WO2020052970A1 - Verfahren zur bestimmung einer kapazität einer batteriezelle, auswerteeinrichtung, überwachungsvorrichtung, hochvoltbatterie sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Capacity of a battery cell of a high-voltage battery for a motor vehicle can be determined particularly easily, reliably and accurately.
  • the invention relates to a method for determining a capacity of a battery cell of a high-voltage battery of a motor vehicle. First, at least three open-circuit voltage values of the battery cell measured at different measurement times are received and at least three charge state values of the battery cell from the
  • Embodiments and their advantages apply accordingly to the evaluation device according to the invention, for the monitoring device according to the invention, for the high-voltage battery according to the invention and for the motor vehicle according to the invention.
  • the monitoring device for detecting the current can have a current sensor which measures the current flowing through the serial connection as the current of the battery cell to be monitored.
  • the monitoring device can have a voltage sensor for each battery cell. The current sensor and the voltage sensors can communicate the respective measured values to the evaluation device of the monitoring device.
  • the open-circuit voltage value is then used to determine the state of charge of the battery cell.
  • the state of charge values are calculated from the predetermined open circuit voltage curve determined or read out.
  • the open circuit voltage curve or open circuit voltage function is predetermined for the respective battery cell and describes the relationship between the open circuit voltage and the state of charge. In the open circuit voltage curve, a charge state value is therefore uniquely assigned to each open circuit voltage value.
  • the open circuit voltage curve can, for example, in a memory device
  • a first pair of values is formed, which comprises the first and the second open circuit voltage value or charge state value
  • a second pair of values is formed, which includes the second and the third open circuit voltage value or
  • Charge level value includes.
  • a third value pair can be formed, which comprises the first and the third open circuit voltage value or state of charge value.
  • the currently available, current capacity of the battery cell is determined. At least stand for the determination of the capacity two raw capacitance values are available, which were calculated from two different value pairs of the open circuit voltage. The capacity can then be used, for example, to determine an aging state of the battery cell as the ratio between the determined capacity and a nominal capacity of the battery cell.
  • the raw capacity values are preferably determined in parallel. This means that the raw capacity values run in parallel, for example simultaneously
  • Process steps are determined. It is not the capacity that is iteratively determined based on two charge state values, but the capacity is determined based on at least two currently available raw capacity values, the
  • the capacity is determined as an average of the determined raw capacity values.
  • the arithmetic mean can be determined from the raw capacity values by adding up the raw capacity values and the sum by the number Raw capacity is shared. In this way, the capacity can be determined in a particularly simple and quick manner based on the raw capacity values.
  • the capacitance is preferably determined using an optimization method, in particular using the least squares method.
  • the optimization method determines the capacity based on the raw capacity values in such a way that an overall estimation error is minimal. In this way, the capacity can be determined particularly precisely and reliably.
  • At least one value pair-specific capacity raw values in addition to the at least two value pair-specific capacity raw values, at least one
  • Model-based raw capacity value is determined, wherein the model-based raw capacity value is determined on the basis of at least one measured load on the battery cell and on the basis of a predetermined battery cell model that is dependent on the load on the battery cell, and the capacity is determined on the basis of the at least two value pair-specific capacity raw values and the at least one model-based raw capacity value.
  • the battery cell model can, for example, be a statistical model for predicting aging and describes the dependence of the capacity of the battery cell on the load on the battery cell during operation.
  • the battery cell model can
  • the battery cell for the battery cell can be predetermined and validated and stored in the memory device.
  • the model-based capacity raw value in the operation of the high-voltage battery
  • the load on the battery cell for example a charge throughput and / or a temperature profile and / or state of charge of the battery cell, can be measured and entered as an input variable in the battery cell model.
  • the battery cell model gives a model-specific one as the output variable
  • the at least one model-specific capacity raw value calculated on the basis of the battery cell model and the at least two value pair-specific capacity raw values can then be merged or combined in order to determine the capacity of the battery cell.
  • a first temperature profile between the first and the second measurement point in time and at least a second temperature profile between the second and the third Measurement time can be determined. Based on the temperature profiles and the
  • Battery cell model can then be determined two model-specific capacity raw values, which are then merged with the value pair-specific capacity raw values.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Battery cells 2 can determine an aging state or SOH (State Of Health) of the battery cells 2.
  • the monitoring device 3 here has a voltage sensor 4 for each battery cell 2 for detecting an open circuit voltage of the battery cell 2.
  • the monitoring device 3 has a current sensor 5 for detecting a current of the battery cells 2. The measured values detected by the voltage sensors 4 and the current sensor 5 can be sent to an evaluation device 6, which is designed here as a higher-level evaluation device
  • the at least three open circuit voltage values OCV1, OCV2, OCV3 or the at least three charge state values SOC1, SOC2, SOC3 are combined in a third step S3 to form at least two pairs of values.
  • the three open circuit voltage values OCV1, OCV2, OCV3 or the at least three charge state values SOC1, SOC2, SOC3 are combined in a third step S3 to form at least two pairs of values.
  • the three charge state values SOC1, SOC2, SOC3 are combined in a third step S3 to form at least two pairs of values.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle (2) einer Hochvoltbatterie (1) eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten: - Empfangen von zumindest drei Leerlaufspannungswerten (OCV1, OCV2, OCV3) der Batteriezelle (2), - Bestimmen von Ladezustandswerten (SOC1, SOC2, SOC3) der Batteriezelle (2) aus den Leerlaufspannungswerten (OCV1, OCV2, OCV3) anhand einer vorbestimmten Leerlaufspannungskurve (7), - Bilden von zumindest zwei Wertepaaren durch Kombinieren von jeweils zwei der zumindest drei Leerlaufspannungswerte (OCV1, OCV2, OCV3), - Bestimmen von jeweiligen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwerten der Batteriezelle (2) durch Integrieren eines gemessenen Stroms der Batteriezelle (2) über einen Zeitraum zwischen zwei Messzeitpunkten der zugehörigen Leerlaufspannungswerte (OCV1, OCV2, OCV3), - Bestimmen von jeweiligen wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten basierend auf dem zugehörigen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwert sowie den zugehörigen wertepaarspezifischen Ladezustandswerten (SOC1, SOC2, SOC3), - Bestimmen der Kapazität basierend auf den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten. Die Erfindung betrifft außerdem eine Auswerteeinrichtung (6), eine Überwachungsvorrichtung (3), eine Hochvoltbatterie (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle, Auswerteeinrichtung, Überwachungsvorrichtung, Hochvoltbatterie sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Auswerteeinrichtung, eine Überwachungsvorrichtung, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltenergiespeicher für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder
Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien umfassen in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen, beispielsweise Li-Ionen-Batteriezellen, welche in einem Innenraum bzw. Aufnahmeraum eines Batteriegehäuses angeordnet und dort zu Batteriemodulen verschaltet sind. Dabei unterliegen die Li-Ionen-Batteriezellen einer Alterung. Dies bedeutet, dass eine verfügbare Kapazität der Batteriezellen mit einem Alter der
Batteriezellen gegenüber einer anfänglichen Kapazität bzw. Nennkapazität der
Batteriezellen sinkt. Für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise für eine
Reichweitenschätzung eines Elektrofahrzeugs, ist es essentiell, die tatsächliche, derzeit verfügbare Kapazität der Batteriezellen kennen. Dazu werden meist Schätzverfahren verwendet, welche auf der Bestimmung der Kapazität aus einem Ladungsdurchsatz der Batteriezellen und zwei Werten des Ladezustands basieren. Zur Bestimmung der zwei Ladezustandswerte wird die Leerlaufspannung bzw. OCV (open Circuit voltage) der Batteriezelle zu zwei unterschiedlichen Messzeitpunkten gemessen. Zur Bestimmung des Ladungsdurchsatzes wird ein gemessener Strom der Batteriezelle über einen Zeitraum zwischen den zwei Messzeitpunkten integriert.
Aus dieser Methode ergibt sich der Nachteil, dass Messfehler, welche beispielsweise durch Sensorrauschen bei der Erfassung der Leerlaufspannung und des Stroms hervorgerufen werden können, das Ergebnis der Kapazitätsberechnung stark
beeinflussen. Die so berechnete Kapazität entspricht also möglicherweise nicht der tatsächlichen, derzeit verfügbaren Kapazität. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine
Kapazität einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug besonders einfach, zuverlässig und genau bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Auswerteeinrichtung, eine Überwachungsvorrichtung, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Dabei werden zunächst zumindest drei, zu unterschiedlichen Messzeitpunkten gemessene Leerlaufspannungswerte der Batteriezelle empfangen und zumindest drei Ladezustandswerte der Batteriezelle aus den
Leerlaufspannungswerten anhand einer vorbestimmten Leerlaufspannungskurve, welche einen Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand der Batteriezelle beschreibt, bestimmt. Außerdem werden zumindest zwei Wertepaare der Leerlaufspannung oder des Ladezustands durch Kombinieren von jeweils zwei der zumindest drei Leerlaufspannungswerte oder Ladezustandswerte bestimmt. Darüber hinaus werden jeweilige wertepaarspezifische Ladungsdurchsatzwerte der Batteriezelle durch Integrieren eines gemessenen Stroms der Batteriezelle über einen Zeitraum zwischen den zwei Messzeitpunkten der zugehörigen Leerlaufspannungswerte bestimmt. Schließlich werden jeweilige wertepaarspezifische Kapazitätsrohwerte basierend auf dem zugehörigen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwert sowie den zugehörigen wertepaarspezifischen Ladezustandswerten bestimmt und die Kapazität wird basierend auf den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten bestimmt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Auswerteeinrichtung für eine
Überwachungsvorrichtung einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs umfasst zumindest einen Spannungssensor zum Erfassen von zumindest drei
Leerlaufspannungswerten einer Batteriezelle der Hochvoltbatterie zu unterschiedlichen Messzeitpunkten, zumindest einen Stromsensor zum Erfassen eines Stroms der
Batteriezelle und eine erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung. Ferner gehört zur Erfindung eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen sowie einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die im Folgenden mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten
Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung, für die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung, für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Die Batteriezelle, deren Kapazität überwacht wird, ist insbesondere eine Li-Ionen- Batteriezelle der Hochvoltbatterie. Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine
Traktionsbatterie für ein als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug. Bei der Batteriezelle werden zunächst über einen vorbestimmten Messzeitraum die
Leerlaufspannung sowie der von der Batteriezelle umgesetzte Strom gemessen.
Insbesondere können alle Batteriezellen der Hochvoltbatterie überwacht werden. Dazu kann die Überwachungsvorrichtung für jede Batteriezelle den Strom sowie die
Leerlaufspannung erfassen. Im Falle einer seriellen Verschaltung der Batteriezellen kann die Überwachungsvorrichtung zum Erfassen des Stroms einen Stromsensor aufweisen, welcher den durch die serielle Verschaltung fließenden Strom als den Strom der zu überwachenden Batteriezelle misst. Zum Erfassen der Leerlaufspannung kann die Überwachungsvorrichtung für jede Batteriezelle einen Spannungssensor aufweisen. Der Stromsensor und die Spannungssensoren können die jeweiligen Messwerte an die Auswerteeinrichtung der Überwachungsvorrichtung kommunizieren. Die
Auswerteeinrichtung kann beispielsweise eine übergeordnete Auswerteeinrichtung für alle Batteriezellen der Hochvoltbatterie sein und in ein Batteriesteuergerät der
Hochvoltbatterie integriert sein.
Der Messzeitraum ist dabei so gewählt, dass sich die Kapazität der Batteriezelle während dieser Zeit nicht oder nur unwesentlich ändert. Beispielsweise kann der Messzeitraum höchstens eine Woche betragen. Während dieses Messzeitraums werden zu zumindest drei Messzeitpunkten Werte der Leerlaufspannung bzw. der Ruhespannung erfasst. Es werden also zu einem ersten Messzeitpunkt ein erster Leerlaufspannungswert, zu einem zweiten Messzeitpunkt ein zweiter Leerlaufspannungswert und zu zumindest einem dritten Messzeitpunkt ein dritter Leerlaufspannungswert erfasst. Für jeden
Leerlaufspannungswert wird dann der Ladezustandswert der Batteriezelle bestimmt. Die Ladezustandswerte werden dabei aus der vorbestimmten Leerlaufspannungskurve bestimmt bzw. ausgelesen. Die Leerlaufspannungskurve bzw. Leerlaufspannungsfunktion ist für die jeweilige Batteriezelle vorbestimmt und beschreibt den Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand. In der Leerlaufspannungskurve ist also jedem Leerlaufspannungswert ein Ladezustandswert eindeutig zugeordnet. Die Leerlaufspannungskurve kann beispielsweise in einer Speichereinrichtung der
Hochvoltbatterie hinterlegt bzw. abgespeichert sein und von der Auswerteeinrichtung ausgelesen werden.
Zu diesen zumindest drei Leerlaufspannungswerten oder Ladezustandswerten werden die zumindest zwei Wertepaare gebildet. Es sei erwähnt, dass die Reihenfolge der bisher beschriebenen Schritte nicht zwingend ist. Es können beispielsweise zuerst die
Wertepaare aus den erfassten Leerlaufspannungswerten bestimmt werden und dann die wertepaarspezifischen Ladezustandswerte bestimmt werden. Es kann aber auch sein, dass zunächst die Ladezustandswerte aus den Leerlaufspannungswerten bestimmt werden und dann Wertepaare aus den Ladezustandswerten gebildet werden.
Beispielsweise wird ein erstes Wertepaar gebildet, welches den ersten und den zweiten Leerlaufspannungswert bzw. Ladezustandswert umfasst, und ein zweites Wertepaar gebildet, welches den zweiten und den dritten Leerlaufspannungswert bzw.
Ladezustandswert umfasst. Alternativ zu dem ersten oder dem zweiten Wertepaar oder zusätzlich zu den zwei Wertepaaren kann ein drittes Wertepaar gebildet werden, welches den ersten und den dritten Leerlaufspannungswert bzw. Ladezustandswert umfasst.
Außerdem wird für jedes der gebildeten Wertepaare ein Ladungsdurchsatzwert bestimmt. Dazu wird der Strom erfasst, welcher zwischen den Messzeitpunkten der
Leerlaufspannung dieses Wertepaares von der Batteriezelle umgesetzt wurde. Es wird also eine mit der Anzahl an Wertepaaren korrespondierende Anzahl an
Ladungsdurchsatzwerten bestimmt, wobei jeder Ladungsdurchsatzwert spezifisch für ein Wertepaar ist. Dann wird für jedes Wertepaar ein Kapazitätsrohwert bestimmt. Der wertepaarspezifische Kapazitätsrohwert wird dabei anhand des für dieses Wertepaar bestimmten Ladungsdurchsatzwertes sowie anhand der für dieses Wertepaar bestimmten Ladezustandswerte bestimmt. Insbesondere werden die jeweiligen wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerte als der Quotient zwischen dem zugehörigen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwert und der Differenz der wertepaarspezifischen Ladezustandswerte bestimmt.
Nach Bestimmung der Kapazitätsrohwerte wird die derzeit verfügbare, aktuelle Kapazität der Batteriezelle bestimmt. Dabei stehen für die Bestimmung der Kapazität zumindest zwei Kapazitätsrohwerte zur Verfügung, welche aus zwei unterschiedlichen Wertepaaren der Leerlaufspannung berechnet wurden. Anhand der Kapazität kann dann beispielsweise ein Alterungszustand der Batteriezelle als das Verhältnis zwischen der bestimmten Kapazität und einer Nennkapazität der Batteriezelle bestimmt werden.
Durch die Verwendung der mehreren Wertepaare bzw. Wertekombinationen ergibt sich der Vorteil, dass sich Messfehler weniger stark auf das Gesamtergebnis der
Kapazitätsbestimmung durchschlagen. Das Ergebnis der Kapazitätsbestimmung wird dadurch genauer, sodass beispielsweise eine Alterung der Batteriezelle zuverlässig prognostiziert werden kann.
Vorzugsweise werden die Kapazitätsrohwerte parallel bestimmt. Dies bedeutet, dass die Kapazitätsrohwerte in parallel, beispielsweise gleichzeitig, verlaufenden
Verfahrensschritten bestimmt werden. Es wird also nicht die Kapazität iterativ basierend auf jeweils zwei Ladezustandswerten bestimmt, sondern die Kapazität wird basierend auf zumindest zwei, aktuell vorliegenden Kapazitätsrohwerten bestimmt, wobei die
Kapazitätsrohwerte jeweils aus zwei unterschiedlichen Ladezustandswerten bestimmt werden.
Besonders bevorzugt wird anhand einer Anzahl der erfassten Leerlaufspannungswerte der Binomialkoeffizient bestimmt und eine mit dem Binomialkoeffizienten
korrespondierende Anzahl an Wertepaaren der Leerlaufspannung oder des Ladezustands bestimmt. Der Binomialkoeffizient wird bestimmt als n n
2 (n-2 ,)! (mit als die Anzahl der erfassten Leerlaufspannungswerte) und beschreibt die Anzahl an
Kombinationsmöglichkeiten von zwei Leerlaufspannungswerten ohne Wiederholung. Für beispielsweise fünf Leerlaufspannungswerte, also n = 5, sind bereits zehn Kombinationen möglich. Es können also zehn Wertepaare und damit zehn Kapazitätsrohwerte bestimmt werden, anhand welcher dann die derzeit verfügbare Kapazität der Batteriezelle bestimmt bzw. geschätzt wird. Durch Bilden einer maximal möglichen Anzahl an Wertepaaren lässt sich in vorteilhafter Weise ein besonders genauer, fehlerreduzierter Wert der Kapazität bestimmen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kapazität als ein Mittelwert der bestimmten Kapazitätsrohwerte bestimmt. Im einfachsten Fall kann also beispielsweise das arithmetische Mittel aus den Kapazitätsrohwerten bestimmt werden, indem die Kapazitätsrohwerte aufsummiert werden und die Summe durch die Anzahl an Kapazitätsrohwerten geteilt wird. So kann auf besonders einfache und schnelle Weise die Kapazität basierend auf den Kapazitätsrohwerten bestimmt werden.
Vorzugsweise wird die Kapazität mittels eines Optimierungsverfahrens, insbesondere mittels der Methode der kleinsten Quadrate, bestimmt. Mittels des
Optimierungsverfahrens wird die Kapazität anhand der Kapazitätsrohwerte also derart bestimmt, dass ein Gesamtschätzfehler minimal ist. So kann die Kapazität besonders genau und zuverlässig bestimmt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zu den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten zumindest ein
modellbasierter Kapazitätsrohwert bestimmt, wobei der modellbasierte Kapazitätsrohwert anhand zumindest einer gemessenen Belastung der Batteriezelle sowie anhand eines von der Belastung der Batteriezelle abhängigen, vorbestimmten Batteriezellmodells bestimmt wird und wobei die Kapazität basierend auf den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten und dem zumindest einen modellbasierten Kapazitätsrohwert bestimmt wird. Das Batteriezellmodel kann beispielsweise ein statistisches Modell zur Alterungsprognose sein und beschreibt die Abhängigkeit der Kapazität der Batteriezelle von der Belastung der Batteriezelle im Betrieb. Das Batteriezellmodell kann
beispielsweise während einer Entwicklung der Batteriezelle für die Batteriezelle vorbestimmt und validiert werden und in der Speichereinrichtung hinterlegt werden. Um nun im Betrieb der Hochvoltbatterie den modellbasierten Kapazitätsrohwert zu
bestimmen, kann die Belastung der Batteriezelle, beispielsweise ein Ladungsdurchsatz und/oder ein Temperaturverlauf und/oder Ladezustandsverweilzeiten der Batteriezelle, gemessen werden und als Eingangsgröße in das Batteriezellmodell eingepflegt werden. Das Batteriezellmodell gibt als die Ausgangsgröße einen, modellspezifischen
Kapazitätsrohwert aus. Der zumindest eine anhand des Batteriezellmodels berechnete, modellspezifische Kapazitätsrohwert und die zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerte können dann fusioniert bzw. kombiniert werden, um die Kapazität der Batteriezelle zu bestimmen.
Beispielsweise können mehrere modellspezifische Kapazitätsrohwerte für
unterschiedliche Zeiträume bestimmt werden, sodass die modellspezifischen
Kapazitätsrohwerte jeweils mit einem Wertepaar und damit mit jeweils einem
wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwert korrespondieren. Beispielsweise können dazu ein erster Temperaturverlauf zwischen dem ersten und dem zweiten Messzeitpunkt und zumindest ein zweiter Temperaturverlauf zwischen dem zweiten und dem dritten Messzeitpunkt bestimmt werden. Anhand der Temperaturverläufe und des
Batteriezellmodells können dann zwei modellspezifische Kapazitätsrohwerte bestimmt werden, welche dann mit den wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten fusioniert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Leerlaufspannungskurve.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterie 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Hochvoltbatterie 1 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie eines hier nicht gezeigten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sein. Die Hochvoltbatterie 1 weist mehrere, hier seriell verschaltete Batteriezellen 2 sowie eine Überwachungsvorrichtung 3 auf, welche dazu ausgelegt ist, eine jeweilige Kapazität der Batteriezellen 2 zu schätzen bzw. zu bestimmen. Anhand der Kapazität der
Batteriezellen 2 kann ein Alterungszustand bzw. SOH (State Of Health) der Batteriezellen 2 bestimmt werden. Die Überwachungsvorrichtung 3 weist hier für jede Batteriezelle 2 einen Spannungssensor 4 zum Erfassen einer Leerlaufspannung der Batteriezelle 2 auf. Außerdem weist die Überwachungsvorrichtung 3 einen Stromsensor 5 zum Erfassen eines Stroms der Batteriezellen 2 auf. Die von den Spannungssensoren 4 und dem Stromsensor 5 erfassten Messwerte können an eine Auswerteeinrichtung 6, welche hier als eine übergeordnete Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, der
Überwachungsvorrichtung 3 übermittelt werden, welche basierend auf den Messwerten die Kapazitäten der Batteriezellen 2 bestimmt.
Dazu wird von der Auswerteeinrichtung 6 ein Verfahren durchgeführt, dessen Schritte anhand des Ablaufdiagramms gemäß Fig. 2 erläutert werden. In einem ersten Schritt S1 werden Leerlaufspannungswerte, welche zu zumindest drei unterschiedlichen
Messzeitpunkten erfasst wurden, von der Auswerteeinrichtung 6 empfangen. In einem zweiten Schritt S2 werden mit Hilfe einer Leerlaufspannungskurve 7, welche in Fig. 3 dargestellt ist, Ladezustandswerte aus den Leerlaufspannungswerten bestimmt. In der Leerlaufspanungskurve ist ein Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung OCV und dem Ladezustand SOC hergestellt. Aus der Leerlaufspannungskurve 7 werden für die drei erfassten Leerlaufspannungswerte OCV1 , OCV2 und OCV3 die jeweiligen zugehörigen Ladezustandswerte SOC1 , SOC2 und SOC3 ausgelesen. Die Leerlaufspannungskurve 7 ist vorbestimmt und kann beispielsweise in einer für die Auswerteeinrichtung auslesbaren Speichereinrichtung der Überwachungsvorrichtung 3 hinterlegt sein.
Die zumindest drei Leerlaufspannungswerte OCV1 , OCV2, OCV3 bzw. die zumindest drei Ladezustandswerte SOC1 , SOC2, SOC3 werden in einem dritten Schritt S3 zu zumindest zwei Wertepaaren kombiniert. Beispielsweise können anhand der drei
Leerlaufspannungswerte OCV1 , OCV2, OCV3 bzw. der zumindest drei
Ladezustandswerte SOC1 , SOC2, SOC3 drei Wertepaare gebildet werden, wobei jedem Wertepaar zwei unterschiedlichen Leerlaufspannungswerte OCV1 , OCV2, OCV3 sowie zwei unterschiedliche Ladezustandswerte SOC1 , SOC2, SOC3 sowie die zugehörigen Messzeitpunkte zugeordnet sind.
In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird pro Wertepaar ein Ladungsdurchsatzwert bestimmt. Dazu wird der von dem Stromsensor 5 erfasste Strom einer Batteriezelle 2 über den Zeitraum zwischen den Messzeitpunkten der zwei Leerlaufspannungswerte OCV1 , OCV2, OCV3 des jeweiligen Wertepaares integriert. Anhand des Ladungsdurchsatzwerts sowie anhand der Ladezustandswerte SOC1 , SOC2, SOC3 eines Wertepaares wird in einem fünften Schritt S5 für jedes Wertepaar ein Kapazitätsrohwert bestimmt. Der Kapazitätsrohwert Croh wird beispielsweise für ein Wertepaar mit den
Ladezustandswerten SOC1 und SOC2 sowie mit dem Ladungsdurchsatzwert Q nach der Formel Croh
Figure imgf000011_0001
bestimmt. Bei drei Wertepaaren werden also drei
Kapazitätsrohwerte bestimmt.
In einem sechsten Verfahrensschritt S6 wird aus den Kapazitätsrohwerten die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle 2 bestimmt. Beispielsweise kann die Kapazität C unter
Minimierung des Gesamtschätzfehlers über ein Optimierungsverfahren bestimmt werden: min Ei=i,...n|c roft,i - c\ mit n als die Anzahl der Kapazitätsrohwerte. Es kann aber auch
CE
vorgesehen sein, dass andere Optimierungsverfahren, beispielsweise die Methode des kleinsten Quadrate, oder eine Mittelwertbildung aus den Kapazitätsrohwerten zur Bestimmung der Kapazität verwendet werden.
In einem optionalen, vor dem sechsten Schritt S6 durchgeführten Schritt können zusätzlich zu den wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten noch modellspezifische Kapazitätsrohwerte bestimmt werden. Diese modellspezifischen Kapazitätsrohwerte können aus einem vorbestimmten Batteriezellmodell, welches die belastungsabhängige Kapazität der Batteriezelle 2 beschreibt, bestimmt werden. Dazu wird, beispielsweise mittels eines Temperatursensors der Batteriezellen 2, als die Belastung ein
Temperaturverlauf der Batteriezelle 2 gemessen und anhand des gemessenen
Temperaturverlaufs wird mittels des Batteriezellmodells der modellspezifische
Kapazitätsrohwert bestimmt. Dieser modellspezifische Kapazitätsrohwert sowie die wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerte können dann zu der Kapazität fusioniert werden.
Bezugszeichenliste
1 Hochvoltbatterie
2 Batteriezellen
3 Überwachungsvorrichtung
4 Spannungssensor
5 Stromsensor
6 Auswerteeinrichtung 7 Leerlaufspannungskurve ocv Leerlaufspannung
COV1 , OCV2, OCV3 Leerlaufspannungswerte SOC Ladezustand
SOC1 , SOC2, SOC3 Ladezustandswerte S1 , S2, S3, S4, S5, S6 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle (2) einer
Hochvoltbatterie (1 ) eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten:
- Empfangen von zumindest drei, zu unterschiedlichen Messzeitpunkten gemessenen Leerlaufspannungswerten (OCV1 , OCV2, OCV3) der Batteriezelle (2),
- Bestimmen von Ladezustandswerten (SOC1 , SOC2, SOC3) der Batteriezelle (2) aus den Leerlaufspannungswerten (OCV1 , OCV2, OCV3) anhand einer vorbestimmten Leerlaufspannungskurve (7), welche einen Zusammenhang zwischen der
Leerlaufspannung (OCV) und dem Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (2) beschreibt,
- Bilden von zumindest zwei Wertepaaren der Leerlaufspannung (OCV) oder des Ladezustands (SOC) durch Kombinieren von jeweils zwei der zumindest drei
Leerlaufspannungswerte (OCV1 , OCV2, OCV3) oder Ladezustandswerte (SOC1 , SOC2, SOC3),
- Bestimmen von jeweiligen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwerten der Batteriezelle (2) durch Integrieren eines gemessenen Stroms der Batteriezelle (2) über einen Zeitraum zwischen den zwei Messzeitpunkten der zugehörigen
Leerlaufspannungswerte (OCV1 , OCV2, OCV3),
- Bestimmen von jeweiligen wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten basierend auf dem zugehörigen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwert sowie den
zugehörigen wertepaarspezifischen Ladezustandswerten (SOC1 , SOC2, SOC3),
- Bestimmen der Kapazität basierend auf den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerte parallel bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand einer Anzahl der erfassten Leerlaufspannungswerte (OCV1 , OCV2, OCV3) der Binomialkoeffizient bestimmt wird und eine mit dem Binomialkoeffizienten korrespondierende Anzahl an Wertepaaren bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerte als der Quotient zwischen dem zugehörigen wertepaarspezifischen Ladungsdurchsatzwert und der Differenz der wertepaarspezifischen Ladezustandswerte (SOC1 , SOC2, SOC3) bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapazität als ein Mittelwert der bestimmten wertepaarspezifischen
Kapazitätsrohwerte bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapazität mittels eines Optimierungsverfahrens, insbesondere mittels der Methode der kleinsten Quadrate, bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich zu den zumindest zwei wertepaarspezifischen Kapazitätsrohwerten zumindest ein modellbasierter Kapazitätsrohwert bestimmt wird, wobei der
modellbasierte Kapazitätsrohwert anhand zumindest einer gemessenen Belastung der Batteriezelle (2) sowie anhand eines von der zumindest einen Belastung der
Batteriezelle (2) abhängigen, vorbestimmten Batteriezellmodells bestimmt wird und wobei die Kapazität basierend auf den zumindest zwei wertepaarspezifischen
Kapazitätsrohwerten und dem zumindest einen modellbasierten Kapazitätsrohwert bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellmodell ein statistisches Modell ist, welches eine Abhängigkeit der Kapazität der Batteriezelle (2) von der Belastung der Batteriezelle (2) beschreibt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
als die Belastung ein Ladungsdurchsatz und/oder ein Temperaturverlauf und/oder Ladezustandsverweilzeiten der Batteriezelle (2) erfasst werden.
10. Auswerteeinrichtung (6) für eine Überwachungsvorrichtung (3) einer Hochvoltbatterie (1 ) eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
1 1. Überwachungsvorrichtung (3) für eine Hochvoltbatterie (1 ) eines Kraftfahrzeugs
aufweisend einen Spannungssensor (4) zum Messen von zumindest drei
Leerlaufspannungswerten (OCV1 , OCV2, OCV3) einer Batteriezelle (2) zu
unterschiedlichen Zeitpunkten, einen Stromsensor (5) zum Erfassen eines Stroms der Batteriezelle (2) und eine Auswerteeinrichtung (6) nach Anspruch 10.
12. Hochvoltbatterie (1 ) für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriezellen (2) und einer Überwachungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1 1 .
13. Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (1 ) nach Anspruch 12.
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