EP4580907A1 - Verfahren zur kundenunterstützen batteriekalibrierung einer batterie - Google Patents

Verfahren zur kundenunterstützen batteriekalibrierung einer batterie

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EP4580907A1
EP4580907A1 EP23758545.0A EP23758545A EP4580907A1 EP 4580907 A1 EP4580907 A1 EP 4580907A1 EP 23758545 A EP23758545 A EP 23758545A EP 4580907 A1 EP4580907 A1 EP 4580907A1
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European Patent Office
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battery
driver
state
charge
determination
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Pending
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EP23758545.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Siehr
Johannes Sieg
Adnan Nuhic
Johannes Schmalstieg
Heiko Witzenhausen
Hermann Pfisterer
Frieder Stöhr
Toni Mrkonjic
Judith BÄHR
Tobias ERBES
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L2250/00—Driver interactions
    • B60L2250/16—Driver interactions by display

Definitions

  • batteries based on lithium-ion cells that are installed in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV) or other electric vehicles.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid vehicles
  • PHEV plug-in hybrid vehicles
  • Such batteries include many individual lithium-ion cells, measurement technology for current, voltage and temperature of the cells as well as a battery management system (BMS), which is used, among other things, to determine the condition.
  • BMS battery management system
  • Important cell states include, for example, a state of charge, called state-of-charge (SOC), and a capacity, which represents a typical amount of charge between a full state and a teaching state, i.e. H. between 100% and 0% SOC.
  • SOC state-of-charge
  • the capacity of the LFP-based battery cells is difficult to determine.
  • at least two different SOC states are used as well as the amount of charge that has flowed between these states, stated for example in ampere-hours. This amount of charge can be used to determine whether the battery is full or empty.
  • the SOC cannot be determined over wide SOC ranges via the resting voltage characteristic, the capacity cannot be determined in this way either.
  • the object of the present invention is to create a method which overcomes the disadvantages mentioned above. This should be particularly suitable for lithium-ion cells and enable precise determination of the state of charge (SOC) and capacity. According to the invention, this object is achieved by a method with the features in claim 1 and here in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous refinements and further developments result from the dependent claims.
  • a driver is actively requested, as required, to bring the battery into a state for state-of-charge determination and/or capacity determination if there is no state-of-charge for a certain predefined use of the vehicle -determination and/or no capacity determination was possible.
  • the customer or the driver is therefore actively involved in the method in order to enable a SOC estimate and a capacity estimate in the battery management system.
  • a predefined usage can be, for example, a time, an energy throughput, a distance traveled or something similar. If no SOC determination and/or capacity determination was possible, the battery was not in a suitable condition. As a result, the driver can actively intervene to improve the service life of the battery cells.
  • the term battery also refers to a plurality of batteries or all batteries that are installed in the vehicle.
  • the customer-assisted battery calibration procedure of a battery is suitable for electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles or other electric vehicles.
  • the driver can be informed about what to do via a display, for example in connection with a head unit or an application (app).
  • the driver can preferably be given an indication of a battery calibration process.
  • Such information can include a recommendation as to how the driver can make a SOC determination or a capacity determination possible through active intervention.
  • a notice can contain requests such as “Please (dis)charge your vehicle to x% SOC”.
  • the percentage can be specified individually, for example it can be 20% or 100%. Other values are also conceivable. According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that the driver can agree to the battery calibration process by activating a process, or can reject the battery calibration process by deactivating the process.
  • a targeted calibration process of the battery can be initiated and carried out.
  • a calibration process can, for example, have a controlled charging process and/or a controlled discharging process, as described below.
  • the driver can therefore determine the time at which the respective process is started.
  • a controlled loading or unloading process can be started by the driver.
  • the battery can be specifically brought into advantageous states, which have a positive effect on the service life of the battery.
  • the battery can therefore be operated gently and optimally charged or discharged in terms of performance during operation.
  • a further advantageous embodiment can provide that the controlled charging or discharging process includes unidirectional or bidirectional charging.
  • Other charging options or consumption options are also conceivable.
  • the battery is specifically brought into state-of-charge areas that enable and/or improve a state-of-charge determination and/or a capacity determination.
  • the driver can also be suggested to use the battery, which is designed to be both battery-friendly in terms of service life and optimal in terms of operation.
  • a further advantageous embodiment can provide for an advantageous charging current and/or a reduction or increase in the charging current in advantageous state-of-charge ranges. This can also optimize the lifespan and operation of the battery.
  • determined values of the state-of-charge determination and/or the capacity determination are sent to the driver are displayed. This can be done via a display in the vehicle and/or using an app on a smartphone.
  • the method therefore allows the driver to specifically influence the calibration status of the battery.
  • the method can also be used to determine a residual value of the battery, which is, for example, directly dependent on a remaining capacity, using a targeted process at a given time and, for example, to display it at will.
  • Fig. 1 shows a possible embodiment of the method
  • Fig. 2 shows another possible embodiment of the method.
  • step 2 may determine that the battery's SOC is poorly calibrated. This can be displayed to the driver, for example on a display in the vehicle, on a smartphone or other mobile device.
  • the driver can be given a message to specifically set a specific SOC. This can be done by a request such as “Please charge the vehicle to 30% SOC”. Any percentage can be specified here.
  • An indication can also be given that the vehicle should be discharged to a certain SOC. For example, a note can read: “Please fully charge the battery and leave the vehicle parked for 2 hours”.
  • Another battery calibration recommendation may display a notice or prompt such as “Please keep vehicle below 30% SOC and above 10°C turn off. Connect charging cable and activate battery calibration. The charging time is extended by 3 hours”. These are just examples, with any time and temperature possible.
  • the battery SOC can be recalibrated. This can also be displayed to the driver accordingly.
  • step 5 the driver can be shown that the battery capacity is poorly calibrated. This can also be done via a display, as described above.
  • step 6 a request can be made to the driver to specifically set a specific SOC and allow calibration.
  • step 7 a charging procedure or discharging procedure can specifically control states in order to calibrate the capacity.
  • the battery calibration can therefore be controlled through active intervention by the customer or the driver.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrer nach Bedarf aktiv aufgefordert wird, die Batterie in einen Zustand zur State-of-Charge-Bestimmung und/oder zur Kapazitätsbestimmung zu bringen, wenn für eine gewisse vordefinierte Nutzung des Fahrzeugs keine State-of-Charge-Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war.

Description

Mercedes-Benz Group AG
Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie von Elektro- oder Hybridfahrzeugen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Prinzipiell sind Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie aus dem Stand der Technik bekannt. Im Bereich der Automobilindustrie sind diese für Batterien auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen interessant, die in Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV) oder anderen Elektrofahrzeugen verbaut sind. Derartige Batterien umfassen viele einzelne Lithium- Ionen Zellen, Messtechnik für Strom, Spannung und Temperatur der Zellen sowie ein Batteriemanagementsystem (BMS), welches unter anderem der Zustandsbestimmung dient. Die Zustandsbestimmung dient der Überwachung von Zellzuständen. Wichtige Zellzustände sind beispielsweise ein Ladezustand, State-of-Charge (SOC) genannt, sowie eine Kapazität, welche eine typische Ladungsmenge zwischen einem Vollzustand und einem Lehrzustand, d. h. zwischen 100 % und 0 % SOC, darstellt.
Für die Ermittlung einer Reichweitenprognose sowie einer Ladeleistungsfreigabe ist eine genaue Bestimmung dieser Zustände unumgänglich. Daher führen ungenau bestimmte SOC-Werte sowie Kapazitätswerte zu ungenauen Reichweitenprognosen und gegebenenfalls falschen Ladeleistungsfreigaben. Eine fälschlich ermittelte zu geringe Ladeleistung bewirkt eine fälschlich ermittelte zu lange Ladezeit für den Kunden bzw. Fahrer. Ebenso kann eine fälschlich ermittelte zu hohe Ladeleistung die Batteriezellen irreversibel schädigen. Die Begriffe Kunde und Fahrer können hier synonym verwendet werden. Für Lithiumeisenphosphat-basierte Batteriezellen (LFP-basierte Batteriezellen) ist in dem Batteriemanagementsystem die Bestimmung des SOC in Ruhe, d. h. im Stillstand des Fahrzeugs, schwieriger als beispielsweise für Nickel-Mangan-Kobalt-oxid-basierte Batteriezellen (NMC-basierte Batteriezellen). Dies liegt unter anderem an der über einen großen SOC-Bereich flacheren Form der Ruhespannungskennlinie (OCV-Kennlinie). Als Resultat kann nicht in allen Zuständen über eben diese Kennlinie eine gemessene Ruhespannung in einen SOC umgerechnet werden. Zusätzlich wird die Umrechnung durch übliche Effekte, wie eine Temperaturabhängigkeit (Entropie) und eine Hysterese der Ruhespannungskennlinie erschwert.
In der Folge kann auch die Kapazität der LFP-basierten Batteriezellen nur schwer bestimmt werden. Bekannterweise nutzt man, um die Kapazität zu bestimmen, mindestens zwei unterschiedliche SOC-Zustände sowie die zwischen diesen Zuständen geflossene Ladungsmenge, angegeben beispielsweise in Amperestunden. Über diese Ladungsmenge kann auf einen Vollzustand bzw. einen Leerzustand der Batterie rückgeschlossen werden. Da jedoch der SOC über weite SOC-Bereiche nicht über die Ruhespannungskennlinie bestimmbar ist, kann folglich auch die Kapazität nicht derart bestimmt werden.
Im Stand der Technik existieren daher unterschiedliche Herangehensweisen. Beispielsweise wird einem Kunden bzw. Fahrer empfohlen, LFP-basierte Batterien regelmäßig einmal pro Woche voll aufzuladen. Dies kann womöglich die Problematik der SOC-Bestimmung in Ruhe lösen, jedoch nicht das Problem der Kapazitätsbestimmung, da der zweite SOC-Wert nicht ermittelt wird. Weitere Methoden sind bekannt, wobei eine Filtermethode, beispielsweise ein Sigma-Punkt-Kalman-Filter oder ein Partikelfilter, verwendet werden, um den SOC und weitere Zustände mithilfe von Modellen abzuschätzen. Daraus resultiert jedoch ein hoher Rechenbedarf, verbunden mit einem hohen Daten- und Validierungsaufwand.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zu schaffen, welches die zuvor genannten Nachteile überwindet. Diese soll sich insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen eignen und eine genaue Ermittlung des Ladezustands (SOC) sowie der Kapazität ermöglichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Im Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Fahrer nach Bedarf aktiv aufgefordert, die Batterie in einen für einen Zustand zur State-of-Charge-Bestimmung und/oder zur Kapazitätsbestimmung zu bringen, wenn für eine gewisse vordefinierte Nutzung des Fahrzeugs keine State-of-Charge-Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war. Erfindungsgemäß wird der Kunde bzw. der Fahrer daher aktiv in das Verfahren einbezogen, um eine SOC-Abschätzung sowie eine Kapazitätsabschätzung im Batteriemanagementsystem zu ermöglichen. Eine vordefinierte Nutzung kann beispielsweise eine Zeit, ein Energiedurchsatz, eine zurückgelegte Fahrstrecke oder Ähnliches sein. Wenn keine SOC-Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war, befand sich die Batterie nicht in einem dafür geeigneten Zustand. Folglich kann der Fahrer durch aktives Eingreifen die Lebensdauer der Batteriezellen verbessern. Mit der Bezeichnung Batterie sind auch eine Mehrzahl an Batterien bzw. alle Batterien zu verstehen, die in dem Fahrzeug verbaut sind.
Das Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie ist für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge oder andere Elektrofahrzeuge geeignet. Über ein Display, beispielsweise in Zusammenhang mit einer Headunit oder eine Applikation (App), kann der Fahrer darauf hingewiesen werden, was zu tun ist.
Bevorzugt kann dem Fahrer ein Hinweis auf einen Batteriekalibrierungs-Vorgang gegeben werden. Derartige Hinweise können eine Empfehlung beinhalten, wie der Fahrer eine SOC-Bestimmung bzw. eine Kapazitätsbestimmung durch aktives Eingreifen möglich machen kann. So kann der Fahrer bzw. ein anderer Insasse des Fahrzeugs, nach Bedarf aufgefordert werden, die Batterie aktiv in einen für die SOC-Bestimmung geeigneten Zustand zu bringen. Ein Hinweis kann Aufforderungen halten wie beispielsweise „Bitte (ent-)laden Sie Ihr Fahrzeug auf x % SOC“. Die Prozentgabe kann individuell angegeben werden, beispielsweise kann diese bei 20 % oder auch bei 100 % liegen. Andere Werte sind ebenso denkbar. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Fahrer durch Aktivierung eines Vorgangs dem Batteriekalibrierungs-Vorgang zustimmen, oder durch Deaktivierung des Vorgangs den Batteriekalibrierungs-Vorgang ablehnen kann. Abhängig von der Entscheidung des Fahrers kann daher ein gezielter Kalibrierungsvorgang der Batterie eingeleitet werden und ablaufen. Ein derartiger Kalibrierungsvorgang kann beispielsweise einen gesteuerten Ladevorgang und/oder gesteuerten Entladevorgang aufweisen, wie nachfolgend beschrieben. Der Fahrer kann daher den Zeitpunkt festlegen, an dem der jeweilige Vorgang gestartet wird.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein gesteuerter Lade- oder Entladevorgang vom Fahrer gestartet werden kann. In einem derartigen Lade- oder Entladevorgang kann die Batterie gezielt in vorteilhafte Zustände gebracht werden, welche sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirken. Die Batterie kann daher schonend betrieben werden, und optimal im Hinblick auf eine Leistung im Betrieb geladen bzw. entladen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass der gesteuerter Ladeoder Entladevorgang ein unidirektionales oder bidirektionales Laden umfasst. Andere Lademöglichkeiten bzw. Verbrauchsmöglichkeiten sind ebenso denkbar.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Batterie gezielt in State-of-Charge-Bereiche gebracht wird, die eine State-of-Charge- Bestimmung und/oder eine Kapazitätsbestimmung ermöglichen und/oder verbessern. Dabei kann dem Fahrer beispielsweise auch eine Nutzung der Batterie vorgeschlagen werden, die sowohl batterieschonend im Hinblick auf die Lebensdauer als auch optimal im Hinblick auf den Betrieb ausgelegt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass ein vorteilhafter Ladestrom und/oder eine Verringerung oder Erhöhung des Ladestroms in vorteilhafte State-of-Charge-Bereiche erfolgt. Auch dadurch kann die Lebensdauer sowie der Betrieb der Batterie optimiert werden.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ermittelte Werte der State-of-Charge-Bestimmung und/oder der Kapazitätsbestimmung dem Fahrer angezeigt werden. Dies kann über ein Display im Fahrzeug und/oder mithilfe einer App auf einem Smartphone erfolgen.
Insgesamt ist es daher vorteilhaft möglich, den Fahrer bzw. einen anderen Insassen des Fahrzeugs gezielt und nach Bedarf zu motivieren, eine zum stabilen und optimalen Betrieb der Batterie nötige Benutzung sicherzustellen. Mit der vorgeschlagenen verbesserten SOC-Bestimmung sowie Kapazitätsbestimmung kann eine verbesserte Reichweitenprognose und/oder eine verbesserte Ladeleistungsfreigabe ermöglicht werden. Dadurch kann die Batterielebensdauer positiv beeinflusst werden. Das Verfahren erlaubt dem Fahrer daher eine gezielte Beeinflussung des Kalibrierzustands der Batterie. Das Verfahren kann ebenso dazu genutzt werden, einen Restwert der Batterie, welcher beispielsweise direkt abhängig von einer Restkapazität ist, mit einem gezielten Vorgang zu einem gegebenen Zeitpunkt zu ermitteln und beispielsweise beliebig anzuzeigen.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens;
Fig. 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des Verfahrens.
In der Darstellung der Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens 1 schematisch dargestellt. In Schritt 2 kann beispielsweise festgestellt werden, dass der SOC der Batterie schlecht kalibriert ist. Dies kann dem Fahrer angezeigt werden, beispielsweise auf einem Display im Fahrzeug, auf einem Smartphone oder einer anderen mobilen Einheit. In Schritt 3 kann dem Fahrer ein Hinweis dazu gegeben werden, einen bestimmten SOC gezielt einzustellen. Dies kann durch eine Aufforderung, wie beispielsweise „Bitte laden Sie das Fahrzeug auf 30 % SOC“ erfolgen. Hierbei kann jede beliebige Prozentangabe angegeben werden. Ebenso kann ein Hinweis darauf gegeben werden, das Fahrzeug auf einen gewissen SOC zu entladen. So kann ein Hinweis beispielsweise auch lauten: „Bitte Batterie voll Laden und Fahrzeug 2 Stunden stehen lassen“. In einer weiteren Empfehlung zur Batteriekalibrierung kann ein Hinweis bzw. eine Aufforderung angezeigt werden, wie „Bitte Fahrzeug unter 30 % SOC und über 10 °C abstellen. Ladekabel anschließen sowie Batteriekalibrierung aktivieren. Die Ladezeit verlängert sich um 3 Stunden“. Dies sind lediglich Beispiele, wobei jede mögliche Zeitangabe sowie Temperaturangabe möglich ist. In Schritt 4 kann der SOC der Batterie neu kalibriert werden. Auch dies kann dem Fahrer entsprechend angezeigt werden.
Eine weitere Ausführungsvariante des Verfahrens 1 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Hier kann in Schritt 5 beispielsweise dem Fahrer angezeigt werden, dass die Kapazität der Batterie schlecht kalibriert ist. Auch dies kann über ein Display erfolgen, wie weiter oben beschrieben. In Schritt 6 kann eine Aufforderung an den Fahrer abgegeben werden, einen bestimmten SOC gezielt einzustellen und eine Kalibrierung zu erlauben. In Schritt 7 kann eine Ladeprozedur bzw. Entladeprozedur gezielt Zustände ansteuern, um die Kapazität zu kalibrieren.
Mit den beschriebenen Verfahren 1 kann daher die Batteriekalibrierung durch aktives Eingreifen des Kunden bzw. des Fahrers gesteuert werden.
Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Ausführungsvarianten des Verfahrens 1 in den Figuren 1 und 2 auch untereinander kombinieren, sodass verschiedene Möglichkeiten entstehen. So kann beispielsweise in lediglich einem Schritt ein Ladezustand sowie eine Kapazität bewertet werden.

Claims

Mercedes-Benz Group AG Patentansprüche
1. Verfahren (1) zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass dass ein Fahrer nach Bedarf aktiv aufgefordert wird, die Batterie in einen Zustand zur State-of-Charge-Bestimmung und/oder zur Kapazitätsbestimmung zu bringen, wenn für eine gewisse vordefinierte Nutzung des Fahrzeugs keine State-of-Charge- Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fahrer ein Hinweis auf einen Batteriekalibrierungs-Vorgang gegeben wird.
3. Verfahren (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrer durch Aktivierung eines Vorgangs dem Batteriekalibrierungs-Vorgang zustimmen oder durch Deaktivierung des Vorgangs den Batteriekalibrierungs- Vorgang ablehnen kann.
4. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesteuerter Lade- oder Entladevorgang vom Fahrer gestartet werden kann.
5. Verfahren (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Lade- oder Entladevorgang ein unidirektionales oder bidirektionales Laden umfasst. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie gezielt in State-of-Charge-Bereiche gebracht wird, die eine State-of- Charge-Bestimmung und/oder eine Kapazitätsbestimmung ermöglichen und/oder verbessern. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorteilhafter Ladestrom und/oder eine Verringerung oder Erhöhung des Ladestroms in vorteilhafte State-of-Charge-Bereiche erfolgt. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Werte der State-of-Charge-Bestimmung und/oder der Kapazitätsbestimmung dem Fahrer angezeigt werden.
EP23758545.0A 2022-09-01 2023-08-16 Verfahren zur kundenunterstützen batteriekalibrierung einer batterie Pending EP4580907A1 (de)

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