DE102021110152A1

DE102021110152A1 - Erkennung von hängenden zellen und überwachung des zellzustandes

Info

Publication number: DE102021110152A1
Application number: DE102021110152.2A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Chaitanya Sankavaram; Garrett M. Seeman; Azeem Sarwar
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220140617A1; CN114441979A; US11621573B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Gesundheitszustands einer elektrischen Batterie offenbart, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält. Das Verfahren umfasst die Schritte des Messens der Zellenspannung jeder einzelnen Zelle der Vielzahl von Batteriezellen und des Analysierens jeder gemessenen Batteriezellenspannung, um den Gesundheitszustand der entsprechenden Batteriezelle zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf wiederaufladbare Energiespeichersysteme (RESS), wie z. B. Batteriepakete in Fahrzeugen.
Es gibt Kraftfahrzeuge, die ein RESS, wie z. B. ein Batteriepaket, verwenden, um große Mengen an Energie zu speichern und das Fahrzeug anzutreiben. Zu diesen Fahrzeugen gehören z. B. Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Elektrofahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, der als Generator für die Batterieladung verwendet wird, und batterieelektrische Fahrzeuge. In einem Fahrzeugbatteriepaket werden üblicherweise mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet, um eine Spannung des Batteriepakets zu erreichen, die mit den Spannungsanforderungen eines für den Fahrzeugantrieb verwendeten Traktionsmotors kompatibel ist. Um den Fahrbereich des Fahrzeugs und die Lebensdauer eines Batteriesatzes zu maximieren, ist es wünschenswert, den Gesundheitszustand der Batteriezellen im Batteriesatz zu überwachen.
Während Elektrofahrzeugsysteme ihren beabsichtigten Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur Überwachung des Gesundheitszustands der Batteriezellen in einem Batteriepaket und zum entsprechenden Management des Batteriesystems.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten wird ein Verfahren zur Bestimmung des Gesundheitszustands eines elektrischen Batteriepakets offenbart, der eine Vielzahl von Batteriezellen enthält. Das Verfahren umfasst die Schritte des Messens der Zellenspannung jeder einzelnen Batteriezelle der Vielzahl von Batteriezellen und des Analysierens jeder gemessenen Batteriezellenspannung, um den Gesundheitszustand der entsprechenden Batteriezelle zu bestimmen.
In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Schritt des Analysierens jeder gemessenen Batteriezellenspannung die Schritte des Bestimmens des Mittelwerts der einzelnen gemessenen Zellenspannungen in dem Batteriepaket, des Bestimmens eines Restspannungswerts für jede der einzelnen Batteriezellen, wobei der Restspannungswert als die numerische Differenz zwischen der gemessenen Spannung für die bestimmte einzelne Batteriezelle und dem bestimmten Mittelwert berechnet wird, und des Berechnens der Standardabweichung der bestimmten Restspannungswerte zu jeder Messzeit. Der Schritt des Analysierens jeder gemessenen Batteriezellenspannung umfasst ferner das Identifizieren einer Ausreißer-Batteriezelle als eine Batteriezelle, deren Restspannungswert ein vorbestimmtes Vielfaches der Standardabweichung für eine vorbestimmte Zeitspanne überschreitet, und das Durchführen einer ersten Aktion beim Identifizieren mindestens einer Ausreißer-Batteriezelle.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Aktion das Setzen eines Diagnose-Indikators.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Aktion nach der Identifizierung mindestens einer Ausreißer-Batteriezelle das Herabsetzen der von der Batterie gelieferten maximalen Leistung.
In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Aktion die Berechnung eines reduzierten Werts der verbleibenden Energie, die von der Batterie verfügbar ist, basierend auf einer Schätzung der Energie, die von der ausreißenden Batteriezelle verfügbar ist.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Aktion die Reduzierung einer zulässigen Laderate der Batterie im Vergleich zu einer Laderate, die für eine Batterie ohne Ausreißer-Batteriezellen zulässig ist.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Aktion das Bestimmen eines zweiten Mittelwerts als Mittelwert der einzelnen gemessenen Spannungen, ausschließlich der Spannungen, die mit allen Batteriezellen verbunden sind, die als Ausreißer-Batteriezellen identifiziert wurden, und das Bestimmen eines zweiten Restspannungswerts für jede der Batteriezellen, die nicht als Ausreißer-Batteriezellen identifiziert wurden, wobei der zweite Restspannungswert als die numerische Differenz zwischen der gemessenen Spannung für die bestimmte einzelne Nicht-Ausreißer-Batteriezelle und dem bestimmten zweiten Mittelwert berechnet wird. Die erste Aktion umfasst ferner das Berechnen einer zweiten Standardabweichung zu jedem Messzeitpunkt als Standardabweichung der ermittelten zweiten Restspannungswerte für die Nicht-Ausreißer-Batteriezellen, das Identifizieren einer abfallenden Zelle als eine Batteriezelle, deren zweiter Restspannungswert ein vorbestimmtes Vielfaches der zweiten Standardabweichung übersteigt, und das Durchführen einer zweiten Aktion beim Identifizieren mindestens einer abfallenden Zelle.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die zweite Aktion das Setzen eines Diagnose-Indikators.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die zweite Aktion das Herabsetzen der von der Batterie gelieferten maximalen Leistung.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die zweite Aktion die Berechnung eines reduzierten Wertes der verbleibenden Energie, die von der Batterie verfügbar ist, basierend auf einer Schätzung der Energie, die von der abfallenden Zelle verfügbar ist.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die zweite Aktion die Reduzierung einer zulässigen Laderate der Batterie im Vergleich zu einer Laderate, die für eine Batterie ohne durchhängende Zellen zulässig ist.
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Analysieren jeder gemessenen Batteriezellenspannung das Identifizieren einer Batteriezelle, die der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung der Vielzahl von Batteriezellen entspricht, das Bestimmen, ob die Batteriezelle, die der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung entspricht, eine Ausgangsspannung aufweist, die für eine Zeitdauer, die größer als eine vorbestimmte Schwellenzeitdauer ist, unter einer vorbestimmten Schwellenspannung bleibt, und das Durchführen einer dritten Aktion, wenn die Batteriezelle, die der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung entspricht, eine Ausgangsspannung aufweist, die für eine Zeitdauer, die größer als die vorbestimmte Schwellenzeitdauer ist, unter der vorbestimmten Schwellenspannung bleibt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die dritte Aktion die Analyse der Batteriezellenspannung einer Batteriezelle, die an die Batteriezelle angrenzt, die der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung entspricht, um festzustellen, ob die angrenzende Batteriezelle Anzeichen von Zellabfall zeigt.
In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die dritte Aktion den Vergleich einer Batteriepakettemperatur, einer Anstiegsrate das Batteriepakettemperatur, einer Batteriezellentemperatur, einer Anstiegsrate der Batteriezellentemperatur, eines Batteriepaketdrucks und/oder einer Anstiegsrate des Batteriepaketdrucks mit einem vorgegebenen Schwellenwert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die dritte Aktion die Aktivierung eines Warnsignals.
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst die Analyse jeder gemessenen Batteriezellenspannung die Schätzung eines Batteriezellenwiderstandswertes während konstanter Lade- oder Entladebedingungen unter Verwendung eines Algorithmus für den gleitenden Mittelwert, eines Kalman-Filters oder eines rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate und die Durchführung einer vierten Aktion, wenn der geschätzte Batteriezellenwiderstandswert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die vierte Aktion das Setzen eines Diagnose-Indikators.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die vierte Aktion das Herabsetzen der von der Batterie gelieferten maximalen Leistung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst n die vierte Aktion die Berechnung eines reduzierten Wertes der verbleibenden Energie, die von der Batterie verfügbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die vierte Aktion die Reduzierung einer zulässigen Laderate der Batterie im Vergleich zu einer Laderate, die für eine Batterie zulässig ist, die keine Zellen mit einem geschätzten Batteriezellenwiderstandswert aufweist, der den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine Darstellung eines Ersatzschaltbildes einer elektrochemischen Zelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ist eine Darstellung einer elektrischen Architektur, die ein Batteriepaket mit einer Vielzahl von Batteriezellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält;
3 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Erkennung einer Ausreißer-Batteriezelle im Batteriepaket gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Erkennung einer herabhängenden Batteriezelle im Batteriepaket gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Algorithmus zur Erkennung einer herabhängenden Batteriezelle im Batteriepaket gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
6 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Erkennung einer kurzgeschlossenen Batteriezelle im Batteriepaket gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Es gibt Kraftfahrzeuge, die ein RESS, wie z. B. ein Batteriepaket, verwenden, um große Energiemengen zu speichern und das Fahrzeug anzutreiben. Zu diesen Fahrzeugen gehören z. B. ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (EV), Elektrofahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, der als Generator für die Batterieladung verwendet wird, und batterieelektrische Fahrzeuge. In einem Fahrzeugbatteriepaket werden üblicherweise mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet, um eine Spannung des Batteriepakets zu erreichen, die mit den Spannungsanforderungen eines für den Fahrzeugantrieb verwendeten Fahrmotors kompatibel ist. In Fahrzeugen verwendete Batteriesätze sind üblicherweise mit Batteriezellen in Reihe konfiguriert, und mehrere dieser Batteriesätze können parallel geschaltet werden, um mehr Leistung für das Fahrzeug bereitzustellen. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann ein Batteriepaket Li-Ionen-Batteriezellen mit einer Nennspannung von 4,2 Volt verwenden. Das Batteriepaket kann 96 dieser 4,2-Volt-Zellen in Reihe verwenden, um eine Batteriepaketspannung von 400 Volt nominal zu erzeugen.
Batteriezellen sind aufgrund von Herstellungsfehlern, Lade-/Entladezyklen und ihrer kalendarischen Lebensdauer im Laufe der Zeit anfällig für Degradation. Degradation kann zu einem erhöhten Innenwiderstand und einer Abnahme der Speicherkapazität führen. Während eine Degradation mit einer normalen Rate nicht unerwartet ist, können Abweichungen bei den Materialien, Fertigungstoleranzen oder Umweltbelastungen im Gebrauch dazu führen, dass eine bestimmte Batteriezelle in einem mehrzelligen Batteriepaket einen Grad der Degradation erfährt, der über den Grad der Degradation hinausgeht, den die anderen Batteriezellen im Batteriepaket erfahren. Ein höherer Grad der Degradation in einer einzelnen Batteriezelle kann zu einer reduzierten Energiespeicherkapazität des Batteriepakets führen und damit die Reichweite eines Elektrofahrzeugs einschränken. Eine stärkere Degradation kann zu einer thermischen Schädigung der Batteriezelle führen, die sich möglicherweise auf benachbarte Batteriezellen im Batteriepaket ausdehnt. Der Grad der Degradation kann als Gesundheitszustand des Batteriepakets ausgedrückt werden. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Gesundheitszustand“ auf ein Maß für die Fähigkeit der Batterie, elektrische Energie zu speichern und abzugeben, verglichen mit einer neuen Batterie.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Darstellung einer elektrochemischen Zelle 10 mit Elementen eines Ersatzschaltbildmodells der elektrochemischen Zelle 10 gezeigt. Das Modell enthält eine ideale Spannungsquelle 12 mit einer Leerlaufspannung Voc. Die Leerlaufspannung Voc ist eine Funktion des Ladezustands der Zelle (SOC) und der Zellentemperatur T. Wie hier verwendet, wird der Begriff „Ladezustand“ so verstanden, dass er den Ladezustand einer elektrischen Batteriezelle relativ zu ihrer Kapazität darstellt. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 enthält das Modell der elektrochemischen Zelle 10 ein Hysteresemodell 14, um das Verhalten der chemischen Prozesse zu berücksichtigen, die während des Ladens und Entladens der Batterie stattfinden. Das Modell umfasst auch einen ersten Widerstand 16, der den ohmschen Widerstand Rm in der elektrochemischen Zelle darstellt. Das Modell der elektrochemischen Zelle 10 umfasst ferner einen zweiten Widerstand 18, der parallel zu einem ersten Kondensator 22 geschaltet ist und eine erste RC-Zeitkonstante definiert. Der zweite Widerstand 18 repräsentiert den Doppelschichtwiderstand Rdl und der erste Kondensator 22 repräsentiert die Doppelschichtkapazität Cdl. Das Modell der elektrochemischen Zelle 10 enthält außerdem einen dritten Widerstand 20, der parallel zu einem zweiten Kondensator 24 geschaltet ist und eine zweite RC-Zeitkonstante definiert. Der dritte Widerstand 20 repräsentiert den Diffusionswiderstand Rdiff und der zweite Kondensator 24 repräsentiert die Diffusionskapazität Cdiff. Die Widerstandswerte der modellierten Widerstände 16, 18, 20 und die Kapazitätswerte der modellierten Kondensatoren 22, 24 sind so gewählt, dass sie dem beobachteten stationären und transienten Verhalten der elektrochemischen Zelle 10 genau entsprechen. Die Ausgangsspannung der elektrochemischen Zelle 10 erscheint an der ersten Ausgangsklemme 26 im Verhältnis zur zweiten Ausgangsklemme 28.
Die Degradation einer elektrochemischen Zelle kann sich in Form von „Cell Droop“ äußern, d. h. einer Abnahme der Zellausgangsspannung bei Stromzufuhr und/oder einem Anstieg der Zellspannung, wenn der Zelle Strom zum Laden zugeführt wird. Der Cell Droop korreliert mit einem Anstieg der internen Widerstände Rm, Rdl und/oder Rdiff. Cell Droop kann auch mit einer Abnahme der Kapazität der Zelle, elektrische Energie zu liefern, korreliert sein.
Bezug nehmend auf 2 ist ein Batteriepaket 40 mit einer Vielzahl von n Batteriezellen dargestellt, einschließlich einer ersten Batteriezelle 42, einer zweiten Batteriezelle 44, einer dritten Batteriezelle 46 und so weiter bis zu einer n-ten Batteriezelle 48. Jede der mehreren Batteriezellen kann als eine elektrochemische Zelle 10 implementiert sein, wie in 1 gezeigt. Alternativ kann jede der Batteriezellen 42, 44, 46 ... 48 als eine Vielzahl von parallel geschalteten elektrochemischen Zellen 10 implementiert werden. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann jede der Batteriezellen 42, 44, 46 ..., 48 drei elektrochemische Zellen 10 enthalten, die parallel geschaltet sind. Die Batteriezellen im Batteriepaket 40 sind elektrisch in Reihe geschaltet, so dass die Nennspannung des Batteriepakets das n-fache der Zellenspannung jeder einzelnen Batteriezelle beträgt. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann ein Batteriepaket 40 96 Batteriezellen in Reihe enthalten, wobei jede Batteriezelle eine Nennspannung von 4,2 Volt hat, so dass das Batteriepaket 40 eine Nennspannung von 400 Volt erzeugt. Strom kann dem Batteriepaket 40 während des Ladens zugeführt werden oder vom Batteriepaket 40 an eine Last (nicht dargestellt) geliefert werden, wie durch den Pfeil 50 angezeigt. Es versteht sich, dass, während das Batteriepaket 40 als eine einzige Einheit dargestellt ist, die alle Batteriezellen 42, 44, 46 ... 48 enthält, alternativ die Batteriezellen 42, 44, 46 ..., 48 in eine Vielzahl von Batteriemodulen unterteilt sein können, wobei jedes Modul eine oder mehrere Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet hat und jedes Modul elektrisch in Reihe mit anderen Modulen geschaltet ist, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Mit fortgesetztem Bezug auf 2 empfängt ein Controller 60 Spannungsmessungen von der ersten Batteriezelle 42, der zweiten Batteriezelle 44, der dritten Batteriezelle 46 und so weiter bis zur n-ten Batteriezelle 48. Der Controller 60 ist ein nicht-generalisiertes, elektronisches Steuergerät mit einem vorprogrammierten digitalen Computer oder Prozessor 62, einem Speicher oder einem nicht-transitorischen, computerlesbaren Medium 64, das zum Speichern von Daten wie Steuerlogik, Softwareanwendungen, Anweisungen, Computercode, Daten, Nachschlagetabellen usw. verwendet wird. Der Controller 60 ist auch mit Eingangsanschlüssen 66 und Ausgangsanschlüssen 68 dargestellt. Das computerlesbare Medium 64 umfasst jede Art von Medium, auf das ein Computer zugreifen kann, z. B. Festwertspeicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festplattenlaufwerk, eine Compact Disc (CD), eine digitale Videodisc (DVD) oder jede andere Art von Speicher.
Ein „nicht-transitorisches“ computerlesbares Medium 64 schließt verdrahtete, drahtlose, optische oder andere Kommunikationsverbindungen aus, die transitorische elektrische oder andere Signale transportieren. Ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium 64 umfasst Medien, auf denen Daten dauerhaft gespeichert werden können, und Medien, auf denen Daten gespeichert und später überschrieben werden können, wie z. B. eine wiederbeschreibbare optische Disk oder ein löschbares Speichergerät. Der Computercode umfasst jede Art von Programmcode, einschließlich Quellcode, Objektcode und ausführbaren Code. Der Prozessor 62 ist so konfiguriert, dass er den Code oder die Anweisungen ausführt. Der Code oder die Anweisungen können in dem Speicher 64 oder in einem zusätzlichen oder separaten Speicher gespeichert sein. Es versteht sich, dass die im Blockdiagramm des Controllers 60 dargestellten Elemente alternativ in einem oder separaten Modulen, die operativ mit dem Controller 60 verbunden sind, physikalisch implementiert sein können, ohne dass dies vom Geist der Offenbarung abweicht. Die Elemente, die den Computercode ausführen, können vom Fahrzeug entfernt implementiert werden, z. B. mit erforderlichen Datensätzen, die an die Cloud gesendet werden, Algorithmen, die von Servern in der Cloud ausgeführt werden, und Ergebnissen, die von der Cloud zurück an das Fahrzeug übermittelt werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Cloud“ auf vernetzte Recheneinrichtungen, die entfernte Datenspeicher- und Verarbeitungsdienste bereitstellen.
Wie in 2 konzeptionell dargestellt, empfangen die Eingangsanschlüsse 66 ein erstes Signal 70, das die gemessene Spannung der ersten Batteriezelle 42 darstellt, ein zweites Signal 74, das die gemessene Spannung der zweiten Batteriezelle 44 darstellt, ein drittes Signal 76, das die gemessene Spannung der dritten Batteriezelle 46 darstellt, und ein viertes Signal 80, das die gemessene Spannung der n-ten Batteriezelle 48 darstellt. 2 zeigt auch, dass die Eingangsanschlüsse 66 eine Gruppe von Signalen 78 empfangen, die die gemessenen Spannungen der vierten Batteriezelle (nicht dargestellt) durch die (n-1)-te Batteriezelle (nicht dargestellt) darstellen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Flussdiagramm eines Algorithmus 100 zur Erkennung einer Ausreißer-Batteriezelle im Batteriepaket 40 dargestellt. Im Algorithmusschritt 102 wird jede der Batteriezellenspannungen zu einem Zeitpunkt t gemessen. Im Algorithmusschritt 104 wird die mittlere Batteriezellenspannung berechnet. Wenn die gemessene Spannung der i-ten Batteriezelle zum Zeitpunkt t dargestellt wird als Vcell_i(t)dargestellt wird, wird die mittlere Batteriezellenspannung Vc_m(t) berechnet als $V c_m (t) = \sum_{i = 1}^{n} V c e l l_{i} (t) / n .$
Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 106 über, wo eine Reihe von Residuen berechnet wird. Für jede der n Batteriezellen wird das Residuum e_i(t) berechnet als e_i(t) = VZelle_i(t) - Vc_m(t) ; i = 1, 2.... n . In Schritt 108 wird die Standardabweichung σ(t) von allen in Schritt 106 berechneten Residuen e_i(t) die in Schritt 106 berechnet wurden, wie folgt berechnet σ(t) = std(e_i(t); i = 1, 2.... n).
In Algorithmus-Schritt 110 wird jeder der einzelnen Restwerte e_i(t) mit einem Multiplikator k(I) mal der in Schritt 108 berechneten Standardabweichung der Restwerte verglichen, um Ausreißer-Batteriezellen zu identifizieren. Der Wert des Multiplikators k(I) ist eine Funktion des Batteriezellenstroms I und kann, als nicht einschränkendes Beispiel, im Bereich 2<k(I)<4 liegen. Wenn das Batteriepaket geladen wurde, als die Batteriezellenspannungsmessungen in Schritt 102 durchgeführt wurden, wird die i-te Batteriezelle als Ausreißer-Batteriezelle identifiziert, wenn e_i(t) > k(I)σ(t). Wenn die Batterie entladen war, als die Zellenspannungsmessungen in Schritt 102 durchgeführt wurden, wird die i-te Batteriezelle als Ausreißer-Batteriezelle identifiziert, wenn e_i(t) < -k(I)σ(t). Der Multiplikatorwert k(I) kann gleich oder unterschiedlich für den Lade- und Entladefall sein. Nach der Identifizierung von Ausreißer-Batteriezellen in Schritt 110 kann eine weitere Analyse durchgeführt werden, wie sie in 3 und 4 erläutert wird. Der Verbindungsblock 112 in 3, 4 und 5 zeigt die Verknüpfung zwischen dem Algorithmus 100 in 3 und den in 4 und 5 beschriebenen Algorithmen an.
4, die ein Flussdiagramm eines beispielhaften Algorithmus 120 zum Identifizieren einer hängenden Zelle unter Verwendung der in dem in 3 dargestellten Algorithmus 100 ermittelten Ergebnisse darstellt, wie sie durch den Verbindungsblock 112 verknüpft sind. Der Algorithmus 120 führt den Schritt 122 aus, in dem die mittlere Batteriezellenspannung Vc_m(t) wie in Schritt 104 neu berechnet wird, mit der Ausnahme, dass Batteriezellen, die in Schritt 110 als Ausreißer identifiziert wurden, von der Berechnung ausgeschlossen werden. Der Algorithmus 120 fährt mit Schritt 124 fort, wo die Residuen wie in Schritt 108 berechnet werden, mit der Ausnahme, dass die in Schritt 122 berechnete mittlere Batteriezellenspannung mit ausgeschlossenen Ausreißern anstelle des in Schritt 104 berechneten ursprünglichen Mittelwertes verwendet wird. In Schritt 126 wird die Standardabweichung der in Schritt 124 berechneten Restwerte berechnet, wobei nur die Restwerte der Batteriezellen verwendet werden, die in Schritt 110 nicht als Ausreißer identifiziert wurden.
Im Algorithmusschritt 128 wird jeder der in Schritt 124 berechneten individuellen Restwerte e_i(t) mit einem Multiplikator k(I) mal der in Schritt 126 berechneten Standardabweichung der Restwerte verglichen, um schwache oder durchhängende Zellen zu identifizieren. Wenn die Batterie geladen wurde, als die Batteriezellenspannungsmessungen in Schritt 102 durchgeführt wurden, wird die i-te Batteriezelle als schwache oder durchhängende Zelle identifiziert, wenn e_i(t) > k(I)σ(t). Wenn die Batterie entladen wurde, als die Batteriezellenspannungsmessungen in Schritt 102 durchgeführt wurden, wird die i-te Zelle als eine schwache oder durchhängende Zelle identifiziert, wenn e_i(t) < -k(I)σ(t). Der Multiplikatorwert k kann für den Lade- und Entladefall gleich oder unterschiedlich sein. Außerdem kann der Multiplikatorwert k gleich oder unterschiedlich zu einem Multiplikatorwert k sein, der in den Berechnungen in Algorithmusschritt 110 verwendet wird.
5 zeigt Schritte eines beispielhaften Algorithmus 140, der alternativ zu dem in 4 dargestellten Algorithmus 120 zur Identifizierung einer durchhängenden Zelle unter Verwendung der in dem in 3 dargestellten Algorithmus 100 ermittelten Ergebnisse durchgeführt werden kann, wie sie durch den Verbindungsblock 112 verknüpft sind. Der Algorithmus 140 umfasst eine Vielzahl von Zählern C[1], C[2], ..., C[n], wobei jeder Zähler einer der n Batteriezellen im Batteriepaket 40 zugeordnet ist. Im Entscheidungsblock 142 wird der Absolutwert des Restwertes e_i(t) der für die i-te Batteriezelle in Schritt 106 in 3 berechnet wurde, mit einem Multiplikator k(I) mal der Standardabweichung σ(t)der in Schritt 108 berechneten Residuen verglichen. Wenn in Schritt 142 festgestellt wird, dass |e_i(t)| > k(I)σ(t) ist, wird der entsprechende Zähler C[i] für die i-te Batteriezelle in Schritt 144 inkrementiert, und der Algorithmus fährt mit Schritt 152 fort. Das Inkrementieren des Zählers C[i] kann das Addieren von 1 zum vorherigen Zählerwert umfassen. Alternativ kann das Inkrementieren des Zählers C[i] das Addieren eines Wertes wie |e_i(t)|/k(I)σ(t) so dass große Restwerte zu einem schnelleren Vorrücken des Zählerwerts C[i] führen.
Wenn in Schritt 142 festgestellt wird, dass |e_i(t)| ≤ k(I)σ(t) ist, wird der entsprechende Zähler C[i] für die i-te Batteriezelle in Schritt 146 dekrementiert. In Schritt 148 wird der dekrementierte Zähler daraufhin überprüft, ob er einen negativen Wert hat, und wenn nicht, fährt der Algorithmus mit Schritt 152 fort. Wenn der dekrementierte Zähler einen negativen Wert hat, wird der dekrementierte Zähler in Schritt 150 auf Null zurückgesetzt. Der Algorithmus fährt dann mit Schritt 152 fort.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 5 wird im Entscheidungsblock 152 der Wert des Zählers C[i] mit einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert verglichen. Wenn der Zählerwert den vorbestimmten Diagnoseschwellenwert überschreitet, wird ein Flag gesetzt, um die i-te Batteriezelle als eine hängende Zelle zu identifizieren. Der Algorithmus wird bei Schritt 150 beendet. Die Algorithmusschritte 142 bis 150 werden für jede der n Zellen im Batteriepaket 40 durchgeführt, und der gesamte Prozess wird über ein Überwachungszeitfenster wiederholt.
ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus 160, der verwendet werden kann, um thermische Durchlaufbedingungen in einer Batteriezelle zu identifizieren. In Algorithmus-Schritt 162 wird die Batteriezellenspannung für jede der n Batteriezellen im Batteriepaket gemessen. In Algorithmus-Schritt 164 wird die Batteriezelle mit der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung identifiziert.
In der Diskussion in Bezug auf den Algorithmus 160 wird die Batteriezelle mit der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung als j-te Batteriezelle bezeichnet. In Algorithmus-Schritt 166 Vc_m(t) wird eine mittlere Batteriezellenspannung für die (n-1) Batteriezellen im Batteriepaket mit Ausnahme der Batteriezelle mit der niedrigsten gemessenen Zellenspannung (die j-te Zelle) im Allgemeinen wie folgt berechnet: $V c_m (t) = (\sum_{i = 1}^{j - 1} V c e l l_{i} (t) + \sum_{i = j + 1}^{n} V c e l l_{i} (t)) / (n - 1)$
Wenn die erste Batteriezelle im Batteriepaket die niedrigste gemessene Batteriezellenspannung hat, wird die mittlere Batteriezellenspannung wie folgt berechnet: $V c_m (t) = \sum_{i = 2}^{n} V c e l l_{i} (t) / (n - 1);$
und wenn die letzte (n-te) Batteriezelle im Batteriepaket die niedrigste gemessene Batteriezellenspannung hat, wird die mittlere Batteriezellenspannung berechnet als: Vc_m(t) = $\sum_{i = 1}^{n - 1} V c e l l_{i} (t) / (n - 1) .$
Die Standardabweichung σ(t) der (n-1) Batteriezellen im Batteriepaket mit Ausnahme der Batteriezelle mit der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung (die j-te Zelle) wird ebenfalls in Algorithmusschritt 166 berechnet.
Der Algorithmus 160 fährt dann mit Schritt 168 fort, der berechnet e_j(t) = VZelle_j(t) - Vc_m(t) die numerische Differenz zwischen der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannung und dem Mittelwert der gemessenen Batteriezellenspannungen mit Ausnahme der niedrigsten gemessenen Batteriezellenspannungen. Zusätzlich wird in Schritt 168 geprüft, inwieweit die Zellenspannung der j-ten Batteriezelle niedriger ist als die mittlere Batteriezellenspannung der restlichen Batteriezellen. Wenn festgestellt wird, dass e_j(t) ≥ -k(1)σ(t), wobei der vorbestimmte Multiplikator k(I) eine Funktion des Stroms ist, ist dies ein Anzeichen dafür, dass die j-te Batteriezelle nicht wesentlich stärker abfällt als der gesamte Batteriesatz, und der Algorithmus fährt mit Schritt 170 fort, wo ein Timer zurückgesetzt wird, bevor er mit Schritt 172 fortfährt. Wenn festgestellt wird, dass e_j(t) < -k(I)σ(t) wobei der vorbestimmte Multiplikator k(I) eine Funktion des Stroms ist, ist dies ein Anzeichen dafür, dass die j-te Batteriezelle signifikant stärker abfällt als der Batteriesatz als Ganzes, und der Algorithmus fährt direkt mit Schritt 172 fort.
Mit fortgesetztem Bezug auf 6 wird in Schritt 172 der Timer inkrementiert. Im Entscheidungsschritt 174, wenn |Vcell_j(t) - 0| ≥ Vmin ist, fährt der Algorithmus mit Schritt 176 fort, wo Vcell_j(t) neu abgetastet wird, und der Algorithmus kehrt zu Schritt 172 zurück. Wenn |Vcell_j(t) - 0| < Vmin fährt der Algorithmus mit Schritt 178 fort. Der Vergleichswert Vmin ist ein Kalibrierungswert, der verwendet wird, um eine kurzgeschlossene Batteriezelle zu identifizieren. Als nicht einschränkendes Beispiel Vmin kann auf 0,2 Volt gesetzt werden.
Der Algorithmus 160 erreicht Schritt 178, wenn es einen Hinweis darauf gibt, dass die j-te Zelle kurzgeschlossen sein könnte. In Schritt 178 wird bestimmt, ob der Timerwert kleiner als ein Minimalwert tmin ist und die gemessene Spannung einer zur j-ten Zelle benachbarten Zelle über einem maximalen Schwellenwert V_max liegt. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine benachbarte Zelle auf eine Zelle, die sich in der Nähe der j-ten Zelle befindet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zellen, die eine Begrenzung haben, die in direktem physischen Kontakt mit einer Begrenzung der j-ten Zelle ist. Als nicht einschränkendes Beispiel kann tmin ein Wert von etwa 0,1 s sein. Als nicht-begrenzendes Beispiel kann Vmax ein Wert von etwa 5 Volt sein. Wenn der Timerwert kleiner als der Mindestwert tmin ist und die gemessene Spannung einer an die j-te Zelle angrenzenden Zelle über dem maximalen Schwellenwert Vmax liegt, fährt der Algorithmus mit Schritt 180 fort, wo ein Erfassungsfehler markiert wird. Andernfalls fährt der Algorithmus mit Schritt 182 fort.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 6 wird in Schritt 182 bestimmt, ob der Zeitgeberwert größer ist als ein Maximalwert tmax und die gemessene Spannung der an die j-te Zelle angrenzenden Batteriezelle kleiner ist als die mittlere Batteriezellspannung Vc_m(t) plus einem Wert ε. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Wert ε kann auf k(I)σ(t) Volt. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Wert von tmax auf etwa 5 Sekunden eingestellt werden. Wenn der Timerwert größer ist als ein Maximalwert tmax und die gemessene Spannung der an die j-te Zelle angrenzenden Batteriezelle kleiner ist als die mittlere Batteriezellenspannung Vc_m(t) plus dem Wert ε ist, wird eine kurzgeschlossene Zelle vermutet, und der Algorithmus fährt mit Schritt 186 fort. Andernfalls fährt der Algorithmus mit Schritt 184 fort. In Schritt 184 werden die Batteriezellenspannungen der j-ten Zelle und der benachbarten Zelle neu abgetastet, und der Algorithmus kehrt zu Schritt 172 zurück.
Wenn der Algorithmus Schritt 186 erreicht, wird eine kurzgeschlossene Zelle vermutet, die zu einem thermischen Durchgehen führen kann. In Schritt 186 können weitere Maßnahmen ergriffen werden, um das Vertrauen in die Diagnose des thermischen Durchgehens zu erhöhen. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Zellspannungen von Batteriezellen in der Umgebung auf Spannungsabfall geprüft werden, der durch thermische Ausbreitung von einer überhitzten kurzgeschlossenen Zelle verursacht werden kann. Alternativ oder zusätzlich können die Temperatur des Batteriepakets, die Temperatur der Batteriezellen, die Anstiegsrate der Temperatur des Batteriepakets, die Anstiegsrate der Temperatur der Batteriezellen, der Druck des Batteriepakets oder die Anstiegsrate des Drucks des Batteriepakets mit vorbestimmten Schwellenwerten verglichen und als Indikatoren verwendet werden, um eine Diagnose des thermischen Durchgehens in einer Batteriezelle im Batteriepaket zu bestätigen. Geeignete Maßnahmen können dann ergriffen werden, wie z. B. das Aufleuchten einer Anzeige oder die Aktivierung einer akustischen Warnung, um einen Fahrzeuginsassen vor einem möglichen thermischen Durchgehen zu warnen und das Fahrzeug zu evakuieren.
Die Degradation einer Batteriezelle führt zu einer Verringerung des verfügbaren Energiespeichers, wodurch sich die Reichweite verringern oder die für die Fahrzeugbeschleunigung verfügbare Spitzenleistung reduzieren kann. Die Degradation einer Batteriezelle kann sich auch durch einen Anstieg des Zelleninnenwiderstands bemerkbar machen. Zurück zu 1: Unter stationären Konstantstrom- oder quasi-stationären Ladebedingungen kann die Batteriezellenspannung als V(t) = Voc + I*Rdl + I*Rdiff + I*Rm + I*Rsys ausgedrückt werden, wobei Rsys der Widerstand der mit der Batteriezelle verbundenen Anschlüsse und Verkabelung ist. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „quasi stationärer Zustand“ auf Schwankungen von weniger als 10% während des betrachteten Zeitraums. Der Gesamtwiderstand der Batteriezelle Rcell kann wie folgt ausgedrückt werden: Rcell= Rdl + Rdiff + Rm + Rsys = (V(t) - Voc)/ 1. Der Widerstand einer Batteriezelle kann somit in einem rollierenden Fenster wie folgt geschätzt werden. $R c e l l = \sum_{i = 1}^{n} \frac{(V (t_{1}) - V_{o c} (t_{1}))}{1}$
wobei n die Anzahl der Zeitabtastungen im rollierenden Fenster darstellt, und V(t_i) und V_oc(t_i) die abgetastete Zellenspannung bzw. die abgetastete Zellen-Leerlaufspannung sind.
Als Alternative zur Verwendung einer Rolling-Window-Berechnung zur Abschätzung des Zellenwiderstands bei konstantem Lade- oder Entladestrom wird das in 1 dargestellte Ersatzschaltbild vereinfacht zu $\begin{array}{l} R (t_{i + 1}) = R (t_{i}) + \in (t_{i}) \\ V (t_{i + 1}) = I R (t_{i}) + V_{o c} (t_{i}) + ζ (t_{i}) \end{array}$
wobei R(t_i) den Gesamtwiderstand der Zelle zum Zeitpunkt der Probenahme darstellt t_i, V(t_i+1) steht für die abgetastete Zellenspannung, und V_oc(t_i) ist die abgetastete Zellen-Leerlaufspannung, ε(t_i) und ζ(t_i) sind Prozess- und Messrauschen. Mit diesem Modell kann ein Standard-Kalman-Filter oder ein rekursiver Kleinste-Quadrate-Schätzalgorithmus angewendet werden, um den Zellwiderstand R zu schätzen.
Informationen über einen erhöhten Widerstand in einer Batteriezelle oder einem Batteriepaket können verwendet werden, um den Betrieb eines Elektrofahrzeugs zu verbessern. Abhängig vom Schweregrad des Widerstandsanstiegs sind mögliche Reaktionen u. a. das Sperren des Schnellladens der Batterie, um eine weitere Verschlechterung der Batterie zu verhindern, das Herabsetzen der Fahrzeugleistung, die Neuberechnung eines Wertes für die verbleibende Fahrzeugreichweite, der dem Fahrzeugbediener angezeigt wird, und der Hinweis auf eine notwendige Wartung des Fahrzeugs.
Ein Verfahren zur Bestimmung des Gesundheitszustandes einer elektrischen Batterie der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Die Fähigkeit, eine Degradation auf der Ebene einer Batteriezelle mit Hilfe des offenbarten Verfahrens zu identifizieren, kann eine frühere Erkennung einer schwachen Zelle ermöglichen. Abhängig vom Schweregrad der Degradierung einer Batteriezelle können dann geeignete Maßnahmen ergriffen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Sperren oder Reduzieren des Schnellladens der Batterie, um eine weitere Degradierung der Batterie zu verhindern, das Reduzieren der Fahrzeugleistung, das Neuberechnen eines Wertes für die verbleibende Fahrzeugreichweite, der dem Fahrzeugführer angezeigt wird, und das Anzeigen der Notwendigkeit einer Wartung des Fahrzeugs. Die Fähigkeit, eine kurzgeschlossene Batteriezelle mit dem beschriebenen Verfahren zu identifizieren, kann eine frühere Erkennung eines thermischen Durchgehenszustandes ermöglichen, wodurch mehr Zeit bleibt, die Fahrzeuginsassen zu warnen und das Fahrzeug zu verlassen. Darüber hinaus kann die Identifizierung, welche bestimmte Batteriezelle in einem Batteriesatz schwach ist, den Austausch eines einzelnen Moduls in einem modularen Batteriesatz ermöglichen und die Wiederaufbereitung eines Batteriesatzes durch den Austausch schwacher Batteriezellen ermöglichen.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands eines elektrischen Batteriepakets, wobei das Batteriepaket eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen der Zellenspannung jeder einzelnen Batteriezelle der Vielzahl von Batteriezellen; und Analysieren jeder gemessenen Batteriezellenspannung, um den Gesundheitszustand der entsprechenden Batteriezelle zu bestimmen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Analysieren jeder gemessenen Batteriezellenspannung umfasst: Ermitteln des Mittelwertes der einzelnen gemessenen Zellspannungen im Batteriepaket; Bestimmen eines Restspannungswertes für jede der einzelnen Batteriezellen, wobei der Restspannungswert als die numerische Differenz zwischen der gemessenen Spannung für die bestimmte einzelne Batteriezelle und dem bestimmten Mittelwert berechnet wird; Berechnen der Standardabweichung der ermittelten Restspannungswerte zu jedem Messzeitpunkt; Identifizieren einer Ausreißer-Batteriezelle als eine Batteriezelle, deren Restspannungswert ein vorbestimmtes Vielfaches der Standardabweichung für eine vorbestimmte Zeitspanne überschreitet; und Durchführen einer ersten Aktion bei Identifizierung mindestens einer Ausreißer-Batteriezelle.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aktion das Setzen einer Diagnoseanzeige umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aktion das Herabsetzen der von der Batterie gelieferten maximalen Leistung umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aktion das Berechnen eines reduzierten Wertes der verbleibenden Energie, die von der Batterie verfügbar ist, basierend auf einer Schätzung der Energie, die von der Ausreißer-Batteriezelle verfügbar ist, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aktion das Reduzieren einer zulässigen Laderate der Batterie im Vergleich zu einer Laderate umfasst, die für eine Batterie ohne Ausreißer-Batteriezellen zulässig ist.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aktion umfasst: Bestimmen eines zweiten Mittelwertes als Mittelwert der einzelnen gemessenen Spannungen unter Ausschluss der Spannungen, die zu allen Batteriezellen gehören, die als Ausreißer-Batteriezellen identifiziert wurden; Bestimmen eines zweiten Restspannungswertes für jede der Batteriezellen, die nicht als Ausreißer-Batteriezellen identifiziert wurden, wobei der zweite Restspannungswert als die numerische Differenz zwischen der gemessenen Spannung für die bestimmte einzelne Nicht-Ausreißer-Batteriezelle und dem bestimmten zweiten Mittelwert berechnet wird; Berechnen einer zweiten Standardabweichung zu jedem Messzeitpunkt als Standardabweichung der ermittelten zweiten Restspannungswerte für die Nicht-Ausreißer-Batteriezellen; Identifizieren einer hängenden Zelle als eine Batteriezelle, deren zweiter Restspannungswert ein vorbestimmtes Vielfaches der zweiten Standardabweichung überschreitet; und Ausführen einer zweiten Aktion bei Identifizierung mindestens einer hängenden Zelle.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Aktion das Setzen einer Diagnoseanzeige umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Aktion das Herabsetzen der von der Batterie gelieferten maximalen Leistung umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Aktion das Berechnen eines reduzierten Wertes der verbleibenden Energie, die von der Batterie verfügbar ist, basierend auf einer Schätzung der Energie, die von der abfallenden Zelle verfügbar ist, umfasst.