EP3864734A1 - Detection of abnormal self-discharge of lithium ion cells, and battery system - Google Patents

Detection of abnormal self-discharge of lithium ion cells, and battery system

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EP3864734A1
EP3864734A1 EP19756176.4A EP19756176A EP3864734A1 EP 3864734 A1 EP3864734 A1 EP 3864734A1 EP 19756176 A EP19756176 A EP 19756176A EP 3864734 A1 EP3864734 A1 EP 3864734A1
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EP
European Patent Office
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cell
balancing
charge
cells
balancing circuit
Prior art date
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Pending
Application number
EP19756176.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Sebastian Scharner
Sonia Dandl
Jan Philipp Schmidt
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting abnormal self-discharge of lithium ion cells in a battery system, and to a battery system which uses this method.
  • operated vehicles include a plurality of individual ones
  • BMS Battery management system
  • the BMS has the function of operating data such as cell voltage, state of charge (SoC, State of Charge),
  • SoC state of charge
  • the state of charge of the cells is aligned to restore the balance.
  • active and passive balancing processes charge is transferred from a cell with an increased SOC to a cell with a lower SOC. This can be done via a capacitor, a coil and / or a voltage converter.
  • passive balancing methods on the other hand, the excess charge is simply transferred via a cell with an increased SOC
  • thermo runaway catastrophic damage in the event of a fault, for example a thermal runaway of the cell ("thermal runaway"). It is therefore important that the BMS detects safety-critical states of a lithium-ion cell in good time and can take suitable countermeasures.
  • Another class of internal short circuits can be caused by
  • Operations in the cell itself are caused, for example, by being trapped in the cell due to a manufacturing defect
  • the present invention is based on the task, a method by monitoring the self-discharge of lithium ion cells
  • Figure 1 is a sketch of a cell network with passive
  • FIG. 2 schematically shows the structure of a battery system in which the method according to the invention can be implemented.
  • FIG. 3 shows the course of the accumulated total balancing charge for a group of 10 cells, plotted against time.
  • Cell 5 shows an increase in self-discharge by a factor of 2.5 after the 10th cycle.
  • the invention is based on the idea of solving this problem by using the balancing function which is present in the battery system anyway.
  • the invention thus relates to a method for detecting abnormal self-discharge in a battery system by monitoring the balancing charge per cell, and to a
  • the method according to the invention enables a prediction for the probability of occurrence of a
  • the battery system in which the method according to the invention is used comprises a plurality of lithium ion cells and a battery management device (hereinafter also referred to as a battery management system, BMS), in which the cells are each provided with a balancing circuit individually or in groups.
  • BMS battery management system
  • the battery management device is set up to carry out charge equalization at predetermined times, i.e. a balancing
  • the balancing is typically carried out during a rest phase, for example after charging and at one Time when the battery system is not loaded.
  • FIG. 1 A simplified schematic representation of such a passive balancing circuit for the case of N cells connected in series is shown in FIG.
  • the cell voltage Ui is monitored by the BMS for each cell i.
  • each cell is provided with a shunt circuit, which includes at least one switch Si (e.g. a MOSFET) controlled by the BMS and the actual parallel resistance (shunt) Ri.
  • Si e.g. a MOSFET
  • the balancing stream is instead generated from the
  • Energy buffer acts. This can be a capacitor, a coil, a transformer or a voltage converter
  • Switching regulator switching regulator
  • the balancing charge can be determined from the respective voltage, the capacitance of the capacitor and the switching frequency. This principle applies analogously to other and / or more complex active balancing systems, including those with
  • the balancing charge can be made up of the voltage at the cells involved, the switching frequency and the characteristics of each
  • the inventive method includes the following
  • Step (1) comprises the determination of each cell or
  • the charge qi converted during a single balancing process can be accumulated for each cell or cell group i.
  • the age of the cell t ge s, ⁇ is also known, so that a quotient Qges, i / t g es, i can be determined, which represents the total balancing charge per time.
  • the respective quotient Qges, i / t g es, i can be determined, which represents the total balancing charge per time.
  • the balancing rate dqi / dt can also be determined. This is the quotient of the charge implemented during balancing and the time interval At between two balancing processes. Since the balancing rate is subject to comparatively large fluctuations in practice, an average value is preferably used for the diagnosis, for example in the form of an overall mean value over the age of the cell or a moving average value, over which the values of a previous period (e.g. 2nd up to 10 days) or the values of the last 2 to 10 balancing processes, for example, are averaged.
  • step (4) On the basis of the total balancing charge and / or balancing rate determined in this way, it is subsequently determined in step (4) whether there is an abnormally high self-discharge.
  • the criterion for this is ultimately a charge that is too low compared to the other cells or to the total balancing charge. If less charge had to be taken from the cell for balancing than the other cells, which were otherwise subject to the same conditions, this indicates that the self-discharge must have been higher.
  • an abnormally high total balancing charge can in itself give an indication of excessive self-discharge, although no assignment to individual cells is possible here.
  • step (4) the previously in step (2) or
  • Threshold Qref / t ge s where t ges, i represents the age of the cell or cell group i;
  • t tot can be used for the absolute age of the cell (e.g. in days since
  • this value should be scaled with the age of the cell t ge s.
  • the threshold value can be determined, for example, by subjecting a battery system of the same type as that in which the method according to the invention is to be carried out to field tests and recording the balancing charge.
  • Display self-discharge which is expected to be rare, it is also possible to determine the threshold value by recording the balancing charge of the battery system itself. The values thus obtained for a specific battery system may have to be verified by comparison with other battery systems of the same type. The mean value and the distribution of the balancing charge over the individual cells can then be calculated. The threshold can be determined by taking a specific one from the mean
  • BMS battery management system
  • threshold value are taken into account by modifying the threshold value depending on the expected state of aging. Due to the finite input impedance of the connected measuring electronics, discharge via leakage currents can still occur, which can also be taken into account for the formation of the threshold value.
  • Dz can be determined, for example, from the width or the standard deviation s of the distribution of Q tot , i / t ge s, i over all cells. In terms of avoiding false positives
  • the results in this case are preferably at least 1.5 s, more preferably at least 2s, especially at least 3s.
  • the determination of AQ as a multiple of the distribution range has the advantage that it can be done in situ on the basis of the determined data and no reference data is required.
  • a further criterion is the change rate of total balancing charge dQ tot, i / dt. This can be obtained by recording the total balancing charge values, Q ge s, i, x, determined for each balancing in step (2), where x is the counting index for the actuations of the balancing system. By applying an analytical curve fit (such as a polynomial), and forming the time derivative dQ to be saturated, determine i / dt. If the rate of change of the total balancing charge decreases over time, this is also an indication of an increased self-discharge.
  • the criterion again falling below a threshold value serves Q'ref consisting of the above-described Q f re again by the formation of the derivative
  • the balancing rate dqi / dt can also be used as a criterion. This can be calculated as the quotient from the step (1)
  • the moving average is again compared to a threshold q ' ref .
  • the course of the balancing rate can be considered, which corresponds to the second time derivative of the balancing charge qi. A decrease in the balancing rate over time that one
  • the cells can also be connected in groups to form modules. In this case, all monitoring and control functions are carried out by the BCU, so that the method according to the invention
  • a separate control unit cell monitoring circuit, CSC
  • CSC cell monitoring circuit

Abstract

The present invention relates to a method for detecting abnormal self-discharge in a battery system by monitoring the balancing charge for each cell and to a battery system which is configured to use this method. The method according to the invention makes it possible to predict the probability of the occurrence of a safety-critical state, for example an internal short circuit, with the result that suitable countermeasures can be taken in good time.

Description

Detektion abnormaler Selbstentladung von Lithiumionenzellen und Batteriesystem Detection of abnormal self-discharge from lithium ion cells and battery system
Technisches Gebiet Technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion abnormaler Selbstentladung von Lithiumionenzellen in einem Batteriesystem, sowie ein Batteriesystem, das dieses Verfahren einsetzt . The present invention relates to a method for detecting abnormal self-discharge of lithium ion cells in a battery system, and to a battery system which uses this method.
Technischer Hintergrund Technical background
Batteriesystem  Battery system
Batteriesysteme für elektrisch oder hybrid-elektrisch Battery systems for electric or hybrid-electric
betriebene Fahrzeuge umfassen eine Mehrzahl einzelner operated vehicles include a plurality of individual ones
miteinander parallel und seriell verbundener Sekundärzellen, typischerweise Lithiumionenzellen, die durch ein secondary cells connected to one another in parallel and in series, typically lithium ion cells, which are separated by a
Batteriemanagement-System (BMS) kontrolliert werden. Battery management system (BMS) are checked.
Das BMS hat unter anderem die Funktion, die Betriebsdaten wie Zellspannung, Ladungszustand (SoC, State of Charge), Among other things, the BMS has the function of operating data such as cell voltage, state of charge (SoC, State of Charge),
Alterungsgrad (SoH, State of Health), Strom, Temperatur zu überwachen sowie das Laden bzw. Entladen der Zellen zu Monitoring the degree of aging (SoH, State of Health), electricity, temperature and charging or discharging the cells
steuern. Weitere Aufgaben des BMS sind das thermische Taxes. Other tasks of the BMS are thermal
Management des Batteriesystems, der Schutz der Zellen, sowie die Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer der Zellen auf Grundlage der aufgezeichneten Betriebsdaten. Management of the battery system, protection of the cells, as well as the prediction of the remaining life of the cells based on the recorded operating data.
Balancing Balancing
Eine wichtige Funktion des BMS ist das sogenannte Balancing, der Ausgleich des Ladungszustandes der einzelnen Zellen. Es kann Vorkommen, dass der Ladungszustand (SoC) einzelner Zellen beispielsweise durch erhöhte Selbstentladung aufgrund An important function of the BMS is the so-called balancing, the balancing of the charge status of the individual cells. It can happen that the state of charge (SoC) of individual cells is due to increased self-discharge, for example
ungleichmäßiger Temperaturverteilung oder Fertigungsschwankungen vom SoC der übrigen Zellen eines uneven temperature distribution or Manufacturing fluctuations from the SoC of the remaining cells of one
Zellverbundes abweicht. Ein solches Ungleichgewicht macht sich durch ein Auseinanderdriften der Zellspannungen bemerkbar und kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer und verstärkten Abnutzung der Zellen führen. Beim Balancing wird der Cell network deviates. Such an imbalance manifests itself in a drifting apart of the cell voltages and can lead to a shortening of the lifespan and increased wear of the cells. When balancing the
Ladungszustand der Zellen aneinander angeglichen, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. The state of charge of the cells is aligned to restore the balance.
Es wird generell zwischen aktiven und passiven Balancing- Verfahren unterschieden. Bei aktiven Balancing-Verfahren wird Ladung von einer Zelle mit erhöhtem SOC auf eine Zelle mit geringerem SOC übertragen. Dies kann über einen Kondensator, eine Spule und/oder einen Spannungswandler erfolgen. Bei passiven Balancing-Verfahren wird hingegen bei Zellen mit erhöhtem SOC einfach die überschüssige Ladung über einen A general distinction is made between active and passive balancing processes. With active balancing processes, charge is transferred from a cell with an increased SOC to a cell with a lower SOC. This can be done via a capacitor, a coil and / or a voltage converter. In the case of passive balancing methods, on the other hand, the excess charge is simply transferred via a cell with an increased SOC
Widerstand (Shunt) dissipiert, bis der Ladungszustand Resistance (shunt) dissipates until the state of charge
ausgeglichen ist. is balanced.
Sicherheitskritische Betriebszustände Safety-critical operating states
Ein Hauptgrund für den weit verbreiteten Einsatz von A main reason for the widespread use of
Lithiumionenzellen ist deren hohe Energiedichte. Die hohe Energiedichte birgt jedoch gleichzeitig das Potential Lithium ion cells is their high energy density. However, the high energy density also holds the potential
katastrophaler Schäden im Fehlerfall, beispielsweise einem thermischen Durchgehen der Zelle („thermal runaway") . Daher ist es wichtig, dass das BMS sicherheitskritische Zustände einer Lithiumionenzelle rechtzeitig detektiert und geeignete Gegenmaßnahmen treffen kann. catastrophic damage in the event of a fault, for example a thermal runaway of the cell ("thermal runaway"). It is therefore important that the BMS detects safety-critical states of a lithium-ion cell in good time and can take suitable countermeasures.
Ein „thermal runaway" kann dadurch zustande kommen, dass durch einen abnormal hohen Stromfluss, beispielsweise infolge eines inneren oder äußeren Kurzschlusses, die Temperatur der Zelle so stark ansteigt, dass die Integrität des Separators nicht mehr gewährleistet ist, und zunächst lokale Fehlstellen entstehen, beispielsweise durch lokale Verformung oder lokales Schmelzen des Separators, so dass Anode (Reduktionsmittel) und Kathode (Oxidationsmittel) an diesen Stellen in direkten oder zumindest elektrisch leitfähigen Kontakt kommen. Dadurch wird lokal eine stark exotherme Redoxreaktion ermöglicht, die zu einem weiteren Temperaturanstieg und zu weiterer Zerstörung des Separators führt. Die zunächst lokale Redoxreaktion kann sich weiter ausbreiten, es kann zu einer Verdampfung und Zersetzung des Elektrolyten kommen, was dann zu einem A "thermal runaway" can occur because an abnormally high current flow, for example as a result of an internal or external short circuit, causes the temperature of the cell to rise to such an extent that the integrity of the separator is no longer guaranteed, and local defects initially occur, for example by local deformation or local melting of the separator, so that the anode (reducing agent) and cathode (oxidizing agent) come into direct or at least electrically conductive contact at these points locally enables a strongly exothermic redox reaction, which leads to a further rise in temperature and further destruction of the separator. The initially local redox reaction can spread further, evaporation and decomposition of the electrolyte can occur, which then leads to a
Aufplatzen des Gehäuses, Kontakt mit Luftsauerstoff und schließlich zu Bränden oder Explosionen führen kann. Bursting of the housing, contact with atmospheric oxygen and finally fire or explosion can result.
Der Gefahr eines externen Kurzschlusses kann beispielsweise durch Anbringen einer Schmelzsicherung begegnet werden. Ein interner Kurzschluss tritt auf, wenn im Zellinneren eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Anode und Kathode entsteht. Einerseits können solche internen Kurzschlüsse durch katastrophale Außeneinwirkung entstehen, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Deformation der Zelle oder The risk of an external short circuit can be countered, for example, by attaching a fuse. An internal short circuit occurs when there is an electrically conductive connection between the anode and cathode inside the cell. On the one hand, such internal short circuits can result from catastrophic external influences, for example due to a mechanical deformation of the cell or
Penetration mit einem metallischen Gegenstand in Folge eines Unfalls . Penetration with a metallic object as a result of an accident.
Eine weitere Klasse von inneren Kurzschlüssen kann durch Another class of internal short circuits can be caused by
Vorgänge in der Zelle selbst bewirkt werden, etwa durch in der Zelle aufgrund eines Produktionsfehlers eingeschlossene Operations in the cell itself are caused, for example, by being trapped in the cell due to a manufacturing defect
Metallpartikel und/oder durch Abscheidung von metallischem Lithium in Form von Dendriten an der Anode, die durch den Separator „hindurchwachsen" und eine leitfähige Verbindung zur Kathode bilden können. Man nimmt an, das diese Art von Fehlern nicht sofort zu einem „thermal runaway" führt. So ist davon auszugehen, dass die Dendriten zunächst sehr dünn sind und eine vergleichsweise geringe Strombelastbarkeit aufweisen, so dass sie sich im Falle eines Kurzschlusses von selbst wieder auflösen . Metal particles and / or by depositing metallic lithium in the form of dendrites on the anode, which "grow" through the separator and can form a conductive connection to the cathode. It is believed that these types of errors do not immediately lead to a "thermal runaway" leads. It can be assumed that the dendrites are initially very thin and have a comparatively low current carrying capacity, so that they dissolve automatically in the event of a short circuit.
Falls solche „weichen" Kurzschlüsse (im Folgenden auch als „soft shorts" bezeichnet) jedoch wiederholt auftreten, insbesondere an der gleichen Stelle (an der sich z.B. ein Metallpartikel oder eine Separator-Schwachstelle befinden kann) , so ist davon auszugehen, dass sich eine zunehmend stärker belastbare Brücke zwischen Anode und Kathode ausbildet und es schließlich zum „thermal runaway" kommt. Bevor dies jedoch der Fall ist, sollten sich die „soft shorts" durch eine erhöhte Selbstenladung der Zelle bemerkbar machen. Daher ist die Überwachung der Selbstentladung eine mögliche Maßnahme, um das Auftreten eines sicherheitskritischen Zustands However, if such "soft" short circuits (hereinafter also referred to as "soft shorts") occur repeatedly, in particular at the same point (where, for example, a metal particle or a separator weak point can be), it can be assumed that there is one forms an increasingly more resilient bridge between anode and cathode and finally "thermal runaway" occurs. Before this is the case, however, the "soft shorts" should be noticeable increased self-charging of the cell. Monitoring the self-discharge is therefore a possible measure to prevent the occurrence of a safety-critical state
vorherzusagen und frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen . predict and take appropriate countermeasures at an early stage.
Als Verfahren zur Überwachung der Selbstenladung wird in US 2012/182021 vorgeschlagen, den Differentialstrom zwischen zwei parallel geschalteten Zellen zu überwachen, der null ist, wenn die Selbstentladung gleich ist und ansonsten von der Zelle mit niedriger Selbstentladung zur Zelle mit höherer As a method for monitoring the self-charging, it is proposed in US 2012/182021 to monitor the differential current between two cells connected in parallel, which is zero if the self-discharge is the same and otherwise from the cell with low self-discharge to the cell with higher ones
Selbstentladung fließt. Self-discharge flows.
Aufgabenstellung Task
In Anbetracht der obigen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren durch Überwachung der Selbstentladung von Lithiumionenzellen In view of the above problems, the present invention is based on the task, a method by monitoring the self-discharge of lithium ion cells
bereitzustellen, das mit minimalem apparativem Aufwand in ein bestehendes Batteriesystem integriert werden kann. To provide, which can be integrated into an existing battery system with minimal equipment.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 ist eine Skizze eines Zellverbundes mit passiver Figure 1 is a sketch of a cell network with passive
Balancing-Schaltung . Die bei Betätigung der Balancing- Schaltung der Zelle i geflossene Balancing-Ladung kann als Qi = /Ii(t) dt = JUi(t)/R dt bestimmt werden. Balancing circuit. The balancing charge that flows when the balancing circuit of cell i is actuated can be determined as Qi = / Ii (t) dt = JUi (t) / R dt.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Batteriesystems, in dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. FIG. 2 schematically shows the structure of a battery system in which the method according to the invention can be implemented.
Figur 3 zeigt den Verlauf der akkumulierten Gesamt-Balancing- Ladung für einen Verbund von 10 Zellen, aufgetragen gegen die Zeit. Zelle 5 weist nach dem 10. Zyklus eine Erhöhung der Selbstentladung um einen Faktor von 2.5 auf. Beschreibung der Erfindung FIG. 3 shows the course of the accumulated total balancing charge for a group of 10 cells, plotted against time. Cell 5 shows an increase in self-discharge by a factor of 2.5 after the 10th cycle. Description of the invention
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, diese Aufgabe durch Einsatz der im Batteriesystem ohnehin vorhandenen Balancing- Funktion zu lösen. The invention is based on the idea of solving this problem by using the balancing function which is present in the battery system anyway.
Somit betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion abnormaler Selbstentladung in einem Batteriesystem durch Überwachung der Balancing-Ladung pro Zelle sowie ein The invention thus relates to a method for detecting abnormal self-discharge in a battery system by monitoring the balancing charge per cell, and to a
Batteriesystem, das für den Einsatz dieses Verfahrens Battery system necessary for the use of this method
konfiguriert ist. is configured.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Vorhersage für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines The method according to the invention enables a prediction for the probability of occurrence of a
sicherheitskritischen Zustands wie z.B. eines inneren safety-critical condition such as an inner
Kurzschlusses, so dass frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Short circuit, so that suitable countermeasures can be taken at an early stage.
Batteriesystem und Balancing Battery system and balancing
Das Batteriesystem, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, umfasst eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung (im Folgenden auch als Batteriemanagement-System, BMS bezeichnet), worin die Zellen jeweils einzeln oder gruppenweise mit einer Balancing- Schaltung versehen sind. Die Batteriemanagement-Einrichtung ist dafür eingerichtet, zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Ladungsausgleich vorzunehmen, d.h. ein Balancing The battery system in which the method according to the invention is used comprises a plurality of lithium ion cells and a battery management device (hereinafter also referred to as a battery management system, BMS), in which the cells are each provided with a balancing circuit individually or in groups. The battery management device is set up to carry out charge equalization at predetermined times, i.e. a balancing
durchzuführen. Hierzu wird bei einer Zelle bzw. Zellgruppe, deren Zellspannung gegenüber mindestens einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe erhöht ist, die Balancing-Schaltung betätigt, um dieser Zelle bzw. Zellgruppe Ladung zu entnehmen und optional die entnommene Ladung einer anderen Zelle bzw. perform. For this purpose, in the case of a cell or cell group whose cell voltage is higher than at least one other cell or cell group, the balancing circuit is actuated in order to remove charge from this cell or cell group and, optionally, the charge removed from another cell or
Zellgruppe mit niedrigerer Zellspannung zuführen, bis die Zellspannungen angeglichen sind. Feed the cell group with a lower cell voltage until the cell voltages are equalized.
Das Balancing wird typischerweise während einer Ruhephase durchgeführt, beispielsweise nach dem Laden und zu einem Zeitpunkt, in dem das Batteriesystem nicht belastet wird. The balancing is typically carried out during a rest phase, for example after charging and at one Time when the battery system is not loaded.
Falls das Batteriesystem in einem Elektrofahrzeug verbaut ist, kann das Balancing zu einem beliebigen Zeitpunkt außerhalb des Fährbetriebs durchgeführt werden, vorzugsweise direkt nach dem Laden des Speichers. In einem hybridelektrischen Fahrzeug oder plug-in-hybridelektrischen Fahrzeug kommt auch der Fährbetrieb mit Verbrennungsmotor in Betracht. Erfindungsgemäß sind der Zeitpunkt und das genaue Verfahren des Balancings nicht speziell beschränkt, solange die beim Balancing für jede Zelle umgesetzte Ladung durch das BMS ermittelt werden kann.  If the battery system is installed in an electric vehicle, the balancing can be carried out at any time outside of the ferry operation, preferably directly after the storage device has been charged. In a hybrid-electric vehicle or plug-in-hybrid-electric vehicle, ferry operation with an internal combustion engine can also be considered. According to the invention, the time and the exact method of balancing are not particularly limited, as long as the charge converted for each cell can be determined by the BMS.
Im einfachsten Fall des passiven Balancing wird der Zelle mit erhöhter Zellspannung (und damit erhöhtem SOC) lediglich In the simplest case of passive balancing, the cell with increased cell voltage (and thus increased SOC) is only
Ladung entnommen und an einem Lastwiderstand (Shunt) Charge removed and connected to a load resistor (shunt)
dissipiert. Eine vereinfachte schematische Darstellung einer solchen passiven Balancing-Schaltung für den Fall von N in Reihe geschalteten Zellen ist in Figur 1 gezeigt. Für jede Zelle i wird die Zellspannung Ui vom BMS überwacht. Zudem ist jede Zelle mit einem Shunt-Stromkreis versehen, der zumindest einen vom BMS kontrollierten Schalter Si (z.B. einem MOSFET) und den eigentlichen Parallelwiderstand (Shunt) Ri umfasst. dissipates. A simplified schematic representation of such a passive balancing circuit for the case of N cells connected in series is shown in FIG. The cell voltage Ui is monitored by the BMS for each cell i. In addition, each cell is provided with a shunt circuit, which includes at least one switch Si (e.g. a MOSFET) controlled by the BMS and the actual parallel resistance (shunt) Ri.
Eine Möglichkeit zur direkten Messung des Balancing-Stroms Ii, wie in der Figur zur Illustration gezeigt, entfällt in der Praxis typischerweise, um den apparativen Aufwand zu In practice, a possibility for direct measurement of the balancing current Ii, as shown in the figure for illustration, is typically omitted in order to increase the expenditure on equipment
minimieren. Der Balancing-Strom wird stattdessen aus dem minimize. The balancing stream is instead generated from the
Widerstandswert Ri und dem während des Balancings gemessenen Spannungsverlauf Ui(t) als Ii(t) = Ui(t)/R berechnet. Resistance value Ri and the voltage curve Ui (t) measured during balancing are calculated as Ii (t) = Ui (t) / R.
Integration über die Zeit liefert die geflossene Ladung. Integration over time provides the flow of cargo.
Bei Detektion eines überhöhten SOC bzw. einer gegenüber den anderen Zellen erhöhten Spannung wird vom BMS zum Balancing der Schalter Si geschlossen, und es fließt der Balancing-Strom Ii, der am Widerstand Ri in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die Zelle über den Shunt-Stromkreis kontrolliert entladen, bis die Spannung Ui den Sollwert erreicht. Dann wird der Schalter Si wieder geöffnet und der Shunt-Stromkreis von der Zelle getrennt. Beim aktiven Balancing wird einer Zelle Ladung entnommen und einer anderen Zelle zugeführt . Die Übertragung der Ladung erfolgt über ein geschaltetes Bauelement, das als When an excessive SOC or an increased voltage compared to the other cells is detected, the switch Si is closed by the BMS for balancing, and the balancing current Ii flows, which is converted into heat at the resistor Ri. In this way, the cell is discharged in a controlled manner via the shunt circuit until the voltage Ui reaches the setpoint. Then switch Si is opened again and the shunt circuit is separated from the cell. With active balancing, charge is removed from one cell and fed to another cell. The charge is transferred via a switched component, which as
Energiezwischenspeicher fungiert. Hierzu kann ein Kondensator, eine Spule, ein Transformator oder ein Spannungswandler Energy buffer acts. This can be a capacitor, a coil, a transformer or a voltage converter
(Schaltregler) zum Einsatz kommen.  (Switching regulator) are used.
Im einfachsten Fall handelt es sich um einen geschalteten Kondensator, der zyklisch an einer Zelle mit hohem SOC (und hoher Spannung) geladen, umgeschaltet, und an einer Zelle mit niedrigem SOC (und niedriger Spannung) entladen wird. Die Balancing-Ladung lässt sich aus der jeweiligen Spannung, der Kapazität des Kondensators und der Schaltfrequenz bestimmen. Dieses Prinzip gilt analog auch für andere und/oder komplexere aktive Balancing-Systeme, einschließlich solchen mit In the simplest case, it is a switched capacitor that is cyclically charged on a high SOC (and high voltage) cell, switched, and discharged on a low SOC (and low voltage) cell. The balancing charge can be determined from the respective voltage, the capacitance of the capacitor and the switching frequency. This principle applies analogously to other and / or more complex active balancing systems, including those with
induktiven Bauelementen (Spulen, Transformatoren) oder inductive components (coils, transformers) or
Schaltreglern als Übertragungselemente. In jedem Fall kann die Balancing-Ladung aus der Spannung an den beteiligten Zellen, der Schaltfrequenz und den Kenndaten des jeweiligen Switching regulators as transmission elements. In any case, the balancing charge can be made up of the voltage at the cells involved, the switching frequency and the characteristics of each
Übertragungselements bestimmt werden. Die Charakteristika der aktiven Balancing-Schaltung sind typischerweise vorbekannt und im BMS hinterlegt, so dass die einer Zelle i entnommene Transmission element can be determined. The characteristics of the active balancing circuit are typically already known and stored in the BMS, so that those taken from a cell i
Balancing-Ladung sowie die einer Zelle j zugeführte Balancing- Ladung aus dem Spannungsverlauf und der Betätigungsdauer der Balancing-Schaltung ermittelt werden kann. Balancing charge and the balancing charge supplied to a cell j can be determined from the voltage curve and the actuation duration of the balancing circuit.
Verfahren method
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die folgenden The inventive method includes the following
Schritte (1), (2) und/oder (3) und (4): Steps (1), (2) and / or (3) and (4):
(1) Bestimmung der Ladung qi, die bei einer Betätigung der (1) Determination of the charge qi that occurs when the
Balancing-Schaltung jeder Zelle bzw. Zellgruppe durch das Balancing entnommen bzw. zugeführt wird (mit i = 1...N, worin N die Anzahl der Zellen bzw. Zellgruppen darstellt), (2) Bestimmung der Gesamt-Balancing-Ladung Qges,i für jede Zelle bzw. Zellgruppe durch Akkumulation der in 1 Balancing circuit of each cell or cell group is removed or supplied by the balancing (with i = 1 ... N, where N represents the number of cells or cell groups), (2) Determination of the total balancing charge Q ge s, i for each cell or cell group by accumulation of the in 1
bestimmten Ladung:  certain cargo:
Qges,i — Sc qi,x wobei x = l...n die Zählvariable für die x-te Betätigung der Balancing-Schaltung ist und n die Gesamtanzahl der bisherigen Betätigungen für die jeweilige Zelle bzw. Qges, i - Sc qi, x where x = l ... n is the count variable for the xth actuation of the balancing circuit and n is the total number of previous actuations for the respective cell or
Zellgruppe i darstellt;  Represents cell group i;
(3) Bestimmung der Balancing-Rate dqi/dt als Quotient der in 1 gemessenen Ladung qi und dem Zeitintervall Ät, das seit der vorherigen Betätigung der Balancing-Schaltung (3) Determination of the balancing rate dqi / dt as the quotient of the charge qi measured in FIG. 1 and the time interval Ät that has occurred since the balancing circuit was actuated previously
vergangen ist;  has passed;
(4) Diagnose einer abnormal hohen Selbstentladung für die (4) diagnosis of abnormally high self-discharge for the
Zelle bzw. Zellgruppe i, wenn Qges,i bzw. dqi/dt im Hinblick auf die weiter unten beschriebenen Kriterien zu niedrig sind . Cell or cell group i if Q ge s, i or dqi / dt are too low with regard to the criteria described below.
Schritt (1) umfasst die Bestimmung der jeden Zelle bzw. Step (1) comprises the determination of each cell or
Zellgruppe i während eines Balancing-Vorgangs entnommenen bzw. im Falle eines aktiven Balancings ggf. auch zugeführten Ladung Qi durch das BMS, wie oben beschrieben. Im Falle einer Cell group i removed during a balancing process or, in the case of active balancing, possibly also supplied charge Qi by the BMS, as described above. In case of a
zugeführten Ladung kehrt sich das Vorzeichen um. Die the charge is reversed. The
nachfolgende Beschreibung spricht vereinheitlicht von der entnommenen Ladung, wobei eine zugeführte Ladung gleichsam als entnommene Ladung mit umgekehrtem Vorzeichen betrachtet wird. The following description speaks unified of the removed charge, whereby a supplied charge is regarded as a removed charge with the opposite sign.
Gemäß Schritt (2) kann die während eines einzelnen Balancing- Vorgangs umgesetzte Ladung qi für jede Zelle bzw. Zellgruppe i akkumuliert werden. Im einfachsten Fall genügt es, jeweils den aktuellen akkumulierten Wert Qges,i zu speichern. Das Alter der Zelle tges, ί ist ebenfalls bekannt, so dass sich ein Quotient Qges,i / tges,i ermitteln lässt, der die Gesamt-Balancing-Ladung pro Zeit darstellt. Alternativ können die jeweiligen According to step (2), the charge qi converted during a single balancing process can be accumulated for each cell or cell group i. In the simplest case, it is sufficient to save the current accumulated value Q tot , i in each case. The age of the cell t ge s, ί is also known, so that a quotient Qges, i / t g es, i can be determined, which represents the total balancing charge per time. Alternatively, the respective
akkumulierten Werte Qges,i für jeden Balancing-Vorgang auch zeitlich aufgezeichnet werden. Gemäß Schritt (3) kann alternativ oder zusätzlich zur Gesamt- Balancing-Ladung auch die Balancing-Rate dqi/dt bestimmt werden. Hierbei handelt es sich um den Quotienten aus der beim Balancing umgesetzten Ladung und dem zeitlichen Abstand At zwischen zwei Balancing-Vorgängen . Da die Balancing-Rate in der Praxis vergleichsweise starken Schwankungen ausgesetzt ist, wird für die Diagnose vorzugsweise ein gemittelter Wert eingesetzt, etwa in Form eines Gesamtmittelwerts über das Alter der Zelle oder eines gleitenden Mittelwerts, bei dem über die Werte eines vorhergehenden Zeitraums (z.B. 2 bis 10 Tage) oder die Werte z.B. der letzten 2 bis 10 Balancing- Vorgänge gemittelt wird. accumulated values Q ge s, i are also recorded in time for each balancing process. According to step (3), as an alternative or in addition to the total balancing charge, the balancing rate dqi / dt can also be determined. This is the quotient of the charge implemented during balancing and the time interval At between two balancing processes. Since the balancing rate is subject to comparatively large fluctuations in practice, an average value is preferably used for the diagnosis, for example in the form of an overall mean value over the age of the cell or a moving average value, over which the values of a previous period (e.g. 2nd up to 10 days) or the values of the last 2 to 10 balancing processes, for example, are averaged.
Anhand der so bestimmten Gesamt-Balancing-Ladung und/oder Balancing-Rate wird nachfolgend in Schritt (4) ermittelt, ob eine abnormal hohe Selbstentladung vorliegt. Kriterium hierfür ist letztlich eine im Vergleich zu den übrigen Zellen oder zur Gesamt-Balancingladung zu niedrige entnommene Ladung. Falls der Zelle zum Balancing weniger Ladung entnommen werden musste als den ansonsten gleichen Bedingungen unterworfenen übrigen Zellen, so zeigt dies an, dass die Selbstentladung höher gewesen sein muss. Daneben kann auch bereits eine anormal hohe Gesamt-Balancingladung für sich genommen einen Hinweis auf eine überhöhte Selbstentladung geben, wobei hierbei jedoch keine Zuordnung zu einzelnen Zellen möglich ist. On the basis of the total balancing charge and / or balancing rate determined in this way, it is subsequently determined in step (4) whether there is an abnormally high self-discharge. The criterion for this is ultimately a charge that is too low compared to the other cells or to the total balancing charge. If less charge had to be taken from the cell for balancing than the other cells, which were otherwise subject to the same conditions, this indicates that the self-discharge must have been higher. In addition, an abnormally high total balancing charge can in itself give an indication of excessive self-discharge, although no assignment to individual cells is possible here.
Diagnosekriterien Diagnostic criteria
In Schritt (4) werden anhand der vorher in Schritt (2) bzw.In step (4), the previously in step (2) or
(3) ermittelten Gesamt-Balancing-Ladung und/oder Balancing- Rate diejenigen Zellen ermittelt, bei denen die entnommene Balancing-Ladung anormal niedrig ist. Hierzu kommen (3) determined total balancing charge and / or balancing rate determined those cells in which the removed balancing charge is abnormally low. Come to this
erfindungsgemäß eines oder mehrere der folgenden Kriterien zum Einsatz : (a) Qges, i / tges,i unterschreitet einen vorbestimmten According to the invention one or more of the following criteria are used: (a) Q ge s, i / t tot , i falls below a predetermined one
Schwellenwert Qref/tges, wobei tges,i das Alter der Zelle bzw. der Zellgruppe i darstellt; Threshold Qref / t ge s, where t ges, i represents the age of the cell or cell group i;
(b) Qges,i / tges,ί unterschreitet einen über alle Zellen bzw. (b) Q ge s, i / t g es, ί falls below one across all cells or
Zellgruppen oder einen über alle Zellen bzw.  Cell groups or one over all cells or
Zellgruppen außer i gemittelten Wert um einen  Cell groups except i averaged by one
vorbestimmten Schwellenwert ÄQ;  predetermined threshold value AQ;
(c) dQges, i/dt, erhältlich durch zeitliche Aufzeichnung der in (2) bestimmten Werte und Ableitung nach der Zeit, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert Q'ref; (c) dQg es , i / dt, obtainable by chronological recording of the values determined in (2) and derivation over time, falls below a predetermined threshold value Q'ref;
(d) Der Mittelwert von dqi/dt, erhältlich durch Mittelung über alle in (3) im Laufe der Zeit bestimmten Werte, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q‘ ges, ref } (d) The mean value of dqi / dt, obtainable by averaging over all values determined over time in (3), falls below a predetermined threshold value q 'ges, ref}
(e) Der gleitende Mittelwert von dqi/dt, erhältlich durch Mittelung über diejenigen der in (3) bestimmten Werte, die höchstens ein vorbestimmtes Intervall zurückliegen, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q'ref; (e) The moving average of dqi / dt, obtainable by averaging those of the values determined in (3) that are at most a predetermined interval below, falls below a predetermined threshold q 'ref;
(f) Die Änderung der Balancing-Rate dq±/dt, erhältlich (f) The change in balancing rate dq ± / dt, available
durch zeitliche Aufzeichnung der in (3) bestimmten Werte und Ableitung nach der Zeit, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q''ref. by chronological recording of the values determined in (3) and derivation over time, falls below a predetermined threshold q ″ ref .
Da die akkumulierte Gesamt-Balancing-Ladung mit dem Alter der Zelle tges steigt, sind die Werte in Kriterium (a) und (b) jeweils durch tges zu dividieren; hierbei kann tges für das absolute Alter der Zelle (z.B in Tagen seit der Since the accumulated total balancing charge increases with the age of the cell t tot , the values in criteria (a) and (b) must be divided by t tot ; Here t tot can be used for the absolute age of the cell (e.g. in days since
Inbetriebnahme) oder für die Gesamtzahl der bereits Commissioning) or for the total number of already
durchgeführten Ladezyklen stehen. performed charging cycles are available.
Der Schwellenwert Qref nach Kriterium (a) gibt die zulässige Untergrenze für die Gesamt-Balancing-Ladung pro Zelle i an.The threshold Q ref according to criterion (a) indicates the permissible lower limit for the total balancing charge per cell i.
Wie angegeben ist dieser Wert mit dem Alter der Zelle tges zu skalieren . Der Schwellenwert kann beispielsweise bestimmt werden, indem ein Batteriesystem gleichen Typs wie dasjenige, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll, Feldtests unterzogen wird und die Balancing-Ladung aufgezeichnet wird.As indicated, this value should be scaled with the age of the cell t ge s. The threshold value can be determined, for example, by subjecting a battery system of the same type as that in which the method according to the invention is to be carried out to field tests and recording the balancing charge.
Da Anomalien der Balancing-Ladung, die eine erhöhte Because anomalies of the balancing charge, which increased
Selbstentladung anzeigen, erwartungsgemäß selten sind, kommt es auch in Betracht, den Schwellenwert durch Aufzeichnung der Balancing-Ladung des Batteriesystems selbst zu ermitteln. Die so für ein bestimmtes Batteriesystem erhaltenen Werte müssen gegebenenfalls durch Abgleich mit anderen Batteriesystemen gleicher Bauart verifiziert werden. Anschließend kann der Mittelwert und die Verteilung der Balancing-Ladung über die einzelnen Zellen berechnet werden. Der Schwellenwert kann bestimmt werden, indem vom Mittelwert ein bestimmtes Display self-discharge, which is expected to be rare, it is also possible to determine the threshold value by recording the balancing charge of the battery system itself. The values thus obtained for a specific battery system may have to be verified by comparison with other battery systems of the same type. The mean value and the distribution of the balancing charge over the individual cells can then be calculated. The threshold can be determined by taking a specific one from the mean
Vielfaches der Verteilungsbreite subtrahiert wird. Multiple of the distribution width is subtracted.
Daneben können in die Definition des Schwellenwerts auch weitere externe Faktoren, die dem Batteriemanagementsystem (BMS) bekannt sind oder aufgrund weiterer Messgrößen In addition, other external factors known to the battery management system (BMS) or based on other measured variables can also be included in the definition of the threshold value
abgeschätzt werden können, einfließen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine natürliche Erhöhung der Selbstentladung infolge von Alterungsprozessen wie z.B. SEI-Aufbau can be estimated. For example, a natural increase in self-discharge due to aging processes such as e.g. SEI construction
berücksichtigt werden, indem der Schwellenwert in Abhängigkeit vom erwarteten Alterungszustand modifiziert wird. Aufgrund der endlichen Eingangsimpedanz der angeschlossenen Messelektronik kann es weiterhin zur Entladung über Kriechströme kommen, was ebenfalls für die Bildung des Schwellenwerts berücksichtigt werden kann . are taken into account by modifying the threshold value depending on the expected state of aging. Due to the finite input impedance of the connected measuring electronics, discharge via leakage currents can still occur, which can also be taken into account for the formation of the threshold value.
Nach Kriterium (b) wird Qges,i / tges,i mit dem Durchschnitt aller Zellen oder aller übrigen Zellen außer Zelle i verglichen. According to criterion (b), Q ge s, i / t tot, i is compared with the average of all cells or all other cells except cell i.
Falls der Wert für Zelle i diesen Durchschnitt um einen vorgegebenen Schwellenwert ÄQ unterschreitet, so kann dies ebenfalls eine überhöhte Selbstentladung anzeigen. Dz) kann beispielsweise aus der Breite oder der Standardabweichung s der Verteilung von Qges,i / tges,i über alle Zellen ermittelt werden. Im Hinblick auf die Vermeidung falsch-positiver If the value for cell i falls below this average by a predetermined threshold value ÄQ, this can also indicate an excessive self-discharge. Dz) can be determined, for example, from the width or the standard deviation s of the distribution of Q tot , i / t ge s, i over all cells. In terms of avoiding false positives
Ergebnisse ist ÄQ in diesem Fall vorzugsweise mindestens 1.5s, stärker bevorzugt mindestens 2s, insbesondere mindestens 3s.The results in this case are preferably at least 1.5 s, more preferably at least 2s, especially at least 3s.
Zur Vermeidung falsch-negativer Ergebnisse ist es weiterhin bevorzugt, dass 5s nicht überschritten wird. Die Bestimmung von ÄQ als Vielfaches der Verteilungsbreite hat den Vorteil, dass sie in situ auf Basis der ermittelten Daten erfolgen kann und keine Referenzdaten erforderlich sind. In order to avoid false-negative results, it is further preferred that 5 s is not exceeded. The determination of AQ as a multiple of the distribution range has the advantage that it can be done in situ on the basis of the determined data and no reference data is required.
Gemäß (c) ist ein weiteres Kriterium die Änderungsrate der Gesamt-Balancing-Ladung, dQges,i/dt. Diese kann erhalten werden durch zeitliche Aufzeichung der bei jedem Balancing in Schritt (2) ermittelten Gesamt-Balancing-Ladungswerte, Qges,i,x, wobei x der Zählindex für die Betätigungen des Balancing-Syste s ist. Durch Anlegen einer analytischen Fit-Kurve (z.B. ein Polynom) und Bilden der zeitlichen Ableitung lässt sich dQges,i/dt bestimmen. Falls die Änderungsrate der Gesamt-Balancing-Ladung mit der Zeit abnimmt, ist dies ebenfalls ein Indiz für eine erhöhte Selbstentladung. Als Kriterium dient wiederum eine Unterschreitung eines Schwellenwerts Q'ref, der aus dem oben beschriebenen Qref wiederum durch Bildung der Ableitung According to (c) a further criterion is the change rate of total balancing charge dQ tot, i / dt. This can be obtained by recording the total balancing charge values, Q ge s, i, x, determined for each balancing in step (2), where x is the counting index for the actuations of the balancing system. By applying an analytical curve fit (such as a polynomial), and forming the time derivative dQ to be saturated, determine i / dt. If the rate of change of the total balancing charge decreases over time, this is also an indication of an increased self-discharge. The criterion again falling below a threshold value serves Q'ref consisting of the above-described Q f re again by the formation of the derivative
ermittelt werden kann. can be determined.
Die Berücksichtigung der Änderungsrate hat den Vorteil, dass statische Effekte, wie z.B. unterschiedlich hohe Messströme aufgrund eines geringfügigen Unterschieds der Eingangsimpedanz der Messelektronik, die ebenfalls zu einer unterschiedlichen Balancing-Ladung führen können, aber zeitlich konstant sind, eliminiert werden können, und nur die Änderung (Zunahme) der Selbstentladung der Zellen berücksichtigt wird. Taking the rate of change into account has the advantage that static effects, e.g. Different high measuring currents due to a slight difference in the input impedance of the measuring electronics, which can also lead to a different balancing charge, but are constant over time, can be eliminated and only the change (increase) in the self-discharge of the cells is taken into account.
Alternativ oder zusätzlich zur Gesamt-Balancing-Ladung kann auch die Balancing-Rate dqi/dt als Kriterium herangezogen werden. Diese kann als Quotient aus der in Schritt (1) As an alternative or in addition to the total balancing load, the balancing rate dqi / dt can also be used as a criterion. This can be calculated as the quotient from the step (1)
ermittelten Ladung und dem Zeitabstand zwischen zwei determined charge and the time interval between two
Betätigungen des Balancing-Systems ermittelt werden. Da die so erhaltenen Einzelwerte typischerweise relativ stark schwanken können, wird zunächst ein Mittelwert berechnet (Kriterium (d) ) . Dieser wird wiederum mit einem Schwellenwert q' ref, ges verglichen, der z.B. auf eine Weise analog zu Qref erhalten werden kann, oder aus Qret durch Bildung der zeitlichen Actuations of the balancing system can be determined. Since the individual values obtained in this way can typically fluctuate relatively strongly, an average is first calculated (criterion (d)). This in turn is compared with a threshold value q 'ref, g es, which is obtained in a manner analogous to Q re f, for example can be, or from Q re t by forming the temporal
Ableitung berechnet wird. Derivative is calculated.
Alternativ zum Gesamt-Mittelwert kann nach Kriterium (e) auch ein gleitender Mittelwert bestimmt werden, beispielsweise als Durchschnitt aus den letzten 2 bis 10 Betätigungen des As an alternative to the overall mean, a moving average can also be determined according to criterion (e), for example as the average of the last 2 to 10 operations of the
Balancing-Systems oder als Durchschnitt der Balancing- Vorgänge, die weniger als ein bestimmtes Zeitintervall, z.B. 1 bis 20 Tage, zurückliegen. Der gleitende Mittelwert wird wiederum mit einem Schwellenwert q'ref verglichen. Balancing systems or as an average of the balancing processes that occurred less than a certain time interval, eg 1 to 20 days. The moving average is again compared to a threshold q ' ref .
Schließlich kann gemäß Kriterium (f) auch der zeitliche Finally, according to criterion (f), the time
Verlauf der Balancing-Rate betrachtet werden, was der zweiten zeitlichen Ableitung der Balancing-Ladung qi entspricht. Eine Abnahme der Balancing-Rate mit der Zeit, die einen The course of the balancing rate can be considered, which corresponds to the second time derivative of the balancing charge qi. A decrease in the balancing rate over time that one
vorbestimmten Schwellenwert q' 'ref unterschreitet, zeigt ebenfalls eine erhöhte Selbstentladung an. falls below a predetermined threshold value q ″ ref also indicates an increased self-discharge.
Implementierung implementation
Die Messung, Aufzeichnung und Auswertung der Daten in den Schritten (1) bis (4) wird, wie beschrieben, vom BMS The measurement, recording and evaluation of the data in steps (1) to (4) is, as described, by the BMS
durchgeführt, wobei die genaue Art der Implementierung und die beteiligten Steuergeräte nicht speziell beschränkt sind. carried out, the exact type of implementation and the control units involved are not particularly limited.
Vorzugsweise können diese Funktionen durch die im These functions can preferably be implemented by the
Batteriesystem ohnehin vorhandenen Steuergeräte wahrgenommen werden . Battery system already existing control units are perceived.
Im einfachsten Fall ist das BMS in einem einzelnen Steuergerät (BCU, Battery Control Unit) implementiert, das die In the simplest case, the BMS is implemented in a single control unit (BCU, Battery Control Unit) that the
Betriebsdaten aller Zellen gleichzeitig oder sequenziell in einem Multiplexverfahren überwacht. Die Zellen können dabei auch gruppenweise zu Modulen verschaltet sein. In diesem Fall werden alle Überwachungs- und Steuerungsfunktionen von der BCU durchgeführt, so dass das erfindungsgemäße Verfahren Operating data of all cells monitored simultaneously or sequentially in a multiplex process. The cells can also be connected in groups to form modules. In this case, all monitoring and control functions are carried out by the BCU, so that the method according to the invention
zweckmäßigerweise ebenfalls in der BCU durchgeführt wird. Alternativ kann für jedes Modul oder für jede Zelle ein eigenes Steuergerät (Zellüberwachungseinheit, cell supervision Circuit, CSC) vorgesehen sein, das die Überwachung der Zellen auf Modulebene übernimmt und die aufgenommenen Daten über ein Kommunikationssystem (z.B. ein CAN-Bus) an die BCU is expediently also carried out in the BCU. Alternatively, a separate control unit (cell monitoring circuit, CSC) can be provided for each module or for each cell, which takes over the monitoring of the cells at the module level and the recorded data via a communication system (for example a CAN bus) to the BCU
übermittelt. Eine solche Anordnung ist in Figur 3 gezeigt. transmitted. Such an arrangement is shown in FIG. 3.
Falls die CSCs im Hinblick auf den zur Verfügung stehenden Speicher und die Rechenkapazität entsprechend ausgestattet sind, können alle Verfahrensschritte (1) bis (4), If the CSCs are appropriately equipped with regard to the available memory and computing capacity, all process steps (1) to (4),
einschließlich der optionalen zeitlichen Aufzeichnung der Daten, auf den CSCs durchgeführt werden, die dann lediglich das Vorliegen bzw. Nicht-Vorliegen von Zellen mit erhöhter Selbstentladung an die BCU übermitteln. Alternativ kann die Berechnung der Ladung (1) und ggf. auch die Akkumulation (2) pro Zelle auf den CSCs durchgeführt werden, und die BCU nimmt die zeitliche Aufzeichnung, die Bildung der Ableitung (3) und die Auswertung (4) vor. In einer weiteren Alternative including the optional chronological recording of the data on which CSCs are carried out, which then only transmit the presence or absence of cells with increased self-discharge to the BCU. Alternatively, the calculation of the charge (1) and possibly also the accumulation (2) per cell can be carried out on the CSCs, and the BCU records the time, forms the derivative (3) and evaluates (4). In another alternative
übermitteln die CSCs lediglich den zeitlichen Verlauf der Spannung während des Balancings an die BCU, auf der dann die eigentlichen Verfahrensschritte (1) bis (4) durchgeführt werden . The CSCs merely transmit the time profile of the voltage during balancing to the BCU, on which the actual process steps (1) to (4) are then carried out.
Falls Zellen mit abnormaler Selbstentladung detektiert werden, so sind je nach Vorgeschichte und/oder Intensität der If cells with abnormal self-discharge are detected, depending on the previous history and / or intensity, the
Abweichung vom erwarteten Wert verschiedene Reaktionen Deviation from the expected value different reactions
möglich. Bei einmaligen oder sporadischen Abweichungen kann lediglich ein Eintrag im Fehlerspeicher der BCU hinterlegt werden, der die Zelle für die Überprüfung bei der nächsten Wartung des Batteriesystems markiert. Bei häufig auftretenden, stärkeren Abweichungen kann die Zelle z.B. zum baldigen possible. In the event of one-off or sporadic deviations, only an entry can be made in the BCU's fault memory, which marks the cell for checking during the next maintenance of the battery system. In the case of frequent deviations, the cell can e.g. for soon
Austausch markiert werden, und das BMS übermittelt eine entsprechende Meldung über einen Kommunikationskanal (z.B. einen CAN-Bus) an das System, in dem das Batteriesystem verbaut ist (z.B. elektrisch betriebenes Fahrzeug). Exchange are marked, and the BMS transmits a corresponding message via a communication channel (e.g. a CAN bus) to the system in which the battery system is installed (e.g. electrically powered vehicle).
Schlimmstenfalls, bei sehr großen Abweichungen vom Sollwert und/oder stetig stärker werdenden Abweichungen, kann das BMS zudem die Zelle oder das Modul, in dem die Zelle verbaut ist, stilllegen, um eine weitere Verschlechterung und die Entstehung eines inneren Kurzschlusses zu verhindern. In the worst case, in the case of very large deviations from the setpoint and / or deviations that become increasingly larger, the BMS can also the cell or the module in which the cell is installed, shut down to prevent further deterioration and internal short circuit.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Detektion abnormaler Selbstentladung in einem Batteriesystem, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung umfasst, 1. A method of detecting abnormal self-discharge in a battery system that includes a plurality of lithium ion cells and a battery management device.
worin die Zellen jeweils einzeln oder gruppenweise mit einer Balancing-Schaltung versehen sind,  in which the cells are individually or in groups provided with a balancing circuit,
und die Batteriemanagement-Einrichtung dafür eingerichtet ist, zu einem vorbestimmten Zeitpunkt bei einer Zelle bzw.  and the battery management device is set up to operate at a predetermined time in a cell or
Zellgruppe, deren Zellspannung gegenüber mindestens einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe erhöht ist, die Balancing- Schaltung zu betätigen, um dieser Zelle bzw. Zellgruppe Ladung zu entnehmen, und optional die entnommene Ladung einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe mit niedrigerer Zellspannung zuzuführen, bis die Zellspannungen angeglichen sind, Cell group, the cell voltage of which is higher than at least one other cell or cell group, actuate the balancing circuit in order to remove charge from this cell or cell group, and optionally supply the removed charge to another cell or cell group with a lower cell voltage until the Cell voltages are equalized,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:  the method comprising the following steps:
(1) Bestimmung der Ladung Qi, die bei einer Betätigung der (1) Determination of the charge Qi that occurs when the
Balancing-Schaltung jeder Zelle bzw. Zellgruppe durch das Balancing entnommen bzw. zugeführt wird (mit i = 1...N, worin N die Anzahl der Zellen bzw. Zellgruppen darstellt),  Balancing circuit of each cell or cell group is removed or supplied by the balancing (with i = 1 ... N, where N represents the number of cells or cell groups),
(2) Bestimmung der Gesamt-Balancing-Ladung Qges,i für jede (2) Determine the total balancing charge Q ge s, i for each
Zelle bzw. Zellgruppe durch Akkumulation der in 1  Cell or cell group by accumulation of the in 1
bestimmten Ladung:  certain cargo:
Qges,i — Sc Qi,x wobei x = l...n die Zählvariable für die x-te Betätigung der Balancing-Schaltung ist und n die Gesamtanzahl der Qges, i - Sc Qi, x where x = l ... n is the count variable for the xth actuation of the balancing circuit and n is the total number of
bisherigen Betätigungen für die jeweilige Zelle bzw.  previous operations for the respective cell or
Zellgruppe i darstellt;  Represents cell group i;
(3) Bestimmung der Balancing-Rate dQi/dt als Quotient der in 1 gemessenen Ladung Qi und dem Zeitintervall At, das seit der vorherigen Betätigung der Balancing-Schaltung (3) Determination of the balancing rate dQi / dt as the quotient of the charge Qi measured in FIG. 1 and the time interval At that has elapsed since the previous actuation of the balancing circuit
vergangen ist; (4) Diagnose einer abnormal hohen Selbstentladung für diehas passed; (4) diagnosis of abnormally high self-discharge for the
Zelle bzw. Zellgruppe i, wenn Qges,i bzw. dQi/dt mindestens eines der nachfolgenden Kriterien erfüllen: Cell or group of cells i, when Q tot, i and dQ i / dt of at least one of the following criteria met:
(a) Qges , i / tgeS, i unterschreitet einen vorbestimmten (a) Qges, i / tge S , i falls below a predetermined value
Schwellenwert Qref/tges, wobei tges,i das Alter der Zelle bzw. der Zellgruppe i darstellt; Threshold Qref / t ge s, where t ges , i represents the age of the cell or cell group i;
(b) Qges , i / tges, i unterschreitet einen über alle Zellen bzw. (b) Qges, i / t ges, falls below a i over all cells or
Zellgruppen oder einen über alle Zellen bzw.  Cell groups or one over all cells or
Zellgruppen außer i gemittelten Wert um einen  Cell groups except i averaged by one
vorbestimmten Schwellenwert AQ;  predetermined threshold AQ;
(c) dQges,i/dt, erhältlich durch zeitliche Aufzeichnung der in (2) bestimmten Werte und Ableitung nach der Zeit, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert Q'ref,· (c) dQ g es, i / dt, obtainable by chronological recording of the values determined in (2) and derivation over time, falls below a predetermined threshold value Q ' r ef,
(d) Der Mittelwert von dqi/dt, erhältlich durch Mittelung über alle in (3) im Laufe der Zeit bestimmten Werte, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q‘ ges, ref } (d) The mean value of dqi / dt, obtainable by averaging over all values determined over time in (3), falls below a predetermined threshold value q 'ges, ref}
(e) Der gleitende Mittelwert von dqi/dt, erhältlich durch Mittelung über diejenigen der in (3) bestimmten Werte, die höchstens ein vorbestimmtes Intervall zurückliegen, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q'ref; (e) The moving average of dqi / dt, obtainable by averaging those of the values determined in (3) that are at most a predetermined interval below, falls below a predetermined threshold q 'ref;
(f) Die Änderung der Balancing-Rate dqi/dt, erhältlich (f) The change in balancing rate dqi / dt, available
durch zeitliche Aufzeichnung der in (3) bestimmten Werte und Ableitung nach der Zeit, unterschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert q' 'ref.  by chronological recording of the values determined in (3) and derivation over time, falls below a predetermined threshold q ″ ref.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Balancing-Schaltung eine passive Balancing-Schaltung ist, die einen Schalter und einen Lastwiderstand Ri umfasst, und die Ladung bestimmt wird als Qi = JUi(ti)/Ri dti, worin Ui(ti) die Zellspannung während der Betätigung der Balancing-Schaltung und ti die 2. The method of claim 1, wherein the balancing circuit is a passive balancing circuit comprising a switch and a load resistor Ri, and the charge is determined as Qi = JUi (ti) / Ri dti, wherein Ui (ti) die Cell voltage while operating the balancing circuit and ti die
Betätigungszeit ist. Actuation time is.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Balancing-Schaltung eine aktive Balancing-Schaltung ist, die eine vorbekannte Ladungsentnahme- bzw. Abgabe-Charakteristik Qentn (Ui (ti) , ti) bzw. Qentn (Uj (tj) , tj) aufweist, worin i für die Zelle bzw. 3. The method according to claim 1, wherein the balancing circuit is an active balancing circuit which has a previously known charge extraction or delivery characteristic Qentn (Ui (ti), ti) or Qentn (U j ( t j) , t j) , where i for the cell or
Zellgruppe steht, der Ladung entnommen wurde, j für diejenige, der Ladung zugeführt wurde, und Ui,j und ti,j die Zellspannung und die Betätigungszeit darstellen. Cell group from which charge was taken, j represents the one to which charge was supplied, and Ui, j and ti, j represent the cell voltage and the actuation time.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die aktive Balancing- Schaltung mindestens eines aus einem Kondensator, einer Spule, einem Transformator und einem Spannungswandler umfasst. 4. The method of claim 3, wherein the active balancing circuit comprises at least one of a capacitor, a coil, a transformer and a voltage converter.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, worin jede Zelle mit einer Balancing-Schaltung versehen ist. 5. The method according to at least one of claims 1 to 4, wherein each cell is provided with a balancing circuit.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, worin sowohl die Gesamt-Balancing-Ladung Qges,i als auch die Balancing-Rate dQi/dt bestimmt werden. 6. The method according to at least one of claims 1 to 5, wherein both the total balancing charge Qges, i and the balancing rate dQi / dt are determined.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die in (2) und/oder (3) bestimmten Werte für Qges,i bzw. dQi/dt zeitliche aufgezeichnet werden. 7. The method according to at least one of claims 1 to 6, wherein the values determined in (2) and / or (3) for Qges, i and dQi / dt are recorded over time.
8. Batteriesystem, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung umfasst, 8. battery system comprising a plurality of lithium ion cells and a battery management device,
worin die Zellen jeweils einzeln oder gruppenweise mit einer Balancing-Schaltung versehen sind,  in which the cells are individually or in groups provided with a balancing circuit,
und die Batteriemanagement-Einrichtung dafür eingerichtet ist, zu einem vorbestimmten Zeitpunkt bei einer Zelle bzw.  and the battery management device is set up to operate at a predetermined time in a cell or
Zellgruppe, deren Zellspannung gegenüber mindestens einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe erhöht ist, die Balancing- Schaltung zu betätigen, um dieser Zelle bzw. Zellgruppe Ladung zu entnehmen, und optional die entnommene Ladung einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe mit niedrigerer Zellspannung zuzuführen, bis die Zellspannungen angeglichen sind, Cell group, the cell voltage of which is higher than at least one other cell or cell group, actuate the balancing circuit in order to remove charge from this cell or cell group, and optionally supply the removed charge to another cell or cell group with a lower cell voltage until the Cell voltages are equalized,
dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemanagement- Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß  characterized in that the battery management device for performing the method according to
mindestens einem der Ansprüche 1-7 konfiguriert ist. at least one of claims 1-7 is configured.
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