DE102021205122A1 - Procedure for balancing the state of charge of the battery cells of a lithium-ion battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Balancierung des Ladezustands der Batteriezellen (2) einer Lithium-Ionen-Batterie (4) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (6), wobei für jede der Batteriezellen (2) ein Spannungsabfall (ΔUZ,i) infolge eines Lastsprungs (ΔP) erfasst wird, wobei ein Mittelwert (ΔUZ) aus den erfassten Spannungsabfällen (ΔUZ,i) der Batteriezellen (2) ermittelt wird, wobei für jede Batteriezelle (2) eine Differenz (Di) aus dem jeweiligen erfassten Spannungsabfall (ΔUZ,i) und dem Mittelwert (ΔUZ) der Spannungsabfälle (ΔUZ,i) ermittelt wird, und wobei zumindest eine der Batteriezellen (2) in Abhängigkeit der jeweiligen Differenz (Di) geladen oder entladen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (6) mit einer Einrichtung (8) zur Durchführung dieses Verfahrens. The invention relates to a method for balancing the state of charge of the battery cells (2) of a lithium-ion battery (4) of an electrically powered motor vehicle (6), with a voltage drop (ΔU Z,i ) as a result of a load jump for each of the battery cells (2). (ΔP) is detected, with a mean value (ΔU Z ) being determined from the detected voltage drops (ΔU Z,i ) of the battery cells (2), with a difference (D i ) from the respective detected voltage drop ( ΔU Z,i ) and the mean value (ΔU Z ) of the voltage drops (ΔU Z,i ) is determined, and at least one of the battery cells (2) is charged or discharged depending on the respective difference (D i ). The invention also relates to an electrically driven motor vehicle (6) with a device (8) for carrying out this method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Balancierung des Ladezustands der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for balancing the state of charge of the battery cells of a lithium-ion battery, in particular an electrically driven motor vehicle, and an electrically driven motor vehicle with a device for carrying out this method.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.An electrically driven motor vehicle has a traction battery (high-voltage battery, HV battery) which supplies an electric motor for driving the motor vehicle with energy. An electrically powered motor vehicle is, in particular, an electric vehicle that only stores the energy required for the drive in the traction battery (BEV, battery electric vehicle), an electric vehicle with a range extender (REEV, range extended electric vehicle), a hybrid vehicle (HEV, hybrid electric vehicle), a plug-in hybrid vehicle (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) and/or a fuel cell vehicle (FCEV, fuel cell electric vehicle), which temporarily stores the electrical energy generated by a fuel cell in the traction battery.
Eine solche Traktionsbatterie ist dabei typischerweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet, welche wiederum eine Anzahl an Batteriezellen umfasst. Diese Batteriezellen können beispielsweise aufgrund von Alterungserscheinungen oder Toleranzen bei der Fertigung der Batteriezellen, unterschiedliche Selbstentladungsraten, Innenwiderstände und/oder Kapazitäten aufweisen. Als Folge dessen können die Batteriezellen zueinander unterschiedlichen Ladezustände (englisch „state of charge“, SOC) aufweisen.Such a traction battery is typically designed as a lithium-ion battery, which in turn includes a number of battery cells. These battery cells can have different self-discharge rates, internal resistances and/or capacities, for example due to signs of aging or tolerances in the production of the battery cells. As a result, the battery cells can have different states of charge (SOC) from one another.
Insbesondere wird bei nicht ausgeglichenen Ladezuständen, mit anderen Worten bei einer Disbalance der Ladezustände der Batteriezellen, zum einen ein Ladeende der Lithium-Ionen-Batterie anhand der Batteriezelle mit der höchsten Spannung (und damit einhergehend mit dem höchsten Ladezustand) und zum anderen eine Fahrbereitschaftsgrenze anhand der Batteriezelle mit der geringsten Spannung (und damit einhergehend mit dem geringsten Ladezustand) bestimmt.In particular, in the case of unbalanced states of charge, in other words in the event of an imbalance in the state of charge of the battery cells, on the one hand an end of charging of the lithium-ion battery is determined based on the battery cell with the highest voltage (and therefore the highest state of charge) and on the other hand a ready-to-drive limit the battery cell with the lowest voltage (and therefore with the lowest state of charge).
Dies resultiert nachteilig in einer Verringerung der effektiven Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie und damit einhergehen in einer vergleichsweise geringen Reichweite des Kraftfahrzeugs.This disadvantageously results in a reduction in the effective capacity of the lithium-ion battery and, associated with this, in a comparatively short range of the motor vehicle.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Balancierung des Ladezustands der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Beispielsweise wird hierbei zum Erkennen einer Disbalance der Ladezustand der Batteriezellen gemäß der
Für bestimmte Arten von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist jedoch eine sogenannte OCV-Kennlinie, also ein Ladezustand-(Leerlauf-)Spannungs-Verlauf für einen vergleichsweise großen mittleren Ladezustandsbereich vergleichsweise flach. Eine solche Kennlinie ist beispielhaft für eine Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen (LFP-Batteriezelle) in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zur Balancierung des Ladezustands der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs anzugeben, und/oder eine Balancierung von als Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen ausgebildeten Batteriezellen bei einem mittleren Ladungszustand zu ermöglichen. Des Weiteren soll ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug angegeben werden, welches eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufweist.The invention is based on the object of specifying a suitable method for balancing the state of charge of the battery cells of a lithium-ion battery in an electrically powered motor vehicle and/or enabling battery cells designed as lithium-iron-phosphate battery cells to be balanced at an average state of charge . Furthermore, an electrically driven motor vehicle is to be specified which has a device for carrying out this method.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug und umgekehrt.With regard to the method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. With regard to the electrically driven motor vehicle, the object is achieved by the features of claim 9 according to the invention. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims. The statements made in connection with the method also apply analogously to the electrically driven motor vehicle and vice versa.
Das Verfahren ist zur Balancierung des Ladezustands der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen. Mit andern Worten dient das Verfahren zum Angleichen der Ladezustände der Batteriezellen der im Folgenden kurz als Batterie bezeichneten Lithium-Ionen-Batterie aneinander.The method is intended for balancing the state of charge of the battery cells of a lithium-ion battery. In other words, the method is used to match the charge states of the battery cells of the lithium-ion battery, referred to below as battery for short, to one another.
Die Batterie ist beispielsweise die Batterie eines Laptops oder eines Mobiltelefons. Insbesondere ist das Verfahren allerdings für eine Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, vorzugsweise für dessen Traktionsbatterie vorgesehen, welche die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs notwendige elektrische Energie bereitstellt.The battery is, for example, the battery of a laptop or a mobile phone. In particular, however, the method is provided for a battery of an electrically driven motor vehicle, preferably for its traction battery, which provides the electrical energy required to drive the motor vehicle.
Verfahrensgemäß wird zunächst für jede der Batteriezellen ein Spannungsabfall der von der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellten Zellspannung erfasst, welcher Spannungsabfall als Folge eines Lastsprungs einer an die Batterie angeschlossenen elektrischen Last auftritt. Insbesondere ist hierbei unter einem Lastsprung der sprunghafte Anstieg der von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten Leistung zu verstehen. Ein solcher Lastsprung resultiert hierbei aus einer entsprechenden Änderung der Lastanforderung an die Batterie, beispielsweise bei einer vergleichsweise großen Beschleunigung, dem Starten einer HV-Klimaanlage, oder dem Entladen der Batterie, wenn diese an eine Ladestation eines Stromnetzes angeschlossen ist, die für bidirektionales Laden vorgesehen ist, also das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht.According to the method, a voltage drop in the cell voltage provided by the respective battery cell is first detected for each of the battery cells, which voltage drop occurs as a result of a load jump of an electrical load connected to the battery. In particular, a sudden load change is to be understood as meaning the sudden increase in the power provided by the lithium-ion battery. Such a load jump results from a corresponding change in the load requirement on the battery, for example in the event of comparatively large acceleration, the starting of a HV air conditioning system, or the discharging of the battery if it is connected to a charging station of a power grid that is intended for bidirectional charging is, so the charging and discharging of the battery is possible.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird das Verfahren nur weitergeführt, wenn der Lastsprung ausreichend groß ist. Hierzu wird beispielsweise eine von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellte Leistung, eine von dieser bereitgestellte Stromstärke, eine auf eine vordefinierte Zeitdauer bezogene Änderung der von der Batterie bereitgestellten Leistung, und/oder eine auf eine vordefinierte Zeitdauer bezogene Änderung der von der Batterie bereitgestellten Stromstärke mit einem jeweiligen vorgegebenen Schwellenwert verglichen und das Verfahren nur bei Überschreiten des Schwellenwerts bzw. der jeweiligen Schwellenwerte fortgesetzt. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird ein Schwellenwert für die Spannungsabfälle, insbesondere für dessen Betrag, vorgegeben und das Verfahren, also die folgenden Schritte, nur weiter durchgeführt, wenn dieser Schwellenwert überschritten wird. Beispielsweise beträgt der Schwellenwert für die Spannungsabfälle 100 mV. Auf diese Weise werden fehlerhafte oder vergleichsweise ungenaue Ergebnisse aufgrund eines zu geringen Spannungsabfalls bzw. eines zu geringen Lastsprungs vermieden.According to an expedient embodiment, the method is only continued if the sudden change in load is sufficiently large. For this purpose, for example, a power provided by the lithium-ion battery, a current provided by it, a change in the power provided by the battery based on a predefined period of time, and/or a change in the current provided by the battery based on a predefined period of time compared with a respective predefined threshold value and the method is only continued if the threshold value or the respective threshold values are exceeded. As an alternative or in addition to this, a threshold value for the voltage drops, in particular for its amount, is specified and the method, ie the following steps, is only continued if this threshold value is exceeded. For example, the threshold for the voltage drops is 100 mV. In this way, erroneous or comparatively imprecise results due to a voltage drop that is too low or a load jump that is too small are avoided.
Unter einem Spannungsabfall ist dabei die Differenz zwischen der von der Batteriezelle bereitgestellten Spannung zeitlich direkt vor dem Lastsprung und dem Minimum der aufgrund des Lastsprungs reduzierten Spannung, oder alternativ die Differenz zwischen der Leerlaufspannung und dem Minimum der aufgrund des Lastsprungs reduzierten Spannung zu verstehen.A voltage drop is the difference between the voltage provided by the battery cell immediately before the load step and the minimum of the voltage reduced due to the load step, or alternatively the difference between the no-load voltage and the minimum of the voltage reduced due to the load step.
Verfahrensgemäß wird in einem nächsten Schritt ein Mittelwert, zweckmäßigerweise der arithmetische Mittelwert oder der Median, aus den erfassten Spannungsabfällen ermittelt. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt für jede Batteriezelle eine Differenz aus dem jeweiligen erfassten Spannungsabfall und dem Mittelwert der Spannungsabfälle ermittelt. Beispielsweise werden die Differenzen zusätzlich normiert. Das Vorzeichen und der Betrag der jeweiligen Differenz ist dabei ein Maß für eine Abweichung des Ladezustandes von einem Mittelwert der Ladezustände der Batteriezellen.According to the method, in a next step, a mean value, expediently the arithmetic mean value or the median, is determined from the detected voltage drops. Then, in a further method step, a difference between the respective recorded voltage drop and the mean value of the voltage drops is determined for each battery cell. For example, the differences are additionally normalized. The sign and the amount of the respective difference is a measure of a deviation of the state of charge from a mean value of the state of charge of the battery cells.
Anschließend wird zum Balancieren der Ladezustände der Batteriezellen zumindest eine der Batteriezellen in Abhängigkeit der jeweiligen Differenz geladen oder entladen. Beispielsweise wird anhand der Differenz, zweckmäßigerweise anhand einer vordefinierten Funktion, anhand eines konstanten oder von der Differenz abhängigen Faktors, oder anhand einer Umrechnungstabelle, eine Entladungsmenge oder eine Entladedauer oder eine Lademenge oder Ladedauer ermittelt und die jeweilige Batteriezelle dementsprechend geladen oder entladen. Insbesondere wird die jeweilige Differenz oder werden die Differenzen als Eingangsgröße einer Regelung herangezogen und beispielsweise als Sollwert ein Wert von Null (0) für die Differenz herangezogen. Zusammenfassend erfolgt der Balancierungsvorgang in Abhängigkeit der der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Differenz.At least one of the battery cells is then charged or discharged depending on the respective difference in order to balance the charge states of the battery cells. For example, using the difference, expediently using a predefined function, using a constant factor or a factor dependent on the difference, or using a conversion table, a discharge quantity or a discharge duration or a charging quantity or charging duration is determined and the respective battery cell is charged or discharged accordingly. In particular, the respective difference or the differences are used as an input variable for a regulation and, for example, a value of zero (0) is used as the desired value for the difference. In summary, the balancing process takes place depending on the difference assigned to the respective battery cell.
Beispielsweise werden diejenigen Batteriezellen entladen, die entsprechend der Differenz einen vergleichsweise hohen Ladezustand aufweisen. So werden diejenigen Batteriezellen entladen, die einen vergleichsweise kleinen Spannungsabfall aufzeigen, also deren Differenz positiv ist.For example, those battery cells are discharged that have a comparatively high state of charge according to the difference. In this way, those battery cells are discharged that show a comparatively small voltage drop, i.e. whose difference is positive.
Alternativ werden hierzu aus dem Stand der Technik bekannte Regel- oder Balancierverfahren und Vorrichtungen verwendet. Hierzu werden beispielsweise und sofern notwendig die Differenzen anhand einer vorgegebenen Funktion, anhand eines vorgegebenen Faktors, oder anhand einer vorgegebenen Umrechnungstabelle in eine Eingangsgröße umgewandelt, die das jeweilige aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren nutzt. Insbesondere wird die jeweilige Differenz in einen Ladezustand umgerechnet.Alternatively, control or balancing methods and devices known from the prior art are used for this purpose. For this purpose, for example and if necessary, the differences are converted into an input variable using a specified function, using a specified factor, or using a specified conversion table, which uses the respective method known from the prior art. In particular, the respective difference is converted into a state of charge.
Zusammenfassend erfolgt zunächst die Ermittlung einer Disbalance, also die Ermittlung einer Ungleichheit, der Ladezustände der Batteriezellen anhand der erfassten Spannungsabfälle der von den Batteriezellen bereitgestellten (Zell-)Spannung, die infolge eines Lastsprungs auftreten. Also erfolgt diese Ermittlung der Disbalance nicht anhand einer Leerlaufspannung (OCV), sondern unter Last, also während von der Lithium-Ionen-Batterie Strom bereitgestellt wird, insbesondere während eines Fahrtbetriebes des Kraftfahrzeugs.In summary, an imbalance is first determined, i.e. the determination of an inequality, of the state of charge of the battery cells based on the recorded voltage drops in the (cell) voltage provided by the battery cells, which occur as a result of a load jump. So this determination of the imbalance is not based on an open circuit voltage (OCV), but under load, ie while power is being provided by the lithium-ion battery, in particular while the motor vehicle is being driven.
Grundsätzlich ist das Verfahren für in Serie und/oder parallel zueinander geschaltete Batteriezellen möglich. Zweckmäßigerweise sind die Batteriezellen in Serie zueinander geschaltet. Bei einer Parallelschaltung einer (Teil-)Anzahl der Batteriezellen ist zur Erfassung der Spannungsabfälle ein zusätzlicher Schaltaufwand, beispielsweise das Wegschalten von Batteriezellen notwendig. Dieses Wegschalten kann allerdings bei einem Lastsprung und/oder einer vergleichswiese hohen Last zeitlich direkt auf den Lastsprung unerwünscht sein.In principle, the method is possible for battery cells connected in series and/or parallel to one another. The battery cells are expediently connected in series with one another. If a (partial) number of battery cells are connected in parallel, an additional switching effort, for example the disconnection of battery cells, is necessary to detect the voltage drops. However, in the case of a sudden change in load and/or a comparatively high load, this switching off can be undesirable in terms of time directly after the sudden change in load.
Insbesondere erfolgt das Erfassen der Spannungsabfälle zeitlich beabstandet zum Balancieren der Ladezustände durch das Laden und/oder Entladen der entsprechenden Batteriezelle oder Batteriezellen. So wird ein Entladen oder Beladen der jeweiligen Batteriezelle bei einer an den Lastsprung anschließenden vergleichsweise hohen Last vermieden.In particular, the detection of the voltage drops takes place at different times in order to balance the states of charge by charging and/or discharging the corresponding battery cell or battery cells. In this way, discharging or charging of the respective battery cell is avoided in the event of a comparatively high load following the sudden change in load.
Das Verfahren erfolgt insbesondere automatisch. Insbesondere erfolgen das Ermitteln des Mittelwerts, das Ermitteln der Differenzen und die Erzeugung des Steuersignals anhand einer Steuereinheit.In particular, the method takes place automatically. In particular, the mean value is determined, the differences are determined and the control signal is generated using a control unit.
Beispielsweise wird das Verfahren jedes Mal durchgeführt, wenn infolge eines Lastsprungs ein entsprechender Spannungsabfall erfasst wird, wobei beispielsweise zur Durchführung des Verfahrens ein vorgegebener Schwellenwert für den Lastsprung überschritten werden muss. Alternativ ist eine Mindest-Zeitdauer vorgegeben, nach deren Ablauf das Verfahren erneut durchgeführt wird, sobald für jede der Batteriezellen ein Spannungsabfall infolge eines Lastsprungs erfasst wird.For example, the method is carried out every time a corresponding voltage drop is detected as a result of a sudden change in load, a predefined threshold value for the sudden change in load having to be exceeded, for example, in order to carry out the method. Alternatively, a minimum period of time is specified, after which the method is carried out again as soon as a voltage drop as a result of a sudden change in load is detected for each of the battery cells.
Grundsätzlich ist das Verfahren für eine Lithium-Ionen-Batterie deren Batteriezellen eine beliebige Zellchemie aufweisen, geeignet. Insbesondere ist das Verfahren jedoch auch geeignet für eine Lithium-Ionen-Batterie, deren Batteriezellen jeweils eine vergleichsweise flache OCV-Kennlinie aufweisen. Ein Beispiel für solche Batteriezellen sind Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen. Im Vergleich Verfahren, bei welchen der Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle direkt anhand der Leerlaufspannung (bzw. anhand der OCV-Kennlinie) bestimmt wird, wird hier anhand eines Spannungsabfalls infolge eines Lastsprungs bestimmt, ob eine Batteriezelle im Vergleich zu den anderen Batteriezellen der Lithium-Ionen-Batteriezelle einen höheren oder einen niedrigeren Ladezustand aufweist. Insbesondere ist diese Bestimmung unabhängig von einem Verlauf der OCV-Kennlinie der Batteriezellen, so dass auch bei vergleichsweise flachen Kennlinien eine Balancierung der Ladezustände der Batteriezellen ermöglicht ist.In principle, the method is suitable for a lithium-ion battery whose battery cells have any cell chemistry. In particular, however, the method is also suitable for a lithium-ion battery whose battery cells each have a comparatively flat OCV characteristic. An example of such battery cells are lithium iron phosphate battery cells. In comparison to methods in which the state of charge of the respective battery cell is determined directly based on the open circuit voltage (or based on the OCV characteristic curve), a voltage drop as a result of a load step is used here to determine whether a battery cell is lithium-ion compared to the other battery cells -Battery cell has a higher or lower state of charge. In particular, this determination is independent of a course of the OCV characteristic curve of the battery cells, so that balancing of the charge states of the battery cells is made possible even with comparatively flat characteristic curves.
In Bereichen der OCV-Kennlinie für vergleichsweise kleine Ladezustände oder für vergleichswiese große Ladezustände, also für Bereiche mit einer vergleichsweise großen Steigung der OCV-Kennlinie, mit anderen Worten in Bereichen, in denen eine Änderung des Ladezustands der Batteriezelle mit einer vergleichsweise großen Änderung der Leerlaufspannung einhergeht, ist weiterhin ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands anhand der OCV-Kennlinie ermöglicht. Beispielsweise können diese Verfahren mit dem oben dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden. So wird beispielsweise, sofern eine erfasste Spannung der Batteriezelle, insbesondere deren Leerlaufspannung, zwischen einem vorgegebenen ersten und einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert ist, das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, vorzugsweise wird andernfalls ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren angewendet. Zweckmäßigerweise repräsentieren dabei der erste und der zweite Schwellenwert die Grenzen desjenigen Bereichs der OCV-Kennlinie, die eine vergleichsweise flache Steigung aufweist. Beispielsweise ist die Steigung der OCV-Kennlinie in diesem Bereich kleiner als 2 mV / (1 %), also kleiner als 2 Millivolt pro 1 Prozent Ladezustand, insbesondere kleiner als 1 mV / (1 %) oder kleiner als 0,5 mV / (1%) oder kleiner als 0,2 mV / (1%).In areas of the OCV characteristic for comparatively small states of charge or for comparatively large states of charge, i.e. for areas with a comparatively large slope of the OCV characteristic, in other words in areas in which a change in the state of charge of the battery cell is accompanied by a comparatively large change in the open-circuit voltage goes hand in hand, a method known from the prior art for determining the state of charge using the OCV characteristic curve is also made possible. For example, these methods can be combined with the method according to the invention presented above. For example, if a detected voltage of the battery cell, in particular its open-circuit voltage, is between a predetermined first and a predetermined second threshold value, the method according to the invention is used, otherwise a method known from the prior art is preferably used. In this case, the first and the second threshold value expediently represent the limits of that region of the OCV characteristic curve which has a comparatively flat slope. For example, the slope of the OCV characteristic curve in this area is less than 2 mV / (1%), i.e. less than 2 millivolts per 1 percent state of charge, in particular less than 1 mV / (1%) or less than 0.5 mV / ( 1%) or less than 0.2mV/(1%).
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Balancieren kombiniert werden. Hierzu kann die von einer der oder von allen Batteriezellen bereitgestellte Spannung zeitlich vor dem Lastsprung mit einem dritten Schwellenwert und/oder mit einem vierten Schwellenwert verglichen werden, wobei der vierte Schwellenwert größer ist als der dritte Schwellenwert. Sofern die zeitlich vor dem Lastsprung bereitgestellte Zellspannung der jeweiligen Batteriezelle (oder alternativ deren Leerlaufspannung) den dritten Schwellenwert unterschreitet bzw. den vierten Schwellenwert überschreitet, wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt. Andernfalls wird das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren angewendet. Dies wird auch als Hysterese bezeichnet. Alternativ hierzu wird das erfindungsgemäße Verfahren nur dann angewendet, wenn die zeitlich vor dem Lastsprung bereitgestellte Zellspannung der jeweiligen Batteriezelle (oder alternativ deren Leerlaufspannung) den dritten Schwellenwert unterschreitet bzw. den vierten Schwellenwert überschreitet. Andernfalls erfolgt also kein Balancieren. In analoger weise zum ersten und zum zweiten Schwellenwert repräsentieren der dritte und der vierte Schwellenwert zweckmäßigerweise die Grenzen desjenigen Bereichs der OCV-Kennlinie, der eine vergleichsweise flache Steigung aufweist.For example, the method according to the invention can be combined with other balancing methods known from the prior art. For this purpose, the voltage provided by one or all of the battery cells can be compared with a third threshold value and/or with a fourth threshold value before the load jump, the fourth threshold value being greater than the third threshold value. If the cell voltage of the respective battery cell (or alternatively its no-load voltage) that is provided before the load jump falls below the third threshold value or exceeds the fourth threshold value, the method according to the invention is carried out. Otherwise, the method known from the prior art is used. This is also known as hysteresis. As an alternative to this, the method according to the invention is only used if the cell voltage of the respective battery cell (or alternatively its open-circuit voltage) provided before the load jump falls below the third threshold value or exceeds the fourth threshold value. Otherwise there is no balancing. In a manner analogous to the first and the second threshold value, the third and the fourth threshold value expediently represent the limits of that area of the OCV characteristic curve that has a comparatively flat slope.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Laden oder Entladen der zumindest einen Batteriezelle während des Fahrtbetriebs des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs durchgeführt. Die Balancierung der Ladezustände erfolgt somit auch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs, also während das Kraftfahrzeug durch einen Nutzer betrieben wird. Vorteilhaft erfolgt die Balancierung somit nicht lediglich, während das Kraftfahrzeug, und somit die Batterie, an einer Ladestation angeschlossen ist oder diese sich in einem relaxierten Zustand/ Ruhezustand befindet.According to an expedient refinement of the method, the charging or discharging of the at least one battery cell is carried out while the electrically powered motor vehicle is being driven. The charging states are thus also balanced during operation of the motor vehicle, ie while the motor vehicle is being operated by a user. Advantageously, the balancing does not only take place while the motor vehicle, and thus the battery, is connected to a charging station or this is in a relaxed state/idle state.
Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, vor der Ermittlung des Mittelwerts in Abhängigkeit der Stromstärke eines von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten (Batterie-)Stromes geändert, also erhöht oder reduziert, insbesondere gewichtet oder skaliert. Alternativ hierzu werden die Differenzen in Abhängigkeit dieser Stromstärke geändert.According to a suitable embodiment of the method, the voltage drops, in particular their amounts, are changed, ie increased or reduced, in particular weighted or scaled, before the determination of the mean value depending on the current strength of a (battery) current provided by the lithium-ion battery. As an alternative to this, the differences are changed as a function of this current intensity.
Insbesondere ist der Spannungsabfall ist einen durch diese fließenden (Batterie-) Strom, bzw. dessen Stromstärke, beeinflusst oder ist von diesem abhängig. Beispielsweise ist bei einem vergleichsweise hohen Batteriestrom der Spannungsabfall der jeweiligen Batteriezelle vergleichsweise groß. Zur Korrektur oder zum Ausgleich dieses Einflusses werden die Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, bzw. die Differenzen beispielsweise mit einem konstanten Faktor oder mit einem Faktor multipliziert, der abhängig von der Stromstärke ist. Alternativ werden die Spannungsabfälle anhand einer vorgegebenen, von der Stromstärke abhängigen Funktion (neu) berechnet bzw. korrigiert oder normiert, oder entsprechend einer vorgegebenen Tabelle geändert.In particular, the voltage drop is influenced by a (battery) current flowing through them, or its current intensity, or is dependent on this. For example, with a comparatively high battery current, the voltage drop in the respective battery cell is comparatively large. To correct or compensate for this influence, the voltage drops, in particular their amounts, or the differences are multiplied, for example, by a constant factor or by a factor that is dependent on the current intensity. Alternatively, the voltage drops are (re)calculated or corrected or normalized using a specified function dependent on the current intensity, or changed according to a specified table.
Zusammenfassend erfolgt eine Anpassung der Spannungsabfälle bzw. die Anpassung der Differenzen direkt an die Stromstärke des Batteriestromes. Somit ist vorteilhaft eine zu starke oder zu schwache Balancierung der Ladezustände, also ein zu starkes Laden oder ein zu starkes Entladen zumindest einer der Batteriezellen vermieden.In summary, the voltage drops or the differences are adjusted directly to the current strength of the battery current. Thus, an excessively strong or too weak balancing of the states of charge, that is to say excessive charging or excessive discharging of at least one of the battery cells, is advantageously avoided.
Des Weiteren ist der Betrag des Spannungsabfalls abhängig von einer Temperatur der jeweiligen Batteriezelle. Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens werden aufgrund dessen in analoger Weise die Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, vor der Ermittlung des Mittelwerts - oder alternativ hierzu die Differenzen - in Abhängigkeit einer Temperaturspreizung der Batterie geändert, insbesondere gewichtet oder skaliert. Unter der Temperaturspreizung ist hierbei die räumliche Verteilung der Temperatur in der Batterie zu verstehen. Insbesondere wird die Differenz oder der Spannungsabfall der jeweiligen Batteriezelle für vorgegebene Temperaturbereiche unterschiedlich geändert oder angepasst. Diese Temperaturbereiche können wiederum von anderen Größen, beispielsweise von einer mittleren Batterietemperatur abhängig sein. Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein Laden bzw. Entladen der jeweiligen Batteriezelle lediglich dann, wenn dessen Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.Furthermore, the amount of the voltage drop depends on the temperature of the respective battery cell. According to a suitable embodiment of the method, the voltage drops, in particular their magnitudes, are changed, in particular weighted or scaled, before the mean value is determined—or alternatively the differences to this—as a function of a temperature spread of the battery. The temperature spread here means the spatial distribution of the temperature in the battery. In particular, the difference or the voltage drop of the respective battery cell is changed or adjusted differently for predetermined temperature ranges. These temperature ranges can in turn depend on other variables, for example on an average battery temperature. Alternatively or additionally, the respective battery cell is charged or discharged only when its temperature is within a predetermined temperature range.
Um einen Störeinfluss der Temperaturspreizung auf die Spannungsabfälle zu verringern wird beispielsweise für eine Batteriezelle mit vergleichsweise hoher Temperatur der Betrag des Spannungsabfalls oder der Betrag der Differenz reduziert, und/oder für eine Batteriezelle mit vergleichsweise niedriger Temperatur der Betrag des Spannungsabfalls oder der Betrag der Differenz erhöht.In order to reduce a disruptive influence of the temperature spread on the voltage drops, for example, the amount of the voltage drop or the amount of the difference is reduced for a battery cell with a comparatively high temperature, and/or the amount of the voltage drop or the amount of the difference is increased for a battery cell with a comparatively low temperature .
Beispielsweise werden die Spannungsabfälle bzw. die Differenzen mit einem Faktor multipliziert, der zweckmäßigerweise abhängig von der Temperatur der jeweiligen Batteriezelle ist, anhand einer vorgegebenen, von der Temperatur abhängigen Funktion berechnet oder entsprechend einer vorgegebenen Tabelle geändert.For example, the voltage drops or the differences are multiplied by a factor that is expediently dependent on the temperature of the respective battery cell, calculated using a predefined function that is dependent on the temperature, or changed according to a predefined table.
Auf diese Weise werden Temperaturunterschiede zwischen Batteriezellen berücksichtigt und eine vergleichsweise präzise Balancierung realisiert.In this way, temperature differences between battery cells are taken into account and comparatively precise balancing is achieved.
Zusätzlich oder alternativ hierzu werden gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens aufgrund dessen in analoger Weise die Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, vor der Ermittlung des Mittelwerts oder alternativ hierzu die Differenzen in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz zwischen der Batterietemperatur, beispielsweise einer mittleren Batterietemperatur, und deren Umgebungstemperatur geändert, insbesondere gewichtet.In addition or as an alternative to this, according to a suitable embodiment of the method, the voltage drops, in particular their magnitudes, are changed in an analogous manner before the mean value is determined, or alternatively the differences are changed as a function of a temperature difference between the battery temperature, for example an average battery temperature, and its ambient temperature , especially weighted.
Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, vor der Ermittlung des Mittelwerts in Abhängigkeit einer Zeitdauer seit einem zeitlich vorangegangenen Balanciervorgang geändert, also erhöht oder reduziert, insbesondere gewichtet oder skaliert. Alternativ hierzu werden die Differenzen Mittelwerts in Abhängigkeit einer Zeitdauer seit einem zeitlich vorangegangenen Balanciervorgang geändert.According to a suitable embodiment of the method, the voltage drops, in particular their amounts, are changed, ie increased or reduced, in particular weighted or scaled, before the determination of the mean value as a function of a period of time since a preceding balancing process. As an alternative to this, the differences in the mean value are changed as a function of a period of time since a preceding balancing process.
Vorzugsweise werden die Beträge der Spannungsabfälle bzw. die Beträge der Differenzen für vergleichsweise kleine Zeitdauern reduziert. Beispielsweise erfolgt eine Skalierung der Beträge der Spannungsabfälle bzw. der Beträge der Differenzen derart, dass diese für kleiner werdende Zeitdauern reduziert werden. Mit anderen Worten wird die zumindest eine Batteriezelle, die zur Balancierung geladen oder entladen wird, für kürzere Zeitdauern weniger stark geladen oder entladen.The amounts of the voltage drops or the amounts of the differences are preferably reduced for comparatively short periods of time. at For example, the amounts of the voltage drops or the amounts of the differences are scaled in such a way that they are reduced for shorter periods of time. In other words, the at least one battery cell that is charged or discharged for balancing purposes is charged or discharged to a lesser extent for shorter periods of time.
Auf diese Weise wird vorteilhaft eine unerwünschte Schwingneigung bei der Regelung, somit beim Balancieren, der Ladezustände der Batteriezellen vermieden.In this way, an undesirable tendency to oscillate when controlling, and thus when balancing, the state of charge of the battery cells is advantageously avoided.
Zusammenfassend wird ein Einfluss von Größen, die den Spannungsabfall und/oder die Differenz beeinflussen, mittels der oben beschriebenen Änderung(en), und somit einer Anpassung, der Spannungsabfälle, insbesondere deren Beträge, oder alternativ hierzu mittels der Änderung der Differenzen vorteilhaft abgeschwächt, gewichtet oder sogar korrigiert. Es wird somit vorteilhaft eine vergleichsweise genaue Bestimmung der Unterschiede der Ladezustände der Batteriezellen erreicht.In summary, an influence of variables that influence the voltage drop and/or the difference is weighted by means of the change(s) described above, and thus an adaptation, of the voltage drops, in particular their amounts, or alternatively by means of the change in the differences, which is advantageously weakened or even corrected. A comparatively precise determination of the differences in the states of charge of the battery cells is thus advantageously achieved.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, welches eine, zweckmäßigerweise als Traktionsbatterie ausgebildete, Lithium-Ionen-Batterie mit, zweckmäßiger Weise in Serie geschalteten, Batteriezellen aufweist. Insbesondere sind die Batteriezellen dabei als Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen ausgebildet.A further aspect of the invention relates to an electrically driven motor vehicle which has a lithium-ion battery, expediently designed as a traction battery, with battery cells expediently connected in series. In particular, the battery cells are designed as lithium iron phosphate battery cells.
Das Kraftfahrzeug umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Balancierung der der Ladezustände der Batteriezellen, also dem Angleichen der Ladezustände der Batteriezellen aneinander. Insbesondere ist diese Einrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet, das Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten durchzuführen.The motor vehicle also includes a device for balancing the states of charge of the battery cells, ie for adjusting the states of charge of the battery cells to one another. In particular, this device is provided and set up to carry out the method in one of the variants presented above.
Die kurz auch als Balancier-Einrichtung bezeichnete Einrichtung zur Balancierung der Ladezustände der Batteriezellen weist hierzu jeweils einen Spannungssensor für jede der Batteriezellen auf. Die Spannungssensoren dienen dabei der Erfassung der von der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellten (Zell-)Spannung oder eines zeitlichen Verlaufs der Zellspannung. Insbesondere dienen die Spannungssensoren der Erfassung eines Spannungsabfalls bei einem Lastsprung. Die Balancier-Einrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit, mit welcher die Spannungssensoren signalübertragungstechnisch gekoppelt sind.The device for balancing the state of charge of the battery cells, also referred to as a balancing device for short, has a voltage sensor for each of the battery cells for this purpose. The voltage sensors are used to record the (cell) voltage provided by the respective battery cell or a time profile of the cell voltage. In particular, the voltage sensors are used to detect a voltage drop in the event of a sudden change in load. The balancing device also includes a control unit to which the voltage sensors are coupled in terms of signal transmission.
Die Steuereinheit ist dabei derart ausgebildet, dass diese entsprechend des oben dargestellten Verfahrens einen Mittelwert aus Spannungsabfällen ermittelt, welche anhand der Spannungssensoren bei einem Lastsprung erfasst werden. Weiterhin ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass diese für jede der Batteriezellen eine Differenz zwischen dem Mittelwert und dem zugeordneten Spannungsabfall an der jeweiligen Batteriezelle ermittelt, und eine Lade- oder Entladeeinrichtung derart ansteuert, dass zumindest eine der Batteriezellen in Abhängigkeit der jeweiligen, also der dieser Batteriezelle zugeordneten Differenz geladen oder entladen wird. Der Lade- oder Entladevorgang ist dabei auch im Fahrtbetrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.The control unit is designed in such a way that, in accordance with the method described above, it determines an average value from voltage drops, which are detected using the voltage sensors in the event of a sudden change in load. Furthermore, the control unit is designed in such a way that, for each of the battery cells, it determines a difference between the mean value and the associated voltage drop across the respective battery cell, and controls a charging or discharging device in such a way that at least one of the battery cells depends on the respective, i.e Battery cell associated difference is charged or discharged. The charging or discharging process is also possible while the motor vehicle is in motion.
Eine solche Lade- oder Entladeeinrichtung ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise umfasst die Lade- oder Entladeeinrichtung für jede der Batteriezellen einen Schaltterm welcher in Serie mit einem Entladewiderstand wischen die beiden elektrischen Pole der jeweiligen Batteriezelle geschaltet ist, wobei der Schalter von der Steuereinheit ansteuerbar ist. Durch das Schließen des Schalters, also bei einer elektrisch leitenden Schaltung des Schalters, wird die entsprechende Batteriezelle entladen. Der Entladevorgang erfolgt dabei in Abhängigkeit der der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Differenz. Beispielsweise wird anhand der Differenz, zweckmäßigerweise anhand einer vordefinierten Funktion oder anhand einer Umrechnungstabelle, eine Entladungsmenge oder eine Entladedauer ermittelt und der Schalter dementsprechend geschaltet.Such a charging or discharging device is already known from the prior art. For example, the charging or discharging device includes a switching term for each of the battery cells which is connected in series with a discharging resistor between the two electrical poles of the respective battery cell, the switch being controllable by the control unit. Closing the switch, ie when the switch is electrically conductive, causes the corresponding battery cell to be discharged. The discharging process takes place depending on the difference assigned to the respective battery cell. For example, based on the difference, expediently based on a predefined function or based on a conversion table, a discharge amount or a discharge duration is determined and the switch is switched accordingly.
Alternativ hierzu umfasst die Lade- oder Entladeeinrichtung eine weitere fahrzeuginterne Batterie, beispielsweise eine 12 V-Batterie oder eine Rekuperationseinheit, wobei die zusätzliche Batterie bzw. die Rekuperationseinheit, an jede der Batteriezellen schaltbar ist, so dass diese von der zusätzlichen Batterie bzw. von der Rekuperationseinheit geladen werden kann. Beispielsweise werden nur diejenigen Batteriezellen geladen, deren Differenz in einem vorbestimmten Wertebereich ist, oder alternativ werden diese Batteriezellen vergleichsweise lange geladen.Alternatively, the charging or discharging device includes another vehicle-internal battery, for example a 12 V battery or a recuperation unit, wherein the additional battery or the recuperation unit can be connected to each of the battery cells so that they can be powered by the additional battery or by the Recuperation unit can be loaded. For example, only those battery cells are charged whose difference is within a predetermined value range, or alternatively these battery cells are charged for a comparatively long time.
Zweckmäßigerweise umfasst die Balancier-Einrichtung zudem einen mit der Steuereinheit gekoppelten Stromsensor, anhand dessen ein von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellter (Batterie-)Strom erfasst werden kann. Beispielsweise umfasst die Balancier-Einrichtung zusätzlich hierzu einen weiteren Spannungssensor zur Erfassung der von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten (Batterie-)Spannung. Anhand des Stromsensors und anhand des weiteren Spannungssensors kann ein zeitlicher Verlauf der von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten Leistung und/oder ein zeitlicher Verlauf des von dieser bereitgestellten Stromes erfasst werden.The balancing device expediently also includes a current sensor coupled to the control unit, by means of which a (battery) current provided by the lithium-ion battery can be detected. For example, the balancing device also includes a further voltage sensor for detecting the (battery) voltage provided by the lithium-ion battery. A time profile of the power provided by the lithium-ion battery and/or a time profile of the current provided by the lithium-ion battery can be detected using the current sensor and using the additional voltage sensor.
Wie im Zusammenhang mit Verfahren bereits beschrieben, erfolgt das Ausgleichen der Ladezustände der Batteriezellen durch das Laden oder Entladen zumindest einer der Batteriezellen, insbesondere mittels einer entsprechenden Ansteuern der Lade- oder Entladeeinrichtung, nur dann, wenn der Lastsprung, welcher die Spannungsabfälle bewirkt, ausreichend groß ist.As already described in connection with methods, the charging states of the battery cells are equalized by charging or discharging at least one of the battery cells, in particular more by means of a corresponding control of the charging or discharging device, only if the sudden change in load, which causes the voltage drop, is sufficiently large.
Alternativ zum oben dargestellten Kraftfahrzeug ist die Steuereinheit nicht Bestandteil dessen. Die Steuereinheit ist dann fahrzeugextern angeordnet und zweckmäßigerweise über eine drahtlose Funkverbindung mit den Spannungssensoren oder mit einer weiteren fahrzeuginternen Steuereinheit gekoppelt, die wiederum mit den Spannungssensoren signalübertragungstechnisch gekoppelt ist.As an alternative to the motor vehicle shown above, the control unit is not part of it. The control unit is then arranged externally to the vehicle and is expediently coupled via a wireless radio link to the voltage sensors or to another control unit internal to the vehicle, which in turn is coupled to the voltage sensors in terms of signal transmission.
Weiter alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Lade- oder Entladeeinrichtung eine (fahrzeugexterne) Ladestation zum Laden der, insbesondere als Traktionsbatterie ausgebildeten, Lithium-Ionen-Batterie des Kraftfahrzeugs umfassen.As an alternative or in addition to this, the charging or discharging device can comprise a charging station (external to the vehicle) for charging the lithium-ion battery of the motor vehicle, which is in particular designed as a traction battery.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 eine OCV-Kennlinie einer Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle, wobei die diese in einem mittleren Ladezustandsbereich eine vergleichsweise geringe Steigung aufweist, -
2 einen Spannungsverlauf der von einer Batteriezelle bereitgestellten Zellspannung, mit einem Spannungsabfall aufgrund eines Lastsprungs, -
3 in einem Flussdiagramm einen Verfahrensablauf zum Balancieren des Ladezustands der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie, und -
4 ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildeten Traktionsbatterie sowie mit einer Einrichtung zum Balancieren des Ladezustands der Batteriezellen der Traktionsbatterie.
-
1 an OCV characteristic curve of a lithium iron phosphate battery cell, which has a comparatively low gradient in a medium state of charge range, -
2 a voltage curve of the cell voltage provided by a battery cell, with a voltage drop due to a load jump, -
3 in a flowchart, a method sequence for balancing the state of charge of the battery cells of a lithium-ion battery, and -
4 an electrically powered motor vehicle with a traction battery designed as a lithium-ion battery and with a device for balancing the state of charge of the battery cells of the traction battery.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
In der
Zum Zeitpunkt t1 steigt die Lastanforderung an die Batterie sprunghaft. Mit anderen Worten erfolgt ein zu diesem Zeitpunkt ein Lastsprung ΔP und die von der Lithium-Ionen-Batterie 4 bereitgestellte Leistung steigt an. Ein solcher Lastsprung ΔP resultiert hierbei beispielsweise aus einer vergleichsweise großen Beschleunigung, sofern die Lithium-Ionen-Batterie 4 eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 6 ist.At time t 1 the load demand on the battery increases suddenly. In other words, at this point in time there is a sudden change in load ΔP and the power provided by the lithium-ion battery 4 increases. Such a sudden change in load ΔP results here, for example, from a comparatively large acceleration if the lithium-ion battery 4 is a traction battery of an electrically driven
Unmittelbar vor, also zeitlich direkt vor dem Zeitpunkt t1 stellt die Batteriezelle 2 eine Ausgangsspannung U0 bereit, welche beispielsweise die Leerlaufspannung (OCV) der Batteriezelle 2 oder die unter einer vergleichsweise geringen Last bereitgestellte Spannung der Batteriezelle 2 ist. Infolge des Lastsprungs sinkt die von der Batteriezelle 2 bereitgestellte Spannung ab dem Zeitpunkt t1. Der Betrag des Minimums der Zellspannung UZ,i, welches im Zuge des Lastsprungs erreicht wird, wird mit UZ,i,min bezeichnet. Entsprechend wird mit ΔUZ,i die Differenz zwischen der Ausgangsspannung U0 und dem Betrag des Miniums der Zellspannung UZ,i bezeichnet.
Zum Zeitpunkt t2 sinkt die Lastanforderung an die Batterie 4, und die von der Batteriezelle 2 bereitgestellte Spannung UZ,i steigt an.At time t 2 the load requirement on the battery 4 falls and the voltage U Z,i provided by the
In der
Hierbei wird in einem ersten Schritt I. für jede der Batteriezellen 2 ein Spannungsabfall ΔUZ,i infolge eines Lastsprungs ΔP erfasst wird. Alternativ zur oben dargestellten Differenz aus dem Ausgangswert U0 und dem Betrag des Minimums UZ,i,min, wird die Differenz aus der Leerlaufspannung und dem Betrag des Minimums UZ,i,min als Spannungsabfall ΔUZ,i für die jeweilige Batteriezelle 2 herangezogen.In a first step I., a voltage drop ΔU Z,i as a result of a sudden change in load ΔP is recorded for each of the
In einem optionalen zweiten Schritt II., der in der
Wird der optionale zweite Schritt II. nicht durchgeführt, folgt auf den ersten Schritt I. direkt der dritte Schritt III.If the optional second step II. is not carried out, the first step I. is followed directly by the third step III.
Im dritten Schritt III. wird ein Mittelwert ΔUz, insbesondere der arithmetische Mittelwert oder der Median, aus den erfassten Spannungsabfällen ΔUZ,i ermittelt. In einem daran anschließenden vierten Schritt IV. wird für jede der Batteriezellen 2 jeweils eine zugeordnete Differenz Di aus dem jeweiligen erfassten Spannungsabfall ΔUZ,i und dem Mittelwert ΔUz der Spannungsabfälle ΔUZ,i ermittelt.
Das Vorzeichen und der Betrag der jeweiligen Differenz Di ist dabei ein Maß für eine Abweichung des Ladezustandes der zugeordneten Batteriezelle 2 von einem Mittelwert der Ladezustände der Batteriezellen 2.The sign and the amount of the respective difference D i is a measure of a deviation of the state of charge of the associated
Optional werden (zeitlich) vor der Ermittlung des Mittelwerts ΔUz in Schritt III. die Spannungsabfälle ΔUZ,i, insbesondere deren Beträge, in Abhängigkeit der Stromstärke I eines von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten (Batterie-)Stromes, in Abhängigkeit einer Temperaturspreizung Tx der Lithium-Ionen-Batterie 4, in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Batterietemperatur und der Umgebungstemperatur, und/oder in Abhängigkeit einer Zeitdauer tv seit einem vorangegangenen Balanciervorgang geändert. Dies ist in der
Der Einfluss der Größen I, Tx, ΔT, und tv auf die Spannungsabfälle ΔUZ,i ist vorbekannt und kann beispielsweise als von dieser Größe abhängiger Faktor, einer entsprechenden Anpassungsfunktion oder als Umrechnungstabelle dargestellt werden. Sollten diese Zusammenhänge nicht vorbekannt sein, können sie entweder experimentell erfasst oder durch Berechnungen/Simulationen abgeschätzt werden.The influence of the variables I, T x , ΔT and t v on the voltage drops ΔU Z,i is already known and can be represented, for example, as a factor dependent on this variable, a corresponding adaptation function or as a conversion table. If these relationships are not previously known, they can either be recorded experimentally or estimated by calculations/simulations.
Zur Änderung der Spannungsabfälle ΔUZ,i werden diese hierzu für jede dieser Einflussgrößen I, Tx, ΔT, und tv mit dem Faktor multipliziert, der von der jeweiligen Größe abhängig ist, als unabhängige Variable für die Anpassungsfunktion verwendet, oder entsprechend der vorgegebenen Tabelle geändert.To change the voltage drops ΔU Z,i , these are multiplied for each of these influencing variables I, T x , ΔT and t v by the factor that depends on the respective variable, used as an independent variable for the adaptation function, or according to the specified one table changed.
Auf diese Weise wird ein Einfluss dieser Größen I, Tx, ΔT, und tv auf die Spannungsabfälle ΔUZ,i ausgeglichen oder korrigiert. Zusammenfassend erfolgt eine Anpassung der Spannungsabfälle ΔUZ,ian Größen, welche diese beeinflussen (stören).In this way, an influence of these variables I, T x , ΔT and t v on the voltage drops ΔU Z,i is compensated for or corrected. In summary, the voltage drops ΔU Z,i are adapted to variables that influence (disrupt) them.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative wird anstatt der Änderung der Spannungsabfälle ΔUZ,i in analoger Weise hierzu eine Änderung der Differenzen Di aus Schritt IV. in Abhängigkeit der Stromstärke I eines von der Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellten (Batterie-) Stromes, in Abhängigkeit einer Temperaturspreizung Tx der Lithium-Ionen-Batterie 4, in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Batterietemperatur und der Umgebungstemperatur, und/oder in Abhängigkeit einer Zeitdauer tv seit einem vorangegangenen Balanciervorgang vorgenommen.According to an alternative that is not shown in more detail, instead of changing the voltage drops ΔU Z,i in an analogous manner to this, a change in the differences D i from step IV. made as a function of a temperature spread T x of the lithium-ion battery 4, as a function of a temperature difference ΔT between the battery temperature and the ambient temperature, and/or as a function of a time period t v since a previous balancing process.
In einem fünften Schritt V. wird zum Balancieren der Ladezustände SOC der Batteriezellen 2 zumindest eine der Batteriezellen 2 in Abhängigkeit der jeweiligen Differenz Di geladen oder entladen. Hierzu wird aus der jeweiligen Differenz Di, zweckmäßigerweise anhand einer vordefinierten Funktion, anhand eines konstanten oder von der Differenz Di abhängigen Faktors, oder anhand einer Umrechnungstabelle, eine Entladungsmenge, eine Entladedauer, eine Lademenge, oder Ladedauer ermittelt und die jeweilige Batteriezelle 2 dementsprechend geladen oder entladen. Sofern die Batterie 4 die Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 6 ist, wird das Laden oder Entladen der jeweiligen Batteriezelle 2 bevorzugt während des Fahrtbetriebs des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 6 durchgeführt.In a fifth step V., at least one of the
In
Des Weiteren umfasst das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug 6 eine Einrichtung 8 zur Balancierung der Ladezustände der Batteriezellen 2. Dabei ist diese Einrichtung 8 dazu vorgesehen und eingerichtet, das in der
Die Einrichtung 8 weist wiederum jeweils einen Spannungssensor 10 für jede der Batteriezellen 2 sowie eine Steuereinheit 12 auf, mit welcher die Spannungssensoren 10 signalübertragungstechnisch gekoppelt sind. Die Spannungssensoren 10 dienen der Erfassung der von der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellten (Zell-)Spannung oder eines zeitlichen Verlaufs der Zellspannung. Somit ist es ermöglicht, bei einem Lastsprung ΔP einer an die Batterie 4 angeschlossenen elektrischen Last (nicht weiter dargestellt) die damit einhergehenden Spannungsabfälle ΔUZ,i an der jeweiligen Batteriezelle 2 zu erfassen.The device 8 in turn has a voltage sensor 10 for each of the
Die Steuereinheit 12 ist dabei derart ausgebildet, dass diese entsprechend des oben dargestellten Verfahrens gemäß der
Die Steuereinheit 12 ist weiterhin signalübertragungstechnisch mit einer Lade- oder Entladeeinrichtung 14 gekoppelt. Dabei ansteuert die Steuereinrichtung 12 die Lade- oder Entladeeinrichtung 14 derart an, dass entsprechend des Schrittes V des Verfahrens zumindest eine der Batteriezellen 2 in Abhängigkeit der jeweiligen Differenz Di geladen oder entladen wird. The control unit 12 is also coupled to a charging or discharging device 14 in terms of signal transmission. The control device 12 activates the charging or discharging device 14 in such a way that at least one of the
Beispielhaft umfasst die Lade- oder Entladeeinrichtung 14 für jede der Batteriezellen einen Schalter 16, welcher in Serie mit einem Entladewiderstand 18 zwischen die beiden elektrischen Pole der jeweiligen Batteriezelle 2 geschaltet ist. Die Schalter 16 sind dabei von der Steuereinheit 12 ansteuerbar. Beim Schließen des jeweiligen Schalters, also bei einer elektrisch leitenden Schaltung des Schalters 16, wird die entsprechende Batteriezelle 2 über den Entladewiderstand 18 entsprechend des Schrittes V des Verfahrens - und somit in Abhängigkeit der jeweiligen Differenz Di - entladen. Also anhand der Differenz, zweckmäßigerweise anhand einer vordefinierten Funktion oder anhand einer Umrechnungstabelle, eine Entladungsmenge oder eine Entladedauer ermittelt und der Schalter 16 dementsprechend geschaltet.For example, the charging or discharging device 14 includes a switch 16 for each of the battery cells, which is connected in series with a discharging resistor 18 between the two electrical poles of the
Die Einrichtung 8 umfasst optional, insbesondere zur Durchführung des Schrittes II, einen mit der Steuereinheit gekoppelten Stromsensor 20, anhand dessen der von der Lithium-Ionen-Batterie 4 bereitgestellter (Batterie-)Strom I erfasst werden kann.The device 8 optionally includes, in particular for carrying out step II, a
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described above. On the contrary, other variants of the invention can also be derived from this by a person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
Bezugszeichenlistereference list
- 22
- Batteriezellebattery cell
- 44
- Lithium-Ionen-BatterieLithium Ion Battery
- 66
- elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeugelectrically powered motor vehicle
- 88th
- Einrichtung zur Balancierung der Ladezustände der BatteriezellenDevice for balancing the state of charge of the battery cells
- 1010
- Spannungssensorvoltage sensor
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- Lade- oder Entladeeinrichtungloading or unloading device
- 1616
- SchalterSwitch
- 1818
- Entladewiderstanddischarge resistance
- 2020
- Stromsensor current sensor
- ΔPΔP
- Lastsprungload jump
- ΔTΔT
- Temperaturdifferenztemperature difference
- ΔUZ,iΔUZ,i
- Spannungsabfall einer der Batteriezellen der Lithium-Ionen-BatterieVoltage drop in one of the battery cells of the lithium-ion battery
- ΔUZΔUZ
- Mittelwert der erfassten SpannungsabfälleMean value of the recorded voltage drops
- DiTue
- Differenz aus dem Spannungsabfall der jeweiligen Batteriezelle und dem MittelwertDifference between the voltage drop of the respective battery cell and the mean value
- II
- Stromstärkeamperage
- SS
- Schwellenwertthreshold
- SOCSOC
- Ladezustandstate of charge
- t1t1
- Zeitpunkttime
- t2t2
- Zeitpunkttime
- tvtelevision
- Zeitdauerduration
- Txtx
- Temperaturspreizung temperature spread
- I.I
- Erfassen von SpannungsabfällenDetection of voltage drops
- II.II.
- Vergleich mit SchwellenwertComparison with threshold
- III.III.
- Ermittlung des MittelwertsDetermination of the mean value
- IV.IV
- Ermittlung der Differenzendetermination of the differences
- V.V
- Laden und/oder Entladen zumindest einer BatteriezelleCharging and / or discharging at least one battery cell
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- KR 20130126085 A [0006]KR 20130126085 A [0006]
- US 2016/0233696 A1 [0006]US 2016/0233696 A1 [0006]
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2021
- 2021-05-20 DE DE102021205122.7A patent/DE102021205122A1/en active Pending
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