DE112018004979T5 - Batterienutzungsüberwachung mit hoher Abdeckung - Google Patents

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Jacqueline Dedo
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Abstract

Ein Verfahren und ein System zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält, verwendet eine Batteriesteuerung mit einem Prozessor und ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium. Eine Überwachungsschaltung, die Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren aufweist, misst eine Vielzahl von Zellenparametern für jede der Batteriezellen, die zu der Batteriesteuerung weitergeleitet werden. Die Batteriesteuerung führt eine Parametrisierung der Zellenparameter und vergangener Werte der Zellenparameter durch, um ein kalibriertes Zellenmodell für jede der Batteriezellen zu erzeugen. Ein optimales Nutzungsprofil wird für jede der Batteriezellen als ein optimierter Kompromiss von Zellensicherheits-Betriebsgrenze zwischen unterschiedlichen Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie und dann wird bewirkt, dass jede der Batteriezellen gemäß dem optimalen Nutzungsprofil betrieben wird. Das Berechnen und Berichten der verbleibenden Nutzungsdauer der Batterie ist auch vorgesehen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der US provisional Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/572,734 , angemeldet am 16. Oktober 2017, und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 17/160,102 , angemeldet am 15. Oktober 2018, in Anspruch, wobei deren Inhalt durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bereich der Erfindung
  • Ein System zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Derzeit existieren mehrere unterschiedliche Arten von Systemen und Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie. Solche Systeme weisen im Allgemeinen eine Steuereinrichtung auf, die bewirkt, dass Batteriezellen innerhalb einer mehrzelligen Batterie gleichmäßig geladen und entladen werden. Es ist aus dem Stand der Technik auch bekannt, die Lebensdauer einer Batterie basierend auf allgemeinen Verwendungsmustern der Batterie zu schätzen und zu erhalten.
  • Die bestehenden Lösungen sind jedoch nicht in der Lage, die individuellen Betriebsbedingungen von jeder der Batteriezelle innerhalb einer mehrzelligen Batterie vollständig zu berücksichtigen, um die Nutzung der Batterie innerhalb der Betriebsgrenzen der Zellen und gemäß einem optimalen Nutzungsprofil zu steuern, wie dies von einem kalibrierten Zellenmodell für jede der Batteriezellen ermittelt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungs- und Steuerungsverfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine vollständige Überwachung von Batteriezellen in einer Batterie mit einer hohen Zellenanzahl zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung stellt auch die Nutzung von Daten mit einer hohen Abdeckung in Bezug auf die Batteriezellen zur Verfügung, um den Betrieb, die Diagnose und die Prognose der mehrzelligen Batterie zu verbessern.
  • Das Verfahren weist das Kommunizieren der Vielzahl von Zellenparametern von der Überwachungsschaltung zu der Batteriesteuerung auf. Das Verfahren schreitet mit dem Schritt des Aufzeichnens bzw. Speicherns der gemessenen Zellenparameter durch die Batteriesteuerung in ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium fort. Das Verfahren wird mit dem Schritt des Erzeugens eines kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen mittels Durchführung einer Parametrisierung der Zellenparameter und zuvor aufgezeichneter Werte der Zellenparameter fortgesetzt. Das Verfahren schreitet mit dem Schritt des Ermittelns von wenigstens einem einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze und/oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze und/oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die entsprechenden Batteriezellen fort. Das Verfahren wird mit dem Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen gemäß der entsprechenden Zellensicherheits-Betriebsgrenze und/oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze und/oder dem entsprechenden optimalen Nutzungsprofil fortgesetzt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das kalibrierte Zellenmodell für jede der Batteriezellen ein Rendles-Zellenmodell, das Werte für einen Vorwiderstand, eine Doppelschichtkapazität und einen aktiven Ladungstransferwiderstand aufweist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren das Ermitteln einer damit verbundenen Zellensicherheits-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen und das Betreiben von jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweisen, um jede der Batteriezellen innerhalb der damit verbundenen Zellensicherheits-Betriebsgrenze zu halten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren das Ermitteln einer damit verbundenen Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen und das Betreiben von jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweisen, um jede der Batteriezellen innerhalb der damit verbundenen Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze zu halten.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren das Ermitteln eines damit verbundenen optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen als einen optimierten Kompromiss von Zellenbetriebsgrenzen zwischen unterschiedlichen Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie; und das Betreiben von jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie gemäß dem damit verbundenen optimalen Nutzungsprofil aufweisen.
  • Insbesondere kann der Schritt des Betreibens jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie, um jede der Batteriezellen innerhalb der Zellensicherheits-Betriebsgrenzen zu halten, das Anweisen eines Leistungsstellers aufweisen, eine Spannung und/oder einen elektrischen Strom, der einer einzelnen der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie, um die Batteriezellen innerhalb der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenzen zu halten, das Anweisen eines Lastreglers aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie an eine elektrische Last zugeführt wird, zu begrenzen. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie auch das Anweisen eines Ladereglers aufweisen, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium zur Verfügung, das von einem Computer ausführbare Befehle speichert, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, verschiedene Handlungen auszuführen. Die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von dem Computer ausführbaren Befehle ausführt, beinhalten folgendes: Erzeugen eines kalibrierten Zellenmodells für jede einer Vielzahl von Batteriezellen innerhalb einer mehrzelligen Batterie mittels Durchführung einer Parametrierung von Zellenparametern unter Verwendung von Werten, die mit der Vielzahl von Zellenparametern in Verbindung stehen; Ermitteln wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze und/oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze und/oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die entsprechende der Batteriezellen; und Betreiben von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, des Weiteren folgendes aufweisen: Ermitteln einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze für jede der Vielzahl von Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, des Weiteren folgendes aufweisen: Ermitteln einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze für jede der Vielzahl von Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, des Weiteren folgendes aufweisen: Ermitteln eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen als einen optimierten Kompromiss von Zellenbetriebsgrenzen zwischen unterschiedlichen Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, des Weiteren folgendes aufweisen: Anweisen eines Leistungsstellers, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der einem Modul, das eine Untermenge der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie oder eine einzelne der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweist, zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen. Alternativ oder zusätzlich können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, das Anweisen eines Laststellers aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie an eine elektrische Last zugeführt wird, zu begrenzen. Alternativ oder zusätzlich können die Handlungen, die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor die von einem Computer ausführbaren Befehle ausführt, das Anweisen eines Ladereglers aufweisen, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein System für eine Batterieüberwachungs- und Optimierungseinrichtung zur Verfügung. Das System weist eine mehrzellige Batterie auf, die eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist. Eine Überwachungsschaltung steht mit jeder der Batteriezellen in Verbindung und ist dafür vorgesehen, eine Vielzahl von Zellenparametern der damit in Verbindung stehenden Batteriezelle zu überwachen. Das System weist auch eine Batteriesteuerung auf, die einen Prozessor aufweist, der in Verbindung mit den Überwachungsschaltungen steht, um ein kalibriertes Zellenmodell von jeder der Batteriezellen zu erzeugen. Die Batteriesteuerung ist dafür vorgesehen, wenigstens eines der folgenden zu ermitteln: Eine Zellensicherheits-Betriebsgrenze, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines Schadens einer damit verbundenen Batteriezelle in Verbindung steht und/oder eine Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze, die mit einer verringerten Lebensdauer der damit verbundenen einen der Batteriezellen in Verbindung steht, und/oder eines optimalen Nutzungsprofils der damit in Verbindung stehenden Batteriezelle. Die Batteriesteuerung ist dafür vorgesehen, einer Steuervorrichtung zu signalisieren, die damit in Verbindung stehende Batteriezelle innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen zu halten oder die damit in Verbindung stehende Batteriezelle in Übereinstimmung mit dem optimalen Nutzungsprofil zu laden und zu entladen.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung kann das kalibrierte Zellenmodell für jede der Batteriezellen ein Rendles-Zellenmodell sein, das Werte für einen Vorwiderstand, eine Doppelschichtkapazität und einen aktiven Ladungstransferwiderstand beinhaltet.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung kann die Steuervorrichtung einen Leistungsregler aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Spannung und/oder einen elektrischen Strom, der einem Modul, das eine Untermenge der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweist, zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung einen Lastregler aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Spannung und/oder einen elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie zu einer elektrischen Last zugeführt wird, zu begrenzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung einen Laderegler aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Spannung und/oder einen elektrischen Strom, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Eine Optimierung der Batterieleistung und das Aufrechterhalten der Batteriesicherheit ist häufig davon abhängig, dass die schwächste Batteriezelle in einer mehrzelligen Batterie nicht überbelastet wird, weshalb die Überwachung auf dem Zellenniveau bevorzugt ist. Durch Überwachen jeder einzelnen Batteriezelle kann der Betrieb der Batterie auf das Verhindern einer Beschädigung der schwächsten Batteriezellen zugeschnitten werden und damit die Batterieleistung und die Nutzungsdauer verbessert werden. Eine individuelle Batteriezellenüberwachung verbessert auch die Batteriesicherheit durch Ermitteln von Problemen bezüglich der Zellenspannung, dem Zellenstrom oder der Zellentemperatur, bevor ein Versagen einer Zelle auftritt.
  • Figurenliste
  • Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend deutlich, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
    • 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie ist;
    • 2 ein schematisches Diagramm einer Batteriezelle ist;
    • 3 ein Blockdiagramm einer Batteriesteuerung ist;
    • 4 ein Flussdiagramm ist, das Schritte für ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;
    • 5 ein Flussdiagramm ist, das zusätzliche Schritte für das Verfahren zur Überwachung und Steuerung gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;
    • 6 ein Flussdiagramm ist, das Schritte für ein Diagnoseverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;
    • 7 ein Flussdiagramm ist, das Schritte für ein Prognose- bzw. Vorhersageverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;
    • 8 ein Flussdiagramm ist, das Schritte für ein Statusverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;
    • 9 ein Flussdiagramm ist, das alternative Schritte für das Verfahren zur Überwachung und Steuerung gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt; und
    • 10 ein Flussdiagramm ist, das alternative Schritte für das Verfahren zur Überwachung und Steuerung gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile durch die jeweiligen Ansichten bezeichnen, wird ein Verfahren 100 und ein System 10 zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie 20, die eine Vielzahl von Batteriezellen 22 aufweist, beschrieben.
  • Das Überwachungs- und Steuerungsverfahren 100 zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie 20 beginnt mit dem Schritt 102 des zur Verfügung Stellens einer Batteriesteuerung 26, das einen Prozessor 28 und ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium 30 aufweist, das Batteriedaten 32, die sich auf die mehrzellige Batterie 20 beziehen, und Zellendaten 34, die sich auf jede der Batteriezellen 22 beziehende Informationen aufweisen, aufweist. Eine oder mehrere der Batteriezellen 22 kann zu einem Modul 24 funktional kombiniert werden. Mit anderen Worten, ist ein Modul 24 eine Untermenge der Batteriezellen 22 in der mehrzelligen Batterie 20, die auf eine solche Art und Weise verbunden sind, dass die Parameter für das Modul 24 allein bzw. nur für das Modul 24 gemessen werden können. Ein Überblick des Systems 10 ist in dem Blockdiagramm von 1 dargestellt. 2 ist ein schematisches Diagramm einer repräsentativen Batteriezelle 22 der mehrzelligen Batterie 20 und 3 ist ein Blockdiagramm der Batteriesteuerung 26.
  • Das Verfahren 100 weist 104, das Messen von Werten, auf, die mit einer Vielzahl von Zellenparametern Icell , tcell , Vcell für jede der Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 in Verbindung stehen. Die Zellenparameter weisen eines oder mehrere der Zellenspannung Vcell , des Zellenstroms Icell und der Zellentemperatur tcell auf. Die Werte können mittels einer Überwachungsschaltung 36, die einen Stromsensor 36a, einen Spannungssensor 36b und einen Temperatursensor 36c aufweist, gemessen werden. Einer oder mehrere der Sensoren 36a, 36b, 36c können zwischen zwei oder mehreren der Batteriezellen 22 aufgeteilt werden. Zum Beispiel kann ein einzelner, geteilter Temperatursensor 36c für ein Modul von zwei oder mehr der Batteriezellen 22 vorgesehen sein. Die Überwachungsschaltung 36 kann auch andere Parameter messen, die zum Beispiel die Zellenkapazität, den Massentransferwiderstand (oder Ladungstransferwiderstand) und/oder eine Relaxationszeit (z. B. die Warburg-Impedanz Zw ) der Batteriezelle 22 aufweisen. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben, ermöglicht das Überwachen von jeder der Batteriezellen 22 es der Batteriesteuerung 26, den Zustand von jeder Zelle innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 wahrzunehmen, was es ermöglicht, dass die mehrzellige Batterie 20 während des Ladens und Entladens kontrolliert bzw. gesteuert wird, um mehrere unterschiedliche Betrachtungen Gesichtspunkte zu optimieren, einschließlich zum Beispiel der Leistung und der Batterielebensdauer.
  • Das Verfahren 100 weist auch 106, das Kommunizieren bzw. Weiterleiten der mit der Vielzahl von Zellenparametern Icell , tcell , Vcell verbundenen Werte an die Batteriesteuerung 26, auf. Die Überwachungsschaltung 36 oder -schaltungen können diese Werte weiterleiten. Alternativ oder zusätzlich kann eine andere Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Modulsteuerung, die mit einem Modul von zwei oder mehr der Batteriezellen 22 in Verbindung steht, diesen Schritt 106 durchführen. Wie in 1 dargestellt, kann ein erster Kommunikationsweg 70 zwischen der Überwachungsschaltung 36 und der Batteriesteuerung 26 vorgesehen sein. Viele unterschiedliche Arten von Konfigurationen können für den ersten Kommunikationsweg 70 verwendet werden, einschließlich verdrahteter oder drahtloser Kommunikationen, elektrisch, Hochfrequenz, optisch (faseroptisch oder durch die Luft). Der erste Kommunikationsweg 70 kann in einer beliebigen von mehreren unterschiedlichen Konfigurationen oder Anordnungen vorgesehen sein, einschließlich beispielsweise Sterntopologie, Reihenschaltung oder Kombinationen davon. Gemäß einem Aspekt können zwei oder mehr Überwachungsschaltungen 36 zu einer funktionellen Einheit kombiniert werden, die einen einzelnen Kommunikationsweg zu der Batteriesteuerung 26 aufweisen kann. Gemäß einem weiteren Aspekt können ein oder mehr Überwachungsschaltungen 36 mit der Batteriesteuerung 26 als eine funktionelle Einheit kombiniert werden.
  • Das Verfahren 100 wird mit dem Schritt 108 des Aufzeichnens der Werte fortgesetzt, die mit der Vielzahl von Zellenparametern Icell , tcell , Vcell in dem nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermedium 30 in Verbindung stehen. Dieser Schritt 108 kann von der Batteriesteuerung 26 durchgeführt werden. Insbesondere kann der Prozessor 28 der Batteriesteuerung 26 die Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell in dem nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermedium 30 der Batteriesteuerung 26 aufzeichnen. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere andere Steuerungen, wie zum Beispiel ein Datenspeicher, die Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell aufzeichnen.
  • Unterschiedliche Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell , die zu unterschiedlichen Zeiten 48, 52 aufgezeichnet wurden, können ebenfalls in dem nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermedium 30 erhalten gesichert werden. Wie in dem Blockdiagramm von 3 dargestellt, können die aufgezeichneten Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell in einem Bereich der Zellendaten 34 eines nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermediums 30 innerhalb der Batteriesteuerung 26 gespeichert werden. Die gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell können alternativ an einer anderen Stelle und/oder auf eine verteile Art und Weise zwischen mehreren unterschiedlichen Stellen gespeichert werden. Einige oder sämtliche der aufgezeichneten Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell können lokal gespeichert werden, wie zum Beispiel innerhalb eines Speichers der Batteriesteuerung 26. Gemäß einem Aspekt können einige oder sämtliche der aufgezeichneten Werte der gemessenen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell an einem entfernten Ort gespeichert werden. Zum Beispiel kann das System 10 dafür vorgesehen sein, die vergangene Minute mit den gemessenen Werten der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell lokal innerhalb des nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermediums 30 der Batteriesteuerung 26 zu speichern. Das System 10 kann auch umfangreichere historische Werte der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell auf einem Remoteserver und/oder auf einer verteilten Art und Weise (d. h. in „der Cloud“) speichern.
  • Das Verfahren 100 weist 110, das Wiederholen der Schritte 104 bis 108 für jede der Batteriezellen 22 mit einer hohen Geschwindigkeit, auf. Zum Beispiel können die Zellenparameter Icell , tcell , Vcell mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 1000 Abtastungen pro Sekunde gemessen und aufgezeichnet (d. h. abgetastet) werden.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 112 des Erzeugens eines kalibrierten Zellenmodells 38 für jede der Batteriezellen 22 durch die Batteriesteuerung 26 mittels Durchführen einer Parametrisierung der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell unter Verwendung der derzeitigen Werte dieser Zellenparameter Icell , tcell , Vcell und/oder früher aufgezeichneter Werte der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell fort. Algorithmen zur Identifikation der Parameter (d. h. Parametrisierung) können vollständig empirische Lernmechanismen (z. B. neurales Netzwerk) sein oder sie können Kurvenanpassungen (kleinste Quadrate) oder optimale Kurvenanpassungen (Kalman, LQE) an strukturierte physikalische Modelle sein. Wie in 2 dargestellt, kann das kalibrierte Zellenmodell 38 die Form eines elektrischen Modells haben. Insbesondere kann das kalibrierte Zellenmodell 38 eine Leerlauf- bzw. Ruhespannung Voc aufweisen. Das kalibrierte Zellenmodell 38 kann auch ein Randles-Zellenmodell aufweisen, das Werte für einen Vorwiderstand Rs , eine Doppelschichtkapazität Cdl , einen aktiven Ladungstransferwiderstand Rct und eine Warburg-Impedanz Zw aufweist. Die Warburg-Impedanz Zw kann alternativ als ein Massentransferwiderstand (oder Ladungstransferwiderstand) oder als eine Relaxationszeit kategorisiert werden. Das kalibrierte Zellenmodell 38 kann andere bezüglich der Batteriezelle 22 relevante physikalische Parameter aufweisen, wie zum Beispiel Zellenquellenspannung als eine Funktion des Stroms (nicht notwendigerweise eine lineare Beziehung), Ohmscher Serienwiderstand, Reihen- und parallele Kapazität und Induktivität. Diese Festlegungen können für einzelne Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie sein oder sie können für eine Mehrzahl von Batteriezellen über viele verschiedene Batterien gemacht werden, wie zum Beispiel unter Verwendung von Daten in einer dezentralisierten Berechnungs- und Lagereinrichtung (d. h. in „der Cloud“). Das kalibrierte Zellenmodell 38 kann auch ein elektrochemisches Modell der Batteriezelle 22 aufweisen. Das kalibrierte Zellenmodell 38 kann Informationen bezüglich der relativen Stärke (oder Schwäche) der Batteriezelle 22 aufweisen.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 114 des Ermittelns eines Zellenzustands von Ladung SoCcell für jede der Batteriezellen 22 mittels der Batteriesteuerung 26 fort. Der Prozessor 28 kann beim Ermitteln des Zellenzustands von Ladung SoCcell das kalibrierte Zellenmodell 38 sowie historische Informationen bezüglich des Ladens und Entladens von jeder der Batteriezellen 22 verwenden.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 116 des Ermittelns von Zellenlebensdauer-Betriebsgrenzen 40 für jede der Batteriezellen 22 mittels der Batteriesteuerung 26 fort. Die Zellenlebensdauer-Betriebsgrenzen 40 können Werte, wie zum Beispiel Temperatur, Strom, Spannung oder eine Kombination davon, aufweisen, die mit einer Verringerung der Lebensdauer und/oder der Speicherkapazität der damit verbundenen Batteriezelle 22 in Verbindung stehen. Beim Ermitteln der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenzen 40 kann der Prozessor 28 die Leistungsfähigkeit der Zellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 und dem Zellenzustand der Ladung SoCcell ermitteln. Die Zellenlebensdauer-Betriebsgrenzen 40 für jede der Batteriezellen 22 kann Werte für jeden der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell oder Kombinationen der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell und den Zellenzustand der Ladung SoCcell entsprechend einer Verschlechterung der Fähigkeit der Batteriezelle 22, elektrische Energie auf effektive Art und Weise zu speichern, aufweisen.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 118 des Ermittelns von Zellensicherheits-Betriebsgrenzen 42 für jede der Batteriezellen 22 fort. Die Zellensicherheits-Betriebsgrenzen 42 können Werte, wie zum Beispiel Temperatur, Strom, Spannung oder eine Kombination davon, aufweisen, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines Schadens mit der damit verbundenen Batteriezelle 22 in Verbindung stehen. Dieser Schritt 118 kann durch die Batteriesteuerung 26 durchgeführt werden. Beim Ermitteln der Zellensicherheits-Betriebsgrenzen 42 kann der Prozessor 28 das Leistungsvermögen der Zellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 für jede der Batteriezellen 22 ermitteln, wobei die Zellensicherheits-Betriebsgrenzen 42 Werte für jeden der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell und einen maximalen Zustand der Ladung SoCmax oder Kombinationen der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell und des Zellenzustands der Ladung SoCcell entsprechend einem bekannten Fehlermodus der Batteriezelle 22 aufweist.
  • Das Verfahren 100 wird mit dem Schritt 120 des Betreibens des Moduls 24 und/oder der mehrzelligen Batterie 20 fortgesetzt, um jede der Batteriezellen 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, kann das System 10 eine oder mehrere unterschiedliche Steuereinrichtungen 62, 64, 68 aufweisen, um den Strom von elektrischer Energie zu steuern und jede der Batteriezellen 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten.
  • Gemäß einem Aspekt und wie in 9 dargestellt, kann der Schritt 120 des Betreibens des Moduls 24 und/oder der mehrzelligen Batterie 20, um jede der Batteriezellen 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten, das Anweisen 120A eines Leistungsreglers 62 durch die Batteriesteuerung 26 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der zu der einzelnen der Batteriezellen 22 zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen. Jedes Modul 24 von zwei oder mehr Batteriezellen 22 kann einen damit verbundenen Leistungsregler 62 aufweisen, welcher dafür ausgebildet sein kann, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der zu einer einzelnen der Batteriezellen 22 innerhalb dieses Moduls zugeführt oder von derselben entnommen wird, zu begrenzen.
  • Gemäß einem Aspekt und wie in 9 dargestellt, kann der Schritt 120 des Betreibens des Moduls 24 und/oder der mehrzelligen Batterie 20, um jede der Batteriezellen 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten, das Anweisen 120B eines Lastreglers 64 durch die Batteriesteuerung 26 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie 20 zu einer elektrischen Last 66 zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Gemäß einem Aspekt einem Aspekt und wie in 9 dargestellt, kann der Schritt 120 des Betreibens des Moduls 24 und/oder der mehrzelligen Batterie 20, um jede der Batteriezellen 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten, das Anweisen 120C eines Ladereglers 68 durch die Batteriesteuerung 26 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der zu der mehrzelligen Batterie 20 zugeführt wird, zu begrenzen. Der Laderegler 68 kann an Bord des Fahrzeugs oder an einer stationären Position angeordnet sein, wie zum Beispiel ein Lader für das Level 1, 2 oder 3-Laden von einer Wechselstrom- oder einer Gleichstrom-Ladequelle. Der Laderegler 68 kann Bauelemente beinhalten, die sowohl an Bord des Fahrzeugs als auch an einem anderen Ort positioniert sein können, wie zum Beispiel an einer stationären Position. Andere Vorrichtungen, wie zum Beispiel eine Motorsteuerung, die als eine Leistungsquelle in einem regenerativen Bremsmodus dienen, können zum Zwecke der Durchführung dieses Schritts 120C als der Laderegler 68 dienen.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 122 des Erzeugens eines plausiblen Nutzungsmodells 44 der mehrzelligen Batterie 20 mittels der Batteriesteuerung 26 fort, einschließlich eines oder mehreren von Ladungsgeschwindigkeit 46, Ladungszeit 48, Entladungsgeschwindigkeit 50, Entladungszeit 52 und/oder Auslastungsgrad 54. Das plausible Nutzungsmodell 44 kann Details bezüglich Laden, Entladen oder eine Kombination davon beinhalten. Das plausible Nutzungsmodell 44 kann Details bezüglich des Auslastungsgrads 54 von einem oder beiden des Ladens und/oder Entladens der mehrzelligen Batterie 20 aufweisen. Das Verfahren 100 kann das Modifizieren 124 des plausiblen Nutzungsmodells 44 der mehrzelligen Batterie 20 durch die Batteriesteuerung 26 basierend auf der tatsächlichen Nutzung der mehrzelligen Batterie 20 aufweisen. Eine solche tatsächliche Nutzung kann zum Beispiel von Angewohnheiten des Fahrers (bei Fahrzeuganwendungen) beeinflusst werden.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 126 des Ermittelns eines optimalen Nutzungsprofil 56 für jede der Batteriezellen 22 basierend auf einem optimierten Kompromiss von Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zwischen unterschiedlichen Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 fort. Dieser Schritt 126 kann durch die Batteriesteuerung 26 durchgeführt werden und kann Modellvorhersagen der Zellenlebensdauer und der Zellensicherheit für jede der unterschiedlichen Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 in Betracht ziehen. Zum Beispiel schließt, falls eine Batteriezelle 22 einen erhöhten Vorwiderstand Rs und die dazugehörige Erwärmung aufweist, die auftritt, wenn mit einer hohen Geschwindigkeit (d. h. mit einem hohen Zellenstrom Icell ) aufgeladen oder entladen wird, das optimale Nutzungsprofil diese Zelle von dem Laden oder Entladen mit einem hohen Strom aus- oder begrenzt es, um sicherzustellen, dass sich die Batteriezelle 22 nicht überhitzt und ein Sicherheitsrisiko erzeugt. Als ein weiteres Beispiel kann, falls eine Batteriezelle 22 einen Verlust an Ladungsspeicherkapazität aufweist, der durch eine Tiefenentladung und Ladungszyklen verschlimmert oder erhöht wird, das optimale Nutzungsprofil die Entladetiefe dieser speziellen Batteriezelle 22 begrenzen, um die Batteriefunktion für eine längere Zeitdauer aufrecht zu erhalten. Diese Verringerung der Leistungsfähigkeit der Batterie kann von einer Mitteilung an den Nutzer der Batterie bezüglich der verschlechterten Batterieleistungsfähigkeit begleitet werden.
  • Gemäß einem Aspekt kann das Verfahren 100 auch den Schritt 128 des Einschließens eines historischen Musters der Nutzung 58 der mehrzelligen Batterie 20 in dem Schritt 126 des Ermittelns des optimalen Nutzungsprofils 56 aufweisen. Zum Beispiel kann die Entladetiefe von einzelnen Zellen einer geringeren Begrenzung bei einer mehrzelligen Batterie 20 ausgesetzt werden, die selten tiefenentladen wird. Als ein weiteres Beispiel kann das System 10 es einer Batterie, die üblicherweise im Betrieb nur geringen Belastungen ausgesetzt ist, einschließlich niedriger Nutzungszeit und langer Aufladezeit, erlauben, dass schwächere Zellen mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit aufgeladen werden, insbesondere wenn es wahrscheinlich ist, dass diese schwächeren Zellen durch eine schnellere Aufladung verschlechtert werden.
  • Das Verfahren 100 schreitet mit dem Schritt 130 des Betreibens von jeder der Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 gemäß dem entsprechenden optimalen Nutzungsprofil 56 fort. Wie nachfolgend detailliert beschrieben, kann das System 10 ein oder mehrere unterschiedliche Steuereinrichtungen 62, 64, 68 aufweisen, um den Strom der elektrischen Energie zu steuern und jede der Batteriezellen 22 gemäß dem optimalen Nutzungsprofil 56 zu laden und zu entladen. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die beste Batterielebensdauer aufrecht zu erhalten, während weiterhin eine angemessene Ladespeicherung und Leistungskapazität zur Verfügung stellt.
  • Gemäß einem Aspekt und wie in 10 dargestellt, kann der Schritt 130 des Betreibens von jeder der Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 gemäß dem entsprechenden optimalen Nutzungsprofil 56 das Anweisen 130A eines Leistungsstellers 62 durch die Batteriesteuerung 26 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der jeder der Batteriezellen 22, die mit dem Modul 24 in Verbindung steht, zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen. Dies kann zum Beispiel das Begrenzen der Lade- und/oder Entladegeschwindigkeit der mehrzelligen Batterie 20 beinhalten.
  • Gemäß einem Aspekt und wie in 10 dargestellt, kann der Schritt 130 des Betreibens von jeder der Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 gemäß dem entsprechenden optimalen Nutzungsprofil 56 das Anweisen 130B eines Lastreglers durch die Batteriesteuerung 26 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie 20 an eine elektrische Last 66 zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Gemäß einem Aspekt und wie in 10 dargestellt, kann der Schritt 130 des Betreibens von jeder der Batteriezellen 22 innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 gemäß dem entsprechenden optimalen Nutzungsprofil 56 das Anweisen 130C eines Ladereglers 68 aufweisen, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der der mehrzelligen Batterie 20 zugeführt wird, zu begrenzen.
  • Das Verfahren 100 wird mit dem Schritt 132 des Wiederholens des Verfahrens 100 in einem regelmäßigen Abstand durch das Zurückkehren zu dem Schritt 102 fortgesetzt. Mit anderen Worten, das Verfahren 100 kann in einem kontinuierlichen Kreislauf durchgeführt werden. Der Prozessor 28 kann bewirken, dass das Verfahren 100 in regelmäßigen Abständen durchgeführt wird. Gemäß einem Aspekt kann das Verfahren 100 nur dann aktiv sein, während die mehrzellige Batterie 20 aktiv lädt oder entlädt. Alternativ kann das Verfahren 100 stets aktiv sein.
  • Wie in dem Flussdiagramm von 6 dargestellt ist, kann ein Diagnoseverfahren 150 zum Diagnostizieren von Bedingungen bzw. Zuständen innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 zur Verfügung gestellt werden. Das Diagnoseverfahren 150 kann das Diagnostizieren von Zellenverschlechterung und Zellendefekten bzw. -ausfällen für jede der Batteriezellen 22 mittels der Batteriesteuerung 26 unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 aufweisen. Bei der Erkennung von Verschlechterung und Zellendefekten kann die Batteriesteuerung 26 physikalische Modelle der Zellenleistungsfähigkeit, statistische Grenzberechnungen von der Art einer Prozesssteuerung oder andere Mittel oder eine Kombination von unterschiedlichen Verfahren verwenden. Das Diagnoseverfahren 150 kann auch das Diagnostizieren 154 einer Verschlechterung der Infrastruktur und eines Ausfalls der Infrastruktur für jede der Batteriezellen 22 mittels der Batteriesteuerung 26 unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 aufweisen. Eine solche Verschlechterung der Infrastruktur kann zum Beispiel verringerte Kapazität bezüglich des Kühlens der mehrzelligen Batterie 20 und/oder verringerte Kapazität, elektrische Leistung zwischen den Batteriezellen 22 und/oder zu und von der mehrzelligen Batterie 20 zu leiten, aufweisen, was sich zum Beispiel aufgrund von Korrosion von einem oder mehreren der elektrischen Leiter 78, 80, 82, 84 ergeben kann.
  • Das Diagnoseverfahren 150 kann auch das Miteinbeziehen 156 von Daten von physikalisch benachbarten Batteriezellen 22 bei der Durchführung der Schritte 152 bis 154 für jede der Batteriezellen 22 aufweisen. Zum Beispiel kann eine übermäßige physikalische Vibration oder überhöhte Temperaturen aufgrund von Strukturfehlern oder Fehlern des thermischen Managementsystems ein lokales Phänomen in der mehrzelligen Batterie 20 sein. Diese Fehler können in Zellenüberwachungsdaten für mehrere unterschiedliche Batteriezellen 22 in den betroffenen Bereichen auftreten. Mit anderen Worten stellt das System 10 eine Diagnose von lokalen elektrischen, mechanischen oder thermischen Problemen in einer Region der Batterie durch Überwachen der Veränderungen der Temperatur, der Spannung oder des Stroms auf einer Basis von Zelle für Zelle zur Verfügung.
  • Wie in dem Flussdiagramm von 7 dargestellt, kann ein Prognose- bzw. Vorhersageverfahren zum Vorhersagen zukünftiger Bedingungen innerhalb der mehrzelligen Batterie 20 vorgesehen sein. Das Vorhersageverfahren kann das Vorhersagen 162 von Zellenverschlechterung und Zellenfehlern für jede der Batteriezellen 22 durch die Batteriesteuerung 26 unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 aufweisen. Bei der Vorhersage von Verschlechterungen und Zellenfehlern kann die Batteriesteuerung 26 physikalische Modelle der Zellenleistungsfähigkeit, statistische Grenzberechnungen von der Art einer Prozesssteuerung oder andere Mittel oder eine Kombination von unterschiedlichen Verfahren verwenden. Das Vorhersageverfahren 160 kann auch das Vorhersagen 164 von Verschlechterungen der Infrastruktur und von Fehlern der Infrastruktur für jede der Batteriezellen 22 mittels der Batteriesteuerung 26 unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 aufweisen. Wie das Diagnoseverfahren 150 kann das Vorhersageverfahren 160 auch das Einbeziehen 166 von Daten von physikalisch benachbarten Batteriezellen 22 bei der Durchführung der Schritte 162 bis 164 aufweisen.
  • Wie in dem Flussdiagramm von 8 dargestellt, kann ein Statusverfahren 170 vorgesehen sein, das die Schritte des Berechnens 172 einer verbleibenden Lebensdauer 60 der mehrzelligen Batterie 20 mittels der Batteriesteuerung 26 unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells 38 und des plausiblen Nutzungsmodells 44 aufweist. Das Statusverfahren 170 weist auch das Berichten 174 der verbleibenden Nutzungsdauer 60 der mehrzelligen Batterie 20 durch die Batteriesteuerung 26 auf. Die verbleibende Nutzungsdauer kann an interessierte Personen, wie zum Beispiel Nutzern, Fahrzeugbesitzern, Fahrzeugflottenbetreibern, Fahrzeug-OEMs und/oder Wartungspersonal der mehrzelligen Batterie 20 berichtet werden. Die verbleibende Nutzungsdauer 60 kann in einem oder mehreren von einigen unterschiedlichen Formaten berichtet werden, wie zum Beispiel ein Prozentsatz von „neu“ oder nominal, eine Zeit oder eine Distanz der verbleibenden Nutzungsdauer 60, wie zum Beispiel X Monate und/oder Y Jahre, die verbleiben. Die verbleibende Nutzungsdauer 60 kann auch als ein Entfernungsbereich, das das Fahrzeug mit der mehrzelligen Batterie 20 bei voller Ladung zurücklegen kann, berichtet werden. Das Berichten kann unter Verwendung einer Statusanzeige, wie zum Beispiel auf einer Instrumentenanordnung eines Fahrzeugs, durchgeführt werden. Das Berichten kann mittels des Übertragens der verbleibenden Nutzungsdauer 60 an ein entferntes Überwachungssystem 10 zur Präsentation und/oder für andere Zwecke, wie zum Beispiel zum Terminieren von präventiver Wartung, wie einer Reparatur oder einem Austausch der mehrzelligen Batterie 20, durchgeführt werden. Eine exakte Berechnung der verbleibenden Nutzungsdauer kann eine genauere Berechnung des Restwerts des Fahrzeugs ermöglichen. Dies ermöglicht eine genauere Preisermittlung von gebrauchten Elektrofahrzeugen.
  • Wie am besten in den 1 bis 3 dargestellt, wird auch ein System 10 für eine Batterieüberwachung und Optimierung zur Verfügung gestellt. Das System 10 weist eine mehrzellige Batterie 20 auf, die eine Vielzahl von Batteriezellen 22 aufweist. Die Batteriezellen 22 sind in Modulen 24 gruppiert, die jeweils eine oder mehrere Batteriezellen 22 aufweisen, die funktionell miteinander gruppiert sind. Eine Überwachungsschaltung 36 steht damit in Verbindung und weist einen Stromsensor 36a und einen Spannungssensor 36b, die jeweils mit jeder der Batteriezellen 22 verbunden sind, sowie einen Temperatursensor 36c auf, der in der Nähe von jeder der Batteriezellen 22 angeordnet ist, um eine Vielzahl von Zellenparametern Icell , tcell , Vcell , einschließlich der Zellenspannung Vcell , des Zellenstroms Icell und der Zellentemperatur tcell der damit in Verbindung stehenden Batteriezelle 22 zu überwachen. Das Batterieüberwachungssystem 10 kann vollständig innerhalb oder in der Nähe der mehrzelligen Batterie 20 angeordnet sein oder es kann über viele Speicher- und Berechnungsmodule verteilt sein, wie zum Beispiel bei einem Cloud Computing.
  • Wie in 1 dargestellt ist, weist das System auch eine Batteriesteuerung 26 auf. Wie in 3 dargestellt ist, weist die Batteriesteuerung 32 ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium 30 auf, das Batteriedaten 32 speichert, die mit der mehrzelligen Batterie 20 in Verbindung stehende Informationen beinhalten. Die Batteriedaten können zum Beispiel einen Batteriezustand der Ladung SoCbatt, eine verbleibende Nutzungsdauer 60 und/oder andere Parameter, wie zum Beispiel Temperatur, Spannung, Lade- oder Entladestrom usw., aufweisen. Das nicht flüchtige, computerlesbare Speichermedium 30 speichert ebenfalls Zellendaten 34, die sich auf jede der Batteriezellen 22 beziehende Informationen beinhalten. Die Zellendaten 34 können zum Beispiel die Zellenspannung Vcell , den Zellenzustand der Ladung SoCcell , den Zellenstrom Icell , die Zellentemperatur tcell usw. beinhalten. Die Batteriesteuerung 26 weist einen Prozessor 28 auf, der über einen ersten Kommunikationsweg 70 in Verbindung mit den Überwachungsschaltungen 36 steht und ein kalibriertes Zellenmodell 38 von jeder der Batteriezellen 22 erzeugt und um einer Steuereinrichtung 62, 64, 68 zu signalisieren, die Batteriezelle 22 innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten.
  • Wie in 1 dargestellt, ist ein Leistungsregler 62 mit jedem der Module 24 verbunden und weist einen zweiten Kommunikationsweg 72 zwischen der Batteriesteuerung 26 und dem Leistungsregler 62 auf, um es der Batteriesteuerung 26 zu ermöglichen, jeden der Leistungsregler 32 anzuweisen, die Verteilung von elektrischer Leistung zu und von dem damit verbundenen Modul 24 zu steuern. Ein Lastregler 64 ist mit einem dritten Kommunikationsweg 74 zwischen der Batteriesteuerung 26 und dem Lastregler 64 versehen, um es der Batteriesteuerung 26 zu ermöglichen, den Lastregler 64 anzuweisen, die Verteilung von elektrischem Strom von der mehrzelligen Batterie 20 zu einer elektrischen Last 66 zu steuern. Der Lastregler 64 kann eine beliebige Einrichtung sein, die in der Lage ist, eine Menge an elektrischer Energie, die von einer elektrischen Last verbraucht wird, zu steuern. Der Lastregler 64 kann zum Beispiel ein Inverter für einen Motorantrieb, ein Heizungsregler oder eine Kompressorsteuerung einer Klimaanlage sein. In ähnlicher Weise kann die elektrische Last eine beliebige Einrichtung sein, die elektrische Energie verbraucht. Die elektrische Last 66 kann zum Beispiel einen Traktionsmotor, einen Widerstandsheizer oder ein anderes HVAC-Bauelement, wie zum Beispiel einen Luftkompressor oder einen Ventilator beinhalten. Die elektrische Last kann auch einen DC-Converter aufweisen, um eine Versorgung mit niedriger Spannung, wie zum Beispiel 12 Volt Gleichstrom, zur Verfügung zu stellen, um Zubehörteile zu betreiben und/oder eine Niedervoltbatterie zu laden. Ein Laderegler 68 ist mit einem vierten Kommunikationsweg 76 ebenfalls zwischen der Batteriesteuerung 26 und dem Laderegler 68 vorgesehen, um es der Batteriesteuerung 26 zu ermöglichen, den Laderegler 68 anzuweisen, die Verteilung von elektrischem Strom zu steuern, um die mehrzellige Batterie 20 zu laden.
  • Wie ebenfalls in 1 dargestellt, überträgt ein erster elektrischer Leiter 78 elektrische Leistung zu den Leistungsreglern 62 von damit verbundenen Modulen 24 der Batteriezellen 22. Ein zweiter elektrischer Leiter 80 überträgt elektrische Leistung von den Leistungsreglern 62 zu dem Lastregler 64. Ein dritter elektrischer Leiter 82 überträgt elektrische Leistung von den Lastreglern 64 zu der elektrischen Last 66 und ein vierter elektrischer Leiter 84 überträgt elektrische Leistung von dem Laderegler 68 zu der mehrzelligen Batterie 20.
  • In einem anderen Aspekt speichert das nicht flüchtige, computerlesbare Speichermedium 30 von einem Computer ausführbare Befehle 72, die, wenn sie von dem Prozessor 28 ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, mehrere unterschiedliche Handlungen auszuführen. Die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor 28 die von dem Computer ausführbaren Befehle 72 ausführt, durchgeführten Handlungen weisen das Erzeugen eines kalibrierten Zellenmodells 38 für jede einer Vielzahl von Batteriezellen 22 innerhalb einer mehrzelligen Batterie 20 mittels Durchführung einer Parametrisierung von Zellenparametern Icell , tcell , Vcell unter Verwendung von Werten auf, die mit diesen Zellenparametern Icell , tcell , Vcell und/oder zuvor aufgezeichneten Werten der Zellenparameter Icell , tcell , Vcell in Verbindung stehen. Die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor 28 die von dem Computer ausführbaren Befehle 72 ausführt, durchgeführten Handlungen beinhalten auch das Ermitteln wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze 42 oder eines optimalen Nutzungsprofils 56 für jede der Batteriezellen 22 unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle 38 für die entsprechenden Batteriezellen 22. Die als ein Ergebnis davon, dass der Prozessor 28 die von dem Computer ausführbaren Befehle 72 ausführt, durchgeführten Handlungen weisen auch das Betreiben von jeder der Batteriezellen 22 gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze 42 und/oder des optimalen Nutzungsprofils 56 auf. Dies kann wie oben unter Bezugnahme auf das Verfahren 100 zum Überwachen und Steuern der mehrzelligen Batterie 20 beschrieben ausgeführt werden. Der Prozessor 28 kann zum Beispiel einer Steuereinrichtung 62, 64, 68 signalisieren, die Batteriezellen 22 innerhalb der damit verbundenen Zellenbetriebsgrenzen 40, 42 zu halten.
  • Die oben stehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zum Zwecke der Illustration und Beschreibung angegeben worden. Sie ist nicht als vollständig oder als die Erfindung zu begrenzen vorgesehen. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind grundsätzlich nicht auf die jeweilige Ausführungsform beschränkt, sondern können, wo dies anwendbar ist, ausgetauscht und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn dies nicht besonders dargestellt oder beschrieben ist. Dieselbe kann auch auf viele Arten verändert werden. Solche Veränderungen sind nicht als eine Abkehr von der Erfindung anzusehen und sämtliche solche Modifikationen sind dafür vorgesehen, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung eingeschlossen zu sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/572734 [0001]
    • US 17/160102 [0001]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält, mit folgenden Schritten: Messen von Werten, die mit einer Vielzahl von Zellenparametern für jede der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie in Verbindung stehen, mittels einer Überwachungsschaltung; Übermitteln der Werte, die mit der Vielzahl von Zellenparametern in Verbindung stehen, an eine Batteriesteuerung; Aufzeichnen der Werte, die mit der Vielzahl von Zellenparametern in Verbindung stehen, in einem nicht flüchtigen, computerlesbaren Speichermedium; Erzeugen eines kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen mittels Durchführung einer Parametrisierung der Zellenparameter unter Verwendung der Werte, die mit der Vielzahl von Zellenparametern in Verbindung stehen; Ermitteln wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die entsprechenden Batteriezellen; und Betreiben von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil.
  2. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei das kalibrierte Zellenmodell für jede der Batteriezellen ein Randles-Zellenmodell ist, das Werte für einen Vorwiderstand, eine Doppelschichtkapazität und einen aktiven Ladungstransferwiderstand aufweist.
  3. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ermittelns wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die jeweiligen Batteriezellen Folgendes aufweist: Ermitteln einer damit verbundenen Zellensicherheits-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen; und Betreiben von jeder der Batteriezellen gemäß der damit verbundenen Zellensicherheits-Betriebsgrenze.
  4. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ermittelns wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die jeweiligen Batteriezellen Folgendes aufweist: Ermitteln einer damit verbundenen Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung des kalibrierten Zellenmodells für jede der Batteriezellen; und Betreiben von jeder der Batteriezellen gemäß der damit verbundenen Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze.
  5. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ermittelns wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die jeweiligen Batteriezellen Folgendes aufweist: Ermitteln eines damit verbundenen optimalen Benutzerprofils für jede der Batteriezellen als einen optimierten Kompromiss von Zellenbetriebsgrenzen zwischen unterschiedlichen Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie; und Betreiben der Batteriezellen gemäß dem damit verbundenen optimalen Nutzungsprofil.
  6. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil Folgendes aufweist: Anweisen eines Leistungsstellers, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der einer einzelnen der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen.
  7. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil Folgendes aufweist: Anweisen eines Lastreglers, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie an eine elektrische Last zugeführt wird, zu begrenzen.
  8. Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer mehrzelligen Batterie nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil Folgendes aufweist: Anweisen eines Ladereglers, wenigstens eines einer Spannung oder des elektrischen Stroms, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
  9. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, Handlungen auszuführen, die Folgendes aufweisen: Erzeugen eines kalibrierten Zellenmodels für jede einer Vielzahl von Batteriezellen innerhalb einer mehrzelligen Batterie mittels Durchführung einer Parametrisierung von Zellenparametern unter Verwendung von Werten, die mit der Vielzahl von Zellenparametern in Verbindung stehen; Ermitteln wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder eines optimalen Nutzungsprofils für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle für die entsprechenden Batteriezellen; und Betreiben von jeder der Batteriezellen gemäß dem wenigstens einen der Zellensicherheits-Betriebsgrenze oder der Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze oder dem optimalen Nutzungsprofil.
  10. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, eine Zellensicherheits-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle zu ermitteln.
  11. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, eine Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze für jede der Batteriezellen unter Verwendung der kalibrierten Zellenmodelle zu ermitteln.
  12. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, ein optimales Nutzungsprofil für jede der Batteriezellen als einen optimierten Kompromiss von Zellenbetriebsgrenzen zwischen unterschiedlichen Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie zu ermitteln.
  13. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von einem Prozessor durchgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, Handlungen auszuführen, die des Weiteren Folgendes aufweisen: Anweisen eines Leistungsstellers, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der einem Modul, das eine Untermenge der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie oder eine einzelne der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweist, zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen.
  14. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von einem Prozessor durchgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, Handlungen auszuführen, die des Weiteren Folgendes aufweisen: Anweisen eines Lastreglers, die Spannung und/oder den elektrischen Strom, der von der mehrzelligen Batterie an eine elektrische Last zugeführt wird, zu begrenzen.
  15. Nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium, auf dem von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sind, nach Anspruch 9, wobei die Befehle, wenn sie von einem Prozessor durchgeführt werden, eine Vorrichtung anweisen, Handlungen auszuführen, die des Weiteren Folgendes aufweisen: Anweisen eines Ladereglers, wenigstens eines einer Spannung oder des elektrischen Stroms, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
  16. System für eine Batterieüberwachungs- und Optimiereinrichtung, welches Folgendes aufweist: eine mehrzellige Batterie, die eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist; eine Überwachungsschaltung, die mit jeder der Batteriezellen in Verbindung steht, wobei jede der Überwachungsschaltungen dafür vorgesehen ist, eine Vielzahl von Zellenparametern einer damit in Verbindung stehenden Batteriezelle zu überwachen; eine Batteriesteuerung, die einen Prozessor aufweist, der in Verbindung mit den Überwachungsschaltungen steht und dafür vorgesehen ist, ein kalibriertes Zellenmodell von jeder der Batteriezellen zu erzeugen; wobei die Batteriesteuerung dafür vorgesehen ist, wenigstens eines einer Zellensicherheits-Betriebsgrenze, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines Schadens einer damit verbundenen Batteriezelle in Verbindung steht, oder einer Zellenlebensdauer-Betriebsgrenze, die mit einer verringerten Lebensdauer der damit verbundenen Batteriezelle in Verbindung steht, oder eines optimalen Nutzungsprofils der damit in Verbindung stehenden Batteriezelle zu ermitteln; wobei die Batteriesteuerung dafür vorgesehen ist, einer Steuervorrichtung zu signalisieren, die damit in Verbindung stehende Batteriezelle innerhalb der Zellenbetriebsgrenzen zu halten oder die damit in Verbindung stehende Batteriezelle in Übereinstimmung mit dem optimalen Nutzungsprofil zu laden und zu entladen.
  17. System für eine Batterie-Überwachungs- und Optimiereinrichtung nach Anspruch 16, wobei das kalibrierte Zellenmodell für jede der Batteriezellen ein Randles-Zellenmodell ist, das Werte für einen Vorwiderstand, eine Doppelschichtkapazität und einen aktiven Ladungstransferwiderstand aufweist.
  18. System für eine Batterie-Überwachungs- und Optimiereinrichtung nach Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung einen Leistungsregler aufweist, der dafür vorgesehen ist, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der einem Modul, das eine Untermenge der Batteriezellen innerhalb der mehrzelligen Batterie aufweist, zugeführt oder entnommen wird, zu begrenzen.
  19. System für eine Batterie-Überwachungs- und Optimiereinrichtung nach Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung einen Lastregler aufweist, der dafür vorgesehen ist, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der von der mehrzelligen Batterie zu einer elektrischen Last zugeführt wird, zu begrenzen.
  20. System für eine Batterie-Überwachungs- und Optimiereinrichtung nach Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung einen Laderegler aufweist, der dafür vorgesehen ist, wenigstens eines einer Spannung oder eines elektrischen Stroms, der der mehrzelligen Batterie zugeführt wird, zu begrenzen.
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