer Zellenwiderstand zu schätzen. Parameterschätzungsverfahren können verwendet werden, etwa Kalman-Filter, erweiterter Kalman-Filter, Sigma-Punkt-Kalman-Filter.
Nach erfolgter Berechnung werden die Parameterwerte für jeden Parameter und jede Zelle zu jeweiligen Zeitpunkten innerhalb eines Histogramms angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird das Histogramm an eine Verteilung angepasst.
1A zeigt ein Beispielhistogramm zur Veranschaulichung dieser Phase in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Dieses Histogramm stellt gemessene Parameterwerte jeweiliger Zellen in einer Batterie am Anfang ihrer Nutzungsdauer dar. In diesem Beispiel passt das Histogramm von Parameterwerten (in diesem Beispiel innerer Widerstand) zu einer normalen Verteilung mit einem standardmäßigen Abweichungsintervall von x Sigma.
Das resultierende Histogramm kann an eine Verteilung angepasst werden. Es wurde gefunden, dass am Anfang der Nutzungsdauer einer Batterie die Zellenparameter normalerweise in einer normalen Verteilung angeordnet sind. Da die Zellen während des Betriebs altern, kann sich die Verteilung im Mittelwert, in der Varianz oder in anderen Parametern ändern, oder sich sogar in der Gesamtform ändern: zum Beispiel kann sich eine normale Verteilung in eine logarithmisch-normale Verteilung ändern. Solche Änderungen weisen darauf hin, dass die Zellen nicht alle mit der gleichen Geschwindigkeit altern, sondern einige Zellen sich anders verhalten als das Verhalten der allgemeinen Population.
Der Parameterwert für jede Zelle (hier innerer Widerstand) wird periodisch nachgemessen und das Histogramm neu gezeichnet. Während der Lebensdauer der Batterie werden sich die jeweiligen Werte des gemessenen Parameters der Zellen ändern. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Änderung der Position innerhalb des Histogramms einer Messung, die einer bestimmten Zelle entspricht, erkannt und als ein Hinweis genommen, dass die zugehörige Zelle sich verschlechtert. Während der innere Widerstand hier als ein Beispielparameter für die Überwachung nach der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, können alternativ oder zusätzlich natürlich andere Parameter eingesetzt werden. Geeignete derartige Parameter schließen Zellenruhespannung, Zellenladekapazität, Zellenstrom, Zellenladezustand, Zellentemperatur oder Modellparameter aus einem Zellenersatzschaltungsmodell ein. Der beigefügte Anhang erläutert beispielhafte Zellenersatzschaltungsmodelle und Parameter aus solchen Modellen können als der gemessene Parameter in einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel Parameter wie etwa R1, R2, C1, C2 eines Warburg-Impedanzmodells, wie in dem Anhang erläutert. Das Dokument, das den Anhang bildet, ist zu finden unter http://mochaj ava.uccs.edu/ECE5710/ECE5710-Notes02.pdf. Andere Parameter, die als der Parameter in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung überwacht werden könnten, schließen elektrochemische Parameter wie den Lithiumvorrat ein.
1B zeigt ein Histogramm, das dem Histogramm von 1A entspricht, aber nach einem gewissen Grad an Alterung durch die Batterie genommen wurde. Die normale Verteilung hat sich erweitert; die Spitzenverteilung an dem mittleren Parameterwert hat abgenommen. Sowohl auf den oberen als auch auf den unteren Extremen des Parameterwerts (hier innerer Widerstand) werden die Parameterwerte für bestimmte Zellen außerhalb des durch das Histogramm von 1A definierten x-Sigma-Intervalls gefunden.
Diese bestimmten Zellen werden als sich verschlechternd angenommen, da sie Parameterwerte außerhalb des für die Batteriezellen am Anfang ihrer Nutzungsdauer definierten Intervalls zeigen. Die entsprechenden Zellen können anhand ihres Parameterwerts identifiziert werden und ein Wartungsvorgang kann vorgesehen werden, um diese bestimmten Zellen zu reparieren oder auszutauschen.
2 zeigt eine nach einem Verfahren einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführte Analyse. Ähnlich der mit Bezug auf die 1A und 1B veranschaulichten Ausführungsform wird für jeden Zeitpunkt ein Histogramm von Parameterwerten jeweiliger Zellen gebildet. An einem ersten Zeitpunkt, in diesem Beispiel am Anfang der Nutzungsdauer der Batteriezellen, erscheint der Parameterwert für eine bestimmte Zelle (in diesem Beispiel der innere Widerstand der mit 107 gekennzeichneten Zelle) an dem Mittelwert, was in diesem Beispiel an der Spitze der Verteilungskurve ist.
Ein ähnliches Histogramm, gebildet aus Parameterwerten jeweiliger Zellen, wird für nach einer gewissen Verschlechterung in der Batterie gemessene Werte gebildet. Die der mit 107 gekennzeichneten Zelle zugeordnete Messung befindet sich nicht mehr an dem Mittelwert, an der Spitze der Verteilungskurve, sondern befindet sich nun in dem Schwanz der Verteilung. Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann diese relative Bewegung der Messung für eine bestimmte Zelle genommen werden, um eine Verschlechterung in der zugehörigen Zelle anzugeben, die dann für einen Austausch vorgesehen werden kann. Die Gesamtverteilung kann eine normale Verteilung bleiben und die mit 107 gekennzeichnete Zelle kann keinen Parameterwert aufweisen, der aus dem durch das Histogramm am Anfang der Nutzungsdauer der Batterie bestimmte x-Sigma-Intervall herausfällt, doch die Tatsache, dass der zugehörige Parameterwert seine Lage innerhalb des zugehörigen Histogramms geändert hat, kann als Hinweis genommen werden, dass die Zelle sich verschlechtert und gegebenenfalls ein Austausch oder eine Reparatur vorgesehen werden kann.
Bei dem Verfahren dieser Ausführungsform der Erfindung ist es nicht notwendig, eine Änderung bei dem standardmäßigen Abweichungsintervall der Verteilung oder dem Peak-Frequenzwert des Histogramms zu erwägen - innerhalb der Verteilung als Ganzes wird ein einfacher Vergleich der relativen Position der Messung für jede Zelle durchgeführt und jegliche signifikante Bewegung in der Position der Messung für eine bestimmte Zelle innerhalb der Verteilung wird als ein Hinweis der Verschlechterung der betreffenden Zelle genommen. Der Austausch von auf diese Weise identifizierten Zellen kann für einen geeigneten Zeitpunkt geplant werden. Solches Erkennen und Austauschen einer sich verschlechternden Zelle kann durchgeführt werden, ohne dass der Zustand der Batterie aus einem vordefinierten, zulässigen Bereich herausfällt. Die Definition einer „signifikanten“ Bewegung kann durch Sigma, durch die prozentuale Änderung des Spitzenwerts oder des früheren Werts des gemessenen Parameters oder einer Position einer bestimmten Zelle innerhalb von entsprechend ihrer Größe angeordneten Zellenmessungen angegeben werden.
Die 3A, 3B veranschaulichen ein Verfahren nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, die Position der jeweiligen Messungen für jede bestimmte Zelle in der ursprünglichen Histogrammverteilung (3A), die den Zustand der Zellen am Anfang ihrer Lebensdauer darstellt, zu identifizieren. In Zeitintervallen während der Nutzungsdauer der Zellen wird der Parameter der Zellen nachgemessen (in dem veranschaulichten Beispiel ist der gemessene Parameter der innere Widerstand). Diese Messungen werden erneut in ein Histogramm eingezeichnet und das Histogramm wird an mehrere verschiedene Verteilungen angepasst, um eine Verteilung zu finden, die mit dem nachgemessenen Histogramm übereinstimmt. In dem in 3B gezeigten Beispiel hat das Histogramm der Messungen des inneren Widerstands seine Form im Vergleich zu dem Histogramm von 3A am Anfang der Nutzungsdauer der Zellen geändert.
Wie in den 3A und 3B veranschaulicht, hat sich die zu dem Histogramm passende Verteilung von einer normalen Verteilung in 3A zu so etwas wie einer langschwänzigen, logarithmisch-normalen Verteilung in 3B geändert. Diejenigen Zellen, die durch Messungen dargestellt werden, die am weitesten von dem Spitzenhistogrammwert, der durch einen Sigma-Wert über einem bestimmten Schwellenwert dargestellt werden kann, entfernt sind (in 3B schattiert), können zur Reparatur oder zum Austausch identifiziert werden. Selbst wenn der Betrieb der Batterie als Ganzes definierte Grenzen möglicherweise nicht überschritten hat, können ausfallende Zellen identifiziert und zu einem geeigneten Zeitpunkt repariert oder ausgetauscht werden, um den Betrieb der Batterie nicht zu unterbrechen.
Nach der vorliegenden Erfindung werden Zellen innerhalb einer Batterie durch Messen eines bestimmten Merkmals und Einordnen der gemessenen Werte in ein Histogramm für einen Eingriff, typischerweise Reparatur oder Austausch, identifiziert. Das Messen und Einordnen in ein Histogramm werden in bestimmten Zeitintervallen wiederholt und Zellen, deren Position innerhalb des Histogramms sind im Zeitverlauf ändert, werden für einen Eingriff identifiziert. Dadurch können Zellen, die sich verschlechtern, identifiziert werden, bevor die Verschlechterung so schlimm geworden ist, dass der Gesamtbetrieb der Batterie aus einem akzeptablen Bereich herausfällt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Überwachung des Zellenzustands ist die Genauigkeit der Berechnung des Zellenzustands nicht so relevant. Die Merkmale der Zelle werden mit den entsprechenden Merkmalen anderer Zellen verglichen und die relative Bewegung der Zellenwerte innerhalb des Histogramms wird verwendet, um sich verschlechternde Zellen für einen Eingriff zu identifizieren, der ein Austausch oder eine Reparatur der identifizierten Zellen sein kann. Eine solche Messung ist eigentlich selbstkalibrierend, da nur eine relative Messung beteiligt ist.
4 veranschaulicht schematisch eine Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung 40 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die verwendet werden kann, um ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Wie in 4 veranschaulicht, ist eine Batterie von Zellen 42 vorgesehen. Die Überwachungseinrichtung 44 führt Strom- und Spannungsmessungen von Zellen innerhalb der Batterie durch. Die Überwachungseinrichtung verwendet diese Strom- und Spannungsmessungen und möglicherweise andere Messungen und verwendet sie, um Parameterwerte zu berechnen, die dann an einen Datenprozessor 46 übermittelt werden. Der Datenprozessor 46 erhält die Parameterwerte und erzeugt ein entsprechendes Histogramm 48. Das Histogramm 48 kann in einem Speicher 50 gespeichert werden. Das Histogramm 48 kann auch von einer Vergleichseinheit 52 mit einem früheren Histogramm, das bereits in dem Speicher 50 gespeichert worden ist, verglichen werden. Diese Vergleichseinheit führt ein Vergleichsverfahren nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung durch und gibt einen Hinweis 54 aus, der alle Zellen angibt, die nach dem von der Vergleichseinheit 52 angewendeten Verfahren als sich verschlechternd festgestellt werden.
Vorzugsweise wird die zuvor mit Bezug auf 4 beschriebene Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung 40 in einem programmierbaren, digitalen Computer implementiert und die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf solche programmierbaren, digitalen Computer, die dazu programmiert sind, das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen oder eine Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszubilden. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf Datenspeichereinrichtungen, die mit Daten geladen sind, die ein Computerprogramm darstellen, das, wenn es auf einen solchen programmierbaren, digitalen Computer geladen ist, den programmierbaren, digitalen Computer veranlasst, das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen oder eine Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszubilden.

Claims

Verfahren zur Erkennung defekter Zellen innerhalb einer Batterie, wobei ein Merkmal jeder einer Mehrzahl von Zellen einer Batterie als eine Zeitreihe von Werten an einer Mehrzahl von Zeitpunkten gemessen wird, für jeden Zeitpunkt die Ergebnisse innerhalb eines Histogramms angeordnet werden, Zellen, deren Messung die Position innerhalb des Histogramms zwischen Zeitpunkten, signifikant ändert, als sich verschlechternd identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Messung einer Zelle als sich signifikant verändert habend erachtet wird, wenn eine Änderung erkannt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert für Sigma, für die prozentuale Änderung des Spitzenwerts oder früheren Werts des gemessenen Parameters oder für eine Position einer bestimmten Zelle innerhalb von Zellenmessungen, die in der Reihenfolge ihrer Größe geordnet sind, übersteigt.
Verfahren zur Erkennung defekter Zellen innerhalb einer Batterie, wobei ein Merkmal jeder einer Mehrzahl von Zellen als eine Zeitreihe von Werten an einer Mehrzahl von Zeitpunkten gemessen wird, für jeden Zeitpunkt die Ergebnisse innerhalb eines Histogramms angeordnet werden, wo das Histogramm zwischen Messpunkten die Form ändert, Zellen, deren Messung innerhalb des Histogramms eine extreme Position einnehmen, als sich verschlechternd identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Reparieren oder Austauschen der als sich verschlechternd identifizierten Zellen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Merkmal eines der folgenden ist: Zellenruhespannung, Zellenstrom, innerer Zellenwiderstand; Zellenladekapazität, Zellenstrom, Zellenladezustand, Zellentemperatur, Parameter aus einem Ersatzschaltungsmodell oder ein elektrochemischer Parameter.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Zellen als sich verschlechternd identifiziert werden, wo Werte des Merkmals außerhalb eines durch das frühere Histogramm definierten x-Sigma-Intervalls gefunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Histogramm mit einem früheren Histogramm verglichen wird und Zellen als sich verschlechternd identifiziert werden, wo der zugehörige Wert des Merkmals die Position in dem zugehörigen signifikant geändert hat.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zu dem Histogramm passende Verteilung für sich von einer normalen Verteilung zu einer langschwänzigen, logarithmisch-normalen Verteilung geändert habend befunden wird und die Zellen, die durch Messungen, die von dem Histogramm-Spitzenwert am weitesten entfernt sind, dargestellt werden, als sich verschlechternd identifiziert werden.
Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung zur Implementierung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Folgendes umfasst: - eine Überwachungseinrichtung (44) zum Messen von Strom und Spannung in Zellen innerhalb einer Batterie und zum Berechnen von Parameterwerten, - einen Datenprozessor (46), der angeordnet ist, um Parameterwerte von der Überwachungseinrichtung (44) zu erhalten und ein entsprechendes Histogramm (48) zu erzeugen, - einen Speicher (50) zum Speichern des Histogramms, - eine Vergleichseinheit (52), die angeordnet ist, um einen Hinweis (54) auszugeben, um Zellen, die als sich verschlechternd befunden werden, anzugeben.
Batteriezustandsüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 9, die einen programmierbaren, digitalen Computer umfasst, der dazu programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Datenspeichereinrichtung, die mit Daten geladen ist, die ein Computerprogramm darstellen, das, wenn es auf einen programmierbaren, digitalen Computer geladen ist, den programmierbaren, digitalen Computer veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.