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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest eines approximierten Ruhespannungswerts einer Ruhespannung mindestens einer ersten Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen. Dabei wird ein Ladungsausgleichsverfahren zum Anpassen eines Anfangsladezustands der mindestens einen ersten Batteriezelle an zumindest einen zweiten Ladezustand mindestens einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen durchgeführt, wobei bei dem Ladungsausgleichsverfahren die mindestens eine erste Batteriezelle ausgehend von dem Anfangs-Ladezustand auf einen End-Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle entladen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug.
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Ladungsausgleichsverfahren, die typischerweise auch als Balancing bezeichnet werden, sind in ausreichender Weise aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden dabei die Batteriezellen einer Batterie mit höheren Zellspannungen auf das Niveau der niedrigeren Zellspannungen der übrigen Zellen entladen. Dabei kann beispielsweise ein Batteriesteuergerät den Spannungsunterschied zwischen den Zellen ermitteln und daraus die notwendigen Balancing-Zeiten berechnen. Ein solches Balancing kann dabei für jede Batteriezelle einzeln oder auch für parallele Zellgruppen einer Batterie durchgeführt werden. Üblicherweise werden die einzelnen Zellen beziehungsweise Zellgruppen dabei über Widerstände entladen. Ein Ladungsausgleichsverfahren ist beispielsweise auch in der
DE 11 2012 001 144 T5 sowie in der
DE 10 2011 054 040 B4 beschrieben.
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Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, eine Ruhespannung einer Batterie beziehungsweise Batteriezelle zu ermitteln. Um einen solchen Ruhespannungswert möglichst genau ermitteln zu können, muss nach einem Betriebszustand der Batteriezelle, in welchem diese also zum Teil geladen oder entladen wurde, eine ausreichende Zeit gewartet werden, bis zellinterne Vorgänge ausreichend abgeklungen sind, die ansonsten zu einer zu großen Abweichung der gemessenen Spannung von der tatsächlichen Ruhespannung führen würden. Entsprechend wird die Ruhespannung der Batteriezellen typischerweise in längeren Ruhephasen des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel während längerer Standzeiten gemessen. Über die ermittelte Ruhespannung kann beispielsweise mittels eines Ruhespannungskennlinienfeldes, welches auch als OCV(Open Circuit Voltage)-Kennfeld, OCV-Kennlinienfeld oder auch nur als OCV-Kennlinie bezeichnet wird, und den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung einer Batteriezelle und deren Ladezustand beschreibt, insbesondere für verschiedenen Temperaturbereiche, entsprechend der Ladezustand einer Batteriezelle ermittelt werden. Dies stellt oft ein sehr genaues Ermittlungsverfahren für den Ladezustand der Batteriezelle dar, ist jedoch nur selten anwendbar, da die Ruhespannung nur in Ruhephasen der Batterie als ausreichend genauer approximierter Ruhespannungswert ermittelt werden kann. Ist ein bestimmter Anfangs-Ladezustand einer Batteriezelle bekannt, zum Beispiel ermittelt basierend auf der gemessenen Ruhespannung, so kann im Betrieb der Batteriezelle durch Erfassen des Lade- oder Entladestroms und zeitliches Aufintegrieren dieses Lade- oder Entladestroms auch auf den entsprechenden Ladezustand der Batteriezelle nach einer solchen Betriebsphase hochgerechnet werden. Zudem lässt sich auf Basis einer solchen Stromintegration des Betriebsstroms und der durch diesen bedingten Ladezustandsänderung einer Batteriezelle deren Kapazität ermitteln. Auch hierfür ist es erforderlich, vor und nach dieser Betriebsphase die Ruhespannung zu ermitteln. Entsprechend lässt sich die Kapazität einer Batterie ebenfalls nur selten ermitteln. Wünschenswert wäre es daher, die Ruhespannung einer Batteriezelle als ausreichend genauen approximierten Ruhespannungswert deutlich häufiger ermitteln zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst häufige Ermittlung eines approximierten Ruhespannungswerts einer Ruhespannung mindestens einer ersten Batteriezelle einer Batterie erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, durch eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen zumindest eines approximieren Ruhespannungswerts einer Ruhespannung mindestens einer ersten Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen wird ein Ladungsausgleichsverfahren zum Anpassen eines Anfangs-Ladezustands der mindestens einen ersten Batteriezelle an zumindest einen zweiten Ladezustand mindestens einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen durchgeführt, wobei bei dem Ladungsausgleichsverfahren die mindestens eine erste Batteriezelle ausgehend von dem Anfangs-Ladezustand auf einen End-Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle entladen wird. Dabei wird während des Entladens der mindestens einen ersten Batteriezelle zu mindestens einem bestimmten Messzeitpunkt, der von einem Startzeitpunkt des Entladens verschieden ist, ein Zellspannungswert einer Zellspannung der mindestens einen ersten Batteriezelle gemessen und der Zellspannungswert als der approximierte Ruhespannungswert der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitgestellt.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass während eines Ladungsausgleichsverfahrens, dem so genannten Balancing, üblicherweise eine konstante Entladung von Zellen oder Zellgruppen mit einem konstanten und vor allem sehr niedrigen Strom durchgeführt wird. Durch den niedrigen Strom sind die Zellen beziehungsweise Zellgruppen nahezu in Ruhe. Ein solches Balancing wird typischerweise auch oft während Standzeiten des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Entsprechend unterscheiden sich die Zellspannungswerte der Batteriezellen während eines solchen Balancings kaum von deren Ruhespannungswerten für jeweilige zugehörige Ladezustände. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise, die während eines solchen Balancings erfassten Zellspannungswerte als approximierte Ruhespannungswerte bereitzustellen. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise die Ruhespannung einer Batteriezelle deutlich häufiger ermitteln. Wenngleich auch ein solches Balancing ebenfalls hauptsächlich nur in Ruhephasen der Batterie durchgeführt wird, so durchläuft eine Batteriezelle beim Entladen während eines solchen Balancings mehrere verschiedene Ladezustände. Dies wiederum ermöglicht es, die Ruhespannung der Batteriezelle in Form verschiedener approximierter Ruhespannungswerte für verschiedene Ladezustände der Batteriezelle im Zuge des gleichen Ladungsausgleichsverfahrens und insbesondere in einer einzelnen „Quasi-Ruhephase“ zu ermitteln. Im Gegensatz dazu lässt sich bisher die Ruhespannung einer Batteriezelle in einer einzelnen Ruhephase der Batterie beziehungsweise des Kraftfahrzeugs nur für einen einzelnen Ladezustand der Zelle ermitteln. Zudem kann das beschriebene Verfahren nicht nur als Alternative zu bisherigen Verfahren zur Ermittlung der Ruhespannung beziehungsweise approximierter Ruhespannungswerte gesehen werden, sondern zusätzlich zu bisherigen Verfahren ausgeführt werden. So kann die Häufigkeit zur Ermittlung eines approximierten Ruhespannungswerts noch zusätzlich gesteigert werden. Ein weiterer großer Vorteil bei der Ermittlung des approximierten Ruhespannungswerts während eines Balancing-Verfahrens besteht zudem noch darin, dass ein Zell-Balancing typischerweise bei jeder Temperatur durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es zudem auch, temperaturabhängige Kennwerte, insbesondere approximierte Ruhespannungswerte, zu bestimmen. Auch werden bei einer intakten Batterie typischerweise immer verschiedene Zellen und Zellgruppen gebalanced, was dazu führt, dass jede Zelle irgendwann Balancingbedarf hat. Entsprechend kann gemäß diesem Verfahren ein approximierter Ruhespannungswert, insbesondere eine gesamte Ruhespannungskurve im Laufe der Zeit über mehrere Balancingvorgänge hinweg für alle Batteriezellen ermittelt werden. Bei einem Balancingvorgang einer Batteriezelle wird von der Batteriezelle typischerweise kein kompletter SOC-Bereich, d.h. Ladezustandsbereich, durchlaufen, sondern nur ein kleiner Ladezustandsbereich. Da jedoch ein solcher Balancingvorgang im Zuge von Wiederholungen bei verschiedenen Ladezuständen bzw. in verschiedenen Ladezustandsbereichen einer Batteriezelle ausgeführt wird, kann eine solche Kennlinie, d.h. die oben genannte Ruhespannungskurve, durch mehrere Balancingvorgänge bei verschiedenen Ladezuständen komplettiert werden. Auch auf Basis der Ruhespannungswerte ermittelte weitere Größen, wie zum Beispiel die Kapazität einer Batteriezelle oder Batterie, sowie Alterungseffekte basierend auf einer Veränderung dieser Kenngrößen lassen sich so deutlich häufiger ermitteln. Die betreffenden Werte und Kenngrößen können damit insgesamt viel aktueller und genauer bereitgestellt werden.
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Bei der Batterie kann es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug handeln. Diese umfasst typischerweise mehrere, insbesondere vielzellige Batteriezellen. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Weiterhin kann unter der mindestens einen ersten Batteriezelle auch eine Zellgruppe aus mehreren parallel geschalteten ersten Batteriezellen verstanden werden. Mit anderen Worten kann das beschriebene Verfahren für jede Batteriezelle einzeln durchgeführt werden oder auch für einzelne Zellgruppen mit jeweils mehreren parallel geschalteten Batteriezellen. Das Ladungsausgleichsverfahren, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Balancing bezeichnet wird, kann wie eingangs beschrieben ausgeführt werden. Ziel eines solchen Balancing ist es, möglichst alle Zellen beziehungsweise Zellgruppen einer Batterie auf einem gleichen Ladungszustand zu halten. Hintergrund ist, dass einzelne Zellen sich alterungsbedingt und fertigungsbedingt im Betrieb immer mehr oder weniger unterschiedlich schnell entladen. Durch ein solches Balancing, das zeitweise durchgeführt wird, zum Beispiel wenn die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen zu stark divergieren, werden die divergierenden Ladungszustände wieder ausgeglichen. Dabei können einzelne Zellen oder Zellgruppen parallel geschalteter Zellen über einen jeweils zugeordneten Widerstand entladen werden, der zum Beispiel eigens zum Zwecke des Balancings vorgesehen sein kann und zum Balancen einer Zelle beziehungsweise Zellgruppe zu dieser parallel geschaltet werden kann.
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Dadurch fließt ein Entladestrom über diesen Widerstand, der dazu führt, dass sich die betreffende Zelle beziehungsweise Zellgruppe entlädt, bis zum Beispiel die Zellspannung der Zelle, die entladen wird, sich der Zellspannung der anderen Zellen ausreichend angeglichen hat. Dabei kann der Spannungsunterschied zwischen jeweiligen Zellen der Batterie ermittelt werden, und die sich daraus ergebenden Balancingzeiten. Als Ladungsausgleichsverfahren kann darüber hinaus das gerade beschriebene spannungsbasierte Zellbalancing zum Einsatz kommen, gemäß welchem die Zellen hinsichtlich ihrer Zellspannungen aneinander angeglichen werden, oder auch ein ladungsbasiertes Balancing, gemäß welchem die Ladungszustände der jeweiligen Zellen ermittelt und im Zuge des Balancings angeglichen werden. Die konkrete Ausgestaltung des Ladungsausgleichsverfahrens ist jedoch vorliegend nicht relevant. In jedem Fall wird bei einem solchen Ladungsausgleichsverfahren mindestens eine Batteriezelle, die vorliegend als die mindestens eine erste Batteriezelle bezeichnet wird, von einem Anfangs-Ladezustand auf einen End-Ladezustand entladen. Diese Entladephase kann vorteilhafterweise genutzt werden, um währenddessen zumindest zu einem bestimmten Messzeitpunkt die Zellspannung der mindestens einen ersten Batteriezelle zu messen und als approximierte Ruhespannung bereitzustellen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe „Zellspannung“ und „Zellspannungswert“ beziehungsweise „Ruhespannung“ und „Ruhespannungswert“, sowie auch „Ladezustand“ und „Ladezustandswert“ synonym verwendet. Wird also der Ladezustand ermittelt, so kann hierunter die Ermittlung eines konkreten Ladezustandswerts verstanden werten. Zum Ermitteln des Anfangs-Ladezustands der mindestens einen ersten Batteriezelle kann beispielsweise der Anfangs-Ruhespannungswert der mindestens einen Batteriezelle gemessen werden, z.B. wenn diese sich vor dem Balancing in Ruhe befunden hat, und der Anfangsladezustand über ein bereitgestelltes Ruhespannungskennlinienfeld ermittelt wurde, welches, wie eingangs bereits definiert, auch als OCV-Kennfeld, OCV-Kennlinienfeld oder auch nur als OCV-Kennlinie bezeichnet wird, und den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung einer Batteriezelle und deren Ladezustand beschreibt bzw. angibt, insbesondere für verschiedenen Temperaturbereiche.
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Ein solches Kennlinienfeld kann in einem Speicher der Batterie beziehungsweise eines Batteriesteuergeräts abgelegt sein. Zur Ermittlung des Anfangs-Ladezustands kann dabei auch die Ruhespannung der mindestens einen ersten Batteriezelle gemessen werden, ohne dass ein Zellenstrom fließt. Alternativ oder zusätzlich kann der Anfangs-Ladezustand auch gemäß der eingangs definierten Stromintegration bestimmt worden sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die mindestens eine erste Batteriezelle während des Ladungsausgleichsverfahrens mit einem Entladestrom entladen, der maximal 0,1 C, insbesondere maximal 0,05 C, zum Beispiel 0,01 C beträgt. Weiterhin ist der Entladestrom dabei vorzugsweise konstant bzw. im Wesentlichen konstant. „C“ bezieht sich dabei auf die Kapazität einer Batteriezelle, hier der ersten Batteriezelle. Ein Ladebeziehungsweise Entladestrom von 1 C bedeutet, dass die Zeitdauer bis zum Vollständigen Entladen einer vollgeladene Batteriezelle bei einem Entladestrom von 1 C eine Stunde beträgt. Ein Entladestrom von 0,5 C bedeutet entsprechend, dass die Zeitdauer bis zum Vollständigen Entladen einer vollgeladene Batteriezelle bei einem Entladestrom von 0,5 C zwei Stunden beträgt. Entsprechend entspricht ein Entladestrom von 0,1 C einem Entladestrom, der dazu führt, dass eine vollgeladene erste Batteriezelle nach 10 Stunden vollständig entladen wäre, bei einem Entladestrom von 0,05 C entsprechend nach 20 Stunden, und bei einem Entladestrom von 0,01 C entsprechend nach 100 Stunden.
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Der Entladestrom bei einem Balancing liegt typischerweise im Bereich von 0,01 C. Entsprechend ist ein solcher Entladestrom sehr gering, so dass sich die betreffende Zelle beim Entladen quasi noch im Ruhezustand befindet. Entsprechend weicht ihre Zellspannung, selbst wenn sie aktuell entladen wird, kaum von ihrer Ruhespannung ab. Je kleiner also der Entladestrom ist, desto genauer approximiert der approximierte Ruhespannungswert den tatsächlichen Ruhespannungswert der mindestens einen ersten Batteriezelle.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum bestimmten Messzeitpunkt ein erster Ladezustand der ersten Batteriezelle ermittelt und zusammen mit dem Ruhespannungswert als Wertepaar einer approximierten Ruhespannungskennlinie der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitgestellt. Eine solche Ruhespannungskennlinie verbindet entsprechend die Größen Ruhespannung und Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle, insbesondere für verschiedene Temperaturbereiche. Entsprechend kann zum bestimmten Messzeitpunkt auch die aktuelle Temperatur der mindestens einen ersten Batteriezelle erfasst und zusammen mit dem korrespondierenden Ruhespannungswert und dem Ladezustandswert als Tripel abgespeichert werden. Der erste Ladezustand der ersten Batteriezelle zum bestimmten Messzeitpunkt lässt sich beispielsweise auf Basis einer zeitlichen Integration des Entladestrom ausgehend vom Anfangs-Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle berechnen. Dieser ergibt sich beispielsweise gemäß folgender Formel:
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Hierbei bezeichnet SOC1 den ersten Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle zum bestimmten Messzeitpunkt t1, SOCO den Anfangs-Ladezustand der ersten Batteriezelle zum Startzeitpunkt t0 des Entladens, CAP die Kapazität der mindestens einen ersten Batteriezelle und I(t) den Entladestrom, der beim Entladen von der mindestens einen ersten Batteriezelle zum Beispiel über einen Balancingwiderstand fließt.
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An dieser Formel ist ersichtlich, dass sich in Kenntnis des Entladestroms vorteilhafterweise zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Entladens auch der zugehörige Ladezustand der ersten Batteriezelle ermitteln lässt. Somit lässt sich pro Entladevorgang im Rahmen eines Zellbalancings nicht nur ein Wertepaar aus Ruhespannungswert und korrespondierendem Ladezustand der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitstellen, sondern auch mehrere solcher Wertepaare, insbesondere eine kontinuierliche Kennlinie.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass vom Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt des Entladens zu mehreren verschiedenen Messzeitpunkten jeweilige Wertepaare ermittelt werden und als Teil der approximierten Ruhespannungskennlinie bereitgestellt werden. Dass zu einem jeweiligen ermittelten approximierten Ruhespannungswert entsprechend auch der zugeordnete Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle bereitgestellt wird, hat den großen Vorteil, dass sich aus solchen Wertepaaren vorteilhafterweise eine Ruhespannungskennlinie generieren lässt. Diese während eines oder mehreren Ladungsausgleichsverfahren erzeugte Ruhespannungskennlinie wird vorliegend als approximierte Ruhespannungskennlinie bezeichnet. Zusätzlich kann aber auch eine initiale Ruhespannungskennlinie, die oben als OCV-Kennlinie beziehungsweise OCV-Kennlinienfeld bezeichnet wurde, in einem Speicher abgelegt und bereitgestellt sein. Eine solche Ruhespannungskennlinie kann über mehrere Balancingvorgänge hinweg auch für verschiedene Temperaturbereiche erstellt werden, so dass letztendlich auch ein gesamtes approximiertes Ruhespannungskennlinienfeld bereitgestellt werden kann. Diese so bereitgestellten approximierten Ruhespannungskennlinien, die insbesondere nicht nur in Bezug auf die mindestens eine erste Batteriezelle, sondern im Prinzip für alle Batteriezellen, die im Laufe mehrerer Balancingvorgänge gebalanced werden, erstellt werden können, können nun in vielerlei Hinsicht vorteilhaft genutzt werden. Beispielsweise kann eine solche approximierte Ruhespannungskennlinie mit der bereits bestehenden, gespeicherten initialen Ruhespannungskennlinie verglichen werden, um mögliche Veränderungen zu detektieren, es kann die Kapazität der Batteriezellen ermittelt werden und die Ruhespannungskennlinie kann auf Basis neu ermittelter Werte ständig aktualisiert werden. Dies wird nun nachfolgend noch näher erläutert.
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Dabei stellt es also eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn in Abhängigkeit vom Wertepaar eine aktuelle Kapazität und/oder Kapazitätsänderung der Kapazität der ersten Batteriezelle gegenüber einem bereitgestellten Kapazitätsreferenzwert der ersten Batteriezelle ermittelt wird. Dabei ist die initiale Nennkapazität der mindestens einen ersten Batteriezelle bekannt und zum Beispiel in einem Speicher abgelegt. Im Laufe der Zeit ändert sich jedoch die Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle alterungsbedingt langsam. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn auch der abgelegte Kapazitätswert von Zeit zu Zeit aktualisiert wird und dem Alterungszustand der jeweiligen Batteriezelle angeglichen wird. Wird beispielsweise die Ruhespannungskennlinie beziehungsweise das Kennfeld als unveränderlich betrachtet, kann durch die Entladung durch den Balancingstrom auf Veränderungen der Kapazität zurückgeschlossen werden. Dabei kann oben angeführte Formel genutzt werden. Diese Formel lässt sich entsprechend nach der Kapazität CAP auflösen. Der Entladestrom während eines Entladevorgangs ist bekannt beziehungsweise kann gemessen werden, und die Anfangs- und End-Ladezustände können auf Basis der approximierten Ruhespannungskennlinie und/oder der initialen gespeicherten Ruhespannungskennlinie ermittelt werden. Die so ermittelte Kapazität kann beispielsweise mit der initialen Nennkapazität oder einer zuvor bereits angeglichenen aktuellen Kapazität der mindestens einen Batteriezelle verglichen werden. So können auch Kapazitätsänderung der Kapazität festgestellt werden. Die aktuell ermittelte Kapazität kann als neue Kapazität gesetzt werden oder die zuvor als aktuelle Kapazität angenommene Kapazität kann schrittweise der aktuellen Kapazität angepasst werden. Somit wird vorteilhafterweise auch eine deutlich häufigere Kapazitätsermittlung der Kapazität der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Abhängigkeit von mindestens einem der Wertepaare überprüft, ob die approximierte Ruhespannungskennlinie eine Veränderung gegenüber einer Referenz-Ruhespannungskennlinie aufweist. Die Referenz-Ruhespannungskennlinie kann beispielsweise durch die beschriebene initial festgelegte OCV-Kennlinie bereitgestellt sein oder durch eine zuvor bereitgestellte approximierte Ruhespannungskennlinie. Durch einen solchen Vergleich können vorteilhafterweise Veränderungen der Ruhespannungskennlinie detektiert werden. Dabei kann vorausgesetzt werden, dass die Kapazität der mindestens einen Batteriezelle konstant ist. Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Wertepaare kann insbesondere bei jedem Balancingvorgang, gegebenenfalls für unterschiedliche Batteriezellen der Batterie, wiederholt werden. So lässt sich im Laufe der Zeit zum einen eine vollständige approximierte Ruhespannungskennlinie über zum Beispiel den gesamten Ladezustandsbereich der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitstellen, und zudem können Bereiche der approximierten Ruhespannungskennlinie auch aktualisiert werden, sobald hierzu wieder neue Wertepaare, zum Beispiel für den gleichen Temperaturbereich und die gleiche Batteriezelle erfasst werden. Auf Basis solcher neu ermittelten Wertepaare können ebenfalls Veränderungen gegenüber einer zuvor gespeicherten approximierten Ruhespannungskennlinie beziehungsweise der korrespondierenden Werte detektiert werden. Dies erlaubt beispielsweise auch eine Anpassung der approximierten Ruhespannungskennlinie im Laufe der Zeit. So können vorteilhafterweise Alterungseffekte immer aktuell berücksichtigt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird überprüft, ob die approximierte Ruhespannungskennlinie gegenüber der Referenz-Ruhespannungskennlinie eine konstante Verschiebung und/oder eine veränderte Steigung aufweist. Hieraus kann beispielsweise auf unterschiedliche Alterungsursachen geschlossen werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei wiederholt durchgeführten Ladungsausgleichsverfahren für jede der Batteriezellen, die bei einem der Ladungsausgleichsverfahren entladen wird, zumindest ein Teil einer der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten approximierten Ruhespannungskennlinie aufgenommen. Somit kann also vorteilhafterweise von Zeit zu Zeit für jede der Batteriezellen eine approximierte Ruhespannungskennlinie bereitgestellt werden. Diese kann wie eine herkömmliche OCV-Kennlinie behandelt werden, mit dem Vorteil, dass ihre Werte deutlich häufiger aktualisiert werden können. Auch die Möglichkeit, die approximierte Ruhespannung als solche deutlich häufiger zu ermitteln, ermöglicht es für jede Batteriezelle deren Kapazität deutlich häufiger und damit genauer bereitzustellen.
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Die Auswertung der approximierten Ruhespannung kann wie die Auswertung einer normalen Ruhespannung auch erfolgen. Dies ermöglicht es zudem, bestehende Auswertungsalgorithmen und Verfahren, zum Beispiel zur Ermittlung der Kapazität, auch weiterhin unverändert zu verwenden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung zum Bestimmen zumindest eines approximierten Ruhespannungswerts einer Ruhespannung mindestens einer ersten Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Ladungsausgleichsverfahren zum Anpassen eines Anfangs-Ladezustands der mindestens einen ersten Batteriezelle an zumindest einen zweiten Ladezustand mindestens einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen durchzuführen und dabei die mindestens eine erste Batteriezelle ausgehend von dem Anfangs-Ladezustand auf einen End-Ladezustand zu entladen. Weiterhin ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, während des Entladens der mindestens einen ersten Batteriezelle zu mindestens einem bestimmten Messzeitpunkt, der von einem Startzeitpunkt des Entladens verschieden ist, einen Zellspannungswert einer Zellspannung der mindestens einen ersten Batteriezelle zu messen und den Zellspannungswert als den approximierten Ruhespannungswerte der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitzustellen.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Messeinrichtung.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung oder ihre Ausführungsformen können beispielsweise zum Teil durch ein Batteriesteuergerät implementiert sein.
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Das Batteriesteuergerät kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messeinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln einer approximierten Ruhespannung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Ermittlung der Kapazität einer Batteriezelle basierend auf der approximierten Ruhespannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Messeinrichtung 12 zum Ermitteln einer approximierten Ruhespannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug weist dabei weiterhin eine Batterie 14 auf, welche in diesem Beispiel als Hochvolt-Batterie 14 ausgebildet ist. Diese Batterie 14 weist weiterhin mehrere Batteriezellen 16 auf, von denen exemplarisch eine erste Batteriezelle mit 16a bezeichnet ist. Die Messeinrichtung 12 kann zum Beispiel durch ein Batteriesteuergerät bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann die Messeinrichtung 12 innerhalb der Batterie 14 oder aber auch außerhalb angeordnet sein. Die Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen 16 divergieren im Laufe der Zeit und werden durch ein Ladungsausgleichsverfahren, auch Balancing genannt, wieder aneinander angeglichen. Ein solches Balancing kann von Zeit zu Zeit zum Beispiel im Stillstand des Kraftfahrzeugs beziehungsweise bei abgeschaltetem Fahrzeug 10 durchgeführt werden. Ein solches Balancing kann zum Beispiel wie folgt ausgeführt werden: Zunächst werden die Zellspannungen U aller Batteriezellen 16 ermittelt und miteinander verglichen. In diesem in 1 dargestellten Beispiel weist die erste Batteriezelle 16a eine höhere Zellspannung U als die übrigen Batteriezellen 16 auf. Diese Zellspannung U kann nun an die niedrigeren Zellspannungen der übrigen Batteriezellen 16 angeglichen werden, indem der ersten Batteriezelle 16a im Rahmen des Ladungsausgleichsverfahrens ein Balancingwiderstand 18 parallel geschaltet wird. In diesem Fall fließt ein entsprechender Entladungsstrom I, über welchen die Batteriezelle 16a zumindest zum Teil entladen wird, bis sich ihre Spannung U an die Spannungen der übrigen Batteriezellen 16 angeglichen hat. Der Entladestrom I ist dabei typischerweise sehr klein und liegt zum Beispiel zwischen 50 Milliampere und 100 Milliampere. Ein solches Balancing kann im Übrigen mit jeder der Batteriezellen 16 ausgeführt werden, falls deren Zellspannung von denen der übrigen Batteriezellen 16 nach oben abweicht. Üblicherweise werden also im Allgemeinen die einzelnen Zellen 16 oder auch Zellgruppen dabei über jeweilige Widerstände 18, von welchen in 1 exemplarisch nur der der ersten Batteriezelle 16a zugeordnete Balancingwiderstand 18 dargestellt ist, entladen. Durch einen relativ kleinen Entladestrom werden also die Zellen 16 mit höherer Zellspannung U auf das Niveau der niedrigeren entladen. Die Messeinrichtung 12 kann dazu den Spannungsunterschied zwischen den Zellen 16 ermitteln und die sich daraus ergebenden Balancingzeiten.
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Die Balancingschaltung 20, wie sie für die erste Batteriezelle 16a dargestellt ist, kann im Übrigen für jede andere Batteriezelle 16 ebenso umgesetzt sein. Dabei muss nicht notwendigerweise eine solche Schaltung 20 pro Batteriezelle 16 umgesetzt sein, sondern kann auch pro Zellgruppe aus mehreren parallel geschalteten Zellen 16 umgesetzt sein. Mit 19 ist weiterhin ein Schaltelement bezeichnet, mittels welchem sich der Balancingwiderstand 18 zu- und wegschalten lässt.
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Weiterhin kann die Messeinrichtung 12 einen Speicher 22 aufweisen, in welchem beispielsweise ein initiales OCV-Kennlinienfeld K0 abgelegt ist, welches den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand für eine jeweilige Batteriezelle 16 für jeweilige verschiedene Temperaturbereich der Batterie 14 angibt. In diesem Speicher 22 kann darüber hinaus auch ein approximiertes Ruhespannungskennlinienfeld K1 abgelegt werden, wie dies beispielsweise wie nachfolgend noch beschrieben ermittelt werden kann.
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Bei einem herkömmlichen Balancingverfahren werden keine zusätzlichen Informationen gewonnen. Mögliche Erkenntnisse über den Zustand der Batterie bleiben bei bisherigen Verfahren also ungenutzt.
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Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen nutzt jedoch nun die Idee, dass durch die konstante Entladung der Zellen 16 beziehungsweise Zellgruppen mit einem konstanten und niedrigen Strom I eine Entladekennlinie der Batterie 14 beziehungsweise der einzelnen Batteriezellen 16 oder Zellgruppen aufgenommen werden kann. Durch den niedrigen Strom sind die Zellen 16 beziehungsweise Zellgruppen nahezu in Ruhe. Die während des Balancings messbare Zellspannung U ist daher mit der Ruhespannung der betreffenden Batteriezellen 16 nahezu identisch und stellt daher einen sehr guten approximierten Ruhespannungswert U dar. Die so ermittelbaren Ruhespannungswerte können wiederum dazu verwendet werden, um zum Beispiel sehr genau die Kapazität zu bestimmen oder Veränderungen in der Ruhespannungskennlinie zu erkennen, wie dies nun nachfolgend noch näher erläutert wird.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen zumindest eines approximierten Ruhespannungswerts mindestens einer ersten Batteriezelle 16a gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere wird dieses Verfahren nun exemplarisch anhand der ersten Batteriezelle 16a erläutert, kann jedoch mit jeder weiteren Batteriezelle oder Zellgruppe aus mehreren parallel geschalteten Batteriezellen ganz analog durchgeführt werden. Das Verfahren beginnt dabei in Schritt S10, in welchem überprüft wird, ob die Voraussetzungen für die Durchführung eines Zellbalancings erfüllt sind. Diese können verschieden definiert sein. Beispielsweise können diese umfassen, dass Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Zellspannungen der Batteriezellen 16 teilweise einen vorbestimmten Schwellwert überschreiten, und/oder das sich das Kraftfahrzeug aktuell in einem nicht aktiven Zustand befindet, insbesondere nicht im Fahrbetrieb. Sind die Voraussetzungen erfüllt, so kann zunächst in Schritt S12 ein aktueller Kapazitätswert CAP für die mindestens eine erste Batteriezelle 16a bereitgestellt werden, und deren Ruhespannung U0 gemessen werden.
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Anschließend wird in Schritt S14 aus der ermittelten Ruhespannung U0 unter Verwendung des initialen OCV-Kennlinienfeldes K0 der aktuelle Anfangs-Ladezustand SOCO der ersten Batteriezelle 16a bestimmt. Weiterhin wird in Schritt S16 der Balancingvorgang gestartet und der Balancingwiderstand 18 zur ersten Batteriezelle 16a parallel geschaltet. Daraus resultiert also ein Entladestrom I. Anschließend kann zu einem bestimmten Messzeitpunkt die Spannung U der ersten Batteriezelle 16a erfasst werden und aus der zeitlichen Integration des Entladestroms I der aktuelle Ladezustand SOC1 der ersten Batteriezelle 16a ermittelt werden. Dieses Wertepaar kann in Schritt S20 als Teil eines Kennlinienfeldes K1 abgelegt werden. Dieses stellt insbesondere ein approximiertes Ruhespannungskennlinienfeld dar. In einem optionalen Schritt S22 kann darüber hinaus das approximierte Ruhespannungskennlinienfeld K1 beziehungsweise die bis dahin gewonnenen Daten genutzt werden, um eventuelle Veränderungen der Ruhespannungskennlinie festzustellen. Dazu kann zum Beispiel die approximierte Ruhespannungskennlinie K1 mit der initial bereitgestellten Ruhespannungskennlinie K0 verglichen werden. Dieser Vergleich beruht dabei insbesondere auf der Annahme, dass die anfangs bereitgestellte Kapazität CAP fix ist. Änderungen der Ruhespannungskennlinie können beispielsweise ein absoluter Versatz, das heißt ein Offset, der Kennlinie sein, oder eine Änderung der Steigung.
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Weiterhin kann in Schritt S24 überprüft werden, ob ein Beendigungskriterium zum Beenden des Balancingvorgangs erfüllt ist. Dies kann zum Beispiel sein, dass sich die Spannung U der ersten Zelle 16a den Spannungen der übrigen Zellen 16 bereits ausreichend angeglichen hat. Ist dies nicht der Fall, wird das Balancing fortgeführt, und die Verfahrensschritte S18, S20 und der optionale Schritt S22 können wiederholt werden. So können während des Balancingvorgangs wiederholt Spannungswerte U der ersten Batteriezelle 16a als approximierte Ruhespannungswerte U erfasst werden und zusammen mit ihren zugehörigen ebenfalls berechneten Ladezustandswerten SOC1 und Kennlinienfeld K1, welches ein approximiertes Ruhespannungskennlinienfeld K1 darstellt, abgelegt werden. Die Daten können dabei im Speicher 22 der Messeinrichtung 12 gespeichert werden. Ist in Schritt S24 ein Beendigungskriterium erfolgt, so wird der Balancingvorgang in Schritt S26 beendet. Anschließend kann wiederum zu Schritt S10 übergegangen werden. Wird ein erneutes Balancing durchgeführt, so können die Daten des approximierten Ruhespannungskennlinienfeldes K1 weiter ergänzt werden. Ein solches Ruhespannungskennlinienfeld K1 kann insbesondere für jede der Batteriezellen 16 erfasst und gespeichert werden, sobald eine solche Zelle 16 während eines Balancingvorgangs gebalanced wird, das heißt über einen entsprechenden Entladestrom I zumindest zum Teil entladen wird. Da das Balancing bei jeder Temperatur durchgeführt werden kann, können die ermittelten Kennwerte insbesondere auch temperaturabhängig bestimmt und im Kennlinienfeld K1 abgelegt werden. So kann letztendlich im Laufe der Zeit und über mehrere Balancingvorgänge hinweg ein Kennlinienfeld K1 für jede Batteriezelle 16 für verschiedene Temperaturbereiche erstellt werden, welches den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung U der betreffenden Batteriezelle und deren Ladezustand SOC1 beschreibt. Wiederholt ermittelte Daten, zum Beispiel für gleiche Ladezustandswerte SOC1, können zum Beispiel auch genutzt werden, um Veränderungen in der Ruhespannungskennlinie zu detektieren. Mit anderen Worten können solche Veränderungen nicht nur durch Vergleich der approximierten Ruhespannungskennlinie K1 mit der initial bereitgestellten Ruhespannungskennlinie K0 ermittelt werden, sondern auch durch Vergleich der approximierten Ruhespannungskennlinie K1 mit nachfolgend erneut ermittelten Werten für die approximierte Ruhespannungskennlinie. Auf Basis solcher neu ermittelten Werte kann die approximierte Ruhespannungskennlinie K1 auch aktualisiert werden.
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Umgekehrt kann unter der Annahme, dass sich die approximierte Ruhespannungskennlinie K1, oder auch die initiale OCV-Kennlinie K0, nicht ändert beziehungsweise diese als unveränderlich betrachtet wird, durch die Entladung durch den Balancingstrom auf Veränderungen der Kapazität CAP zurückgeschlossen werden, wie dies nun anhand von 3 näher erläutert wird.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln einer aktualisierten Kapazität CAP1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Verfahrensschritte, die im Zuge dieses Verfahrens analog zu den zu 2 beschriebenen Verfahrensschritten ablaufen, sind vorliegend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auch in diesem Fall beginnt also das Verfahren in Schritt S10, in welchem überprüft wird, ob zumindest eine Voraussetzung zur Initialisierung eines Balancingverfahrens erfüllt ist. Ist dies der Fall, so wird wieder in Schritt S12 eine initiale Kapazität CAP der ersten Batteriezelle 16a bereitgestellt und zum Beispiel deren Ruhespannung U0 gemessen. Anschließend wird in Schritt S14` auf Basis der ermittelten Ruhespannung der aktuelle Anfangs-Ladezustand SOCO der ersten Batteriezelle 16a bestimmt. Im Unterschied zum vorhergehenden Verfahren kann hierzu nicht nur die initiale OCV-Kennlinie K0 verwendet werden, sondern unter Umständen auch die approximierte Ruhespannungskennlinie K1, sofern diese für den aktuellen Ruhespannungswerte U0 bereits entsprechende Daten umfasst. Hierbei soll zudem noch angemerkt werden, dass die initiale OCV-Kennlinie K0 und die approximierte Ruhespannungskennlinie K1 nicht als separate Kennlinien bereitgestellt werden müssen, sondern dass zum Beispiel auch die initiale OCV-Kennlinie K0 lediglich auf Basis der während des Balancings neu gewonnenen Ruhespannungsdaten, insbesondere der in Schritt S18 gewonnenen Wertepaare aktualisiert werden kann, so dass sich die approximierte Ruhespannungskennlinie K1 als aktualisierte initiale OCV-Kennlinie K0 ergibt.
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Weiterhin wird in Schritt S16 wieder der Balancingvorgang gestartet, woraus sich ein Entladestrom I ergibt, der die erste Batteriezelle 16a zumindest zum Teil entlädt. Währenddessen wird wiederum im Schritt S18` die Spannung U der ersten Batteriezelle 16a als approximierte Ruhespannung U gemessen. Allerdings wird nun der aktuelle zugehörige Ladezustand SOC1 nicht auf Basis der Stromintegration des Entladestroms I ermittelt, sondern stattdessen in Schritt S19 aus der in Schritt S18` erfassten approximierten Ruhespannung U unter Verwendung des initialen oder approximierten Kennlinienfeldes K0, K1. Die Ladungsdifferenz zwischen diesem aktuell ermittelten Ladezustand SOC1 und dem Anfangs-Ladezustand SOCO, sowie der zwischen dem Anfangszeitpunkt und dem aktuellen Zeitpunkt zeitlich integrierte Entladestrom I können nun verwendet werden, um in Schritt S21 eine aktualisierte Kapazität CAP1 zu ermitteln. Dies ergibt sich beispielsweise gemäß folgender Gleichung:
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Hierbei bezeichnet CAP1 die aktualisierte Kapazität, SOCO den Anfangs-Ladezustand zum Zeitpunkt t0, SOC1 den Ladezustand zum aktuellen Zeitpunkt t1, und I(t) den Entladestrom. Weiterhin kann in Schritt S24 wieder überprüft werden, ob ein Beendigungskriterium zum Beenden des Balancingvorgangs erfüllt ist. Ist dies der Fall, wird der Balancingvorgang in Schritt S26 beendet und die aktualisierte Kapazität CAP1 gleich der neuen aktuellen Kapazität für die erste Batteriezelle 16a gesetzt. Andernfalls kann das Verfahren ab Schritt S18` wiederholt werden. Bei einer solchen Wiederholung können optional statt der Schritte S18`, S19 und S21 auch die zu 2 bereits beschriebenen Schritte S18, S20 und S22 ausgeführt werden. Denkbar ist es auch, dass die aktualisierte Kapazität CAP1 im Zuge eines Balancingvorgangs nur einmalig ermittelt wird.
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Somit lassen sich während eines Balancings vorteilhafterweise zusätzliche Kenndaten für jede Zelle oder Zellgruppe einer Batterie gewinnen. Mit der Auswertung der Ruhespannung ist es vorteilhafterweise möglich, ohne zusätzlichen Hardware- und Software-Aufwand weitere Kenngrößen der Batterie zu bestimmen. Dabei können die Kenndaten für jede Zelle oder Zellgruppe einzeln bestimmt werden. Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine besonders vorteilhafte Bestimmung der Ruhespannung und der Kapazität einer Hochvolt-Batterie während des Balancings durchgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012001144 T5 [0002]
- DE 102011054040 B4 [0002]
