DE102021208940A1 - Verfahren zur Steuerung eines Zellstromgrenzwerts für ein Batteriemanagementsystem, Batteriemanagementsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zellstromgrenzwerts für ein Batteriemanagementsystem. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Schritt S1: Bestimmen von quadratischen Referenzströmenireƒ2einer Batteriezelle (34) für eine gemessene Temperatur Tsensfür unterschiedliche Dauern tref;- Schritt S2: Berechnen einer entsprechenden Referenzzeitkonstante τreffür jeden Referenzstrom irefanhand eines Modells zur Berechnung eines RMS-Werts iRMSeines Zellstroms ireqmithilfe eines Dauerstroms icont, der dem minimalen Strom in Lade- oder Entladerichtung, der keinen thermischen Schaden macht, entspricht;- Schritt S3: Bilden eines Diagramms über das Verhältnis zwischen der Referenzzeitkonstante τrefund dem quadratischen Referenzstromireƒ2anhand der berechneten Referenzzeitkonstanten τrefund der bestimmten quadratischen Referenzströmeireƒ2für jede bestimmte Temperatur T;- Schritt S4: Ermitteln einer prädiktiven Zeitkonstante τpreddurch Vergleich eines quadratischen Messwertsisens2eines Zellstroms ireqmit den quadratischen Referenzströmenireƒ2;- Schritt S5: Berechnen eines prädiktiven RMS-Grenzwerts ipreddes Zellstroms ireqbasierend auf dem Dauerstrom icont, einer prädiktiven Dauer tpredund der prädiktiven Zeitkonstante τpred;-Schritt S6: Berechnen basierend auf dem prädiktiven RMS-Grenzwert ipredeines ersten prädiktiven Grenzwerts ipredSfür eine kurze prädiktive Dauer tpredS, eines zweiten prädiktiven Grenzwerts ipredLfür eine lange prädiktive Dauer tpredLund eines dritten prädiktiven Grenzwerts ipredPfür eine permanente prädiktive Dauer tpredP;- Schritt S7: Berechnen eines zusätzlichen RMS-Grenzwerts ilimTdes Zellstroms ireqanhand einer maximal zulässigen Temperatur Tmaxder Batteriezelle (34) und der gemessenen Temperatur Tsensder Batteriezelle (34).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zellstromgrenzwerts für ein Batteriemanagementsystem.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemanagementsystem, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
• Die Erfindung betrifft auch eine Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder die das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder das das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem und/oder die erfindungsgemäße Batterie umfasst.
• Stand der Technik
• Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In solchen elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie z. B. Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen, werden aufladbare Batterien eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen.
• Der RMS-Wert (Quadratischer Mittelwert, Root Mean Square) eines Stroms ist relevant wegen der Gefahr der Überhitzung von Komponenten, die nicht direkt durch einen Temperatursensor überwacht werden, wie z. B. Sicherung, Relais oder lokale Überhitzung von Batteriezellen, und Überhitzung insbesondere am Stromabnehmer und dem umgebenden Dichtungsmaterial. Eine Überhitzung des Dichtungsmaterials kann bei regelmäßigem Auftreten zu einer Leckage der Batteriezelle führen, die dann zu einer beschleunigten Alterung führen kann. Da dies direkt mit der Verlustleistung der Batteriezellen korreliert (P = Uloss · I = R · I²), hat dieser Effekt einen direkten Einfluss auf die verfügbare Leistung und kann die Lebensdauer der Batteriezelle verkürzen.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen maximal zulässigen Strom in Lade- und Entladerichtung unter Berücksichtigung der Erwärmung der Batteriezellen zu berechnen.
• Offenbarung der Erfindung
• Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Zellstromgrenzwerts für ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen. Das Batteriemanagementsystem ist dabei zur Überwachung und Steuerung einer Batterie eingerichtet. Die Batterie kann dabei eine oder mehrere seriell oder parallel verschaltete Batteriezellen umfassen. Die Batteriezelle ist bevorzugt als Lithium-lonen-Zelle ausgebildet.
• Erfindungsgemäß werden zunächst für eine gemessene Temperatur T_sens quadratische Referenzströme $i_{ref}^2$

  

  einer Batteriezelle für unterschiedliche Dauern t_ref bestimmt. Dabei stellt der Referenzstrom i_ref den maximal erlaubten Zellstrom bei dieser gemessenen Temperatur T_sens für die entsprechende Dauer t_ref dar. Beispielsweise werden für eine gemessene Temperatur von 25 °C die quadratischen Referenzströme $i_{ref2s}^2,$

  

  $i_{ref10s}^2,$

  

  $i_{ref30s}^2,$

  

  für die entsprechenden Dauern t_ref von 2 s, 10 s und 30 s bestimmt. Wenn die im Zellendatenblatt definierten Temperaturen beispielsweise 20 °C und 30 °C sind, können diese quadratischen Referenzströme interpoliert werden, wenn dies vom Zellendatenblatt erlaubt ist.
• Anschließend wird für jeden Referenzstrom i_ref eine entsprechende Referenzzeitkonstante τ_ref anhand eines Modells zur Berechnung eines RMS-Werts i_RMS eines Zellstroms i_req mithilfe eines Dauerstroms i_cont berechnet, der dem minimalen Strom in Lade- oder Entladerichtung, der keinen thermischen Schaden macht, entspricht. Die Hauptaufgabe des Modells besteht darin, einen bestimmten Strom für die angegebene Dauer aus dem Zellendatenblatt zuzulassen. Durch dieses Modell wird somit das dynamische Verhalten von Grenzwerten des Stroms modelliert. Beispielsweise, wenn aus dem Zellendatenblatt hervorgeht, dass ein Strom von 150 A nur 2 s dauern darf, muss dieser Strom dann für 2 s oder weniger zugelassen werden. Dazu wird die Referenzzeitkonstante τ_ref derart angepasst, dass der Grenzwert des Stroms bei 2 s oder früher eintrifft. Beispielsweise wird für die jeweiligen Referenzströme i_ref2s, i_ref10s und i_ref30s eine entsprechende Referenzzeitkonstante τ_ref2s, i_ref10s und τ_ref30s berechnet.
• Anhand der berechneten Referenzzeitkonstanten τ_ref und der bestimmten quadratischen Referenzenströme $i_{ref}^2$

  

  wird danach ein Diagramm über das Verhältnis zwischen der Referenzzeitkonstante τ_ref und dem quadratischen Referenzstrom $i_{ref}^2$

  

  für jede bestimmte Temperatur gebildet. Das Diagramm kann ebenfalls für jeden bestimmten Ladezustand gebildet werden.
• Anschließend wird eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch Vergleich eines quadratischen Messwerts $i_{sens}^2$

  

  eines Zellstroms i_req mit den quadratischen Referenzströmen $i_{ref}^2$

  

  ermittelt. Wenn der quadratische Messwert $i_{sens}^2$

  

  des Zellstroms i_req gleich einem quadratischen Referenzstrom $i_{ref}^2$

  

  ist, ist die prädiktive Zeitkonstante τ_pred gleich der diesem Referenzstrom i_ref entsprechenden Referenzzeitkonstante τ_ref. Andernfalls wird die prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch Interpolation ermittelt.
• Danach wird ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred des Zellstroms i_req basierend auf dem Dauerstrom i_cont, einer prädiktiven Dauer t_pred und der prädiktiven Zeitkonstante τ_pred berechnet. Die prädiktive Dauer kann kundenspezifisch sein.
• Der Referenzstrom i_ref und die Dauer t_ref des Referenzstroms i_ref sind zellenspezifisch und temperaturabhängig. Diese können direkt aus dem Zellendatenblatt entnommen oder durch Messungen erhalten werden.
• Vorzugsweise wird das Modell zur Berechnung des RMS-Werts i_RMS als ein PT1-Glied ausgebildet, das auch als PT1-Filter bezeichnet wird. Unter einem PT1-Glied wird ein LZI(lineares zeitinvariantes System)-Übertragungsglied in der Regelungstechnik verstanden, welches ein proportionales Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung aufweist. Ein gebräuchliches Beispiel ist ein Tiefpass 1. Ordnung, der beispielsweise durch ein RC-Glied realisiert werden kann. Vorteilhaft ist ein PT1-Glied einfach zu implementieren.
• Mittels des bevorzugt als ein PT1-Glied ausgebildeten Modells wird das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht. Dabei wird der RMS-Wert i_RMS eines Zellstroms i_req gemäß einer ersten Gleichung wie folgt berechnet: $$i_{RMS}^2\left(t\right)=\left(1-e^{-\frac{t}{\tau }}\right)\cdot i_{sens}^2\left(t\right)+i_{RMS0}^2\cdot e^{-\frac{t}{\tau }}$$

  
• Dabei ist i_RMS(t) der aktuelle RMS-Wert des Zellstroms i_req und zeitabhängig, i_RMS0 der anfängliche RMS-Wert des Zellstroms i_req, t die Zeit, .τ die Zeitkonstante des PT1-Glieds und i_sens(t) der Messwert des Zellstroms i_req.
• Der RMS-Wert i_RMS(t) des Zellstroms i_req wird dann mittels einer zweiten Gleichung wie folgt mit einem Dauerstrom i_cont, der temperaturabhängig ist, verglichen: $$\begin{array}{l}{i}_{RMS}^2\left(t\right)\le i_{cont}^2\left(T\right)\\ \end{array}$$

  
• Dieser Dauerstrom i_cont entspricht dem minimalen Strom, der keinen thermischen Schaden macht, und kann aus dem Zellendatenblatt entnommen werden. Der Dauerstrom i_cont ist zur Begrenzung des Zellstroms i_req relevant und stellt sicher, dass keine Überhitzung der Batteriezelle entsteht. Der Wert des Dauerstroms i_cont wird dann reduziert, um andere Komponenten, wie beispielsweise Sicherung und Relais, vor Wärmeentwicklung zu schützen. Die Reduktion des Werts des Dauerstroms i_cont kann auf thermischer Messung basiert oder Simulationsergebnis sein.
• Mit der Voraussetzung, dass $i_{RMS}^2$

  

  gleich $i_{cont}^2$

  

  ist, kann ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred, welcher dem Messwert i_sens des Zellstroms i_req in der ersten Gleichung entspricht, mittels einer dritten Gleichung wie folgt berechnet werden: $$i_{pred}\left(t\right)=\sqrt{\frac{i_{cont}^2\left(T\right)\cdot i_{RMS0}^2\cdot e^{-\frac{t}{\tau }}}{1-e^{-\frac{t}{\tau }}}}$$

  
• Dabei ist T die Temperatur der Batteriezelle.
• Für eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte prädiktive Dauer t_pred, wie beispielsweise 0,5 s, 2 s oder 10 s, kann eine neue dritte Gleichung wie folgt hergeleitet werden: $$i_{pred}\left(t_{pred}\right)=\sqrt{\frac{i_{cont}^2-i_{RMS0}^2\cdot e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}}{1-e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}}}$$

  
• Hierbei wird eine Konstante k eingeführt. Diese Konstante k ist wie folgend definiert: $$k=e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}$$

  
• Somit wird eine vereinfachte neue dritte Gleichung wie folgt von der neuen dritten Gleichung hergeleitet: $$i_{pred}\left(t_{pred}\right)=\sqrt{\frac{i_{cont}^2-i_{RMS0}^2\cdot k}{1-k}}$$

  
• Der anfängliche RMS-Wert i_RMS0 kann mithilfe des Referenzstroms i_ref und der Dauer t_ref des Referenzstroms i_ref durch eine Sprungantwort, die wie folgt in einer vierten Gleichung beschrieben ist, erhalten werden: $$i_{RMS0}^2\left(t_{ref}\right)=\left(1-e^{-\frac{t_{ref}}{\tau }}\right)\cdot i_{ref}^2$$

  
• Anhand der vereinfachten neuen dritten Gleichung (3") und der vierten Gleichung wird der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred für eine bestimmte prädiktive Dauer t_pred mittels einer fünften Gleichung wie folgt berechnet: $$i_{pred}^2\left(t_{pred}\right)=\frac{i_{cont}^2-\left(1-e^{-\frac{t_{ref}}{\tau }}\right)\cdot i_{ref}^2\cdot k}{1-k}$$

  
• Mit der Voraussetzung, dass $i_{pred}^2\left(t_{pred}\right)$

  

  gleich $i_{ref}^2$

  

  ist, wird die Zeitkonstante τ wie folgt mittels einer sechsten Gleichung hergeleitet: $$\tau =\frac{-t_{ref}}{ln\left(\frac{i_{ref}^2-i_{cont}^2}{k\cdot i_{ref}^2}\right)}$$

  
• Somit wird eine Zeitkonstante τ für jeden bestimmten maximal zulässigen Zellstrom i_ref und die bestimmte Dauer t_ref berechnet. Mittels der sechsten Gleichung kann für jede bestimmte Temperatur eine neue Zeitkonstante τ berechnet werden, die sich gemäß dem Messwert i_sens des Zellstroms i_req anpasst.
• Dabei wird der quadratische Messwert $i_{sens}^2$

  

  des Zellstroms i_req mit dem quadratischen Referenzstrom $i_{ref}^2$

  

  für eine bestimmte Temperatur T und eine bestimmte Dauer t_ref verglichen, um eine geeignete prädiktive Zeitkonstante τ_pred herzuleiten.
• Wenn beispielsweise der quadratische Messwert $i_{sens}^2$

  

  des Zellstroms i_req gleich dem quadratischen Zellstrom $i_{ref2s}^2$

  

  für eine Dauer t_ref von 2 s ist, kann eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred mittels der sechsten Gleichung berechnet werden. Dabei ist die Zeitkonstante τ_pred gleich der Referenzzeitkonstante τ_ref2s für den Referenzstrom i_ref2s für eine Dauer t_ref von 2 s. Die Herabsetzung des Zellstroms i_req beginnt dann nach 2 s.
• Vorzugsweise wird das Ermitteln der prädiktiven Zeitkonstante τ_pred durch lineare Interpolation ausgeführt. Die Zeitkonstante τ_pred ist somit dynamisch und passt sich gemäß dem Messwert i_sens des Zellstroms i_req an.
• Wenn beispielsweise der quadratische Messwert $i_{sens}^2$

  

  des Zellstroms i_req größer als der quadratische Referenzstrom $i_{ref10s}^2$

  

  für eine Dauer t_ref von 10 s ist, aber kleiner als der quadratische Referenzstrom $i_{ref2s}^2$

  

  für eine Dauer t_ref von 2 s ist, kann eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch eine lineare Interpolation zwischen der Referenzzeitkonstante τ_ref2s für den Referenzstrom i_ref2s für eine Dauer t_ref von 2 s und der Referenzzeitkonstante τ_ref10s für den Referenzstrom i_ref10s für eine Dauer t_ref von 10 s ermittelt werden.
• Mittels der ermittelten prädiktiven Zeitkonstante τ_pred und der dritten Gleichung kann ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred berechnet werden.
• Vorzugsweise wird ein zusätzlicher Punkt [i_min; τ_relax] in das Diagramm über das Verhältnis zwischen der Referenzzeitkonstante i_ref und dem Referenzstrom i_ref hinzugefügt. Dieser Punkt ist hinzugefügt, um eine Relaxationszeitkonstante τ_relax für die Batteriezelle in einem entspannten oder einem quasi entspannten Zustand zu definieren. Dabei stellt i_min einen kleinen Strom dar, bei dem keine Belastung für die Zelle auftritt. Dieser kleine Strom i_min kann ein kleiner Ladestrom oder Entladestrom sein. Mittels dieser Definition kann eine kleine Relaxationszeitkonstante τ_relax ausgewählt werden, um beispielsweise einen großen Rekuperationsstrom zu erlauben. Dieser neue Punkt kann dabei von der Temperatur T abhängig sein.
• Vorzugsweise werden basierend auf dem prädiktiven RMS-Grenzwert i_pred ein erster prädiktiver Grenzwert i_predS für eine kurze prädiktive Dauer t_predS, ein zweiter prädiktiver Grenzwert i_predL für eine lange prädiktive Dauer t_predL und ein dritter prädiktiver Grenzwert i_predP für eine permanente prädiktive Dauer t_predP berechnet. Beispielsweise kann eine Dauer von weniger als 2 s als eine kurze prädiktive Dauer t_predS definiert werden. Beispielsweise kann eine lange prädiktive Dauer t_predL gleich 2 s sein, während eine permanente prädiktive Dauer t_predP gleich 10 s sein kann. Diese prädiktiven Dauern können kundenspezifisch sein. Inder Regel handelt es sich bei diesen prädiktiven Dauern um feste Werte. Die prädiktive Dauer t_pred entspricht dabei den Zeiten, in denen ein Konstantstrom ohne Begrenzung durch ein Batteriemanagementsystem verwendet werden kann. Dieser Konstantstrom kann beispielsweise zur Berechnung des dritten prädiktiven Grenzwerts i_predP verwendet werden.
• Vorzugsweise wird die Konstante $k=e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}$

  

  bei der Berechnung des ersten prädiktiven Grenzwerts i_predS für eine kurze prädiktive Dauer t_predS festgelegt. Durch Festlegen der Konstante k und Variieren der Zeitkonstante τ ist der erste prädiktive Grenzwert i_predS auch dynamisch, da er sich gemäß der aktuellen thermischen Belastung der Batteriezelle anpasst.
• Bei der Berechnung des zweiten prädiktiven Grenzwerts i_predL und des dritten prädiktiven Grenzwerts i_predP sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen.
• Zum einen ist: $$k_S\ge k_L\left(T\right)\ge k_P\left(T\right)$$

  
• Dabei ist k_S die Konstante $k=e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}$

  

  für den ersten prädiktiven Grenzwert i_predS, die ein Festwert ist, k_L(T) die Konstante $k=e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}$

  

  für den zweiten prädiktiven RMS-Grenzwert i_predL und k_P(T) die Konstante $k=e^{-\frac{t_{pred}}{\tau }}$

  

  für den dritten prädiktiven Grenzwert i_predP. Dabei sind die Konstanten k_L(T) und kp(T) temperaturabhängig.
• Zum anderen gilt, wenn das PT1-Glied Null ist, dass der zweite prädiktive Grenzwert i_predL für eine lange prädiktive Dauer t_predL den Referenzstrom i_ref für diese lange prädiktive Dauer t_predL und für die aktuelle Temperatur der Batteriezelle repräsentieren soll. Unter „PT1-Glied ist Null“ wird verstanden, dass der RMS-Wert I_RMS des Ladestroms i_req gleich null ist. Dabei ist die Konstante k_L(T) für den zweiten prädiktiven Grenzwert i_predL wie folgt definiert: $$k_L\left(T\right)=e^{-\frac{t_{predL}}{{\tau }_{predL\left(T\right)}}}$$

  
• Unter Berücksichtigung der beiden Voraussetzungen sind die Konstante k_L und eine lange prädiktive Zeitkonstante τ_predL(T) für den zweiten Grenzwert i_predL mithilfe von einer siebten und einer achten Gleichung wie folgt berechnet: $$k_L\left(T\right)=1-\frac{i_{cont}^2\left(T\right)}{i_{ref,predL\left(T\right)}^2}$$

  

  $${\tau }_{predL}\left(T\right)=-\frac{t_{predL}}{ln\left(k_L\left(T\right)\right)}$$

  
• Dabei ist i_cont(T) der Dauerstrom, der dem minimalen Strom entspricht, der keinen thermischen Schaden macht, und aus dem Zellendatenblatt entnommen werden kann. I_ref,predL ist dabei der Referenzstrom i_ref für diese lange prädiktive Dauer t_predL.
• Der zweite prädiktive Grenzwert i_predL ist dann mithilfe von einer neunten Gleichung, die auch aus der dritten Gleichung hergeleitet ist, wie folgt zu berechnen: $$i_{predL}\left(t\right)=\sqrt{\frac{i_{cont}^2\left(T\right)-i_{RMS0}^2\cdot e^{-\frac{t_{predL}}{{\tau }_{predL}\left(T\right)}}}{1-e^{-\frac{t_{predL}}{{\tau }_{predL}\left(T\right)}}}}$$

  
• Die Berechnung des dritten prädiktiven Grenzwerts i_predP folgt den gleichen Voraussetzungen wie für die Berechnung des zweiten prädiktiven Grenzwerts i_predL. Dabei gilt k_L(T) ≥ k_P(T). Somit kann der dritte prädiktive Grenzwert i_predP wie folgt mithilfe von einer zehnten Gleichung berechnet werden: $$i_{predP}\left(t\right)=\sqrt{\frac{i_{cont}^2\left(T\right)-i_{RMS0}^2\cdot e^{\frac{t_{predP}}{{\mathrm{\tau }}_{predP}\left(T\right)}}}{1-e^{-\frac{t_{predL}}{{\mathrm{\tau }}_{predP}\left(T\right)}}}}$$

  
• Dabei ist τ_predP(T) die permanente prädiktive Zeitkonstante für den dritten prädiktiven Grenzwert i_predP.
• Vorzugsweise wird ein zusätzlicher RMS-Grenzwert i_limT des Zellstroms i_req anhand einer maximal zulässigen Temperatur T_max der Batteriezelle und der gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle berechnet. Dieser zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT dient zum thermischen Derating, unter welchem im Allgemeinen eine Reduzierung des Stroms zur Begrenzung eines Temperaturanstiegs verstanden wird. Der Dauerstrom i_cont wird durch den zusätzlichen RMS-Grenzwert i_limT begrenzt und im Falle eines thermischen Deratings reduziert.
• Der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT ist aus der folgenden Gleichung herzuleiten: $$m{C}_p\frac{dT}{dt}=R\cdot i^2+{\alpha }_{env}\cdot A\cdot \left(T_{env}-T\right)+{\alpha }_{Cool}\cdot A\cdot \left(T_{Cool}-T\right)$$

  
• Dabei ist m die Masse einer Batteriezelle in kg, C_p die Wärmekapazität in J/K, R der Innenwiderstand der Batteriezelle in Ohm, i der Zellstrom in A, α_env der Wärmeaustauschkoeffizient mit der Umgebung, T_env die Umgebungstemperatur in K, α_Cool der Wärmeaustauschkoeffizient mit der Kühlung, T_Cool die Kühltemperatur in K und A die Wärmeübertragungsfläche in m².
• Unter Berücksichtigung des Extremfalls, dass keine zusätzlichen Temperatursensoren zum Erfassen von T_env und T_Cool vorhanden sind, wird die oben erwähnte Gleichung wie folgt umgeschrieben: $$m{C}_p\frac{dT}{dt}=R\cdot i^2$$

  
• Mithilfe der Finite-Differenzen-Methode wird diese Gleichung weiterhin wie folgt umgeschrieben: $$m{C}_p=\frac{T_{max}-T_{sens}}{\Delta t}=R\cdot i^2$$

  
• Der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT lässt sich aus einer elften Gleichung wie folgt herleiten:
  $$i_{limt}=\sqrt{\frac{K_p}{R}\cdot \left(T_{max}-T_{sens}\right)}+K_i\cdot {\displaystyle \int \left(T_{max}-T_{sens}\right)\cdot dt}$$

  

  mit $K_p=\frac{m{C}_p}{\Delta t}$

  

  als einen Proportional-Verstärker und $K_i=\frac{K_p}{{\mathrm{\tau }}_T}$

  

  als einen Integral-Verstärker.
• Der thermische Zeitkonstante α_T ist wie folgt definiert: $${\mathrm{\tau }}_T=\frac{m{C}_p}{K_{env}+K_{cool}}$$

  

  mit K_env = α_env · A und K_Cool = α_Cool · A. Dabei sind K_env und K_Cool konstant.
• Somit gilt: $$K_i=\frac{K_{env}+K_{cool}}{\Delta t}$$

  
• Vorzugsweise wird ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), der einen proportional wirkenden Anteil (P-Anteil) und einen integral wirkenden Anteil (I-Anteil) aufweist, eingesetzt. Der PI-Regler dient dabei zum thermischen Derating. Die mathematische Struktur des PI-Reglers kann auch durch die elfte Gleichung beschrieben sein. Die Kalibrierung des Proportional-Verstärkers k_p und des Integral-Verstärkers k_i kann basierend auf den Gleichungen eines thermischen Models basieren. Vorteilhaft kann eine schnelle Kalibrierung auf der Grundlage physikalischer Parameter erfolgen. Dieser PI-Regler beeinflusst den Dauerstrom i_cont und damit den prädiktiven RMS-Grenzwert i_pred.
  Mittels des PI-Reglers kann ein maximaler Strom gefunden werden, der die Differenz zwischen der maximal zulässigen Temperatur T_max und der gemessenen Temperatur T_sens verringert. Der P-Anteil liefert dabei eine erste Schätzung des maximalen Stroms, während der I-Anteil dazu dient, die Genauigkeit der Abschätzung zu erhöhen und den Abstand zwischen der maximal zulässigen Temperatur T_max und der gemessenen Temperatur T_sens zu verringern.
• Vorzugsweise weist der Proportional-Integral-Regler eine Anti-Windup-Struktur auf. Ergänzend oder alternativ kann der integral wirkende Anteil des Proportional-Integral-Reglers erst aktiviert werden, wenn die gemessene Temperatur T_sens die maximal zulässige Temperatur T_max überschreitet und/oder wenn die gemessene Temperatur T_sens einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert überschreitet und der RMS-Wert I_RMS des Zellstroms i_req einen vorgegebenen Stromschwellenwert überschreitet. Vorzugsweise wird der I-Anteil des PI-Reglers nur in kritischen Fällen, wie beispielsweise wenn die Temperatur T bereits hoch ist, aktiviert. Andernfalls kann der I-Anteil des PI-Reglers deaktiviert werden. Beispielsweise besteht bei einer Temperatur T von 25 °C keine Gefahr einer hohen Temperatur, so dass der I-Anteil deaktiviert ist.
• Bei der Regelung wird zunächst die aktuelle Temperatur gemessen. Anschließend wird der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT durch den PI-Regler berechnet. Danach wird der Dauerstrom i_cont reduziert, wenn der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT kleiner als der Dauerstrom i_cont ist. Anschließend wird der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred angepasst. Diese Regelungsschritte wiederholen sich, so dass sich der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred dynamisch anpasst. Bei der Regelung wird immer eine Berechnung des prädiktiven RMS-Grenzwerts i_pred und/oder des ersten, zweiten und dritten prädiktiven Grenzwerts i_predS, i_predL, i_predP durchgeführt, welche an ein Bus-System, wie beispielsweise ein CAN-Bus, geschickt werden. Hierbei wird der Messwert i_sens des Zellstroms i_req erfasst.
• Es wird ferner ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
• Es wird auch eine Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder die das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst.
• Es wird weiterhin ein Fahrzeug vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder das das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem und/oder die erfindungsgemäße Batterie umfasst.
• Vorteile der Erfindung
• Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Algorithmus effizient in einem Batteriemanagementsystem implementiert werden, der den Strom aus der Zellenspezifikationen begrenzt und damit die volle Leistungsverfügbarkeit und den thermischen Schutz von Batteriezellen und Komponenten sicherstellt.
• Dabei werden Daten von Batteriezellen direkt zur Berechnung einer Zeitkonstante verwendet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei der RMS-Wert des Zellstroms und der RMS-Grenzwert des Zellstroms berechnet werden. Diese Größen sind vorteilhaft zum einen zur Erkennung potentieller vorzeitiger Alterung der Batteriezellen und zum anderen zur Anpassung einer Leistungsstrategie und einer Fahrstrategie eines Fahrzeugs.
• Durch Einsatz eines Proportional-Integral-Reglers wird sichergestellt, dass ein statischer Fehler zwischen der maximal zulässigen Temperatur und der gemessenen Temperatur beseitigt wird. Somit wird die maximale Leistung in einem zulässigen Temperaturbereich erreicht.
• Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden darüber hinaus ein Stresslevel zur Quantifizierung der Zellennutzung und eine schnelle Kalibration ermöglicht.
• Weiterhin kann der RMS-Wert des Zellstroms mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet werden, der als Maß für die Batteriebelastung verwendet werden kann. Dieser Durchschnittswert des Ladestroms kann aufgezeichnet werden, um den Stresslevel der Zelle zu visualisieren.
• Ferner ist die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens effizient, da nur wenige Arbeitsspeicher für die Prozessoren des Batteriemanagementsystems benötigt werden.
• Außerdem ist die Funktion des Verfahrens flexibel. Dabei kann der Prädiktionshorizont beziehungsweise die prädiktive Dauer je nach Bedarf eines Kunden geändert werden.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine intelligentere Regelung getroffen, so dass das Batteriesystem mehr Leistung liefern kann.
• Figurenliste
• Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des erwarteten Verhaltens eines Zellstromgrenzwerts,
• 2 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Ermittlung einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred,
• 3 eine Blockschaltung eines Regelkreises,
• 4.1 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines prädiktiven RMS-Grenzwerts i_pred,
• 4.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines RMS-Werts i_RMS des Zellstroms i_req entsprechend 4.1,
• 4.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessen Temperatur T_sens der Batteriezelle entsprechend 4.1,
• 4.4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred entsprechend 4.1,
• 5.1 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req ohne Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS,
• 5.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle entsprechend 5.1,
• 5.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS,
• 5.4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle entsprechend 5.3,
• 6.1 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS gemäß einem ersten Beispiel,
• 6.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred entsprechend 6.1,
• 6.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Ladezustands SOC und eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens entsprechend 6.1,
• 7.1 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS gemäß einem zweiten Beispiel,
• 7.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred entsprechend 7.1,
• 7.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Ladezustands SOC und eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens entsprechend 7.1 und
• 8 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ausführungsformen der Erfindung
• In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung des erwarteten Verhaltens eines Zellstromgrenzwerts einer Batteriezelle 34 (siehe 3). Die Erwartung ist, dass durch Verwendung von dynamischen Grenzwerten i_D eines Batteriemanagementsystems zur Überwachung und Steuerung der Batteriezelle 34 der anfängliche Wert eines Zellstroms i_req in einer ersten Phase 12, welche beispielsweise 30 s dauert, nicht herabgesetzt wird und diese Grenzwerte anschließend in einer zweiten Phase 14 zu kontinuierlichen Grenzwerten i_C konvergieren. In einer dritten Phase 16 wird der Zellstrom i_req dann durch die kontinuierlichen Grenzwerte i_C begrenzt.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Berechnung einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred. Nachfolgend wird das Diagramm mithilfe eines Modells zur Berechnung eines RMS-Werts i_RMS eines Zellstroms i_req mit einem PT1-Glied erläutert.
• Wie oben ausgeführt, wird eine Zeitkonstante τ für jeden bestimmten Referenzstrom i_ref und eine bestimmte Dauer t_ref sowie eine bestimmte Temperatur T berechnet. Vorliegend in 2 werden für eine bestimmte Temperatur T eine Referenzzeitkonstante τ_ref30s für einen Referenzstrom i_ref30s, der 30 s dauert, eine Referenzzeitkonstante τ_ref10s für einen Referenzstrom i_ref10s, der 10 s dauert, und eine Referenzzeitkonstante τ_ref2s für einen Referenzstrom i_ref2s, der 2 s dauert, berechnet.
• Mittels dieser Daten wird ein Diagramm über das Verhältnis zwischen der Zeitkonstante τ und dem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ}^2$

  

  in 2 gebildet.
• Dabei wird der quadratische Messwert i_sens des Zellstroms i_req mit dem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ}^2$

  

  für eine bestimmte Dauer t_ref verglichen, um eine geeignete prädiktive Zeitkonstante τ_pred herzuleiten.
• Wenn beispielsweise der quadratische Messwert i_sens des Zellstroms i_req gleich dem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ2s}^2$

  

  ist, wird eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred gleich der Referenzzeitkonstante τ_ref2s, die für den Referenzstrom i_ref2s berechnet wurde, berechnet. Die Herabsetzung des Zellstroms i_req beginnt dann nach 2 s.
• Wenn beispielsweise der quadratische Messwert i_sens des Zellstroms i_req größer als der quadratische Referenzstrom $i_{reƒ10s}^2$

  

  ist, aber kleiner als der quadratische Referenzstrom i_ref2s ist, wird eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch eine lineare Interpolation zwischen der Referenzzeitkonstante τ_ref10s und der Referenzzeitkonstante τ_ref2s ermittelt.
• Des Weiteren wird in dem Diagramm gemäß 2 ein zusätzlicher Punkt [i_min ²; τ_relax] hinzugefügt. Dieser Punkt ist hinzugefügt, um eine Relaxationszeitkonstante τ_relax für die Batteriezelle 34 in einem entspannten oder einem quasi entspannten Zustand zu definieren. Dabei stellt i_min einen kleinen Strom dar. Mittels dieser Definition kann eine kleine Relaxationszeitkonstante τ_relax ausgewählt werden, um beispielsweise einen großen Rekuperationsstrom zu erlauben. Dieser neue Punkt kann dabei von der Temperatur T abhängig sein.
• 3 zeigt eine Blockschaltung eines Regelkreises 30 zur Regelung der Batteriezelle 34. Der Regelkreis 30 umfasst dabei einen Proportional-Integral-Regler 32 zur Regelung der Batteriezelle 34. Dabei wird die Temperatur T der Batteriezelle 34 gemessen, welche als gemessene Temperatur T_sens bezeichnet wird, und mit einer maximal zulässigen Temperatur T_max der Batteriezelle 34 verglichen. Die Differenz ε zwischen der gemessenen Temperatur T_sens und der maximal zulässigen Temperatur T_max wird als Eingangswert an den Proportional-Integral-Regler 32 übermittelt. Der Proportional-Integral-Regler 32 berechnet anhand der Differenz ε einen zusätzlichen RMS-Grenzwert i_limT des Zellstroms i_req als Ausgangswert.
• Bei der Regelung wird zunächst die aktuelle Temperatur T gemessen. Anschließend wird der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT durch den Proportional-Integral-Regler 32 berechnet. Danach wird der Dauerstrom i_cont reduziert, wenn der zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT kleiner als der Dauerstrom i_cont ist. Anschließend wird der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred angepasst. Diese Regelungsschritte wiederholen sich, so dass sich der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred dynamisch anpasst.
• 4.1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines prädiktiven RMS-Grenzwerts i_pred. Dabei ist ein Messwert i_sens des Zellstroms i_req von 400 A erfasst. Ein Zellstrom i_req von 400 A ist nur zulässig für eine Dauer von 10 s, ohne thermischen Schaden zu machen. Somit wird ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren berechnet. Die Herabsetzung des Zellstroms i_req beginnt dann nach 10 s. Der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred konvergiert schlussendlich zu einem Dauerstrom i_cont, der dem maximal zulässigen kontinuierlichen Zellstrom i_req entspricht.
• 4.2 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines RMS-Wert I_RMS des Zellstroms i_req entsprechend 4.1, während 4.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessen Temperatur T_sens der Batteriezelle 34 entsprechend 4.1 zeigt und 4.4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred entsprechend 4.1 darstellt. Aus 4.4 geht hervor, dass sich die prädiktive Zeitkonstante τ_pred gemäß dem Messwert i_sens des Zellstroms i_req und der gemessenen Temperatur T_sens anpasst.
• 5.1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req ohne Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS. Der Zellstrom i_req ist impulsförmig und weist zwei Stromimpulse mit gleichen Messwerten i_sens von 400 A auf. Dabei beträgt die Dauer der jeweiligen Stromimpulse 10 s. Zum Zeitpunkt t₁ wird ein erster Stromimpuls gesendet und der erste Stromimpuls endet zum Zeitpunkt t₂. Zum Zeitpunkt t₃ wird ein zweiter Stromimpuls gesendet und der zweite Stromimpuls endet zum Zeitpunkt t₄. 5.2 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle 34 entsprechend 5.1. Die gemessene Temperatur T_sens steigt während der Dauer des ersten Stromimpulses an und sinkt während einer Zwischenzeit, die auch als Relaxationszeit t_relax bezeichnet wird, zwischen den beiden Stromimpulsen, nämlich zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃, ab. Die gemessene Temperatur T_sens steigt während der Dauer des zweiten Stromimpulses wieder an und überschreitet zu einem Zeitpunkt t₅ die maximal zulässigen Temperatur T_max.
• 5.3 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS, während 5.4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle 34 entsprechend 5.3 zeigt. Dabei wird der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred berechnet. Die zwei in 5.3 dargestellten Stromimpulse sind gleich wie die Stromimpulse in 5.1. Aus 5.3 geht hervor, dass der Zellstrom i_req ab dem Zeitpunkt t₅ durch den ersten prädiktiven RMS-Grenzwert i_pred begrenzt wird. Somit wird die gemessene Temperatur T_sens die maximal zulässige Temperatur T_max nicht überschreiten. Dabei wird der Relaxationseffekt der Batteriezelle 34 auch ausgenutzt. Aus 5.3 geht weiterhin hervor, dass in der Relaxationszeit t_relax der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred wieder ansteigt und somit ein großer Stromimpuls erlaubt wird. Es ist notwendig, dass sich eine Zelle entspannt oder relaxiert, bevor ein weiterer Stromimpuls mit der maximal zulässigen Leistung gegeben wird. Eine ruhende Zelle bedeutet, dass die gemessene Spannung der Leerlaufspannung u_ocv der Zelle entspricht. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine ausreichend lange Relaxationszeit t_relax zu berücksichtigen, um den zweiten Stromimpuls zu ermöglichen. Diese Relaxationszeit t_relax entspricht der Zeit, die die gemessene Spannung benötigt, um die Leerlaufspannung der Zelle zu erreichen. Es ist dann möglich, die maximale Leistung einzustellen, ohne das Risiko eines thermischen Schadens. Dieser Parameter kann je nach Temperatur T und Stromstärke des zuvor verwendeten Impulses unterschiedlich sein.
• 6.1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS gemäß einem ersten Beispiel, während 6.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktive Zeitkonstante τ_pred entsprechend 6.1 zeigt und 6.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Ladezustands SOC und eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens entsprechend 6.1 zeigt.
• Dabei werden die die zeitlichen Verläufe einer entspannten Batteriezelle 34 mit einem anfänglichen Ladezustand SOC von 85 % gezeigt. Eine anfängliche Temperatur T der Batteriezelle 34 ist dabei -10 °C. Die Batteriezelle 34 wird dabei mit einem Zellstrom i_req von 175 A für eine Dauer von 30 s aufgeladen. Der Ladezustand SOC und die gemessene Temperatur T_sens bleiben dabei unverändert.
• Aus 6.1 geht hervor, dass zum Zeitpunkt t = 10 s ein erster Stromimpuls, welcher den Zellstrom i_req darstellt, mit einem Messwert i_sens von 175 A an die Batteriezelle 34 gesendet wird. Der erste Stromimpuls dauert 30 s. Dem Datenblatt der Batteriezelle 34 ist zu entnehmen, dass ein Stromimpuls von 175 A bei einer Temperatur T von -10 °C und einem Ladezustand SOC von 85 % nur für 10 s zulässig ist. Es werden dabei eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred und ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred, welcher zu einem Dauerstrom i_cont konvergiert, berechnet. Aus 6.1 geht ferner hervor, dass zum Zeitpunkt t = 20 s, also nach 10 s vom Senden des ersten Stromimpulses, die Herabsetzung des ersten Stromimpulses beginnt. Der erste Stromimpuls wird auf den Dauerstrom i_cont herabgesetzt. Erst am Ende des ersten Stromimpulses fängt der prädiktive RMS-Grenzwert i_pred an, wieder anzusteigen, um einen weiteren Stromimpuls zu erlauben. Zum Zeitpunkt t = 100 s wird ein zweiter Stromimpuls, der gleich dem ersten Stromimpuls ist, an die Batteriezelle 34 gesendet. Aufgrund des belasteten Zustands der Batteriezelle 34 beginnt die Herabsetzung des zweiten Stromimpulses früher.
• 7.1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Zellstroms i_req mit Begrenzung dessen RMS-Werts i_RMS gemäß einem zweiten Beispiel, während 7.2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred entsprechend 7.1 zeigt und 7.3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Ladezustands SOC und eines zeitlichen Verlaufs einer gemessenen Temperatur T_sens entsprechend 7.1 zeigt.
• Dabei werden die zeitlichen Verläufe einer entspannten Batteriezelle 34 mit einem anfänglichen Ladezustand SOC von 85 % gezeigt. Eine anfängliche Temperatur T der Batteriezelle 34 ist dabei -10 °C. Die Batteriezelle 34 wird dabei mit einem Zellstrom i_req von 175 A für eine Dauer von 30 s aufgeladen. Der Ladezustand SOC bleibt dabei unverändert, während die gemessene Temperatur T_sens während der Dauer des Stromimpulses ansteigt.
• Aus 7.1 geht hervor, dass zum Zeitpunkt t = 10 s ein Stromimpuls, welcher den Zellstrom i_req darstellt, mit einem Messwert i_sens von 175 A an die Batteriezelle 34 gesendet wird. Der Stromimpuls dauert 30 s. Dem Datenblatt der Batteriezelle 34 ist zu entnehmen, dass ein Stromimpuls von 175 A bei einer Temperatur T von -10 °C und einem Ladezustand von 85 % nur für 10 s zulässig ist. Es werden dabei eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred und ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred, welcher zu einem Dauerstrom i_cont konvergiert, berechnet. Da sich die gemessene Temperatur T_sens der Batteriezelle 34 während der Dauer des Stromimpulses ändert, wird die prädiktive Zeitkonstante τ_pred dynamisch berechnet. Aus 7.1 geht ferner hervor, dass die Herabsetzung des Stromimpulses etwas später beginnt. Der Stromimpuls wird auf den Dauerstrom i_cont herabgesetzt. Dabei passt sich der Dauerstrom i_cont auch gemäß der Temperatur T an.
• 8 zeigt einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden in einem Schritt S1 für eine gemessene Temperatur T_sens quadratische Referenzströme $i_{reƒ}^2$

  

  einer Batteriezelle 34 für unterschiedlichen Dauern t_ref bestimmt. Beispielsweise werden für eine gemessene Temperatur T_sens von 25 °C die quadratischen Referenzströme $i_{reƒ2s}^2,$

  

  $i_{reƒ10s}^2,$

  

  $i_{reƒ30s}^2$

  

  für die entsprechenden Dauern t_ref von 2 s, 10 s und 30 s bestimmt. Wenn die im Zellendatenblatt definierten Temperaturen T beispielsweise 20 °C und 30 °C sind, können diese quadratischen Referenzströme $i_{reƒ2s}^2,$

  

  $i_{reƒ10s}^2,$

  

  $i_{reƒ30s}^2$

  

  interpoliert werden, wenn dies vom Zellendatenblatt erlaubt ist.
• In einem Schritt S2 wird für jeden Referenzstrom i_ref eine entsprechende Referenzzeitkonstante τ_ref anhand eines Modells zur Berechnung eines RMS-Werts i_RMS eines Zellstroms i_req mithilfe eines Dauerstroms i_cont berechnet, der dem minimalen Strom in Lade- oder Entladerichtung, der keinen thermischen Schaden macht, entspricht. Beispielsweise, wenn aus dem Zellendatenblatt hervorgeht, dass ein Strom von 150 A nur 2 s dauern darf, muss dieser Strom dann für 2 s oder weniger zugelassen werden. Dazu wird die Referenzzeitkonstante τ_ref derart angepasst, dass der Grenzwert des Stroms bei 2 s oder früher eintrifft. Beispielsweise wird für die jeweiligen Referenzströme i_ref2s, i_ref10s und i_ref30s eine entsprechende Referenzzeitkonstante τ_ref2s, τ_ref10s und τ_ref30s berechnet. Vorzugsweise wird das Modell als ein PT1-Glied ausgebildet.
• In einem Schritt S3 wird anhand der berechneten Referenzzeitkonstanten τ_ref und der bestimmten quadratischen Referenzströme $i_{reƒ}^2$

  

  ein Diagramm über das Verhältnis zwischen der Referenzzeitkonstante i_ref und dem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ}^2$

  

  für jede bestimmte Temperatur T gebildet.
• In einem Schritt S4 wird eine prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch Vergleich eines quadratischen Messwerts $i_{sens}^2$

  

  eines Zellstroms i_req mit den quadratischen Referenzströmen $i_{reƒ}^2$

  

  ermittelt. Wenn der quadratische Messwert $i_{sens}^2$

  

  des Zellstroms i_req gleich einem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ}^2$

  

  ist, ist die prädiktive Zeitkonstante τ_pred gleich der diesem Referenzstrom i_ref entsprechenden Referenzzeitkonstante τ_ref. Andernfalls wird die prädiktive Zeitkonstante τ_pred durch Interpolation ermittelt.
• In einem Schritt S5 wird ein prädiktiver RMS-Grenzwert i_pred des Zellstroms i_req basierend auf dem Dauerstrom i_cont, einer prädiktiven Dauer t_pred und der prädiktiven Zeitkonstante τ_pred berechnet. Die prädiktive Dauer t_pred kann kundenspezifisch sein.
• In einem Schritt S6 werden basierend auf dem prädiktiven RMS-Grenzwert i_pred ein erster prädiktiver Grenzwert i_predS für eine kurze prädiktive Dauer t_predS, ein zweiter prädiktiver Grenzwert i_predL für eine lange prädiktive Dauer t_predL und ein dritter prädiktiver Grenzwert i_predP für eine permanente prädiktive Dauer t_predP berechnet. Beispielsweise kann eine Dauer von weniger als 2 s als eine kurze prädiktive Dauer t_predS definiert werden. Beispielsweise kann eine lange prädiktive Dauer t_predL gleich 2 s sein, während eine permanente prädiktive Dauer t_predP gleich 10 s sein kann.
• In einem Schritt S7 wird ein zusätzlicher RMS-Grenzwert i_limT des Zellstroms i_req anhand einer maximal zulässigen Temperatur T_max der Batteriezelle 34 und der gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle 34 berechnet. Dieser zusätzliche RMS-Grenzwert i_limT dient zum thermischen Derating. Der Dauerstrom i_cont wird durch den zusätzlichen RMS-Grenzwert i_limT begrenzt und im Falle eines thermischen Deratings reduziert.
• Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines Zellstromgrenzwerts für ein Batteriemanagementsystem, umfassend folgende Schritte: - Bestimmen von quadratischen Referenzströmen $i_{reƒ}^2$

   

   einer Batteriezelle (34) für eine gemessene Temperatur T_sens für unterschiedlichen Dauern t_ref; - Berechnen einer entsprechenden Referenzzeitkonstante i_ref für jeden Referenzstrom i_ref anhand eines Modells zur Berechnung eines RMS-Werts i_RMS eines Zellstroms i_req mithilfe eines Dauerstroms i_cont, der dem minimalen Strom in Lade- oder Entladerichtung, der keinen thermischen Schaden macht, entspricht; - Bilden eines Diagramms über das Verhältnis zwischen der Referenzzeitkonstante τ_ref und dem quadratischen Referenzstrom $i_{reƒ}^2$

   

   anhand der berechneten Referenzzeitkonstanten τ_ref und der bestimmten quadratischen Referenzströme $i_{reƒ}^2$

   

   für jede bestimmte Temperatur T; - Ermitteln einer prädiktiven Zeitkonstante τ_pred durch Vergleich eines quadratischen Messwerts $i_{sens}^2$

   

   eines Zellstroms i_req mit den quadratischen Referenzströmen $i_{reƒ}^2;$

   

   - Berechnen eines prädiktiven RMS-Grenzwerts i_pred des Zellstroms i_req basierend auf dem Dauerstrom i_cont, einer prädiktiven Dauer t_pred und der prädiktiven Zeitkonstante τ_pred.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zur Berechnung eines RMS-Werts i_RMS eines Zellstroms i_req als ein PT1-Glied ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der dem Messwert i_sens des Zellstroms i_req entsprechenden prädiktiven Zeitkonstante τ_pred durch lineare Interpolation ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem prädiktiven RMS-Grenzwert i_pred ein erster prädiktiver Grenzwert i_predS für eine kurze prädiktive Dauer t_predS, ein zweiter prädiktiver Grenzwert i_predL für eine lange prädiktive Dauer t_predL und ein dritter prädiktiver Grenzwert i_predP für eine permanente prädiktive Dauer t_predP berechnet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher RMS-Grenzwert i_limT des Zellstroms i_req anhand einer maximal zulässigen Temperatur T_max der Batteriezelle (34) und der gemessenen Temperatur T_sens der Batteriezelle (34) berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Proportional-Integral-Regler (32), der einen proportional wirkenden Anteil und einen integral wirkenden Anteil aufweist, eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportional-Integral-Regler (32) eine Anti-Windup-Struktur aufweist und/oder der integral wirkende Anteil des Proportional-Integral-Reglers (32) erst aktiviert wird, wenn die gemessene Temperatur T_sens die maximal zulässige Temperatur T_max überschreitet und/oder wenn die gemessene Temperatur T_sens einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert überschreitet und der RMS-Wert I_RMS des Zellstroms i_req einen vorgegebenen Stromschwellenwert überschreitet.
8. Batteriemanagementsystem, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen (34), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, und/oder die ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8 umfasst.
10. Fahrzeug, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, und/oder das ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8 und/oder eine Batterie nach Anspruch 9 umfasst.

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