WO2015106974A1 - Verfahren zum überwachen einer batterie - Google Patents

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a battery in a vehicle, which comprises a plurality of battery cells.
  • the invention also relates to a computer program, a battery system and a vehicle, which are set up to carry out the method.
  • Electronic control units are used in the automotive environment today in increasing numbers, for example for the engine control, the anti-lock braking system (ABS) or the airbag.
  • ABS anti-lock braking system
  • the battery management system comprises a control unit with software for monitoring and controlling the battery functionality.
  • EP 2 503 665 A1 describes a supply voltage system with an electrical store. During operation of the electrical memory, it is charged or discharged, the course of a cell voltage following a charging or discharging curve.
  • Typical battery management systems ensure a safe and reliable
  • DE 10 2009 036 083 A1 describes a method for controlling operating states of a battery on the basis of a rating, the rating being determined with the aid of
  • DE 10 2008 041 103 A1 discloses a detection device for determining a state of charge of an electrical accumulator in the motor vehicle
  • the state of charge is determined on the basis of a characteristic which describes an electrical charge of memory cells as a function of the single-cell voltage.
  • the characteristic curve for determining the charge of the battery is stored in a data memory.
  • Battery modules includes. Furthermore, the battery system comprises integrated circuits, which among other things perform a diagnosis of the cells of the battery modules. Furthermore, the battery system includes a nonvolatile memory in which data concerning the
  • Usage behavior of the battery modules including the maximum voltage or the maximum current of battery modules and a history of the battery modules are stored. Furthermore, such stored usage information may describe the extent of use in which certain standards have been exceeded. Also, the maximum and the minimum terminal voltage can be stored. In addition, the maximum load current and the maximum charging current can continue to be stored.
  • a method for monitoring a battery in a vehicle comprising a plurality of battery cells or a plurality of groups of battery cells.
  • the method comprises the following steps: a) detecting a time profile of an operating parameter of at least one individual battery cell during a driving cycle, b) determining charging processes and discharging operations in the detected time profile of the operating parameter, c) determining a set of usage parameters, for the individual charging processes and Discharge operations includes characteristic functions and their functional parameters by means of which the determined charging and discharging operations can be reconstructed, and d) storing the determined set of usage parameters in a non-volatile memory unit.
  • the set of usage parameters is selected such that a memory requirement for the set of
  • a driving cycle refers to a period of time between starting the vehicle from a rest state and then re-transferring the vehicle to the idle state. An idle state is reached when the battery is not charged or discharged for an electric drive of the vehicle.
  • the driving cycle may include operating phases of the vehicle having charging and discharging operations of the battery.
  • the set of usage parameters may be determined during or at the end of the ride cycle. In this case, the time profile of the operating parameter in a volatile
  • the vehicle may be designed as a pure electric vehicle and comprise only an electric drive system.
  • the vehicle may be configured as a hybrid vehicle including an electric drive system and an internal combustion engine.
  • the battery of the hybrid vehicle internally via a generator with
  • Hybrid vehicles Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV
  • PHEV Hybrid Electric Vehicle
  • the driving cycle comprises a driving operation and / or a charging operation as operating phases in which operating parameters are detected.
  • sensor units can as
  • Such sensor units a voltage, a current, a resistance, a power, a temperature or other the
  • Capture battery modules In particular, the voltage is detected to determine charging processes and discharging processes.
  • the voltage can be the voltage of individual
  • Battery cells d. H. the cell voltage, or the voltage of individual battery modules, d. H. the module voltage, affect.
  • Sensor units single battery cells or individual battery modules continuously and provide the corresponding data to a controller on which a
  • Battery management system is realized.
  • data can be exchanged between the sensor units and the control unit via a bus, for example via a SPI bus (Serial Peripheral Interface Bus) or a CAN bus (Controller Area Network Bus).
  • SPI bus Serial Peripheral Interface Bus
  • CAN bus Controller Area Network Bus
  • the Battery management system to be transmitted.
  • the acquired operating parameters are stored in particular in a volatile memory unit, such as a random access memory (RAM).
  • RAM random access memory
  • the defined time interval or the defined sampling rate can be applied to the frequency of
  • Adjusted changes in the operating parameter, with a lower limit is given by the data transfer rate of the bus between the sensor units and the control unit.
  • Characteristic functions denote those linear or non-linear functions which approximate the course of the loading and unloading operations.
  • Function parameters of the characteristic functions can thus be adapted in such a way that the characteristic functions essentially correspond to the chronological course of individual charging processes and discharging processes. Essentially, this designates deviations of the characteristic function from the actually recorded time course of individual charging processes and discharging processes, which are within the scope of the uncertainties of a functional adaptation or of a fit.
  • one or more characteristic functions are predetermined.
  • the predetermined characteristic functions can be adapted with the aid of the function parameters to the temporal course of individual loading operations and unloading operations, and the characteristic function with the functional parameters can be selected which has the least deviations from the actually recorded chronological course of a single charging or discharging process , It is therefore selected for individual charging and discharging the characteristic function with function parameters that the actually recorded time course of the individual charging process or
  • the characteristic functions include polynomials up to a sixth order, preferably up to a fourth order, and more preferably up to a third order.
  • the characteristic functions can be a constant, a linear, a quadratic, a cubic, a quartic or
  • the constants a, b, ci, c 2 , di, d 2 , ei and e 2 are positive real numbers and thus denote the functional parameters stored as usage parameters with that characteristic function that the unloading or charging compared to others characteristic functions with least deviations, that is, best approximated.
  • the number of characteristic functions which are predetermined and stored in particular in the non-volatile memory unit is based on previously recorded time profiles, for example from previous ones
  • Charging or discharging is adjusted, compared to others
  • characteristic functions adapted to charging or discharging operations. If the deviation is always worse for one of the characteristic functions than for others, it is not used, and can thus be deleted from the non-volatile memory unit.
  • the loading and unloading processes can be determined with the help of a slope profile in the time course of the operating parameter. Thus, a charging is given if the time course of the operating parameter, in particular the voltage, a positive
  • Operating parameters in particular the voltage, has a negative slope.
  • the extreme points in the course of time of the operating parameter in particular the voltage, can be determined. Based on the extreme points, a starting point, an end point and / or a duration of the loading and unloading operations can be determined.
  • the usage parameters additionally include
  • Unloading operations can be reconstructed.
  • the set of usage parameters comprises the predetermined characteristic function, function parameters of the characteristic function, the determined extreme points of individual loading operations or unloading operations and optionally values of such
  • the set of usage parameters consists exclusively of the predetermined
  • characteristic function functional parameters of the characteristic function, the determined extreme points of individual charging processes or discharging processes and
  • the set of usage parameters is for each
  • a temporal course of the operating parameter, in particular the Tension reconstructed.
  • the reconstruction can be done after a drive cycle and / or at the end of the life of the battery.
  • the reconstructed course of the operating parameter is evaluated in relation to a usage behavior.
  • a misuse of the battery can be determined.
  • defects of individual battery cells or individual battery modules can be determined.
  • a computer program is also proposed according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device.
  • the computer program can be, for example, a software module, a software routine or a software subroutine for implementing a battery management system on a control unit of a vehicle.
  • the computer program can open
  • a machine-readable storage medium such as on a permanent or rewritable storage medium or in association with a
  • Computer device for example on a portable storage such as a CD-ROM, a DVD, a Blu-ray Disc, a USB stick or a memory card.
  • the computer program may be provided for download on a computing device, such as on a server or a cloud server, for example, via a data networking tool such as the Internet or a web server
  • Communication connection such as a telephone line or a wireless connection.
  • the invention also proposes a battery system for monitoring a battery of a vehicle having a plurality of battery cells, the battery having a plurality
  • Battery cells or more groups of battery cells includes.
  • the battery system comprises the following components: a. a sensor unit for detecting a time profile of an operating parameter of at least one individual battery cell during a driving cycle, b. a unit for determining charging processes and discharging operations in the recorded time profile of the operating parameter, c. a unit for determining a set of usage parameters, the functions characteristic of the individual loads and unloads, and their functions
  • Function parameter includes, with the help of which the detected charging processes and
  • Unloading operations can be reconstructed, and d.
  • a non-volatile storage unit for storing the determined set of
  • the battery system is designed and / or set up to carry out the methods described herein. Accordingly, features described in the context of the method correspondingly apply to the battery system, and vice versa, the features described in the context of the battery system accordingly for the method.
  • the battery of the battery system may be configured as a lithium-ion battery or nickel-metal hybrid battery. Furthermore, the battery system with a
  • Powertrain of a vehicle be connectable.
  • the components of the battery system are to be seen as functional units that are not necessarily physically separated from each other. So can several
  • Components of the battery system may be implemented in a single physical unit, such as when multiple functions are implemented in software on a controller.
  • the functions of the components can also be implemented in hardware, for example by sensor units or memory units.
  • the components b are preferred.
  • c. of the battery system implemented as software in the battery management system on a controller.
  • the storage unit for storing the usage data may be non-volatile
  • Memory unit for example, an EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) of the controller.
  • the detected time profile is preferably stored in a volatile memory unit, for example a RAM (Random Access Memory) of the control unit.
  • a vehicle with the battery system described herein is also proposed.
  • the vehicle is an electrically driven vehicle, such as a hybrid vehicle or an electric vehicle, at least partially by electrical energy a battery with multiple battery cells is driven.
  • the battery system is connected in particular to the drive system of the vehicle.
  • the invention makes it possible to efficiently store the usage parameters of the battery over its lifetime, since the storage requirement in the non-volatile memory is kept low. By storing characteristic behavior of the battery with the help of the usage parameters instead of complete time histories can be achieved with limited
  • Figure 1 is an at least partially electrically powered vehicle with a
  • FIG. 2 shows an exemplary time profile of a cell voltage during a
  • FIG. 4 shows an exemplary time profile of a cell voltage during a
  • FIG. 5A illustrates an exemplary set of characteristic functions stored in a non-volatile memory device and an exemplary extension of the set of characteristic functions.
  • the same or similar components are denoted by the same or similar reference numerals, wherein in individual cases a repeated description of these components is dispensed with.
  • the figures illustrate the subject matter of the invention only schematically. Embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows an at least partially electrically driven vehicle 10 with a battery system 12.
  • the vehicle 10 of FIG. 1 can be designed as a purely electrically driven vehicle or as a hybrid vehicle which additionally has an internal combustion engine.
  • the vehicle 10 is equipped with an electric drive system 14, which is the
  • the electrical energy is provided by the battery system 12, which includes a battery 16 and a battery management system 18.
  • the battery 16 comprises a plurality of battery cells 19 or accumulator cells, for example lithium-ion cells with a voltage range from 2.8 to 4.2 volts.
  • the battery cells 19 are combined in groups to battery modules 20.
  • cell monitoring units 22 or module monitoring units 23 the operating parameters, such as a voltage, a current or a temperature, individual battery cells 19 or individual
  • the operating parameters may be transmitted via a bus 24, such as a Serial Peripheral Interface (SPI) bus or a Controller Area Network Bus (CAN), from the cell monitoring units 22 or
  • a bus 24 such as a Serial Peripheral Interface (SPI) bus or a Controller Area Network Bus (CAN)
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • CAN Controller Area Network Bus
  • Module monitoring units 23 are transmitted to the battery management system 18.
  • the operating parameters are continuously set at a defined sampling rate of the
  • the battery management system 18 implements functions for controlling and monitoring the battery 16.
  • the battery management system 18 includes a unit 26 for
  • the operating parameter receiving unit 26 has a volatile memory such as a RAM in which the detected operation parameters are temporarily stored for different times.
  • the operating parameters detected and received continuously at different times form the time profile 38 of the operating parameter, which is provided to a unit 28 for determining charging processes and discharging processes.
  • the determined charging and discharging operations are further a unit 30 for
  • the sentence of Usage parameter includes for each loading and unloading operations
  • FIG. 2 shows an exemplary time profile 38 of a cell voltage U during a driving cycle FZ, which is divided into charging processes and discharging processes.
  • FIG. 2 plots the time curve 38 of the cell voltage U in volts (V) versus time t in minutes (min) for a lithium-ion cell as battery cell 19.
  • the time course 38 of the cell voltage U fluctuates between about 2.5 and 4.5 V.
  • the cell voltage U decreases in a first time interval E1 and increases in a subsequent second time interval L2. This is repeated in a third time interval E3 in which the cell voltage U decreases.
  • the cell voltage U increases again.
  • the driving cycle FZ is thus divided into different time intervals E1, L2, E3, L4, which respectively characterize a driving operation or a charging operation and thus a discharging process in the corresponding time interval E1, E3 or a charging process in the corresponding time interval L2, L4.
  • extreme points 40 are indicated, which limit the individual time intervals E1, L2, E3, L4.
  • the extreme point 40 denotes the point in which the time profile 38 of the cell voltage U changes the sign of its slope. Accordingly, in the time profile 38 of the cell voltage U shown as an example, five extreme points 40 result for the illustrated driving cycle FZ.
  • These extreme points 40 thus characterize the transition from a discharging process to a charging process or from a discharging process to a charging process and limit the individual time intervals E1. L2, E3, L4.
  • the straight lines 44 which connect the extreme points 40, thus characterize the nature of the process, depending on the slope of the time course 38 between the
  • Extreme points 40 can continue to determine the duration, the starting point and the end point of the discharging and loading operations.
  • the extreme points 40 are stored as usage parameters.
  • Figures 3A, 3B and 3C show example characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximating a discharge operation.
  • characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 for unloading As shown for example in the interval E3 for the time course 38 of the cell voltage U in FIG. 2, the cell voltage U decreases less rapidly in higher voltage ranges than in lower voltage ranges.
  • FIG. 3B A further possibility for approximating the discharge process, as shown in the interval E3 for the time curve 38 of the cell voltage U in FIG. 2, is shown in FIG. 3B.
  • the cubic function 48 has a negative slope.
  • FIG. 3C shows a quadratic function 50 with negative slope as a characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • a quadratic function 50 with negative slope as a characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • f (x) 0.01 ⁇ (1 1 -x) 2 + 2.8.
  • the characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 shown in FIGS. 3A, 3B and 3C are merely exemplary functions for approximating the time profile 38 of the discharge process. Depending on the actually acquired temporal profile 38, different polynomials with different functional parameters can be considered as a characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • the charging process can also be approximated by means of polynomials as a characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62. These show, for example, from the time course 38 in the intervals L2 and L4 of Figure 2 shows a positive slope.
  • Characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 for the load may also follow a polynomial, such as a quadratic or cubic function 56, 62, with positive slope.
  • FIG. 4 shows an exemplary time profile 38 of a cell voltage U during a driving cycle FZ, which is divided into charging processes and discharging processes and is approximated by characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • the characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 for the individual intervals E1, L2, E3 and L4 are additionally shown.
  • the interval E1 there is an unloading process, which is approximated by the quadratic function 50 shown in FIG. 3C with adapted function parameters as a characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • the charging process is approximated by the linear function 52 with adjusted function parameters as the characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • Discharge operation in the interval E4 is approximated by the cubic function 48 shown in FIG. 3B with adapted function parameters as the characteristic function 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • FIGS. 5A and 5B schematically illustrate an exemplary set of characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 deposited in a non-volatile memory unit 32 and an exemplary extension of the set of characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
  • characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 are stored in the non-volatile memory unit 32, a linear function 54 with negative slope for discharging, a quadratic functions 50 with negative slope for discharges, a negative slope cubic functions 48 for discharges, a positive slope linear function 52 for charging, and a positive slope square function 56 for charging. If during the lifetime of the battery 16 it is found that other characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 better approximate the charging processes and discharging processes, for example due to aging or usage, further characteristic functions 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 deposited in the non-volatile memory unit 32.
  • three additional characteristic functions are stored, for example by means of a software update. These are another cubic function 58 with negative slope for approximating the discharge process, another cubic function 60 for

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie (16) in einem Fahrzeug (10), wobei die Batterie (16) mehrere Batteriezellen (19) oder mehrere Gruppen (20) von Batteriezellen (19) umfasst, mit folgenden Schritten: a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufes eines Betriebsparameters wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (19) während eines Fahrzyklusses, b) Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen im erfassten zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, c) Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern, der für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge charakteristische Funktionen und deren Funktionsparameter umfasst, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge rekonstruiert werden können, und d) Speichern des ermittelten Satzes von Nutzungsparametern in einer nicht-flüchtigen Speichereinheit (32). Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm, ein Batteriesystem (12), die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet sind, sowie ein Fahrzeug (10) mit einem derartigen Batteriesystem (12).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Überwachen einer Batterie
Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie in einem Fahrzeug, die mehrere Batteriezellen umfasst. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm, ein Batteriesystem und ein Fahrzeug, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind. Elektronische Steuergeräte werden im automobilen Umfeld heutzutage in zunehmender Zahl eingesetzt, beispielsweise für die Motorsteuerung, das Antiblockiersystem (ABS) oder den Airbag. Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist die Entwicklung von Batterien, die mehrere Batteriezellen zusammengefasst in Batteriemodulen umfassen, und des zugehörigen Batteriemanagementsystems notwendig. Dabei umfasst das Batteriemanagementsystem ein Steuergerät mit Software zur Überwachung und Steuerung der Batteriefunktionalität.
Abhängig von den Anforderungen oder von vorhandenen Bauräumen sind die Topologien der Batterie bezogen auf die Anzahl von Batteriezellen, Batteriemodulen und Sensoren sehr vielfältig. In EP 2 503 665 A1 ist beispielsweise ein Versorgungsspannungssystem mit einem elektrischen Speicher beschrieben. Im Betrieb des elektrischen Speichers wird dieser geladen bzw. entladen, wobei der Verlauf einer Zellspannung einer Lade- bzw. Entladekurve folgt.
Typische Batteriemanagementsysteme gewährleisten eine sichere und zuverlässige
Funktion der Batterie. Sie überwachen und steuern Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstände und andere Betriebsparameter, die den Zustand der Batteriezellen, der Batteriemodule und damit der Batterie charakterisieren. Mit Hilfe der Betriebsparameter lassen sich Managementfunktionen realisieren, die die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit der Batterie steigern. DE 10 2009 036 083 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung von Betriebszuständen einer Batterie auf Grundlage einer Bewertung, wobei die Bewertung mit Hilfe von
Approximationsfunktionen gewonnen wird. Dabei besteht die Bewertung aus
Alterungskurven, die durch Messung erster Betriebszustände gewonnen wurden. Durch Interpolation zwischen diesen Messwerten werden dann Bewertungen für zweite
Betriebszustände gewonnen. Die Approximationsfunktionen sind Funktionen der
Betriebszustandsgrößen und weiteren Parametern, wobei die Parameterwerte in einem Speicher gespeichert werden. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, Daten in einem
Batteriesystem zu speichern. In DE 10 2008 041 103 A1 ist eine Erfassungsvorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Speichers im Kraftfahrzeug
beschrieben. Dabei wird der Ladezustand anhand einer Kennlinie bestimmt, die eine elektrische Beladung von Speicherzellen in Abhängigkeit der Einzelzellenspannung beschreibt. Die Kennlinie zum Ermitteln der Beladung der Batterie ist in einem Datenspeicher gespeichert.
Aus EP 2 485 293 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das mehrere Batteriezellen in
Batteriemodulen umfasst. Weiterhin umfasst das Batteriesystem integrierte Schaltungen, die unter anderem eine Diagnose der Zellen der Batteriemodule durchführen. Weiterhin umfasst das Batteriesystem einen nicht-flüchtigen Speicher, in dem Daten betreffend das
Nutzungsverhalten der Batteriemodule inklusive der maximalen Spannung oder dem maximalen Strom von Batteriemodulen und eine Historie der Batteriemodule gespeichert werden. Weiterhin können solche gespeicherten Nutzungsinformationen das Ausmaß der Nutzung beschreiben, in der bestimmte Standards überschritten wurden. Auch die maximale und die minimale Anschlussspannung können gespeichert werden. Daneben können weiterhin der maximale Laststrom und der maximale Ladestrom gespeichert werden.
Aus Sicherheits- und Gewährleistungsgründen ist es wichtig, dass eine Historie über die Nutzung der Batterie geführt wird. Diese umfasst beispielsweise Nutzungsinformationen der Batterie in bestimmten Temperaturbereichen bei bestimmten Spannungen. Im Rahmen von Gewährleistungsansprüchen können gespeicherte Nutzungsinformationen aus einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts ausgelesen werden und zur Auswertung der Nutzung der Batterie herangezogen werden. Es liegen somit ausführliche Informationen über die Nutzung der Batterie während der Lebensdauer vor. Um die Nutzung der Batterie auch im Nachhinein, das heißt beispielsweise bei einem Ausfall, nachvollziehen zu können, ist es notwendig, Betriebsparameter der Batterie in einer nicht-flüchtigen Speichereinheit abzulegen. Über die Lebensdauer einer Batterie werden jedoch so viele Betriebsparameter akkumuliert, dass die Speicherkapazität schnell überschritten wird. Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, die Speicherung von Betriebsparametern möglichst effizient und nachhaltig zu gestalten, damit zum einen die Speicherkapazität nicht überlastet wird und zum anderen die Nutzung der Batterie über die Lebensdauer nachvollzogen werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei die Batterie mehrere Batteriezellen oder mehrere Gruppen von Batteriezellen umfasst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufes eines Betriebsparameters wenigstens einer einzelnen Batteriezelle während eines Fahrzyklusses, b) Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen im erfassten zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, c) Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern, der für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge charakteristische Funktionen und deren Funktionsparameter umfasst, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge rekonstruiert werden können, und d) Speichern des ermittelten Satzes von Nutzungsparametern in einer nicht-flüchtigen Speichereinheit.
Nutzungsparameter bezeichnen hierbei insbesondere solche Parameter, die die
Ladevorgänge und die Entladevorgänge charakterisieren. Insbesondere ist der Satz von Nutzungsparametern derart gewählt, dass ein Speicherbedarf für den Satz von
Nutzungsparametern minimal ist. Ein Fahrzyklus bezeichnet einen Zeitraum, zwischen Starten des Fahrzeuges aus einem Ruhezustand und dem darauffolgenden erneuten Überführen des Fahrzeuges in den Ruhezustand. Ein Ruhezustand ist erreicht, wenn die Batterie für einen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs weder geladen noch entladen wird. So kann der Fahrzyklus Betriebsphasen des Fahrzeuges umfassen, die Ladevorgänge und Entladevorgänge der Batterie aufweisen. Der Satz von Nutzungsparametern kann während oder am Ende des Fahrzyklusses ermittelt werden. Dabei kann der zeitliche Verlauf des Betriebsparameters in einer flüchtigen
Speichereinheit oder vorübergehend in der nicht-flüchtigen Speichereinheit gespeichert werden.
Das Fahrzeug kann als reines Elektrof ahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und ein Verbrennungsmotor umfasst. Dabei kann die Batterie des Hybridfahrzeuges intern über einen Generator mit
überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden. Extern aufladbare
Hybridfahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen. Bei derart ausgestalteten
Fahrzeugen umfasst der Fahrzyklus einen Fahrbetrieb und/oder einen Ladebetrieb als Betriebsphasen, in denen Betriebsparameter erfasst werden.
Während des Fahrzyklusses kann wenigstens ein Betriebsparameter einer einzelnen Batteriezelle oder einer Gruppe von Batteriezellen - auch als Batteriemodul bezeichnet - durch Sensoreinheiten erfasst werden. Solche Sensoreinheiten können als
Zellüberwachungsschaltung am Ausgang der Batteriezellen oder als
Modulüberwachungseinheiten am Ausgang der Gruppen von Batteriezellen oder
Batteriemodulen realisiert sein. Weiterhin können derartige Sensoreinheiten eine Spannung, einen Strom, einen Widerstand, eine Leistung, eine Temperatur oder sonstige dem
Fachmann bekannte Betriebsparameter einzelner Batteriezellen oder einzelner
Batteriemodule erfassen. Zum Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen wird insbesondere die Spannung erfasst. Die Spannung kann dabei die Spannung einzelner
Batteriezellen, d. h. die Zellspannung, oder die Spannung einzelner Batteriemodule, d. h. die Modulspannung, betreffen.
Um den zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters zu erfassen, überwachen die
Sensoreinheiten einzelne Batteriezellen oder einzelne Batteriemodule kontinuierlich und stellen die entsprechenden Daten einem Steuergerät bereit, auf dem ein
Batteriemanagementsystem realisiert ist. Beispielsweise können Daten zwischen den Sensoreinheiten und dem Steuergerät über einen Bus, etwa über einen SPI Bus (Serial Peripheral Interface Bus) oder einen CAN Bus (Controller Area Network Bus), ausgetauscht werden. Kontinuierlich bezeichnet hierbei, dass nach definierten Zeitintervallen oder mit einer definierten Abtastrate, beispielsweise jede Minute, Betriebsparameter von den
Sensoreinheiten erfasst werden und an das Steuergerät mit dem
Batteriemanagementsystem übertragen werden. Zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes des Betriebsparameters werden die erfassten Betriebsparameter insbesondere in einer flüchtigen Speichereinheit, wie einem RAM-Speicher (Random Access Memory), gespeichert. Das definierte Zeitintervall oder die definierte Abtastrate kann dabei an die Frequenz der
Änderungen des Betriebsparameters angepasst sein, wobei eine untere Grenze durch die Datenübertragungsrate des Busses zwischen den Sensoreinheiten und dem Steuergerät gegeben ist.
Charakteristische Funktionen bezeichnen solche lineare oder nicht-lineare Funktionen, die den Verlauf der Ladevorgänge und Entladevorgänge approximieren. Die
Funktionsparameter der charakteristischen Funktionen können also derart angepasst werden, dass die charakteristischen Funktionen im Wesentlichen dem zeitlichen Verlauf einzelner Ladevorgänge und Entladevorgänge entsprechen. Im Wesentlichen bezeichnet hierbei Abweichungen der charakteristischen Funktion vom tatsächlich erfassten zeitlichen Verlauf einzelner Ladevorgänge und Entladevorgänge, die im Rahmen der Unsicherheiten einer Funktionsanpassung oder eines Fits liegen. In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere charakteristische Funktionen vorgegeben. So können ein oder mehrere charakteristische Funktionen in einer nicht-flüchtigen
Speichereinheit hinterlegt sein. Zum Ermitteln des Satzes von Nutzungsparametern können die vorgegebenen charakteristischen Funktionen mit Hilfe der Funktionsparameter an den zeitlichen Verlauf einzelner Ladevorgänge und Entladevorgänge angepasst werden und die charakteristische Funktion mit den Funktionsparametern ausgewählt werden, die die geringsten Abweichungen zum tatsächlich erfassten zeitlichen Verlauf eines einzelnen Ladevorganges oder Entladevorganges aufweist. Es wird also für einzelne Ladevorgänge und Entladevorgänge die charakteristische Funktion mit Funktionsparametern ausgewählt, die den tatsächlich erfassten zeitlichen Verlauf des einzelnen Ladevorganges oder
Entladevorganges am besten approximiert. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die charakteristischen Funktionen Polynome bis zu einer sechsten Ordnung, bevorzugt bis zu einer vierten Ordnung und besonders bevorzugt bis zu einer dritten Ordnung. So können die charakteristischen Funktionen eine konstante, eine lineare, eine quadratische, eine kubische, eine quartische oder
biquadratische, eine quintische und/oder eine sextische Funktion umfassen. Beispiele charakteristischer Funktionen, die einzelne Ladevorgänge und Entladevorgänge
approximieren sind fi(x) = ±a ■ x ± b, f2(x) = ±Ci ■ (c2 ± x) 2 ± a- x ± b und f3(x) = ±di ■ (d2 ± x) 3 ± Ci ■ (c2 ± x) 2 ± a- x ± b, wobei a, b, Ci , c2, di , d2, ei und e2 Konstanten kennzeichnen, die im Rahmen der Funktionsanpassung oder des Fits ermittelt werden. Die Konstante a, b, Ci , c2, di , d2, ei und e2 sind positive reelle Zahlen und bezeichnen damit die Funktionsparameter, die als Nutzungsparameter mit derjenigen charakteristischen Funktion gespeichert werden, die den Entladevorgang oder den Ladevorgang im Vergleich zu anderen charakteristischen Funktionen mit geringsten Abweichungen, also am besten, approximiert. Ein Entladevorgang weist zum Beispiel einen Polynomverlauf mit einer negativen Steigung auf. Dieser kann insbesondere mit Hilfe der charakteristischen Funktionen f(x)= -a ■ x, f(x)= ±Ci ■ (c2 - x) 2 ± b oder f(x)= ±di ■ (d2 - x) 3 ± h approximiert werden. Analog weist ein Ladevorgang zum Beispiel einen Polynomverlauf mit einer positiven Steigung auf. Dieser kann insbesondere mit Hilfe der charakteristischen Funktionen f(x)= a ■ x, f(x)= ±Ci ■ (c2 - x) 2 ± b oder f(x)= ±di ■ (d2 - x) 3 ± h approximiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Anzahl der charakteristischen Funktionen, die vorgegeben sind und insbesondere in der nicht-flüchtigen Speichereinheit hinterlegt sind, auf Basis von zuvor erfassten zeitlichen Verläufe, beispielsweise aus vorangegangenen
Fahrzyklen, erweitert oder reduziert. So können weitere charakteristische Funktionen vorgegeben werden, wenn sich der zeitliche Verlauf in Abhängigkeit von einem
Alterungszustand der Batterie verändert. Entsprechend können solche charakteristische Funktionen, die einzelne Ladevorgänge oder Entladevorgänge nicht mit hinreichender Genauigkeit beschreiben, gelöscht werden. Die hinreichende Genauigkeit bestimmt sich dabei aus der Abweichung einer einzelnen charakteristischen Funktion, die an
Ladevorgänge oder Entladevorgänge angepasst ist, im Vergleich zu anderen
charakteristischen Funktionen, die an Ladevorgänge oder Entladevorgänge angepasst sind. Ist die Abweichung für etwa eine der charakteristischen Funktionen immer schlechter als für andere, wird diese nicht benutzt, und kann damit aus der nicht-flüchtigen Speichereinheit gelöscht werden. Die Ladevorgänge und Entladevorgänge könne mit Hilfe eines Steigungsprofils im zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters ermittelt werden. So ist ein Ladevorgang gegeben, wenn der zeitliche Verlauf des Betriebsparameters, insbesondere der Spannung, eine positive
Steigung aufweist. Ein Entladevorgang ist gegeben, wenn der zeitliche Verlauf des
Betriebsparameters, insbesondere der Spannung, eine negative Steigung aufweist. Um die Lade- und Entladevorgänge im zeitlichen Verlauf zu identifizieren, können zunächst die Extrempunkte im zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, insbesondere der Spannung, ermittelt werden. Anhand der Extrempunkte kann ein Anfangspunkt, ein Endpunkt und/oder eine Dauer der Ladevorgänge und Entladevorgänge ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Nutzungsparameter zusätzlich
Extrempunkte einzelner Ladevorgänge und Entladevorgänge, aus denen der
Anfangszeitpunkt, der Endzeitpunkt und die Dauer einzelner Ladevorgänge oder
Entladevorgänge rekonstruieren werden kann.
Bevorzugt umfasst der Satz von Nutzungsparametern die vorgegebene charakteristische Funktion, Funktionsparameter der charakteristischen Funktion, die ermittelten Extrempunkte einzelner Ladevorgänge oder Entladevorgänge und gegebenenfalls Werte solcher
Betriebsparameter, die für einzelne Ladevorgänge oder Entladevorgänge außerhalb einer Spezifikation der Batteriezellen oder der Gruppe von Batteriezellen liegen. Hierbei kann mit Hilfe der Extrempunkte der Anfangszeitpunkt, der Endzeitpunkt und die Dauer einzelner Ladevorgänge oder Entladevorgänge rekonstruiert werden. Ganz besonders bevorzugt besteht der Satz von Nutzungsparametern ausschließlich aus der vorgegebenen
charakteristischen Funktion, Funktionsparametern der charakteristischen Funktion, den ermittelten Extrempunkte einzelner Ladevorgänge oder Entladevorgänge und
gegebenenfalls Werten solcher Betriebsparameter, die für einzelne Ladevorgänge oder Entladevorgänge außerhalb einer Spezifikation der Batteriezellen oder der Gruppe von Batteriezellen liegen. In einer weiteren Ausführungsform wird der Satz von Nutzungsparametern für jeden
Ladevorgang oder Entladevorgang während der Lebensdauer der Batterie abgespeichert.
In einer weiteren Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Schritt aus den gespeicherten Nutzungsparametern ein zeitlicher Verlauf des Betriebsparameters, insbesondere der Spannung, rekonstruiert. Die Rekonstruktion kann nach einem Fahrzyklus und/oder am Ende der Lebensdauer der Batterie erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform wird der rekonstruierte Verlauf des Betriebsparameters in Bezug auf ein Nutzungsverhalten ausgewertet. So kann zum Beispiel ein Missbrauch der Batterie ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ können Defekte einzelner Batteriezellen oder einzelner Batteriemodule ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Software-Modul, eine Software-Routine oder eine Software-Subroutine zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems auf einem Steuergerät eines Fahrzeuges handeln. Das Computerprogramm kann auf
maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer
Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher, wie einer CD-ROM, einer DVD, einer Blu-ray Disk, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerkzeug, wie das Internet oder einer
Kommunikationsverbindung, wie eine Telefonleitung oder eine Drahtlosverbindung.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriesystem zum Überwachen einer Batterie eines Fahrzeuges mit mehreren Batteriezellen vorgeschlagen, wobei die Batterie mehrere
Batteriezellen oder mehrere Gruppen von Batteriezellen umfasst. Das Batteriesystem umfasst dabei folgende Komponenten: a. eine Sensoreinheit zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufes eines Betriebsparameters wenigstens einer einzelnen Batteriezelle während eines Fahrzyklusses, b. eine Einheit zum Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen im erfassten zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, c. eine Einheit zum Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern, der für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge charakteristische Funktionen und deren
Funktionsparameter umfasst, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und
Entladevorgänge rekonstruiert werden können, und d. eine nicht-flüchtige Speichereinheit zum Speichern des ermittelten Satzes von
Nutzungsparametern.
Bevorzugt ist das Batteriesystem zum Durchführen der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet und/oder eingerichtet. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Merkmale entsprechend für das Batteriesystem, und umgekehrt die im Rahmen des Batteriesystems beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren. Die Batterie des Batteriesystems kann als Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metall- Hybridbatterie ausgestaltet sein. Weiterhin kann das Batteriesystem mit einem
Antriebsstrang eines Fahrzeuges verbindbar sein.
Die Komponenten des Batteriesystems sind als funktionale Einheiten zu sehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere
Komponenten des Batteriesystems in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software auf einem Steuergerät implementiert sind.
Weiterhin können die Funktionen der Komponenten auch in Hardware beispielsweise durch Sensoreinheiten oder Speichereinheiten realisiert sein. Bevorzugt sind insbesondere die Komponenten b. und c. des Batteriesystems als Software im Batteriemanagementsystem auf einem Steuergerät implementiert.
Die Speichereinheit zum Speichern der Nutzungsdaten kann eine nicht-flüchtige
Speichereinheit, beispielsweise ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) des Steuergeräts sein. Der erfasste zeitliche Verlauf wird vorzugsweise in einer flüchtigen Speichereinheit, beispielsweise einem RAM-Speicher (Random Access Memory) des Steuergeräts, gespeichert.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Fahrzeug mit dem hierin beschriebenen Batteriesystem vorgeschlagen. Bevorzugt ist das Fahrzeug ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, das zumindest teilweise durch elektrische Energie einer Batterie mit mehreren Batteriezellen angetrieben wird. Dazu ist das Batteriesystem insbesondere mit dem Antriebssystem des Fahrzeuges verbunden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, die Nutzungsparameter der Batterie über die Lebensdauer effizient abzuspeichern, da der Speicherbedarf im nicht flüchtigen Speicher gering gehalten wird. Durch das Abspeichern von charakteristischem Verhalten der Batterie mit Hilfe der Nutzungsparameter anstatt kompletter Zeitverläufe lassen sich bei begrenztem
Speicherplatz mehr Lade- und Entladevorgänge der Batterie über ihre Lebensdauer speichern. So können nur die aussagekräftigen Werte in Form von Nutzungsparametern gespeichert werden und die begrenzte Speicherkapazität von nicht-flüchtigen Speichern stellt keine Beschränkung mehr dar. Weiterhin ist es möglich, anhand der
Nutzungsparameter die Nutzung der Batterie zu rekonstruieren und insbesondere im Fall von Gewährleistungsansprüchen oder für Langzeitstudien Nutzungsparameter auszulesen und auszuwerten.
Durch das Speichern von charakteristischen Funktionen und deren Funktionsparametern ist trotz des geringen Speicherbedarfs eine detailreiche Rekonstruktion möglich. Dadurch wird auch eine detailreiche Auswertung des rekonstruierten Verhaltens und damit des
Nutzungsverhaltens während der Lebensdauer der Batterie möglich. Dabei können mehrere charakteristische Funktionen vorgegeben sein und diejenige, die das tatsächliche Verhalten am besten approximiert ausgewählt werden. Dadurch wird bei gleichbleibendem
Speicherbedarf die Genauigkeit der Approximation durch charakteristische Funktionen an das tatsächliche Verhalten der Batterie erhöht.
Weiterhin kann die nachträgliche Erweiterung der vorgegebenen charakteristischen
Funktionen die Genauigkeit der Approximation erhöhen. Solche nachträgliche Erweiterungen können beispielsweise alterungs- oder nutzungsbedingte Abweichungen nach oder während der Lebensdauer einer Batterie sowie neue Erkenntnisse über Batteriesysteme
berücksichtigen. Zusätzlich ist eine derartige Erweiterung der charakteristischen Kurven einfach im Rahmen von Werkstattwartungen des Fahrzeuges über Softwareupdates zu realisieren. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem
Batteriesystem,
Figur 2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Zellspannung während eines
Fahrzyklusses, der in Ladevorgänge und Entladevorgänge aufgeteilt ist,
Figuren 3A, beispielhafte charakteristische Funktionen, die einen Entladevorgang 3B und 3C approximieren,
Figur 4 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Zellspannung während eines
Fahrzyklusses, der in Ladevorgänge und Entladevorgänge aufgeteilt ist und durch charakteristische Funktionen approximiert ist, und
Figuren 5A ein beispielhafter Satz von charakteristischen Funktionen, die in einer nicht und 5B flüchtigen Speichereinheit hinterlegt sind, und eine beispielhafte Erweiterung des Satzes von charakteristischen Funktionen. In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug 10 mit einem Batteriesystem 12. Das Fahrzeug 10 der Figur 1 kann als rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder als Hybridfahrzeug, das zusätzlich einen Verbrennungsmotor aufweist, ausgestaltet sein. Dazu ist das Fahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebssystem 14 ausgerüstet, das das
Fahrzeug 10 über einen Elektromotor (nicht dargestellt) zumindest teilweise elektrisch antreibt. Die elektrische Energie wird von dem Batteriesystem 12 bereitgestellt, das eine Batterie 16 und ein Batteriemanagementsystem 18 umfasst.
Die Batterie 16 umfasst mehrere Batteriezellen 19 oder Akkumulatorzellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt. Die Batteriezellen 19 sind in Gruppen zu Batteriemodulen 20 zusammengefasst. Um einzelne Batteriezellen 19 oder Batteriemodule 20 zu überwachen, sind diese mit Zellüberwachungseinheiten 22 oder Modulüberwachungseinheiten 23 ausgestattet, die Betriebsparameter, wie eine Spannung, einen Strom oder eine Temperatur, einzelner Batteriezellen 19 oder einzelner
Batteriemodule 20 erfassen und die erfassten Betriebsparameter dem
Batteriemanagementsystem 18 bereitstellen. Beispielsweise können die Betriebsparameter über ein Bus 24, wie einem SPI Bus (Serial Peripheral Interface Bus) oder einen CAN Bus (Controller Area Network Bus), von den Zellüberwachungseinheiten 22 oder
Modulüberwachungseinheiten 23 an das Batteriemanagementsystem 18 übertragen werden. Die Betriebsparameter werden kontinuierlich mit einer definierten Abtastrate von den
Zellüberwachungseinheiten 22 oder den Modulüberwachungseinheiten 23 erfasst und an das Batteriemanagementsystem 18 übermittelt, so dass dem Batteriemanagementsystem 18 ein zeitlicher Verlauf 38 der Betriebsparameter bereitgestellt wird. Der zeitliche Verlauf 38 wird im Zusammenhang mit Figur 2 näher beschrieben. Das Batteriemanagementsystem 18 implementiert Funktionen zum Steuern und Überwachen der Batterie 16. So weist das Batteriemanagementsystem 18 eine Einheit 26 zum
Empfangen der Betriebsparameter auf, die von den Zellüberwachungseinheiten 22 oder den Modulüberwachungseinheiten 23 erfasst werden. Die Einheit 26 zum Empfangen der Betriebsparameter weist einen flüchtigen Speicher, wie einen RAM-Speicher, auf, in dem die erfassten Betriebsparameter für unterschiedliche Zeitpunkte vorübergehend gespeichert werden. Dabei bilden die kontinuierlich zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassten und empfangenen Betriebsparameter den zeitlichen Verlauf 38 des Betriebsparameter, der einer Einheit 28 zum Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen bereitgestellt wird. Die ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge werden weiter einer Einheit 30 zum
Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern bereitgestellt. Der Satz von Nutzungsparameter umfasst für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge
Funktionsparameter von charakteristischen Funktionen, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge rekonstruiert werden können. Auch die
Nutzungsparameter werden im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher
beschrieben. Anschließend werden die ermittelten Nutzungsparameter in einer
Speichereinheit 32 gespeichert. Zum Rekonstruieren der zeitlichen Verläufe 38 können die Nutzungsparameter über eine Schnittstelle 34 aus der Speichereinheit 32 ausgelesen werden. Das Verfahren zum Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen und zum Ermitteln von Nutzungsparametern, die den zeitlichen Verlauf 38 der ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge charakterisieren, wird im folgenden am Beispiel eines gemessenen zeitlichen Verlaufes 38 für eine Zellspannung U näher beschrieben. Figur 2 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf 38 einer Zellspannung U während eines Fahrzyklusses FZ, der in Ladevorgänge und Entladevorgänge aufgeteilt ist.
In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf 38 der Zellspannung U in Volt (V) gegen die Zeit t in Minuten (min) für eine Lithium-Ionen-Zelle als Batteriezelle 19 aufgetragen. Der zeitliche Verlauf 38 der Zellspannung U schwankt dabei zwischen etwa 2,5 und 4,5 V. So nimmt die Zellspannung U in einem ersten Zeitintervall E1 ab und nimmt in einem darauffolgenden zweiten Zeitintervall L2 zu. Dies wiederholt sich in einem dritten Zeitintervall E3, in dem die Zellspannung U abnimmt. In einem vierten Zeitintervall L4 nimmt die Zellspannung U wieder zu. Der Fahrzyklus FZ ist damit in unterschiedliche Zeitintervalle E1 , L2, E3, L4 aufgeteilt, die jeweils einen Fahrbetrieb oder einen Ladebetrieb und damit einen Entladevorgang im entsprechenden Zeitintervall E1 , E3 oder einen Ladevorgang im entsprechenden Zeitintervall L2, L4 kennzeichnen.
Weiterhin sind Extrempunkte 40 angedeutet, die die einzelnen Zeitintervalle E1 , L2, E3, L4 begrenzen. Dabei bezeichnet der Extrempunkt 40 den Punkt, in dem der zeitliche Verlauf 38 der Zellspannung U das Vorzeichen seiner Steigung verändert. Dementsprechend ergeben sich im beispielhaft gezeigten zeitlichen Verlauf 38 der Zellspannung U für den dargestellten Fahrzyklus FZ insgesamt fünf Extrempunkte 40. Diese Extrempunkte 40 kennzeichnen damit den Übergang von einem Entladevorgang zu einem Ladevorgang beziehungsweise von einem Entladevorgang zu einen Ladevorgang und begrenzen die einzelnen Zeitintervalle E1 , L2, E3, L4. Die Geraden 44, die die Extrempunkte 40 verbinden, charakterisieren damit die Art des Vorganges, je nach Steigung des zeitlichen Verlaufes 38 zwischen den
Extrempunkten 40 also einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang. Aus den
Extrempunkten 40 können weiterhin die Dauer, der Anfangspunkt und der Endpunkt der Entladevorgänge und Ladevorgänge ermittelt werden. Die Extrempunkte 40 werden als Nutzungsparameter gespeichert.
Figuren 3A, 3B und 3C zeigen beispielhafte charakteristische Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, die einen Entladevorgang approximieren.
In Figur 3A ist eine quadratische Funktion 46 mit einer negativen Steigung als
charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 für einen Entladevorgang gezeigt. Wie zum Beispiel im Intervall E3 für den zeitlichen Verlauf 38 der Zellspannung U in Figur 2 gezeigt, nimmt die Zellspannung U in höheren Spannungsbereichen weniger schnell ab als in niedrigeren Spannungsbereichen. Ein derartiger Entladevorgang kann mit Hilfe der quadratischen Funktion 46 approximiert werden, die hier beispielhaft durch f(x)= -0.01 ■ ( -x2) + 3.5 gegeben ist. Für die quadratische Funktion 46 mit f2(x) = Ci ■ (c2 + x) 2 + b werden also die Funktionsparameter
Figure imgf000016_0001
, c2=0 und b=3.5 gespeichert. Eine weitere Möglichkeit den Entladevorgang, wie im Intervall E3 für den zeitlichen Verlauf 38 der Zellspannung U in Figur 2 gezeigt, zu approximieren, ist in Figur 3B dargestellt.
Hierbei ist eine kubische Funktion 48 als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 gewählt, die dem funktionalen Zusammenhang f(x)= -0.001 ■ x3 + 3.5 folgt. In diesem Fall hat die kubische Funktion 48 eine negative Steigung. Für die kubische Funktion 46 mit f3(x) = di ■ (d2 + x) 3 + b werden also die Funktionsparameter
Figure imgf000016_0002
, d2=0 und b=3.5 gespeichert.
Figur 3C zeigt eine quadratische Funktion 50 mit negativer Steigung als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62. Wie zum Beispiel im Intervall E1 für den zeitlichen Verlauf 38 der Zellspannung U in Figur 2 gezeigt, nimmt die Zellspannung U in höheren Spannungsbereichen schneller ab als in niedrigeren Spannungsbereichen. Ein derartiger Entladevorgang kann mit Hilfe der quadratischen Funktion 50 approximiert werden, die durch f(x)= 0.01 ■ (1 1 -x)2 + 2.8 gegeben ist. Für die quadratische Funktion 50 mit f2(x) = Ci ■ (c2 - x) 2 + b werden also die Funktionsparameter
Figure imgf000016_0003
, c2=1 1 und b=2.8 gespeichert. Die in den Figuren 3A, 3B und 3C gezeigten charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 sind lediglich beispielhafte Funktionen, um den zeitlichen Verlauf 38 des Entladevorganges zu approximieren. Je nach tatsächlich erfasstem zeitlichem Verlauf 38 können unterschiedliche Polynome mit unterschiedlichen Funktionsparametern als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 in Frage kommen.
Analog zu den beispielhaft für den Entladevorgang dargestellten kann der Ladevorgang ebenfalls mit Hilfe von Polynomen als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximiert werden. Diese weisen, wie zum Beispiel aus dem zeitlichen Verlauf 38 in den Intervallen L2 und L4 der Figur 2 hervorgeht, eine positive Steigung auf. Die
charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 für den Ladevorgang können auch einem Polynom, etwa einer quadratischen oder kubischen Funktion 56, 62, mit positiver Steigung folgen.
Figur 4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf 38 einer Zellspannung U während eines Fahrzyklusses FZ, der in Ladevorgänge und Entladevorgänge aufgeteilt ist und durch charakteristische Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximiert ist. Der zeitliche Verlauf 38 und die Aufteilung in Ladevorgänge und Entladevorgänge
entsprechen der Figur 2. Neben den Extrempunkten 40 sind zusätzlich die charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 für die einzelnen Intervalle E1 , L2, E3 und L4 dargestellt. Im Intervall E1 liegt ein Entladevorgang vor, der mit der in Figur 3C gezeigten quadratischen Funktion 50 mit angepassten Funktionsparametern als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximiert ist. In den Intervall L2 und L4 wird der Ladevorgang durch die lineare Funktion 52 mit angepassten Funktionsparametern als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximiert. Der
Entladevorgang im Intervall E4 wird durch die in Figur 3B gezeigte kubische Funktion 48 mit angepassten Funktionsparametern als charakteristische Funktion 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 approximiert.
Die charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 mit ihren
Funktionsparametern und die Extrempunkte 40 werden in der nicht-flüchtigen
Speichereinheit 32 als Nutzungsdaten gespeichert. Figuren 5A und 5B zeigen schematisch einen beispielhaften Satz von charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, die in einer nicht-flüchtigen Speichereinheit 32 hinterlegt sind, und eine beispielhafte Erweiterung des Satzes von charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62.
Im Beispiel der Figur 5A sind vier charakteristischen Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 in der nicht-flüchtigen Speichereinheit 32 hinterlegt, eine lineare Funktion 54 mit negativer Steigung für Entladevorgänge, eine quadratische Funktionen 50 mit negativer Steigung für Entladevorgänge, eine kubische Funktionen 48 mit negativer Steigung für Entladevorgänge, eine lineare Funktion 52 mit positiver Steigung für Ladevorgänge und eine quadratische Funktion 56 mit positiver Steigung für Ladevorgänge. Wird während der Lebensdauer der Batterie 16 festgestellt, dass andere charakteristische Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 die Ladevorgänge und Entladevorgänge, beispielsweise alterungs- oder nutzungsbedingt, besser approximieren, werden weitere charakteristische Funktionen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 in der nicht-flüchtigen Speichereinheit 32 hinterlegt. Im Beispiel der Figur 5B werden etwa durch ein Softwareupdate drei weitere charakteristische Funktionen hinterlegt. Diese sind eine weitere kubische Funktion 58 mit negativer Steigung zum Approximieren des Entladevorganges, eine weitere kubische Funktion 60 zum
Approximieren des Entladevorganges und eine kubische Funktion 62 mit positiver Steigung zum Approximieren des Ladevorganges.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche 1 . Verfahren zum Überwachen einer Batterie (16) in einem Fahrzeug (10), wobei die
Batterie (16) mehrere Batteriezellen (19) oder mehrere Gruppen (20) von Batteriezellen (19) umfasst, mit folgenden Schritten: a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufes (38) eines Betriebsparameters wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (19) während eines Fahrzyklusses (FZ), b) Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen im erfassten zeitlichen Verlauf (38) des Betriebsparameters, c) Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern, der für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge charakteristische Funktionen (46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) und deren Funktionsparameter umfasst, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und
Entladevorgänge rekonstruiert werden können, und d) Speichern des ermittelten Satzes von Nutzungsparametern in einer nicht-flüchtigen Speichereinheit (32).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine oder mehrere charakteristische Funktionen (46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) vorgegeben sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der charakteristischen Funktionen (46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62), die vorgegeben sind, auf Basis von zuvor erfassten zeitlichen Verläufen (38) erweitert oder reduziert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die charakteristischen Funktionen (46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) Polynome bis zu einer sechsten Ordnung umfassen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Satz von Nutzungsparametern weiterhin Extrempunkte (40) einzelner Ladevorgängen und Entladevorgängen umfassen, aus denen der Anfangszeitpunkt, der Endzeitpunkt und die Dauer einzelner Ladevorgänge oder Entladevorgänge rekonstruieren werden können.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Satz von Nutzungsparametern für jeden Ladevorgang oder Entladevorgang während der Lebensdauer der Batterie (16) abgespeichert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in einem zusätzlichen Schritt aus den gespeicherten Nutzungsparametern der zeitliche Verlauf (38) des Betriebsparameters rekonstruiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der rekonstruierte zeitliche Verlauf (38) in Bezug auf eine Nutzung der Batterie (16) in wenigstens einem vergangenen Fahrzyklus (FZ) ausgewertet wird.
9. Computerprogramm, das ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
10. Batteriesystem (12) zum Überwachen einer Batterie (16) eines Fahrzeuges (10), wobei die Batterie (16) mehrere Batteriezellen (19) oder Gruppen (20) von Batteriezellen (19) umfasst, mit folgenden Komponenten: a) einer Sensoreinheit (22, 23) zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufes (38) eines
Betriebsparameters wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (19) während eines
Fahrzyklusses (FZ), b) einer Einheit (28) zum Ermitteln von Ladevorgängen und Entladevorgängen im erfassten zeitlichen Verlauf (38) des Betriebsparameters, c) einer Einheit (30) zum Ermitteln eines Satzes von Nutzungsparametern, der für die einzelnen Ladevorgänge und Entladevorgänge charakteristische Funktionen (46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) und deren Funktionsparameter umfasst, mit Hilfe derer die ermittelten Ladevorgänge und Entladevorgänge rekonstruiert werden können, und d) einer nicht-flüchtige Speichereinheit (32) zum Speichern des ermittelten Satzes von Nutzungsparametern.
1 1 . Fahrzeug (10) mit einem Batteriesystem (12) nach Anspruch 1 1 .
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