DE102021110384A1 - Electronic circuit for determining the state of charge of a battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung (100) zur Bestimmung eines Ladezustands (114) einer Batteriezelle eines Batteriesystems, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, wobei die elektronische Schaltung (100) ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Messwerten (101) einer Ruhespannung der Batteriezelle mit zugehörigen Zeitwerten (102), zu denen die Messwerte (101) der Ruhespannung erfasst wurden, zu erhalten, eine Gleichgewichtsspannung (112) der Batteriezelle basierend auf einer linearen Regression (110) der Mehrzahl von Messwerten (101) der Ruhespannung bezüglich einer vorgegebenen mathematischen Funktion (111) der den Messwerten (101) der Ruhespannung zugehörigen Zeitwerten (102) zu bestimmen, und den Ladezustand (114) der Batteriezelle basierend auf einer vorgegebenen Kennlinie (113) zu bestimmen, welche einen Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtsspannung (112) und einem Ladezustand (114) der Batteriezelle angibt.The invention relates to an electronic circuit (100) for determining a state of charge (114) of a battery cell of a battery system, in particular for an electric vehicle, the electronic circuit (100) being designed to have a plurality of measured values (101) of an open-circuit voltage of the battery cell with associated values time values (102) at which the measured values (101) of the open-circuit voltage were recorded, an equilibrium voltage (112) of the battery cell based on a linear regression (110) of the plurality of measured values (101) of the open-circuit voltage with respect to a predetermined mathematical function ( 111) of the time values (102) associated with the measured values (101) of the no-load voltage, and to determine the state of charge (114) of the battery cell based on a predetermined characteristic curve (113) which shows a relationship between the equilibrium voltage (112) and a state of charge ( 114) of the battery cell indicates.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle eines Batteriesystems, beispielsweise für ein elektrisches Fahrzeug und ein entsprechendes Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung die alterungsabhängige Online-Prädiktion der Relaxation von Batteriezellen wie beispielsweise Lithium-Ionen Zellen mittels einer rechen- und speichersparsamen linearen Regressionsmethode.The invention relates to an electronic circuit for determining a state of charge of a battery cell of a battery system, for example for an electric vehicle, and a corresponding method. In particular, the invention relates to the aging-dependent online prediction of the relaxation of battery cells such as lithium-ion cells using a computationally and memory-saving linear regression method.
Batteriemanagementsysteme (BMS) finden sich in verschiedensten Zusammenschaltungen von Akkumulatorzellen, beispielsweise Traktionsbatterien von Elektroautos, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Mobiltelefonen oder Notebooks. Eine der großen Herausforderungen ist die Bestimmung des Ladezustandes, der bei vielen Akkumulatortypen nur ungenau anhand der Zellenspannung und des Innenwiderstandes zu ermitteln ist. Die Bestimmung und Anzeige des Akkuzustandes bzw. der Rest-Betriebsdauer ist meist nicht verlässlich.Battery management systems (BMS) can be found in a wide variety of interconnections of accumulator cells, for example traction batteries in electric cars, uninterruptible power supplies, mobile phones or notebooks. One of the major challenges is determining the state of charge, which for many types of accumulator can only be determined imprecisely based on the cell voltage and the internal resistance. The determination and display of the battery condition or the remaining operating time is usually not reliable.
Das BMS bzw. die BMU (Battery Management Unit, Batteriemanagementeinheit) wird in regelmäßigen Zeitabständen aufgeweckt und bestimmt mit Hilfe der CMC's (Charge Modul Controller) die Ruhespannung der Batterie. Die Ruhespannung geht abhängig von dem Ladezustand und der Temperatur nach einer gewissen Zeit (der Relaxationszeit) in eine quasi Gleichgewichtsspannung über. Mit Hilfe der Gleichgewichtsspannung kann der Ladezustand der Batterie sicher bestimmt werden (OCV Rekalibrierung). Die Relaxationszeit nimmt jedoch mit abnehmendem Ladezustand und Temperatur erheblich zu. Die Ruhespannung weicht dann nach einer kurzen Zeit, z.B. einer halben Stunde z.B. beim Kurzparken noch erheblich von der Gleichgewichtsspannung ab, da die Zellen der Batterie sich noch nicht im Gleichgewichtszustand befinden.The BMS or BMU (Battery Management Unit) is woken up at regular intervals and uses the CMCs (Charge Module Controller) to determine the off-load voltage of the battery. Depending on the state of charge and the temperature, the open-circuit voltage changes to a quasi-equilibrium voltage after a certain time (the relaxation time). With the help of the equilibrium voltage, the state of charge of the battery can be reliably determined (OCV recalibration). However, the relaxation time increases significantly with decreasing state of charge and temperature. After a short time, e.g. half an hour, e.g. when parking for a short time, the open-circuit voltage still deviates considerably from the equilibrium voltage, since the cells of the battery are not yet in a state of equilibrium.
Eine SOC-Bestimmung mittels der Ruhespannung ist nur mit einer gewissen Ungenauigkeit möglich. Zusätzlich verändert sich die Relaxation und damit die Genauigkeit der SOC- (State of Charge, Ladezustand) Bestimmung mit der Alterung der Batterie.An SOC determination using the open-circuit voltage is only possible with a certain inaccuracy. In addition, the relaxation and thus the accuracy of the SOC (state of charge) determination changes with the aging of the battery.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für eine verbesserte Ladezustandsbestimmung der Batteriezellen eines Batteriesystems, beispielsweise für ein elektrisches Fahrzeug, zu schaffen.It is an object of the invention to create a concept for improved determination of the state of charge of the battery cells of a battery system, for example for an electric vehicle.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Ladezustandsbestimmung zu schaffen, bei der bereits nach kurzer Zeit eine SOC-Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden möglich ist.In particular, it is an object of the invention to create a state of charge determination in which an SOC determination with greater accuracy is possible after a short time, taking aging into account, using simple, computationally efficient methods.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.This object is solved by the objects with the features according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the description and the drawings.
Die Erfindung basiert auf der Idee, den zeitlichen Verlauf der Ruhespannung hin zur Gleichgewichtsspannung der Zellen in der Batterie mit einer neuen mathematischen Funktion anzupassen (zu fitten), deren Parameter nach wenigen Datenpunkten bereits genau online bestimmt werden können. Damit werden Zelltoleranzen, Messfehler und Alterungseffekte, die sich auf die Werte der Parameter auswirken mit berücksichtigt. Die Parameter lassen sich wegen des Funktionstyps mit Hilfe einer rechensparsamen Regressionsmethode bestimmen.The invention is based on the idea of adapting (fitting) the time profile of the open-circuit voltage to the equilibrium voltage of the cells in the battery using a new mathematical function, the parameters of which can already be precisely determined online after just a few data points. This takes into account cell tolerances, measurement errors and aging effects that affect the values of the parameters. Because of the type of function, the parameters can be determined using a computationally economical regression method.
Mit Hilfe der Erfindung kann somit nach einer kurzen Zeit bereits eine SOC Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden ausgeführt werden.With the help of the invention, an SOC determination can thus be carried out with greater accuracy after a short time, taking aging into account, using simple, computationally efficient methods.
Für die Prädiktion der Gleichgewichtsspannung nach kurzer Zeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und Ladezuständen werden erstmals statt 4 Parameter nur noch 3 Parameter benötigt, was den Speicheraufwand minimiert. Weiterhin werden nur lineare statt nichtlineare Regressionsmethoden zur Online-Bestimmung der Parameter benötigt, sodass hier die Rechenzeit weiter optimiert werden kann. Der Vergleich der Ergebnisse aus bisheriger und neuer Methode zeigt darüber hinaus in bestimmten SOC- und Temperaturbereichen ein wesentlich genaueres Ergebnis als bisher.For the prediction of the equilibrium voltage after a short time, especially at low temperatures and states of charge, only 3 parameters are required for the first time instead of 4, which minimizes the storage effort. Furthermore, only linear instead of non-linear regression methods are required for the online determination of the parameters, so that the computing time can be further optimized here. The comparison of the results from the previous and new method also shows a much more accurate result than before in certain SOC and temperature ranges.
Damit ist die hier vorgestellte Lösung dem bisher genutzten Verfahren überlegen, bei dem für die technische Lösung des Problems eine mathematische Funktion aus zwei verschachtelten Exponentialfunktionen und ein konstanter Teil als Fitfunktion verwendet wird. Zur Bestimmung der Online-Parameter sind aufgrund des Funktionstyps bei dem bisher genutzten Verfahren jedoch rechen- und speicherintensive nichtlineare Methoden erforderlich, was mit dem hier vorgestellten neuen Verfahren entfallen kann. Während bei dem bisher genutzten Verfahren eine genaue Prädiktion des Gleichgewichtswertes erst nach Zeiten in der Größenordnung der Relaxationszeit möglich ist, ergibt sich bei dem hier vorgestellten neuen Verfahren bereits eine gute Prädiktion des Gleichgewichtswertes vor dem Erreichen der Relaxationszeit. Alterungseffekte werden bei dem bisherigen Verfahren in der Regel durch Messungen an definiert gealterten Zellen berücksichtigt, während bei dem hier vorgestellten neuen Verfahren die Alterung in der Lösung mitberücksichtigt ist.The solution presented here is therefore superior to the previously used method, in which a mathematical function consisting of two nested exponential functions and a constant part as a fit function are used for the technical solution to the problem. To determine the online parameters are on Due to the function type, however, non-linear methods that require a great deal of computation and memory are required for the method used up to now, which can be omitted with the new method presented here. While with the previously used method an exact prediction of the equilibrium value is only possible after times in the order of magnitude of the relaxation time, the new method presented here already results in a good prediction of the equilibrium value before the relaxation time is reached. In the previous method, aging effects are usually taken into account by measurements on cells that have aged in a defined manner, while in the new method presented here, aging in the solution is also taken into account.
Die hier vorgestellte Lösung eignet sich für kundenspezifische und orientierte Lösungen für eine Batteriezustandserkennung im Elektrofahrzeug, aber auch für andere batteriebetriebene Systeme, wie beispielsweise Notebook, Mobile Kommunikationsgeräte, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, etc. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich ein schonender und sicherer Betrieb der Batterie über die gesamte Lebenszeit der Batterie gewährleisten.The solution presented here is suitable for customer-specific and oriented solutions for battery status detection in electric vehicles, but also for other battery-powered systems, such as notebooks, mobile communication devices, uninterruptible power supplies, etc. With the help of the solution according to the invention, the battery can be operated more gently and safely guaranteed over the entire lifetime of the battery.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine elektronische Schaltung zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle eines Batteriesystems, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, wobei die elektronische Schaltung ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Messwerten einer Ruhespannung der Batteriezelle mit zugehörigen Zeitwerten, zu denen die Messwerte der Ruhespannung erfasst wurden, zu erhalten; eine Gleichgewichtsspannung der Batteriezelle basierend auf einer linearen Regression der Mehrzahl von Messwerten der Ruhespannung bezüglich einer vorgegebenen mathematischen Funktion der den Messwerten der Ruhespannung zugehörigen Zeitwerten zu bestimmen; und den Ladezustand der Batteriezelle basierend auf einer vorgegebenen Kennlinie zu bestimmen, welche einen Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtsspannung und einem Ladezustand der Batteriezelle angibt.According to a first aspect of the invention, the object is achieved by an electronic circuit for determining a state of charge of a battery cell of a battery system, in particular for an electric vehicle, wherein the electronic circuit is designed to use a plurality of measured values of an open-circuit voltage of the battery cell with associated time values, for which to obtain the measured values of the open circuit voltage have been taken; determine an equilibrium voltage of the battery cell based on a linear regression of the plurality of open circuit voltage measurements with respect to a predetermined mathematical function of the time values associated with the open circuit voltage measurements; and to determine the state of charge of the battery cell based on a predetermined characteristic curve, which indicates a relationship between the equilibrium voltage and a state of charge of the battery cell.
Eine solche elektronische Schaltung sorgt für eine verbesserte Ladezustandsbestimmung der Batteriezellen eines Batteriesystems, beispielsweise eines elektrischen Fahrzeugs. Bei der elektronischen Schaltung ist bereits nach kurzer Zeit eine SOC-Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden möglich.Such an electronic circuit ensures an improved determination of the state of charge of the battery cells of a battery system, for example an electric vehicle. With the electronic circuit, an SOC determination with higher accuracy is possible after a short time, taking aging into account, using simple, low-calculation methods.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung spezifiziert die vorgegebene mathematische Funktion einen zeitlichen Verlauf der Ruhespannung der Batteriezelle.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the predetermined mathematical function specifies a time profile of the open-circuit voltage of the battery cell.
Mittels Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Ruhespannung über die mathematische Funktion kann die elektronische Schaltung auf effiziente Weise einen Schätzwert der Ruhespannung basierend auf einer linearen Regression der Messwerte bestimmen, wobei der Schätzwert den zeitlichen Verlauf der Ruhespannung sehr genau prädiziert. Damit kann die elektronische Schaltung dann sehr genau auf den Ladezustand der Batteriezelle schließen.By specifying the time profile of the no-load voltage via the mathematical function, the electronic circuit can efficiently determine an estimated value of the no-load voltage based on a linear regression of the measured values, with the estimated value predicting the time profile of the no-load voltage very precisely. The electronic circuit can then very precisely determine the state of charge of the battery cell.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die mathematische Funktion den zeitlichen Verlauf der Ruhespannung der Batteriezelle genau darstellt, um eine schnelle Regression und Approximation zu ermöglichen.This achieves the technical advantage that the mathematical function accurately represents the course of the open-circuit voltage of the battery cell over time in order to enable rapid regression and approximation.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die vorgegebene mathematische Funktion eine lineare Funktion.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the predetermined mathematical function is a linear function.
Wenn die mathematische Funktion eine lineare Funktion ist, kann die elektronische Schaltung den Schätzwert der Ruhespannung schnell und ressourcenschonend bestimmen, d.h. die Rechenzeit ist kurz und es werden keine komplexen Rechenschritte benötigt.If the mathematical function is a linear function, the electronic circuit can determine the estimated value of the open-circuit voltage quickly and in a resource-saving manner, i.e. the calculation time is short and no complex calculation steps are required.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die vorgegebene mathematische Funktion eine lineare Funktion, die abhängig ist von: einem ersten Parameter, oder einem ersten Parameter und einem zweiten Parameter, oder einem ersten Parameter, einem zweiten Parameter und einem dritten Parameter.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the predetermined mathematical function is a linear function that depends on: a first parameter, or a first parameter and a second parameter, or a first parameter, a second parameter and a third parameter.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass weniger Parameter benötigt werden als bei dem bisherigen Verfahren, das vier Parameter benötigt. Die Rechenkomplexität mit drei oder weniger Parametern ist damit geringer als bei dem bisherigen Verfahren.This achieves the technical advantage that fewer parameters are required than in the previous method, which requires four parameters. The computing complexity with three or fewer parameters is therefore lower than in the previous method.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung spezifiziert die vorgegebene mathematische Funktion einen zeitlichen Verlauf der Ruhespannung der Batteriezelle in Abhängigkeit einer Relaxationszeit der Batteriezelle.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the predefined mathematical function specifies a time profile of the open-circuit voltage of the battery cell as a function of a relaxation time of the battery cell.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass der Schätzwert der Ruhespannung in Abhängigkeit der Relaxationszeit der Batteriezelle angegeben werden kann, was eine charakteristische Zeitkonstante der Batteriezelle ist.This achieves the technical advantage that the estimated value of the no-load voltage can be specified as a function of the relaxation time of the battery cell, which is a characteristic time constant of the battery cell.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung bestimmt sich die vorgegebene mathematische Funktion wie folgt:
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass eine solche mathematische Funktion den exponentiellen Verlauf der Ruhespannung der Batteriezelle sehr genau approximieren kann. Die Tests zu den unten dargestellten
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, zumindest einen der drei Parameter basierend auf einer statistischen Auswertung der Messwerte der Ruhespannung und den zugehörigen Zeitwerten, zu denen die Messwerte der Ruhespannung erfasst wurden, zu bestimmen.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the electronic circuit is designed to determine at least one of the three parameters based on a statistical evaluation of the measured values of the no-load voltage and the associated time values at which the measured values of the no-load voltage were recorded.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass eine statistische Auswertung mittels üblicher statistischer Funktionen wie Mittelwert, Varianz, Korrelation bestimmt werden kann, welches Standardfunktionen sind, die effizient und schnell bestimmt werden können.This achieves the technical advantage that a statistical evaluation can be determined using standard statistical functions such as mean value, variance, correlation, which are standard functions that can be determined efficiently and quickly.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, die statistische Auswertung auf die Bestimmung der folgenden Funktionen zu stützen:
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass diese Funktionen leicht aus den vorliegenden Messwerten und Zeitwerten bestimmt werden können. Die Genauigkeit der Prädiktion nimmt mit der Anzahl n der Messwerte zu. Mit zunehmender Anzahl n der Messwerte wird der prädizierte Wert immer genauer.This achieves the technical advantage that these functions can easily be determined from the available measured values and time values. The accuracy of the prediction increases with the number n of measured values. As the number n of measured values increases, the predicted value becomes more and more accurate.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, einen ersten Schätzwert der Gleichgewichtsspannung der Batteriezelle bereits vor Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle durch Bestimmung des ersten Parameters bereitzustellen.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the electronic circuit is designed to provide a first estimated value of the equilibrium voltage of the battery cell by determining the first parameter even before the relaxation time of the battery cell is reached.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass bei Bestimmung des ersten Schätzwertes mit nur Auswertung des ersten Parameters a bereits eine sehr gute Approximation der Ruhespannung vorliegt, wie aus Tests hervorgeht, siehe zum Beispiel
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, einen zweiten Schätzwert der Gleichgewichtsspannung der Batteriezelle bereits vor Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle durch Bestimmung des zweiten Parameters bereitzustellen, wobei sich der zweite Schätzwert als eine Summe des ersten Parameters und des zweiten Parameters bestimmt.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the electronic circuit is designed to provide a second estimated value of the equilibrium voltage of the battery cell before the relaxation time of the battery cell is reached by determining the second parameter, wherein the second estimated value is determined as a sum of the first parameter and the second parameter.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass bei Bestimmung des zweiten Schätzwertes mit Auswertung des ersten Parameters a und des zweiten Parameters b sich eine sehr genaue Approximation der Ruhespannung ergibt. Eine solche Approximation ist zudem ressourcenschonend und schnell mit der elektronischen Schaltung bestimmbar.This achieves the technical advantage that when the second estimated value is determined by evaluating the first parameter a and the second parameter b, a very precise approximation of the no-load voltage results. Such an approximation also saves resources and can be determined quickly with the electronic circuit.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf zumindest des ersten Parameters in einem Speicher abzulegen, und ferner ausgebildet, bei einer weiteren Bestimmung des Ladezustands der Batteriezelle die Gleichgewichtsspannung der Batteriezelle basierend auf dem gespeicherten zeitlichen Verlauf zumindest des ersten Parameters zu bestimmen.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the electronic circuit is designed to store a time profile of at least the first parameter in a memory, and is also designed to determine the equilibrium voltage of the battery cell based on the stored time profile of at least the first parameter in a further determination of the state of charge of the battery cell to determine parameters.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die elektronische Schaltung eine Online-Prädiktion vornehmen kann, welche sich auf Ergebnisse von früheren Schätzungen des zeitlichen Verlaufs stützen kann, was eine noch genauere und schnellere Schätzung ermöglicht. Es verkürzt sich also mit zunehmender Berücksichtigung vergangener Ladezustandsbestimmungen die Zeit, ab der eine genaue Prädiktion des Ladezustands möglich ist. Mit zunehmender Anzahl an Messwerten n»0 wird ein immer genaueres Ergebnis erreicht. Der Begriff „schnell“ bedeutet in diesem Zusammenhang bei gleicher Genauigkeit, aber bereits zu einem früheren Zeitpunkt.This achieves the technical advantage that the electronic circuit can make an online prediction, which can be based on the results of earlier estimates of the course over time, which enables an even more accurate and faster estimate. With increasing consideration of past determinations of the state of charge, the time from which an exact prediction of the state of charge is possible therefore decreases. With an increasing number of measured values n»0, a more and more accurate result is achieved. The term "fast" in this context means with the same accuracy, but at an earlier point in time.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung erstreckt sich der zeitliche Verlauf von einem Start der Bestimmung des Ladezustands bis zum Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the time course extends from the start of the determination of the state of charge until the relaxation time of the battery cell is reached.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass jeweils ein Zyklus des Parameters a vom Start der Messung bis zum Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle gespeichert ist und bei zukünftigen Ladezustandsbestimmungen berücksichtigt werden kann.This achieves the technical advantage that one cycle of the parameter a is stored from the start of the measurement until the relaxation time of the battery cell is reached and can be taken into account in future determinations of the state of charge.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Schaltung ist die elektronische Schaltung ausgebildet, eine Mehrzahl von zeitlichen Verläufen zumindest des ersten Parameters bezogen auf zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmungen des Ladezustands der Batteriezelle in dem Speicher abzulegen, und ferner ausgebildet, eine Alterung der Batteriezelle basierend auf der Mehrzahl der zeitlichen Verläufe des Ladezustands der Batteriezelle zu bestimmen.According to an exemplary embodiment of the electronic circuit, the electronic circuit is designed to store a plurality of time curves of at least the first parameter based on successive determinations of the state of charge of the battery cell in the memory, and is also designed to detect an aging of the battery cell based on the plurality of chronological To determine the state of charge of the battery cell.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Alterung in der Online-Prädiktion der Relaxation der Batteriezelle mitberücksichtigt ist und dass sogar die Alterung aus den aufgenommenen zeitlichen Verläufen explizit bestimmbar ist.This achieves the technical advantage that aging is also taken into account in the online prediction of the relaxation of the battery cell and that even aging can be explicitly determined from the recorded time curves.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Batteriemanagementsystem mit: zumindest einem Lademodul-Controller zur Erfassung einer Mehrzahl von Messwerten einer Ruhespannung an zumindest einer Batteriezelle eines Batteriesystems, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, und von zugehörigen Zeitwerten, zu denen die Messwerte der Ruhespannung erfasst werden; und einer elektronischen Schaltung gemäß dem ersten Aspekt zur Bestimmung des Ladezustands der zumindest einen Batteriezelle des Batteriesystems.According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a battery management system with: at least one charging module controller for detecting a plurality of measured values of an open-circuit voltage in at least one battery cell of a battery system, in particular for an electric vehicle, and of associated time values at which the measured values the open-circuit voltage can be detected; and an electronic circuit according to the first aspect for determining the state of charge of the at least one battery cell of the battery system.
Wie bei der elektronischen Schaltung gemäß dem ersten Aspekt ergibt sich auch hier der Vorteil einer verbesserten Ladezustandsbestimmung der Batteriezellen eines Batteriesystems, beispielsweise eines elektrischen Fahrzeugs. Bei einem solchen Batteriemanagementsystem ist bereits nach kurzer Zeit eine SOC-Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden möglich.As with the electronic circuit according to the first aspect, the advantage of an improved determination of the state of charge of the battery cells of a battery system, for example an electric vehicle, also results here. With such a battery management system, an SOC determination with greater accuracy is possible after just a short time, taking aging into account, using simple, computationally efficient methods.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle eines Batteriesystems, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erhalten einer Mehrzahl von Messwerten einer Ruhespannung der Batteriezelle mit zugehörigen Zeitwerten, zu denen die Messwerte der Ruhespannung erfasst wurden; Bestimmen einer Gleichgewichtsspannung der Batteriezelle basierend auf einer linearen Regression der Mehrzahl von Messwerten der Ruhespannung bezüglich einer vorgegebenen mathematischen Funktion der den Messwerten der Ruhespannung zugehörigen Zeitwerten; und Bestimmen des Ladezustands der Batteriezelle basierend auf einer vorgegebenen Kennlinie, welche einen Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtsspannung und einem Ladezustand der Batteriezelle angibt.According to a third aspect of the invention, the object is achieved by a method for determining a state of charge of a battery cell of a battery system, in particular for an electric vehicle, the method having the following steps: Obtaining a plurality of measured values of an open-circuit voltage of the battery cell with associated time values which the measured values of the open-circuit voltage were taken; determining an equilibrium voltage of the battery cell based on a linear regression of the plurality of open circuit voltage measurements with respect to a predetermined mathematical function of the time values associated with the open circuit voltage measurements; and determining the load State of the battery cell based on a predetermined characteristic curve, which indicates a relationship between the equilibrium voltage and a state of charge of the battery cell.
Wie bei der elektronischen Schaltung gemäß dem ersten Aspekt ergibt sich auch bei dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Vorteil einer verbesserten Ladezustandsbestimmung der Batteriezellen eines Batteriesystems, beispielsweise eines elektrischen Fahrzeugs. Bei einem solchen Verfahren ist bereits nach kurzer Zeit eine SOC-Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden möglich.As with the electronic circuit according to the first aspect, the method according to the third aspect also has the advantage of improved determination of the state of charge of the battery cells of a battery system, for example an electric vehicle. With such a method, an SOC determination with higher accuracy is possible after a short time, taking aging into account, using simple, computationally efficient methods.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt auf einer elektronischen Schaltung gemäß dem ersten Aspekt oder einem Batteriemanagementsystem gemäß dem zweiten Aspekt.According to a fourth aspect of the invention, the object is achieved by a computer program with a program code for executing the method according to the third aspect on an electronic circuit according to the first aspect or a battery management system according to the second aspect.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass das Computerprogramm einfach auf einem Fahrzeugsteuergerät ausgeführt werden kann, welches die Echtzeitanforderung stückkostenneutral umsetzen kann, ohne dass zusätzliche externe Hardware-Komponenten benötigt werden.This achieves the technical advantage that the computer program can be easily executed on a vehicle control unit, which can implement the real-time requirement with no unit costs, without the need for additional external hardware components.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung 100 zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle gemäß der Offenbarung; -
2 eine Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs 200 der Ruhespannung einer Batteriezelle; -
3 eine Darstellung derAbweichung 300 zwischen Messwert und Schätzwert der Ruhespannung einer Batteriezelle bei einer Temperatur von -10 Grad Celsius gemäß einem Beispiel; -
4 eine Darstellung derAbweichung 400 zwischen Messwert und Schätzwert der Ruhespannung einer Batteriezelle bei einer Temperatur von +10 Grad Celsius gemäß einem Beispiel; -
5 eine Darstellung derAbweichung 500 zwischen Messwert und Schätzwert der Ruhespannung einer Batteriezelle bei einer Temperatur von +25 Grad Celsius gemäß einem Beispiel; -
6 eine Darstellung einerKennlinie 600, welche den Zusammenhang zwischen Gleichgewichtsspannung und Ladezustand einer Batteriezelle beschreibt, sowie des Parameters a bei einer Temperatur von +25 Grad Celsius gemäß einem Beispiel; und -
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle gemäß der Offenbarung.
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1 a schematic representation of anelectronic circuit 100 for determining a state of charge of a battery cell according to the disclosure; -
2 an illustration of anexemplary time profile 200 of the open-circuit voltage of a battery cell; -
3 an illustration of thedeviation 300 between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage of a battery cell at a temperature of -10 degrees Celsius according to an example; -
4 an illustration of thedeviation 400 between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage of a battery cell at a temperature of +10 degrees Celsius according to an example; -
5 an illustration of thedeviation 500 between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage of a battery cell at a temperature of +25 degrees Celsius according to an example; -
6 a representation of acharacteristic curve 600, which describes the relationship between the equilibrium voltage and the state of charge of a battery cell, as well as the parameter a at a temperature of +25 degrees Celsius according to an example; and -
7 a schematic representation of amethod 700 for determining a state of charge of a battery cell according to the disclosure.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense. Furthermore, it is understood that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another, unless specifically stated otherwise.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.The aspects and embodiments are described with reference to the drawings, wherein like reference numbers generally refer to like elements. In the following description, numerous specific details are set forth for purposes of explanation in order to provide a thorough understanding of one or more aspects of the invention. However, it may be apparent to a person skilled in the art that one or more aspects or embodiments can be practiced with a lesser degree of specific detail. In other instances, well-known structures and elements are shown in schematic form in order to facilitate describing one or more aspects or embodiments. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention.
In der folgenden Beschreibung wird auf Batteriezellen und das Batteriemanagementsystem (BMS) Bezug genommen, sowie auf Charge Modul Controller (CMCs). Damit Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen sicher betrieben werden können, müssen die Zellspannungen und -temperaturen kontinuierlich überwacht werden. Dies geschieht über eine Überwachungselektronik, der Cell Supervision Electronics- oder kurz CSE. Die einzelnen Zellen in einer Batterie werden zu Zellmodulen zusammengefasst. Jedes Zellmodul verfügt über eine Überwachungselektronik, die CSE, an welche die Batteriezellen angeschlossen sind. Die CSE misst die Spannung und die Temperatur der Zellen.In the following description, reference is made to battery cells and the battery management system (BMS), as well as charge module controllers (CMCs). So that battery cells, such as lithium For ion cells to operate safely, cell voltages and temperatures must be continuously monitored. This is done via monitoring electronics, the Cell Supervision Electronics or CSE for short. The individual cells in a battery are combined into cell modules. Each cell module has monitoring electronics, the CSE, to which the battery cells are connected. The CSE measures the voltage and temperature of the cells.
Das BMS ist das zentrale Steuergerät einer Batterie. Beim BMS laufen die Informationen der einzelnen Zellüberwachungen, der CSEs, zusammen. Das BMS ermittelt anhand der Zellspannungen den aktuellen Ladezustand (SOC = State of Charge), gibt den Befehl zum Balancing und übernimmt die Kommunikation mit dem Fahrzeug. Außerdem wird sichergestellt, dass die Batteriezellen nicht überladen oder zu stark entladen werden.The BMS is the central control unit of a battery. The information from the individual cell monitors, the CSEs, comes together at the BMS. The BMS uses the cell voltages to determine the current state of charge (SOC = State of Charge), issues the command for balancing and takes over communication with the vehicle. It also ensures that the battery cells are not overcharged or over-discharged.
Im Folgenden wird das Verhalten von Batteriezellen in Abhängigkeit der Relaxationszeit beschrieben. Die Relaxationszeit beschreibt hierbei die charakteristische Zeit, in welcher sich ein System, d.h. hier die Batteriezelle, (meist exponentiell) dem stationären Zustand annähert. Der stationäre Zustand entspricht hier der Gleichgewichtsspannung an der Batteriezelle. Anschaulich hat sich das System nach der Dauer einer Relaxationszeitkonstante merklich auf seinen Gleichgewichtszustand zubewegt; nach der Dauer von drei bis sechs Relaxationszeitkonstanten kann man gewöhnlich von einer weitgehend abgeschlossenen Relaxation ausgehen.The behavior of battery cells as a function of the relaxation time is described below. The relaxation time describes the characteristic time in which a system, i.e. here the battery cell, approaches (usually exponentially) the stationary state. The stationary state here corresponds to the equilibrium voltage on the battery cell. Clearly, after a relaxation time constant has elapsed, the system has noticeably moved towards its state of equilibrium; after a period of three to six relaxation time constants, one can usually assume that the relaxation is largely complete.
In der folgenden Beschreibung wird Bezug genommen auf elektronische Schaltungen. Eine elektronische Schaltung ist ein Zusammenschluss von elektrischen und insbesondere elektronischen Bauelementen (beispielsweise Dioden und Transistoren) zu einer funktionierenden Anordnung. Elektronische Schaltungen können sehr einfache Funktionen erfüllen, wie z. B. das Blinken einer Lampe oder die Steuerung einer automatischen Tür. Aber auch vielen komplexen technischen Geräten, wie z. B. Computern oder elektrischen Fahrzeugen liegen elektronische Schaltungen zugrunde, häufig in Form von integrierten Schaltungen (ICs). Ein IC enthält typischerweise eine Kombination von zahlreichen miteinander elektrisch verbundenen elektronischen Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Dioden und/oder weiteren aktiven und passiven Bauelementen.In the following description reference is made to electronic circuits. An electronic circuit is a combination of electrical and, in particular, electronic components (e.g. diodes and transistors) to form a functioning arrangement. Electronic circuits can perform very simple functions such as B. the flashing of a lamp or the control of an automatic door. But also many complex technical devices, such. B. computers or electric vehicles are based on electronic circuits, often in the form of integrated circuits (ICs). An IC typically contains a combination of numerous electronic semiconductor components which are electrically connected to one another, such as transistors, diodes and/or other active and passive components.
Die elektronische Schaltung 100 ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Messwerten 101 einer Ruhespannung der Batteriezelle mit zugehörigen Zeitwerten 102, zu denen die Messwerte 101 der Ruhespannung erfasst wurden, zu erhalten. Die elektronische Schaltung 100 ist ferner ausgebildet, eine Gleichgewichtsspannung 112 der Batteriezelle basierend auf einer linearen Regression 110 der Mehrzahl von Messwerten 101 der Ruhespannung bezüglich einer vorgegebenen mathematischen Funktion 111 der den Messwerten 101 der Ruhespannung zugehörigen Zeitwerten 102 zu bestimmen. Die elektronische Schaltung 100 ist ferner ausgebildet, den Ladezustand 114 der Batteriezelle basierend auf einer vorgegebenen Kennlinie 113 zu bestimmen, welche einen Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtsspannung 112 und einem Ladezustand 114 der Batteriezelle angibt.The
Mit Hilfe der elektronischen Schaltung 100 kann nach einer kurzen Zeit bereits eine SOC Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden erfolgen.With the help of the
Der zeitliche Verlauf der Ruhespannung hin zur Gleichgewichtsspannung der Zellen in der Batterie wird mit einer neuen mathematischen Funktion 111 gefittet, deren Parameter nach wenigen Datenpunkten bereits genau online bestimmt werden können. Damit werden Zelltoleranzen, Messfehler und Alterungseffekte, die sich auf die Werte der Parameter auswirken, mit berücksichtigt. Die Parameter lassen sich wegen des Funktionstyps mit Hilfe einer rechensparsamen Regressionsmethode 110 bestimmen.The time course of the off-load voltage towards the equilibrium voltage of the cells in the battery is fitted with a new
Die elektronische Schaltung 100 kann in Hardware und/oder Software aufgebaut sein.The
In der elektronischen Schaltung 100 kann die vorgegebene mathematische Funktion 111 einen zeitlichen Verlauf 200 der Ruhespannung der Batteriezelle spezifizieren, wie beispielsweise in
Die vorgegebene mathematische Funktion 111 kann eine lineare Funktion sein.The predetermined
Beispielsweise kann die vorgegebene mathematische Funktion 111 eine lineare Funktion sein, die abhängig ist von: einem ersten Parameter (im Folgenden als Parameter a bezeichnet), oder einem ersten Parameter und einem zweiten Parameter (im Folgenden als Parameter b bezeichnet), oder einem ersten Parameter, einem zweiten Parameter und einem dritten Parameter (im Folgenden als Parameter c bezeichnet).For example, the predetermined
Die vorgegebene mathematische Funktion 111 kann einen zeitlichen Verlauf 200 der Ruhespannung der Batteriezelle, wie z.B. in
Zum Beispiel kann sich die vorgegebene mathematische Funktion 111 wie folgt bestimmen:
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, zumindest einen der drei Parameter basierend auf einer statistischen Auswertung der Messwerte 101 der Ruhespannung und den zugehörigen Zeitwerten 102, zu denen die Messwerte 101 der Ruhespannung erfasst wurden, zu bestimmen.The
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, die statistische Auswertung auf die Bestimmung der folgenden Funktionen zu stützen:
Hierbei bezeichnen yi die Messwerte 101 der Ruhespannung und xi die zugehörigen Zeitwerte 102, zu denen die Messwerte 101 der Ruhespannung erfasst wurden, wie unten näher beschrieben.In this case, y i designates the measured
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, einen ersten Schätzwert der Gleichgewichtsspannung 112 der Batteriezelle bereits vor Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle durch Bestimmung des ersten Parameters bereitzustellen, wie unten näher beschrieben.The
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, einen zweiten Schätzwert der Gleichgewichtsspannung 112 der Batteriezelle bereits vor Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle durch Bestimmung des zweiten Parameters bereitzustellen, wobei sich der zweite Schätzwert als eine Summe des ersten Parameters und des zweiten Parameters bestimmt, wie unten näher dargestellt.The
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, einen zeitlichen Verlauf 600 zumindest des ersten Parameters 602 in einem Speicher abzulegen. Die elektronische Schaltung 100 kann ferner ausgebildet sein, bei einer weiteren Bestimmung des Ladezustands 114 der Batteriezelle die Gleichgewichtsspannung 112 der Batteriezelle basierend auf dem gespeicherten zeitlichen Verlauf 600 zumindest des ersten Parameters 602 zu bestimmen, wie unten zu
Der zeitliche Verlauf 600 kann sich von einem Start der Bestimmung des Ladezustands 114 bis zum Erreichen der Relaxationszeit der Batteriezelle erstrecken, wie unten näher beschrieben.The
Die elektronische Schaltung 100 kann ausgebildet sein, eine Mehrzahl von zeitlichen Verläufen 600 zumindest des ersten Parameters 602 bezogen auf zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmungen des Ladezustands 114 der Batteriezelle in dem Speicher abzulegen, wie unten zu
Die elektronische Schaltung 100 kann in einem Batteriemanagementsystem (BMS), z.B. eines elektrischen Fahrzeugs, eingesetzt werden. Solch ein Batteriemanagementsystem umfasst zumindest einen Lademodul-Controller zur Erfassung einer Mehrzahl von Messwerten 101 einer Ruhespannung an zumindest einer Batteriezelle eines Batteriesystems, z.B. eines elektrischen Fahrzeugs, und von zugehörigen Zeitwerten 102, zu denen die Messwerte 101 der Ruhespannung erfasst werden. Das Batteriemanagementsystem umfasst die oben beschriebene elektronische Schaltung 100 zur Bestimmung des Ladezustands 114 der zumindest einen Batteriezelle des Batteriesystems.The
Im Folgenden wird die Funktionsweise der elektronischen Schaltung 100 am Beispiel einer Lithium-Ionen Zelle näher beschrieben.The functioning of the
Die Neuerung ist, das die Relaxation einer Lithium-Ionen-Zelle, beschrieben durch Ucell (t) die Zellspannung [V] nicht mehr mit dem in der Literatur üblichen Exponentialansatz:
Hierbei bezeichnen τƒ = RƒCƒ und τct = RctCdl verschiedene Zeitkonstanten mit Rƒ Polarisationswiderstand und Cƒ Kapazität, sowie RT die Relaxationszeit. In der neuen mathematischen Funktion 111 sind a, b, c Parameter, die mittels des bekannten Verfahrens „Regression“ online in Abhängigkeit von der Alterung, dem Ladezustand und der Temperatur der Zelle bestimmt werden. Bei der Variablen t handelt es sich in diesem Anwendungsfall (Relaxation) um die Zeit, die im Folgenden in „x“ umbenannt wird.Here τ ƒ = R ƒ C ƒ and τ ct = R ct C dl denote different time constants with R ƒ polarization resistance and C ƒ capacitance, and RT the relaxation time. In the new
Das besondere an der neuen Funktion 111 ist, das es sich hierbei um eine lineare Gleichung handelt, bei der die Parameter genauso wie bei der Geradengleichung mathematisch durch Least Square Fitting bestimmt werden können.What is special about the
Die Anpassung der vertikalen kleinsten Quadrate (Least Square Fitting) erfolgt beispielsweise durch Ermitteln der Summe der Quadrate der vertikalen Abweichungen R2 eines Satzes von n Datenpunkten:
Für die oben genannte Funktion f. Die notwendige Bedingung, dass R2 ein Minimum ist, ist die folgende:
Diese Gleichungen können nach den Parametern a, b, c aufgelöst werden. Mit den Abkürzungen:
Für die Bestimmung der Parameter a, b und c werden also die n Datenpunkte aus Zeit und Spannungswert verwendet. Wie bisher gilt: je größer n ist, desto genauer kann mit der Funktion die Gleichgewichtsspannung prädiziert werden.The n data points from time and voltage value are therefore used to determine the parameters a, b and c. As before, the following applies: the larger n is, the more precisely the equilibrium voltage can be predicted with the function.
Nach der Formel ergibt sich für die Gleichgewichtsspannung der Zelle nach der Relaxationszeit RT der Zusammenhang:
Zum einen liegen Messwerte vor, bei denen die Zeit t kleiner als RT ist. Zum anderen ist b sehr klein. Wenn also a für die Gleichgewichtsspannung genommen wird, dann wird der nahezu konstante Wert des Funktionsverlaufs genommen. Selbst wenn t noch kleiner als RT ist, d.h. θ < 1, bedeutet das hier, dass
Im Folgenden wird der Algorithmus erklärt, mit denen schon nach kurzer Zeit eine genaue Ladezustandsbestimmung mit Hilfe der Ruhespannung möglich ist. Die Werte für den Parameter „a“ der Funktion werden z.B. nach 15 Minuten in einem Kennfeld aufgenommen und falls nahezu die Gleichgewichtsspannung mit SOC Berechnung vorliegt, z.B. nach der Relaxationszeit RT, gespeichert. Wie in der Abbildung der
Wenn dieser Algorithmus hinreichend angelernt ist, kann z.B. bereits nach 15 Minuten der Endwert folgendermaßen bestimmt werden: Der SOC-Bereich wird in vier gleichgroße Bereiche unterteilt und die Wertepaare {a, SOC} wieder mit der gleichen Fitfunktion gefittet. Es empfiehlt sich, neue Parameter unter einem anderem Namen zu speichern. z.B. alpha, beta, gamma. Bei der nächsten Ruhephase kann dann nach kurzer Zeit bereits der zu erwartende Ladezustand berechnet werden. Die Werte in der Tabelle werden dann in regelmäßigen Abständen aktualisiert, um hier die Alterung zu berücksichtigen.If this algorithm has been trained sufficiently, the end value can be determined as follows after 15 minutes, for example: The SOC range is divided into four equal ranges and the pairs of values {a, SOC} are fitted again with the same fit function. It is advisable to save new parameters under a different name. e.g. alpha, beta, gamma. During the next rest phase, the expected state of charge can then be calculated after a short time. The values in the table are then updated at regular intervals to take aging into account.
Die Ruhespannung startet zur Zeit t=0 bei einem Spannungswert von etwa 3,505 V und geht dann näherungsweise exponentiell in den Gleichgewichtszustand über, der nach etwa 8000 Sekunden erreicht wird. Es stellt sich dann eine Gleichgewichtsspannung von etwa 3,53 V ein. Der zeitliche Verlauf 200 ist bei einer Temperatur von -10 Grad Celsius gemessen worden.The open-circuit voltage starts at time t=0 at a voltage value of about 3.505 V and then transitions approximately exponentially to the equilibrium state, which is reached after about 8000 seconds. An equilibrium voltage of about 3.53 V is then established. The
Mit Hilfe der oben beschriebenen elektronischen Schaltung ist nach einer kurzen Zeit bereits eine SOC Bestimmung mit höherer Genauigkeit unter Berücksichtigung der Alterung mit einfachen rechensparsamen Methoden möglich. Dies ist in der Abbildung der
Der Verlauf der Ruhespannung wird so gut extrapoliert, dass in der Darstellung der
Für die Prädiktion der Gleichgewichtsspannung nach kurzer Zeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und Ladezuständen werden erstmals statt 4 Parameter nur noch 3 Parameter benötigt, was den Speicheraufwand minimiert. Desweiteren werden nur lineare statt nichtlineare Regressionsmethoden zur Online-Bestimmung der Parameter benötigt, sodass hier die Rechenzeit weiter optimiert werden kann. Der Vergleich der Ergebnisse aus bisherigem Verfahren 301, d.h. mit dem üblichen Exponentialansatz:
Das hier vorgestellte Verfahren eignet sich für alle Energiezellen, insbesondere Polymerzellen wie Silizium-Polymerzellen als auch Bleibatteriezellen. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse mit herkömmlichen Blei-Starter-Batterien erzielt werden können, d.h. Batteriezellen, welche heute in fast allen KFZ als Starter-Batterien genutzt werden. Die elektronische Schaltung 100 kann somit vorteilhafterweise auch im Zusammenhang mit Starterbatterien, die z.B. auf Bleibasis hergestellt sind, eingesetzt werden, beispielsweise in einem BMS-System zur Überwachung der Starterbatterie.The method presented here is suitable for all energy cells, in particular polymer cells such as silicon polymer cells as well as lead battery cells. It has been shown that particularly good results can be achieved with conventional lead starter batteries, i.e. battery cells which are used as starter batteries in almost all vehicles today. The
Auch hier zeigt der neue Ansatz 402 bei nur einem SOC-Wert ein deutlich schlechteres Ergebnis, sonst aber ein ähnliches oder auch besseres Ergebnis.Here, too, the
Auch hier zeigt der neue Ansatz 502 bei nur einem SOC-Wert ein deutlich schlechteres Ergebnis, sonst aber ein ähnliches oder auch besseres Ergebnis.Here, too, the
Zusammenfassend lässt sich feststellen: Der Vorteil besteht darin, dass mit dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Ansatz der verfügbare Speicher (RAM) und die Leistung der CPU verbessert werden kann, d.h. zusätzliche und komplexere Algorithmen auf der BMU können bei gleicher Hardware umgesetzt werden. Bei gleichbleibender Funktion eines Batteriekerns („BatteryCore“) kann damit unter Umständen ein günstigerer Chip eingesetzt werden.In summary, it can be stated: The advantage is that the available memory (RAM) and the performance of the CPU can be improved with the inventive approach presented here, i.e. additional and more complex algorithms can be implemented on the BMU with the same hardware. With the same function of a battery core ("BatteryCore"), a cheaper chip can be used under certain circumstances.
Der Parameter a ergibt sich aus der neuen mathematischen Funktion, wie bereits oben zu
In der Kennlinie ergibt sich bei einer Gleichgewichtsspannung von 3,4 V in etwa ein Ladezustand von 10 Prozent. Bei einer Gleichgewichtsspannung von 3,6 V ergibt sich in etwa ein Ladezustand von 35 Prozent. Bei einer Gleichgewichtsspannung von 4 V ergibt sich ein Ladezustand von 80 Prozent. Bei einer Gleichgewichtsspannung von 4,2 V ergibt sich in etwa ein Ladezustand von 98 Prozent. Zwischen dem Messwert 601 der Gleichgewichtsspannung und dem Schätzwert 602 der Gleichgewichtsspannung, hier durch den Parameter a repräsentiert, ist so gut wie kein Unterschied zu erkennen, außer vielleicht bei sehr niedrigen SOC-Werten.In the characteristic curve, an equilibrium voltage of 3.4 V results in a state of charge of approximately 10 percent. With an equilibrium voltage of 3.6 V, the state of charge is approximately 35 percent. With an equilibrium voltage of 4 V, the state of charge is 80 percent. With an equilibrium voltage of 4.2 V, the state of charge is approximately 98 percent. Almost no difference can be seen between the measured
Basierend auf der in
Wenn dieser Algorithmus hinreichend angelernt ist, kann z.B. bereits nach kurzer Zeit, also noch weit vor der Relaxationszeit, der Endwert folgendermaßen bestimmt werden: Der SOC-Bereich wird in vier gleichgroße Bereiche unterteilt und die Wertepaare {a, SOC} wieder mit der gleichen Fitfunktion gefittet. Es empfiehlt sich, neue Parameter unter einem anderen Namen zu speichern. z.B. alpha, beta, gamma. Bei der nächsten Ruhephase kann dann nach kurzer Zeit bereits der zu erwartende Ladezustand berechnet werden. Die Werte in der Tabelle werden dann in regelmäßigen Abständen aktualisiert, um hier die Alterung zu berücksichtigen.If this algorithm has been trained sufficiently, the end value can be determined as follows after a short time, i.e. well before the relaxation time: The SOC range is divided into four equal ranges and the value pairs {a, SOC} are again used with the same fit function fitted. It is advisable to save new parameters under a different name. e.g. alpha, beta, gamma. During the next rest phase, the expected state of charge can then be calculated after a short time. The values in the table are then updated at regular intervals to take aging into account.
Das Verfahren 700 umfasst die folgenden Schritte: Erhalten 701 einer Mehrzahl von Messwerten 101 einer Ruhespannung der Batteriezelle mit zugehörigen Zeitwerten 102, zu denen die Messwerte 101 der Ruhespannung erfasst wurden, wie z.B. oben zu
Ferner kann ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens 700 auf einer elektronischen Schaltung 100 oder einem Batteriemanagementsystem, wie oben zu
Bezugszeichenlistereference list
- 100100
- elektronische Schaltungelectronic switch
- 101101
- Messwerte der Ruhespannung der BatteriezelleMeasurements of the open-circuit voltage of the battery cell
- 102102
- zugehörige Zeitwerte, zu denen die Messwerte der Ruhespannung erfasst wurdenAssociated time values at which the measured values of the no-load voltage were recorded
- 110110
- Lineare RegressionLinear regression
- 111111
- vorgegebene, mathematische Funktionpredetermined mathematical function
- 112112
- Gleichgewichtsspannungequilibrium voltage
- 113113
- vorgegebene Kennlinie, welche Zusammenhang zwischen Gleichgewichtsspannung und Ladezustand der Batteriezelle angibtSpecified characteristic, which indicates the relationship between the equilibrium voltage and the state of charge of the battery cell
- 114114
- Ladezustand, SoC state of charge, SoC
- 200200
- zeitlicher Verlauf der Ruhespannung time course of the open-circuit voltage
- 300300
- Abweichung zwischen Messwert und Schätzwert der RuhespannungDeviation between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage
- 301301
- Abweichung bei ExponentialansatzDeviation with exponential approach
- 302302
- Abweichung bei erfindungsgemäßem Ansatz Deviation in the approach according to the invention
- 400400
- Abweichung zwischen Messwert und Schätzwert der RuhespannungDeviation between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage
- 401401
- Abweichung bei ExponentialansatzDeviation with exponential approach
- 402402
- Abweichung bei erfindungsgemäßem Ansatz Deviation in the approach according to the invention
- 500500
- Abweichung zwischen Messwert und Schätzwert der RuhespannungDeviation between the measured value and the estimated value of the open-circuit voltage
- 501501
- Abweichung bei ExponentialansatzDeviation with exponential approach
- 502502
- Abweichung bei erfindungsgemäßem Ansatz Deviation in the approach according to the invention
- 600600
- Kennlinie, welche den Zusammenhang zwischen Gleichgewichtsspannung und Ladezustand einer Batteriezelle beschreibt Characteristic that describes the relationship between the equilibrium voltage and the state of charge of a battery cell
- 700700
- Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer BatteriezelleMethod for determining the state of charge of a battery cell
- 701701
- erster Verfahrensschrittfirst step in the process
- 702702
- zweiter Verfahrensschrittsecond process step
- 703703
- dritter Verfahrensschrittthird step
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