WO2016113099A1 - Verfahren zur überwachung einer batterie sowie überwachungseinrichtung - Google Patents

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WO2016113099A1
WO2016113099A1 PCT/EP2015/081181 EP2015081181W WO2016113099A1 WO 2016113099 A1 WO2016113099 A1 WO 2016113099A1 EP 2015081181 W EP2015081181 W EP 2015081181W WO 2016113099 A1 WO2016113099 A1 WO 2016113099A1
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voltage value
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Frank Stimm
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to methods for monitoring a battery having the features mentioned in the preamble of claim 1. Furthermore, a monitoring device for a battery with the features mentioned in the preamble of claim 9 is disclosed. State of the art
  • lithium-based battery cells are often used, so-called lithium-ion batteries, since these compared to on
  • Nickel or lead-based batteries have the largest available energy density with the lowest weight. In order to achieve the required power and energy data, typically several battery cells are connected in series. Due to the growing demands on the energy content or due to the required higher power, battery cells are also increasingly connected in parallel.
  • Lithium ion batteries have many advantages over batteries based on, for example, nickel or lead, but are also much more expensive than them.
  • a battery for an automobile can cost several thousand euros.
  • the customer is required to ensure that the batteries have a correspondingly long service life and robustness against errors, or that the driver is warned accordingly by the automobile when a fault occurs, for example by an indicator light in the vehicle interior.
  • Lithium-ion batteries are known to be sensitive to deep discharge, overcharge, high temperatures, and very low temperatures. External damage due to over-discharging, overcharging and excessively high temperatures is prevented in practice by appropriate regulation and control systems as well as warning systems. Furthermore, monitoring systems, so-called battery management systems, are used to monitor dangerous states of a battery such as overcharging or over-discharging and to initiate appropriate countermeasures. These systems can also be used to monitor the battery at low
  • metallic lithium is deposited in the battery, which can reduce the life of the battery. Furthermore, at very low temperatures such as -10 ° C, only a low charging current of about 300 milliamperes compared to about 2-5 amperes in a normal temperature range of about 0-40 ° C can be applied.
  • An optimum temperature range of lithium-ion batteries is approximately 18-25 ° C. The normal and optimum temperature ranges depend on other factors such as the materials used for anode, cathode and separator or the intended use and thus the design of the battery and are specified by the manufacturer.
  • DE 10 2010 040 031 A1 discloses a circuit for monitoring the voltage of a cell of a battery energy storage.
  • a level of a voltage is measured, and when exceeding or falling below a reference value, a signal is generated, by which the operating state of the input stage is changed.
  • the expenditure on equipment is to be optimized, since accurate knowledge of a cell voltage value is generally regarded as unnecessary. Rather, it is assumed that the monitoring of an overtained. Underlying a reference value is sufficient to ensure a safe condition of the battery.
  • the document DE 100 45 622 AI further discloses a method for
  • Charge states can be measured by measuring temperature and charging current Reference values are calculated and compared with the current voltage value and thus used to control the accumulator.
  • Occurrence of certain events decrements a counter. If the counter falls below a predetermined value, an alarm can be triggered.
  • This monitoring system serves to alert the customer when the condition of the battery becomes critical, especially when the life of the battery is over, as measured by the state of charge. Furthermore, by the
  • the above disclosures enable monitoring and even control of battery management based on measured values, in part compared to previously determined reference values.
  • the focus is on preventing a total loss of the battery.
  • the focus in the present invention is placed on a
  • a method for monitoring a battery having a plurality of interconnected cell connections, comprising a plurality of interconnected battery cells which is characterized by the following steps.
  • a cell voltage value is measured during a current pulse.
  • a predefinable limit value for the cell voltage value is exceeded, the cell voltage value is corrected by a known maximum possible measurement accuracy for calculating a corrected cell voltage value.
  • the corrected cell voltage value is transferred to a table in a data memory, and the values of a minimum occurring cell temperature and a
  • a counter in a row / column combination assigned to the measurement is increased in the table by a predefinable value, and in a further step, a sum of the counter values for the predefinable number of measurements is compared with a predefinable reference counter value. In a further step, upon reaching or exceeding a predefinable
  • Threshold issued a signal.
  • the current pulse is a charge pulse or a discharge pulse. More preferably, the predetermined limit is 4.0 volts and the maximum possible
  • Measuring accuracy is 100 millivolts.
  • the table comprises, in addition to the predefinable number of measurements and current pulse duration, a predefinable number of voltage values to which the counter exceeds the predefinable value
  • the signal is a warning signal indicating a critical condition of the battery by visual or audible indication.
  • the signal may be a signal that is output to a device that triggers a shutdown of the battery or a portion thereof. More preferably, the threshold is 5 percent before exceeding the reference counter value. Thus, it can be ensured that the battery is not damaged, even if the output signal is disregarded. More preferably, when a final threshold value is exceeded, the battery or a part thereof is switched off. This ensures that if the warning is disregarded at the first threshold value, a further control means is available which, if exceeded, deactivates at least part of the battery in order to prevent damage to the same.
  • a monitoring device for a battery which is adapted to carry out the method according to the invention.
  • the monitoring device is integrated in a battery management system. This reduces the space requirement in the vehicle and allows integration into existing, also in the battery management system existing systems and thus the exploitation of any existing facilities such as sensors or measurement technology that can also be used for the purpose of performing the method according to the invention.
  • Figure 1 is an exemplary table for carrying out the invention according to a
  • Batteries according to the invention are preferably in electrical or
  • lithium-ion batteries are used, since these compared to nickel or lead-based batteries the have the largest available energy density at the lowest weight and are thus most suitable for driving a vehicle.
  • lithium-ion batteries are expensive and also sensitive to very high and very low temperatures as well as high voltages, which can greatly affect their life and performance. That is why it is a goal of
  • Invention to provide a monitoring device and a method that provides a cost-effective monitoring of critical conditions of the battery and thus contributes to extending the life of a battery.
  • the knowledge is used that the requirements for accuracy with respect to voltage, current and temperature monitoring for future
  • Control units by the monitoring device according to the invention and the inventive method reduces and thus cheaper
  • Battery management systems can be used. More specifically, the invention is based on the finding that despite a lower accuracy of the measurement of the voltage, current and temperature values, the specifiable cell limits, ie the values up to which a cell still functions safely and does not become defective, can be maintained. This will be clarified by the method according to the invention described below.
  • a cell voltage of a battery during a current pulse for example, a charging pulse, so applied current l> 0 amps, measured. If this measured cell voltage exceeds a predeterminable limit value, for example 4.0 volts, the measured cell voltage is corrected by a so-called "worst-case value.”
  • This "worst-case value” is the maximum possible measurement accuracy which corresponds to the measured voltage Cell voltage is added so that a corrected reading results. The measurement accuracy can be in the range of a few millivolts, depending on which meter is used.
  • This corrected measured value is then stored in a data memory. This
  • Data storage may be provided in or external to a battery management system, as long as it is ensured that the data can be stored thereon and retrieved.
  • Parameter field generated.
  • these measured values ie the minimum occurring temperature and the current are respectively plotted for a predefinable number of measurements and a predefinable duration of a current pulse.
  • the corrected measured value is transferred to the table and a counter, which is assigned to this corrected value in the parameter field in the corresponding row / column combination, is increased by one value, usually by the value "1 ".
  • a signal or a warning is output. Failure to comply with this warning may result in the shutdown of all or part of the battery. This depends on the design of the system. Thus, it can be ensured that before reaching the
  • a measurement is defined as a run, beginning with the measurement of a cell voltage value during a current pulse via the correction of the cell voltage value by a known maximum possible
  • a monitoring device which can carry out the method according to the invention can comprise, for example, a data memory in which the parameter field is stored, as well as an evaluation device which stores the data
  • the monitoring device may be connected to or part of a battery management system.
  • a monitoring device is that a cost-effective device can be used by applying the method according to the invention, since no devices such as sensors, components or evaluation must be used, which have a high or very high measurement accuracy. Furthermore, by using the "worst-case value", ie the correction of the measured cell voltage to the maximum possible accuracy, at least the operating range of the battery can be used, so there are much fewer restrictions in this area, as it Solutions according to the prior art is the case.
  • FIG. 1 shows a table which shows by way of example how values associated with a measured cell voltage can be stored as a parameter field. Furthermore, by way of example, a filled-in area with a number of counters is shown, which have been entered into the respectively appropriate row by a corrected measured value exceeding the reference value. The sum shown in the bottom row is compared with a reference count value, and based on this result, a signal is generated if the reference count value or a
  • the signal can be in the form of a warning light in the interior of the vehicle or as an acoustic signal
  • the signal can also be issued immediately as a control signal, for example, triggers a shutdown of the battery or parts thereof to prevent damage.
  • the configuration of the signal depends on how the system as a whole is designed, in which
  • Threshold is to be warned at which threshold, which may possibly be a second value, a shutdown should be made, or how high the counter sum, etc.
  • a temperature T more precisely a minimum occurring cell temperature is entered at the measured cell voltage, here for example 25 ° C and 40 ° C.
  • the measured cell voltage here for example 25 ° C and 40 ° C.
  • Temperatures may be recorded, such as -10 ° C or other measured minimum temperatures. These depend on the environmental conditions in the measurement, e.g. Measurement in winter or summer, from.
  • a current value occurring at the measured cell voltage is plotted in this table by way of example for values greater than or less than 100 amps at 40 ° C and for values greater or less than 80 amps at 25 °.
  • the corrected reading is 4.3 V. This value was measured at a minimum temperature of 25 ° C. and a current pulse duration of 1 second, the measured current being 100 Thus, in the third column, below the value for 4.3 volts in the row which represents the values for the
  • the sum of the counter values ie the measurements which have delivered a corrected measured value above the predefinable limit value and for which the counter has been increased by the value "l" is formed of 26000 measurements measured above the allowable preset limit
  • This sum of counts is compared to a reference count If the sum of the counts reaches or exceeds a predefined threshold, here is 5% Exceeding the reference counter value, a signal is generated.
  • This signal may be a warning in the form of a warning light in the interior of the automobile, but it may also be an audible signal or other warning signals warning the driver that the battery could be defective.
  • the signal can be output to a device that triggers a shutdown of the battery or a part thereof, if the warning was ignored, ie if the vehicle was not brought to service and the defect was checked and corrected.
  • a device that triggers a shutdown of the battery or a part thereof if the warning was ignored, ie if the vehicle was not brought to service and the defect was checked and corrected.
  • the predetermined limit here 4.0 volts
  • the sum of the counter values is also formed in the last row of the fourth column, here 16, and compared with a reference counter value. Should the sum of the counter values reach or even exceed a predefinable threshold, here 5% before exceeding the threshold
  • This signal can be configured as described above.
  • This signal can be configured as described above.
  • This signal can be configured as described above.
  • the table shown in FIG. 1 merely serves as an illustrative example.
  • Measurements as well as the measured voltage and the predeterminable limit as well as the measuring accuracy can vary independently depending on the given parameters, e.g. which type of battery is chosen, how many
  • Battery cell can be used or which device or method is used or which environmental conditions prevail.
  • a cost-effective system is provided, which at the same time makes it possible to use at least the operating range of the battery used and thus extend the service life of the battery.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart Verfahren zur Überwachung einer Batterie, wobei das Verfahren die Schritte Messen eines Zellspannungswertes während eines Strompulses, bei Überschreiten eines vorgegebenen relevanten Wertes für den Zellspannungswert, Korrigieren des Zellspannungswertes um eine bekannte maximal mögliche Messgenauigkeit zur Berechnung eines korrigierten Zellspannungswertes, Übergabe des korrigierten Zellspannungswertes an eine Tabelle in einem Datenspeicher sowie Speichern der Werte einer minimal auftretenden Zelltemperatur und eines Stromwertes bei der gemessenen Zellspannung für eine vorgegebene Anzahl an Messungen und Strompulsdauer in der Tabelle, Erhöhen eines Zählers in einer der Messung des Zellspannungswertes zugeordneten Zeilen-/Spaltenkombination in der Tabelle um einen vorgegebenen Wert, Vergleich einer Summe der Zählerwerte für die vorgegebene Anzahl an Messungen und Strompulsdauer mit einem vorgegebenen Referenzzählerwert, und Ausgeben eines Signals bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts, umfasst. Ferner wird eine entsprechende Überwachungseinrichtung offenbart.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Überwachung einer Batterie sowie Überwachungseinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung einer Batterie mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Ferner wird eine Überwachungseinrichtung für eine Batterie mit den im Oberbegriff des Anspruchs 9 genannten Merkmalen offenbart. Stand der Technik
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden als Energiequelle vermehrt Akkumulatoren bzw. Batterien, welche mehrere Batteriezellen umfassen, eingesetzt. Hierbei werden oft auf Lithiumchemie basierende Batteriezellen verwendet, sogenannte Lithium-Ionen-Batterien, da diese im Vergleich zu auf
Nickel oder Blei basierenden Batterien die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen. Um die benötigten Leistungs- und Energiedaten zu erreichen, werden dabei typischerweise mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Vermehrt werden aufgrund der wachsenden Anforderungen an den Energiegehalt oder wegen benötigter höherer Leistung Batteriezellen auch zusätzlich parallel geschaltet.
Lithium-Ionen-Batterien weisen viele Vorteile gegenüber Batterien, welche beispielsweise auf Nickel oder Blei basieren, auf, aber sie sind auch wesentlich teurer als diese. Eine Batterie für ein Automobil kann mehrere tausend Euro kosten. Dies führt dazu, dass vom Kunden verlangt wird, dass die Batterien eine entsprechend lange Lebensdauer und Robustheit gegenüber Fehlern aufweisen bzw. der Fahrer bei Auftreten eines Defektes entsprechend durch das Automobil gewarnt wird, beispielsweise durch eine Anzeigeleuchte im Fahrzeuginnenraum.
Bei Lithium-Ionen-Batterien ist bekannt, dass sie sowohl empfindlich gegenüber Tiefentladung, Überladung, zu hohen Temperaturen als auch gegenüber sehr niedrigen Temperaturen sind. Eine Schädigung oder Gefährdung nach Außen durch Tiefentladung, Überladung und zu hohe Temperaturen wird in der Praxis durch entsprechende Regel- und Steuersysteme sowie Warnsysteme verhindert. Ferner werden Überwachungssysteme, sogenannte Batteriemanagementsysteme, eingesetzt, um gefährliche Zustände einer Batterie wie beispielsweise Überladen oder Tiefentladen zu überwachen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Diese Systeme können auch zur Überwachung der Batterie bei niedrigen
Temperaturen oder hohen Spannungen verwendet werden.
Speziell bei sehr niedrigen Temperaturen ab ca. -10°C und bei hohen Spannungen scheidet sich metallisches Lithium in der Batterie ab, wodurch die Lebensdauer der Batterie verringert werden kann. Ferner kann bei sehr niedrigen Temperaturen wie beispielsweise -10°C nur ein geringer Ladestrom von ca. 300 Milliampere gegenüber ca. 2-5 Ampere in einem normalen Temperaturbereich von ca. 0-40°C angelegt werden. Ein optimaler Temperaturbereich von Lithium-Ionen-Batterien liegt in etwa bei 18-25°C. Die normalen und optimalen Temperaturbereiche hängen dabei von weiteren Faktoren wie beispielsweise den verwendeten Materialien für Anode, Kathode und Separator oder dem beabsichtigten Verwendungszweck und damit der Auslegung der Batterie ab und werden vom jeweiligen Hersteller angegeben.
Das oben genannte Problem der Lebensdauerreduzierung bei kritischen
Bedingungen wie Überladung wird auch in der DE 10 2010 040 031 AI adressiert.
Die DE 10 2010 040 031 AI offenbart eine Schaltung zum Überwachen der Spannung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers. Dabei wird ein Pegel einer Spannung gemessen, und bei Über- oder Unterschreiten eines Referenzwertes wird ein Signal generiert, durch welches der Betriebszustand der Eingangsstufe geändert wird. Hierdurch soll der apparative Aufwand optimiert werden, da eine genaue Kenntnis eines Zellspannungswertes in der Regel als nicht erforderlich angesehen wird. Vielmehr wird angenommen, dass die Überwachung eines Überbzw. Unterschreitens eines Referenzwertes ausreicht, um einen sicheren Zustand der Batterie zu gewährleisten.
Die Druckschrift DE 100 45 622 AI offenbart ferner ein Verfahren zur
Überwachung der Ladung gasdichter alkalischer Akkumulatoren, wobei ermittelte Messwerte, speziell die Ladespannung bei verschiedenen Temperaturen, in einem Batteriemanagementsystem als Parameterfeld abgelegt werden. Kritische
Ladezustände können durch Messung von Temperatur und Ladestrom als Referenzwerte berechnet und mit dem aktuellen Spannungswert verglichen und somit zur Steuerung des Akkumulators verwendet werden.
Des Weiteren ist aus der Druckschrift EP 2 345 904 AI ein
Batteriemanagementsystem mit einer Überwachungseinheit bekannt, welche bei
Auftreten von bestimmten Ereignissen einen Zähler dekrementiert. Fällt der Zählerstand unter einen vorgegebenen Wert, kann ein Alarm ausgelöst werden. Dieses Überwachungssystem dient dazu, den Kunden zu warnen, wenn der Zustand der Batterie kritisch wird, vor allem, wenn die Lebenszeit der Batterie zu Ende geht, was durch den Ladezustand gemessen wird. Ferner kann durch das
Setzen eines Zählers und Verwerten der Daten, die zum Dekrementieren des Zählers geführt haben, das Servicepersonal im Fall einer Fehlermeldung beim Kundendienst relativ schnell durch Auslesen des Batteriemanagementsystems erkennen, wie der wirkliche Zustand der Batterie ist.
Die oben genannten Offenbarungen ermöglichen eine Überwachung und sogar Steuerung des Batteriemanagements basierend auf gemessenen Werten, teils im Vergleich zu vorher bestimmten Referenzwerten. Dabei steht im Fokus, einen Totalschaden der Batterie zu verhindern.
Der Fokus bei der vorliegenden Erfindung wird darauf gelegt, dass eine
Überwachung der Temperatur, Spannung und des Stroms mit entsprechender Warnung bei Erkennen eines kritischen Zustands erfolgt, durch die der
Betriebsbereich der Batterie nicht unnötig eingeschränkt wird und außerdem das Batteriemanagementsystem kostengünstiger ausgelegt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die oben genannten Ziele werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Genauer wird ausgenutzt, dass die Anforderungen an
Genauigkeit bezüglich Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung für zukünftige Steuergeräte reduziert und somit kostengünstigere
Batteriemanagementsysteme verwendet werden können. Dabei kann trotzdem mindestens der Betriebsbereich der Batterie genutzt werden. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie mit mehreren miteinander verbundenen Zellverbunden, umfassend mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen bereitgestellt, das gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird ein Zellspannungswert während eines Strompulses gemessen. In einem zweiten Schritt erfolgt bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes für den Zellspannungswert eine Korrektur des Zellspannungswertes um eine bekannte maximal mögliche Messgenauigkeit zur Berechnung eines korrigierten Zellspannungswertes. In einem dritten Schritt wird der korrigierte Zellspannungswert an eine Tabelle in einem Datenspeicher übergeben, und die Werte einer minimal auftretenden Zelltemperatur und eines
Stromwertes werden bei der gemessenen Zellspannung für eine vorgebbare Anzahl an Messungen und Strompulsdauer in der Tabelle gespeichert. In einem vierten Schritt wird ein Zähler in einer der Messung zugeordneten Zeilen- /Spaltenkombination in der Tabelle um einen vorgebbaren Wert erhöht und in einem weiteren Schritt wird eine Summe der Zählerwerte für die vorgebbare Anzahl an Messungen mit einem vorgebbaren Referenzzählerwert verglichen. In einem weiteren Schritt wird bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgebbaren
Schwellenwerts ein Signal ausgegeben. Bevorzugt ist der Strompuls ein Ladepuls oder ein Entladepuls. Weiter bevorzugt beträgt der vorgebbare Grenzwert 4,0 Volt und die maximal mögliche
Messgenauigkeit liegt bei 100 Millivolt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Tabelle zusätzlich zu der vorgebbaren Anzahl an Messungen und Strompulsdauer eine vorgebbare Anzahl an Spannungswerten, denen der Zähler bei Überschreiten des vorgebbaren
Grenzwertes zugeordnet und um den vorgebbaren Wert erhöht wird. Somit kann eine bessere Übersichtlichkeit für die Auswertung erzielt werden und eine noch einfachere Ausführung des Systems erzielt werden.
Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Signal ein Warnsignal, das durch optische oder akustische Anzeige einen kritischen Zustand der Batterie anzeigt. Alternativ kann das Signal ein Signal sein, das an eine Einrichtung ausgegeben wird, welche eine Abschaltung der Batterie oder eines Teils davon auslöst. Weiter bevorzugt liegt der Schwellenwert bei 5 Prozent vor Überschreitung des Referenzzählerwertes. Somit kann gewährleistet werden, dass die Batterie keinen Schaden nimmt, auch wenn das ausgegebene Signal missachtet wird. Weiter bevorzugt wird bei Überschreiten eines Endschwellenwerts die Batterie oder ein Teil davon abgeschaltet. Somit wird gewährleistet, dass bei Missachtung der Warnung bei dem ersten Schwellenwert noch ein weiteres Kontrollmittel verfügbar ist, bei dessen Überschreitung ein Abschalten zumindest eines Teils der Batterie erfolgt, um einen Schaden an dieser zu verhindern.
Ferner wird eine Überwachungseinrichtung für eine Batterie bereitgestellt, welche dazu angepasst ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung in einem Batteriemanagementsystem integriert. Dies verringert den Platzbedarf im Fahrzeug und ermöglicht eine Integration in bestehende, ebenfalls im Batteriemanagementsystem vorhandene Systeme und somit das Ausnutzen eventuell bereits vorhandener Einrichtungen wie Sensoren oder Messtechnik, die zum Zwecke der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls verwendet werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt.
Es zeigt:
Figur 1 eine beispielhafte Tabelle zur Ausführung der Erfindung gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
Erfindungsgemäße Batterien werden vorzugsweise in Elektro- oder
Hybridfahrzeugen eingesetzt. Bevorzugt werden Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da diese im Vergleich zu auf Nickel oder Blei basierenden Batterien die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen und somit für den Antrieb eines Fahrzeugs am besten geeignet sind. Allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien teuer und reagieren zudem empfindlich auf sehr hohe und sehr niedrige Temperaturen sowie auf hohe Spannungen, was ihre Lebensdauer und Leistungsfähigkeit stark beeinflussen kann. Deshalb ist es ein Ziel der
Erfindung, eine Überwachungseinrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, das eine kostengünstige Überwachung kritischer Zustände der Batterie bietet und somit zur Verlängerung der Lebensdauer einer Batterie beiträgt. Hierzu wird die Erkenntnis genutzt, dass die Anforderungen an Genauigkeit bezüglich Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung für zukünftige
Steuergeräte durch die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren reduziert und somit kostengünstigere
Batteriemanagementsysteme verwendet werden können. Genauer basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass trotz einer geringeren Genauigkeit der Messung der Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte die vorgebbaren Zelllimits, also die Werte, bis zu denen eine Zelle noch sicher funktioniert und nicht defekt wird, eingehalten werden können. Dies wird anhand des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht.
In einem ersten Schritt wird eine Zellspannung einer Batterie während eines Strompulses, beispielsweise eines Ladepulses, also angelegter Strom l>0 Ampere, gemessen. Sollte diese gemessene Zellspannung einen vorgebbaren Grenzwert, beispielsweise 4,0 Volt, überschreiten, wird die gemessene Zellspannung um einen sogenannten„worst-case-Wert" korrigiert. Dieser„worst-case-Wert" ist die maximal mögliche Messgenauigkeit, welche zu der gemessenen Zellspannung addiert wird, so dass ein korrigierter Messwert resultiert. Die Messgenauigkeit kann im Bereich von einigen Millivolt liegen, je nachdem, welches Messgerät verwendet wird. Dieser korrigierte Messwert wird dann in einem Datenspeicher abgelegt. Dieser
Datenspeicher kann in einem Batteriemanagementsystem bereitgestellt sein oder außerhalb davon, solange gewährleistet ist, dass die Daten darauf abgelegt und wieder abgerufen werden können.
Alle anderen bei der gemessenen Zellspannung ebenfalls gemessenen Werte wie entsprechende minimal auftretende Temperatur und Strom werden in dem Datenspeicher in einer Tabelle gesammelt und aufbereitet, d.h. es wird ein
Parameterfeld erzeugt. In diesem Parameterfeld werden diese gemessenen Werte, also die minimal auftretende Temperatur und der Strom jeweils für eine vorgebbare Anzahl an Messungen und eine vorgebbare Dauer eines Strompulses aufgetragen. Sobald die gemessene Zellspannung den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, wird der korrigierte Messwert an die Tabelle übergeben und ein Zähler, der diesem korrigierten Wert in dem Parameterfeld in der entsprechenden Zeilen- /Spaltenkombination zugewiesen ist, wird um einen Wert erhöht, meistens um den Wert„1".
Überschreitet die Summe der Werte der Zähler für eine bestimmte Anzahl an Messungen einen vorgebbaren Referenzzählerwert oder erreicht sie einen vorgebbaren Schwellenwert, wird ein Signal bzw. eine Warnung ausgegeben. Sollte diese Warnung nicht beachtet werden, kann auch ein Stilllegen der gesamten Batterie oder von Teilen davon erfolgen. Dies hängt von der Auslegung des Systems ab. Somit kann sichergestellt werden, dass vor Erreichen des
Referenzwertes geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die Batterie vor einem Schaden zu schützen.
Eine Messung ist erfindungsgemäß als ein Durchlauf definiert, beginnend bei der Messung eines Zellspannungswertes während eines Strompulses über das Korrigieren des Zellspannungswertes um eine bekannte maximal mögliche
Messgenauigkeit zur Berechnung eines korrigierten Zellspannungswertes bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes für den Zellspannungswert, fortfahrend bei der Übergabe des korrigierten Zellspannungswertes an eine Tabelle in einem Datenspeicher sowie Speichern der Werte einer minimal auftretenden Zelltemperatur und eines Stromwertes bei der gemessenen Zellspannung für eine vorgebbare Anzahl an Messungen und Strompulsdauer in der Tabelle, dem
Erhöhen eines Zählers in einer der Messung des Zellspannungswertes
zugeordneten Zeilen-/Spaltenkombination in der Tabelle um einen vorgebbaren Wert, und dem Vergleich einer Summe der Zählerwerte für die vorgebbare Anzahl an Messungen und Strompulsdauer mit einem vorgegebenen Referenzzählerwert, bis zur Ausgabe eines Signals bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts. Eine Überwachungseinrichtung, welche das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann, kann beispielsweise einen Datenspeicher umfassen, in dem das Parameterfeld abgelegt wird, sowie eine Auswerteeinrichtung, welche den
Vergleich der Messwerte mit dem vorgebbaren Grenzwert sowie die Auswertung, ob die Summe der Zählerwerte für eine bestimmte Anzahl an Messungen den Referenzzählerwert überschritten haben, durchführt. Die Überwachungseinrichtung kann mit einem Batteriemanagementsystem verbunden oder ein Teil davon sein.
Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ist, dass durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine kostengünstige Einrichtung verwendet werden kann, da keine Einrichtungen wie Sensoren, Bauelemente oder Auswerteeinrichtungen verwendet werden müssen, die eine hohe oder sehr hohe Messgenauigkeit aufweisen. Ferner kann durch das Verwenden des„worst-case- Wertes", also der Korrektur der gemessenen Zellspannung um die maximal mögliche Messgenauigkeit, trotzdem mindestens der Betriebsbereich der Batterie genutzt werden, es treten also wesentlich weniger Einschränkungen in diesem Bereich auf, als es bei den Lösungen gemäß des Standes der Technik der Fall ist.
In Figur 1 ist eine Tabelle dargestellt, welche beispielhaft zeigt, wie zu einer gemessenen Zellspannung zugehörige Werte als Parameterfeld abgelegt werden können. Ferner ist beispielhaft ein ausgefüllter Bereich mit einer Anzahl an Zählern gezeigt, die durch eine den Referenzwert übersteigenden korrigierten Messwert in die jeweils passende Zeile eingetragen wurden. Die in der untersten Zeile gezeigte Summe wird mit einem Referenzzählerwert verglichen und basierend auf diesem Ergebnis wird ein Signal erzeugt, wenn der Referenzzählerwert oder ein
vorgebbarer Schwellenwert überschritten wurde. Das Signal kann in Form einer Warnleuchte im Innenraum des Fahrzeugs oder als akustisches Signal
ausgegeben werden. Das Signal kann aber auch gleich als Steuersignal ausgegeben werden, das beispielsweise ein Stilllegen der Batterie oder von Teilen davon auslöst, um einen Schaden zu verhindern. Die Konfiguration des Signals ist abhängig davon, wie das System insgesamt ausgelegt ist, bei welchem
Schwellenwert gewarnt werden soll, bei welchem Schwellenwert, welcher eventuell ein zweiter Wert sein kann, eine Abschaltung erfolgen soll, bzw. wie hoch die Zählersumme ist etc. Somit ist klar ersichtlich, dass je nach Anwendungsgebiet und Auslegung des Systems sowie Batterieart eine entsprechende Auswahl des Referenzzählerwertes bzw. des Schwellenwertes erfolgen kann und muss.
Genauer ist in der ersten Spalte der Tabelle eine Temperatur T, genauer eine minimal auftretende Zelltemperatur bei der gemessenen Zellspannung eingetragen, hier beispielsweise 25°C und 40°C. Hier könnten weitere unterschiedliche
Temperaturen eingetragen sein, wie beispielsweise -10°C oder andere gemessene Minimaltemperaturen. Diese hängen von den Umgebungsbedingungen bei der Messung, z.B. Messung im Winter oder Sommer, ab.
In der zweiten Spalte ist ein bei der gemessenen Zellspannung auftretender Stromwert aufgetragen, der in dieser Tabelle beispielhaft für Werte größer oder kleiner als 100 Ampere bei 40°C und für Werte größer oder kleiner als 80 Ampere bei 25° gilt.
In der dritten Spalte werden die Anzahl an Messungen, hier 26000, sowie die Dauer eines Strompulses, hier 0-2 Sekunden, sowie vier Spannungswerte, hier 4,22 Volt, 4,25 Volt, 4,3 Volt und 4,35 Volt, vorgegeben. Wenn die gemessene Zellspannung, korrigiert um die maximal mögliche Messgenauigkeit, hier 100m V, den vorgebbaren Grenzwert, hier 4,0 Volt, überschreitet wird eine Erhöhung des
Zählers um„1" in der entsprechenden Zeilen-/Spaltenkombination vorgenommen. Beispielsweise liegt der korrigierte Messwert bei 4,3 Volt. Dieser Wert wurde bei einer minimalen Temperatur von 25°C und einer Strompulsdauer von 1 Sekunde gemessen. Der dabei gemessene Strom betrug 100 Ampere. Folglich wird in der dritten Spalte unter dem Wert für 4,3 Volt in der Zeile, welche die Werte für die
Temperatur von 25°C und den Strom von >80 Ampere enthält, der Zähler um den Wert„1" erhöht.
In der letzten Zeile der dritten Spalte wird die Summe der Zählerwerte, also der Messungen, die einen korrigierten Messwert oberhalb des vorgebbaren Grenzwerts geliefert haben, und für die der Zähler jeweils um den Wert„l" erhöht wurde, gebildet. In diesem Beispiel wurden 62 von 26000 Messungen als oberhalb des erlaubten vorgebbaren Grenzwerts gemessen. Diese Summe der Zählerwerte wird mit einem Referenzzählerwert verglichen. Sollte die Summe der Zählerwerte einen vorgebbaren Schwellenwert erreichen oder sogar überschreiten, hier 5% vor Überschreitung des Referenzzählerwertes, wird ein Signal erzeugt. Dieses Signal kann eine Warnung in Form einer Warnleuchte im Innenraum des Automobils sein, sie kann aber auch ein akustisches Signal oder andere Warnsignale sein, die den Fahrer davor warnen, dass die Batterie einen Defekt aufweisen könnte. Ferner kann als weiterführende Maßnahme das Signal an eine Einrichtung ausgegeben werden, die eine Stillegung der Batterie oder eines Teils davon auslöst, wenn die Warnung nicht beachtet wurde, d.h. wenn das Fahrzeug nicht zum Service gebracht wurde und der Defekt kontrolliert und behoben wurde. Dasselbe Prinzip wie oben für die dritte Spalte beschrieben gilt für Spalten vier bis sechs, allerdings für andere Grundparameter, d.h. Anzahl der Messungen und Pulsdauer.
Genauer werden in der vierten Spalte ebenfalls, wie für die dritte Spalte
beschrieben, die Anzahl an Messungen, hier 12000, sowie die Dauer eines
Strompulses, hier 2-10 Sekunden, sowie vier Spannungswerte, hier 4,22 Volt, 4,25 Volt, 4,3 Volt und 4,35 Volt, vorgegeben. Für diese Vorgabe wird eine Erhöhung des Zählers um„1" in der entsprechenden Zeilen-/Spaltenkombination
vorgenommen, wenn die gemessene Zellspannung, korrigiert um die maximal mögliche Messgenauigkeit, hier 100m V, den vorgebbaren Grenzwert, hier 4,0 Volt, überschreitet. Ferner wird ebenfalls in der letzten Zeile der vierten Spalte die Summe der Zählerwerte gebildet, hier 16, und mit einem Referenzzählerwert verglichen. Sollte die Summe der Zählerwerte einen vorgebbaren Schwellenwert erreichen oder sogar überschreiten, hier 5% vor Überschreitung des
Referenzzählerwertes, wird ein Signal erzeugt. Dieses Signal kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein.
In der fünften Spalte werden ebenfalls, wie für die dritte und vierte Spalte beschrieben, die Anzahl an Messungen, hier 4000, sowie die Dauer eines
Strompulses, hier 10-30 Sekunden, sowie vier Spannungswerte, hier 4,22 Volt,
4,25 Volt, 4,3 Volt und 4,35 Volt, vorgegeben. Für diese Vorgabe wird eine
Erhöhung des Zählers um„1" in der entsprechenden Zeilen-/Spaltenkombination vorgenommen, wenn die gemessene Zellspannung, korrigiert um die maximal mögliche Messgenauigkeit, hier 100m V, den vorgebbaren Grenzwert, hier 4,0 Volt, überschreitet. Ferner wird ebenfalls in der letzten Zeile der vierten Spalte die Summe der Zählerwerte gebildet, hier 25, und mit einem Referenzzählerwert verglichen. Sollte die Summe der Zählerwerte einen vorgebbaren Schwellenwert erreichen oder sogar überschreiten, hier 5% vor Überschreitung des
Referenzzählerwertes, wird ein Signal erzeugt. Dieses Signal kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein.
In der sechsten Spalte werden ebenfalls, wie für die dritte bis fünfte Spalte beschrieben, die Anzahl an Messungen, hier 5000, sowie die Dauer eines
Strompulses, hier größer als 30 Sekunden, sowie vier Spannungswerte, hier 4,22 Volt, 4,25 Volt, 4,3 Volt und 4,35 Volt, vorgegeben. Für diese Vorgabe wird eine
Erhöhung des Zählers um„1" in der entsprechenden Zeilen-/Spaltenkombination vorgenommen, wenn die gemessene Zellspannung, korrigiert um die maximal mögliche Messgenauigkeit, hier 100mV, den vorgebbaren Grenzwert, hier 4,0 Volt, überschreitet. Ferner wird ebenfalls in der letzten Zeile der vierten Spalte die Summe der Zählerwerte gebildet, hier 3, und mit einem Referenzzählerwert verglichen. Sollte die Summe der Zählerwerte einen vorgebbaren Schwellenwert erreichen oder sogar überschreiten, hier 5% vor Überschreitung des
Referenzzählerwertes, wird ein Signal erzeugt. Dieses Signal kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein.
Die in Figur 1 dargestellte Tabelle dient lediglich als anschauliches Beispiel. Die Werte für die minimale Temperatur, den Strom, die Anzahl und Dauer der
Messungen sowie der gemessenen Spannung und des vorgebbaren Grenzwerts sowie der Messgenauigkeit können unabhängig voneinander variieren, je nach den vorgegebenen Parametern, z.B. welche Art von Batterie gewählt wird, wie viele
Batteriezellen verwendet werden oder auch welches Messgerät bzw. -verfahren angewendet wird oder welche Umgebungsbedingungen herrschen.
Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung kann wird ein kostengünstiges System bereitgestellt, das gleichzeitig ermöglicht, mindestens den Betriebsbereich der verwendeten Batterie zu nutzen und somit die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer Batterie mit mehreren miteinander
verbundenen Zellverbunden, umfassend mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Messen eines Zellspannungswertes während eines Strompulses, b) bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes für den
Zellspannungswert erfolgt ein Korrigieren des Zellspannungswertes um eine bekannte maximal mögliche Messgenauigkeit zur Berechnung eines korrigierten Zellspannungswertes,
c) Übergabe des korrigierten Zellspannungswertes an eine Tabelle in einem Datenspeicher sowie Speichern der Werte einer minimal auftretenden Zelltemperatur und eines Stromwertes bei der gemessenen Zellspannung für eine vorgebbare Anzahl an Messungen und Strompulsdauer in der Tabelle, d) Erhöhen eines Zählers in einer der Messung des
Zellspannungswertes zugeordneten Zeilen-/Spaltenkombination in der Tabelle um einen vorgebbaren Wert,
e) Vergleich einer Summe der Zählerwerte für die vorgebbare Anzahl an Messungen und Strompulsdauer mit einem vorgegebenen Referenzzählerwert, und
f) Ausgeben eines Signals bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strompuls ein
Ladepuls oder ein Entladepuls ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der vorgebbaren Grenzwertes 4,0 Volt beträgt und die maximal mögliche Messgenauigkeit bei 100 Millivolt liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Tabelle zusätzlich zu der vorgebbaren Anzahl an Messungen und Strompulsdauer eine vorgebbare Anzahl an Spannungswerten umfasst, denen der Zähler bei Überschreiten des vorgebbaren Grenzwertes zugeordnet und für welche der Zähler um dem vorgebbaren Wert erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Signal ein Warnsignal ist, das durch optische oder akustische Anzeige einen kritischen Zustand der Batterie anzeigt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Signal ein Signal ist, das an eine Einrichtung ausgegeben wird, welche eine Abschaltung der Batterie oder eines Teils davon auslöst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schwellenwert bei 5 Prozent vor Überschreitung des Referenzzählerwertes liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Endschwellenwerts die Batterie oder ein Teil davon abgeschaltet wird.
9. Überwachungseinrichtung für eine Batterie, welche dazu angepasst ist, das Verfahren gemäß Ansprüchen 1-8 auszuführen.
10. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die
Überwachungseinrichtung in einem Batteriemanagementsystem integriert ist.
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