WO2021069233A1 - Kalibrierung eines balancing-systems in einem batteriesystem - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for calibrating a balancing system in a battery system.
  • Battery systems for electrically or hybrid-electrically operated vehicles comprise a plurality of individual secondary cells connected in parallel and in series, typically lithium-ion cells, which are controlled by a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the BMS has the function of monitoring the operating data such as cell voltage, state of charge (SoC), degree of aging (SoH, State of Health), current, temperature and controlling the charging and discharging of the cells.
  • Other tasks of the BMS are the thermal management of the battery system, the protection of the cells and the prediction of the remaining service life of the cells on the basis of the recorded operating data.
  • the individual cells can be connected in series in order to achieve the desired voltage, for example 200 to 400 V.
  • a plurality of cells can be connected in parallel in groups, and the cell groups thus obtained are in turn connected in series.
  • the cell groups connected in parallel behave like individual cells with regard to voltage or SoC monitoring as well as with regard to the balancing described in more detail below. The following are therefore individual cells and groups of individual cells connected in parallel are collectively referred to as "cell units".
  • SoC state of charge
  • active balancing processes charge is transferred from a cell unit with an increased SOC to a cell unit with a lower SOC. This can be done by a charge-transferring element such as a capacitor, a coil and / or a voltage converter.
  • passive balancing processes on the other hand, in cells with an increased SOC, the excess charge is simply dissipated via a resistor (shunt) until the state of charge is balanced.
  • the balancing charge can be determined from the cell voltage, the duration of the actuation of the balancing circuit and the characteristics of the balancing circuit itself.
  • the problem here is that although the voltage profile and the time are known with good accuracy, the accuracy of the charge determination depends on the tolerance of the load resistance. For reasons of cost, the use of high-precision load resistors or individual re-measurement of the exact resistance values is out of the question for most purposes.
  • the invention relates to a method for calibrating a passive balancing system in a battery system which comprises a plurality of lithium ion cells and a battery management device (BMU).
  • BMU battery management device
  • cell units which consist of individual cells or groups of several cells connected in parallel are each connected in series in strings.
  • Each cell unit ie, individual cell or block of cells connected in parallel
  • the BMU is also set up to measure the voltage Ui of each cell unit and to actuate the discharge circuit at a selectable point in time in order to discharge the cell unit i in a controlled manner via the load resistor Ri.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • the supply of a previously known charge and its subsequent dissipation via the balancing system as well as the calculation from the voltage using the aforementioned differential capacitance Ci dQi / dUi of the cell come into consideration as alternatives.
  • the calibration method according to the invention enables the exact values for the load resistances R ⁇ to be determined, which in turn determines the precise determination of the amount of charge that has flowed during balancing, which in turn can be used for diagnosis (eg for the beginning of internal fine-tuning).
  • the calibration process can also be used again and again over the entire service life of the battery system without having to visit the workshop.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a string of cell units, each of which is provided with a discharge circuit and a voltage measuring device.
  • FIG. 2 shows schematically the structure when determining Q ⁇ by supplying and subsequent dissipation of a previously known charge.
  • the battery system in which the method according to the invention is used comprises a plurality of lithium-ion cells and a battery management device (BMS), in which cell units made up of individual cells or groups of cells connected in parallel are each provided with a balancing circuit.
  • the battery management device is set up to carry out a charge equalization, ie a balancing, at predetermined times perform.
  • a charge equalization ie a balancing
  • the balancing circuit is actuated in order to remove charge from this cell or cell group until the cell voltages are equalized.
  • the balancing is typically carried out during a resting phase, for example after charging and at a time when the battery system is not being loaded.
  • the balancing can be carried out at any time outside of the ferry service, preferably directly after the storage unit has been charged.
  • ferry operation with an internal combustion engine can also be considered.
  • the point in time and the exact method of balancing are not specifically restricted as long as the charge converted for each cell during balancing can be determined by the BMS.
  • FIG. 1 A simplified schematic representation of such a passive balancing circuit for the case of N cells connected in series is shown in FIG.
  • the cell voltage U ⁇ is monitored by the BMS.
  • each cell is provided with a shunt circuit that includes at least one switch S ⁇ (e.g. a MOSFET) controlled by the BMS and the actual parallel resistor (shunt) R ⁇ .
  • S ⁇ e.g. a MOSFET
  • the calibration method according to the invention is used to precisely determine the resistance value R ⁇ in order to be able to precisely determine the balancing current and the charge that has flowed.
  • the battery management device is able to measure U ⁇ with high precision and, if necessary, record it over time, in order to be able to monitor the state of charge (SOC) of the cell unit, for example.
  • SOC state of charge
  • the invention is based on the idea of determining the calibration parameter R ⁇ using the above formula by determining the duration of the actuation of the discharge circuit (discharge duration) t ⁇ , the charge Q ⁇ and the voltage profile U ⁇ ( t). R ⁇ can then be written as
  • the supply of a known charge and their subsequent removal via the discharge into consideration, or the calculation are, for example, the charge from the differential capacitor and the voltage profile during discharge. Determination of Qi by applying a known charge
  • a first possibility of determining Q ⁇ consists in supplying a known charge Q, which leads to an increase in the voltage Ui due to the increase in the state of charge of the cell unit.
  • the discharge circuit is then actuated until the increased voltage has fallen back to the initial value.
  • the state of charge (SOC) of the unit cell is again the same as before feeding of the charge, that is, is flown during discharge charge Q ⁇ corresponds to the charge supplied Q.
  • SOC state of charge
  • step (1) the voltage U ⁇ , o is measured, which is a measure of the initial SOC of the cell unit, which is also must be equal to the end SOC at the end of the following step (3).
  • step (2) the entire string is charged with a defined charging current for a defined period of time.
  • This step can be carried out with a conventional charger and differs from normal charging only in that the battery system is not fully charged, but that only a known charge Q is supplied, which is calculated by integrating the charging current over time.
  • the charging method is not particularly limited.
  • charging can take place with a constant current or with a constant voltage. It is only necessary to measure the course of the charging current I over time in order to be able to calculate the charge.
  • the battery system or the charging device is anyway provided with a current measuring device that can be used to determine the charge.
  • the current measuring device is integrated into the battery system ("S-Box"). If necessary, a high-precision current measuring device can be introduced into the charging circuit in order to be able to determine the charge with high accuracy.
  • Step (2) does not require any physical access to the individual cell units, but can be carried out with the installed battery system in the field using conventional charging devices.
  • a high-precision current measuring device may be required as additional equipment.
  • step (3) the cell units are discharged by actuating the discharge circuit until Eh, o and thus the original SOC is reached again.
  • the thereby dissipated charge Q ⁇ is thus equal to the charge supplied in step (2).
  • step (4) By recording the voltage profile during the discharge and integrating it over time, the value of the load resistance R ⁇ is then calculated in step (4) as be carried out. No special laboratory equipment is required, and no external measures are required on the battery system itself.
  • This embodiment of the Method according to the invention using the differential capacitance C ⁇ comprises the following steps:
  • step (1) the cell is again discharged in a controlled manner and the voltage curve measured during discharging.
  • the charge withdrawn is not known in advance, but has to be calculated in step (2) from the previously known differential capacitance C ⁇ and the measured voltage profile U ⁇ ( t).
  • the differential capacity C ⁇ is either stored in the battery management system itself, or it is calculated on-the-fly from the previously known idling characteristic.
  • step (3) R ⁇ is determined in a manner analogous to that in the first embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines passiven Balancing-Systems in einem Batteriesystem, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung umfasst, worin Zelleneinheiten aus einzelnen Zellen oder parallel geschalteten Gruppen von mehreren Zellen jeweils mit einer Entladeschaltung versehen sind, die einen Lastwiderstand Ri aufweist, der den Kalibrierungsparameter darstellt, und die Zelleneinheiten strangweise seriell geschaltet sind, und worin die Batteriemanagement-Einrichtung dafür eingerichtet ist, die Spannung Ui jeder Zelleneinheit zu messen sowie zu einem wählbaren Zeitpunkt die Entladeschaltung zu betätigen, um die Zelleneinheit i kontrolliert über den Lastwiderstand Ri zu entladen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Betätigung der Entladeschaltung der Zelleinheit i für eine Entladedauer ti, um eine Ladung Qi zu entnehmen, und Ermittlung von ti, Qi und des zeitlichen Spannungsverlaufs Ui(t); - Bestimmung von Ri als (I).

Description

Kalibrierung eines Balancing-Systems in einem
Batteriesystem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Balancing-Systems in einem Batteriesystem.
Technischer Hintergrund
Batteriesystem
Batteriesysteme für elektrisch oder hybrid-elektrisch betriebene Fahrzeuge umfassen eine Mehrzahl einzelner miteinander parallel und seriell verbundener Sekundärzellen, typischerweise Lithiumionenzellen, die durch ein Batteriemanagement-System (BMS) kontrolliert werden.
Das BMS hat unter anderem die Funktion, die Betriebsdaten wie Zellspannung, Ladungszustand (SoC, State of Charge), Alterungsgrad (SoH, State of Health), Strom, Temperatur zu überwachen sowie das Laden bzw. Entladen der Zellen zu steuern. Weitere Aufgaben des BMS sind das thermische Management des Batteriesystems, der Schutz der Zellen, sowie die Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer der Zellen auf Grundlage der aufgezeichneten Betriebsdaten.
Im Batteriesystem können die einzelnen Zellen seriell geschaltet werden, um die gewünschte Spannung, beispielsweise 200 bis 400 V zu erreichen. Alternativ können zur Erhöhung der Kapazität eine Mehrzahl von Zellen gruppenweise parallelgeschaltet werden, und die so erhaltenen Zellgruppen werden wiederum seriell geschaltet. Aus Sicht des BMS verhalten sich die parallel geschalteten Zellgruppen im Hinblick auf Spannungs- bzw. SoC-Überwachung so wie auch in Bezug auf das nachfolgend noch näher beschriebene Balancing wie einzelne Zellen. Im Folgenden werden daher einzelne Zellen und parallel geschaltete Gruppen einzelner Zellen zusammenfassend als „Zelleneinheiten" bezeichnet.
Balancing
Eine wichtige Funktion des BMS ist das sogenannte Balancing, der Ausgleich des Ladungszustandes der einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen. Es kann Vorkommen, dass der Ladungszustand (SoC) einzelner Zellen beispielsweise durch erhöhte Selbstentladung aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverteilung oder Fertigungsschwankungen vom SoC der übrigen Zellen eines Zellverbundes abweicht.
Ein solches Ungleichgewicht macht sich durch ein Auseinanderdriften der Zellspannungen bemerkbar und kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer und verstärkten Abnutzung der Zellen führen. Entsprechendes gilt auch für parallelgeschaltete Gruppen von Einzelzellen, die sich nach außen hin wie eine einige Zelle mit entsprechend größerer Kapazität verhalten. Beim Balancing wird der Ladungszustand der Zelleneinheiten (d.h. der einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen) aneinander angeglichen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen .
Es wird generell zwischen aktiven und passiven Balancing- Verfahren unterschieden. Bei aktiven Balancing-Verfahren wird Ladung von einer Zelleneinheit mit erhöhtem SOC auf eine Zelleneinheit mit geringerem SOC übertragen. Dies kann durch ein ladungsübertragendes Element wie z.B. einen Kondensator, eine Spule und/oder einen Spannungswandler erfolgen. Bei passiven Balancing-Verfahren wird hingegen bei Zellen mit erhöhtem SOC einfach die überschüssige Ladung über einen Widerstand (Shunt) dissipiert, bis der Ladungszustand ausgeglichen ist.
Die beim Balancing pro Zelle umgesetzte (d.h., entnommene und bei aktivem Balancing ggf. auch zugeführte) Ladung sowie deren Verteilung über die einzelnen Zellen des Batteriesystems liefert Rückschlüsse auf das Ausmaß der Selbstentladung, was wiederum Hinweise auf den Alterungszustand (State of Health, SoH) sowie ggf. auch auf die Gefahr der Entstehung eines inneren Kurzschlusses ermöglicht. Somit besteht Bedarf für Verfahren zur genauen Bestimmung der Balancing-Ladung.
Aufgabenstellung
Grundsätzlich kann die Balancing-Ladung aus der Zellspannung, der Zeitdauer der Betätigung der Balancing-Schaltung und den Charakteristika der Balancing-Schaltung selbst bestimmt werden. So lässt sich im Fall des passiven Balancings der Balancing-Strom dem Widerstandswert R des Lastwiderstands (Shunt) und dem während des Balancings gemessenen Spannungsverlauf U(t) als I(t) = U(t)/R berechnen, und Integration über die Zeitdauer der Betätigung des Balancing- Systems liefert die geflossene Ladung.
Hierbei besteht jedoch die Schwierigkeit, dass zwar der Spannungsverlauf und die Zeit in guter Genauigkeit bekannt sind, dass aber die Genauigkeit der Ladungsbestimmung von der Toleranz des Lastwiderstands abhängt. Aus Kostengründen kommt für die meisten Verwendungszwecke ein Einsatz von hochpräzisen Lastwiderständen oder ein einzelnes Nachmessen der genauen Widerstandswerte nicht in Betracht.
Daher besteht Bedarf für ein Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Balancing-Ladung mit hoher Genauigkeit, das in einem vorkonfigurierten Batteriesystem mit passivem Balancing, in dem die präzisen Widerstandswerte der Lastwiderstände unbekannt sind, ohne größeren Aufwand durchgeführt werden kann. Vorzugsweise soll das Verfahren auch im Feldeinsatz oder im laufenden Betrieb durchgeführt werden können, ohne dass spezielle Ausrüstung in Laborqualität erforderlich ist. Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines passiven Balancing-Systems in einem Batteriesystem, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement- Einrichtung (BMU) umfasst.
Im erfindungsgemäß eingesetzten Batteriesystem sind Zelleneinheiten, die aus einzelnen Zellen oder parallel geschalteten Gruppen von mehreren Zellen bestehen, jeweils strangweise seriell geschaltet. Jede Zelleneinheit (d.h., Einzel-Zelle bzw. Block aus parallel geschalteten Zellen) ist mit einer Entladeschaltung versehen, die einen Lastwiderstand Ri aufweist, wobei der Wert von R± den Kalibrierungsparameter darstellt. Die BMU ist zudem dafür eingerichtet, die Spannung Ui jeder Zelleneinheit zu messen sowie zu einem wählbaren Zeitpunkt die Entladeschaltung zu betätigen, um die Zelleneinheit i kontrolliert über den Lastwiderstand Ri zu entladen .
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Betätigung der Entladeschaltung der Zelleinheit i für eine Entladedauer ti,
- Ermittlung der während der Entladedauer ti entnommenen Ladung Qi zu entnehmen und des zeitlichen Spannungsverlaufs Ui(t);
- Bestimmung von Ri als
Figure imgf000005_0001
Für die Bestimmung von Qi kommen als Alternativen insbesondre die Zufuhr einer vorbekannten Ladung und ihre nachfolgende Dissipation über das Balancing-System sowie die Berechnung aus der Spannung anhand der vorbenannten differentiellen Kapazität Ci = dQi/dUi der Zelle in Betracht. Durch das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren können die genauen Werte für die Lastwiderstände R± ermittelt werden, was wiederum die präzise Bestimmung der beim Balancing geflossenen Ladungsmenge ermittelt, die wiederum zur Diagnose (z.B. für beginnende interne Feinschlüsse) herangezogen werden kann. Ebenso kann das Kalibrierungsverfahren auch über die gesamte Lebensdauer des Batteriesystems immer wieder angewandt werden, ohne einen Werkstattaufenthalt notwendig zu machen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Strangs von Zelleneinheiten, die jeweils mit einer Entladeschaltung und einer Spannungsmesseinrichtung versehen sind.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau bei der Bestimmung von Q± durch Zufuhr und anschließende Dissipation einer vorbekannten Ladung.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden der Aufbau des Batteriesystems, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, sowie die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens selbst, näher beschrieben.
Batteriesystem und Balancing
Das Batteriesystem, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, umfasst eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung (BMS), worin Zelleinheiten aus Einzelzellen oder parallel geschalteten Gruppen von Zellen mit jeweils mit einer Balancing-Schaltung versehen sind. Die Batteriemanagement-Einrichtung ist dafür eingerichtet, zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Ladungsausgleich vorzunehmen, d.h. ein Balancing durchzuführen. Hierzu wird bei einer Zelle bzw. Zellgruppe, deren Zellspannung gegenüber mindestens einer anderen Zelle bzw. Zellgruppe erhöht ist, die Balancing-Schaltung betätigt, um dieser Zelle bzw. Zellgruppe Ladung zu entnehmen, bis die Zellspannungen angeglichen sind.
Das Balancing wird typischerweise während einer Ruhephase durchgeführt, beispielsweise nach dem Laden und zu einem Zeitpunkt, in dem das Batteriesystem nicht belastet wird.
Falls das Batteriesystem in einem Elektrofahrzeug verbaut ist, kann das Balancing zu einem beliebigen Zeitpunkt außerhalb des Fährbetriebs durchgeführt werden, vorzugsweise direkt nach dem Laden des Speichers. In einem hybridelektrischen Fahrzeug oder plug-in-hybridelektrischen Fahrzeug kommt auch der Fährbetrieb mit Verbrennungsmotor in Betracht. Erfindungsgemäß sind der Zeitpunkt und das genaue Verfahren des Balancings nicht speziell beschränkt, solange die beim Balancing für jede Zelle umgesetzte Ladung durch das BMS ermittelt werden kann.
Beim passiven Balancing wird der Zelle mit erhöhter Zellspannung (und damit erhöhtem SOC) Ladung entnommen und an einem Lastwiderstand (Shunt) dissipiert. Eine vereinfachte schematische Darstellung einer solchen passiven Balancing- Schaltung für den Fall von N in Reihe geschalteten Zellen ist in Figur 1 gezeigt. Für jede Zelle i wird die Zellspannung U± vom BMS überwacht. Zudem ist jede Zelle mit einem Shunt- Stromkreis versehen, der zumindest einen vom BMS kontrollierten Schalter S± (z.B. einem MOSFET) und den eigentlichen Parallelwiderstand (Shunt) R± umfasst.
Um den apparativen Aufwand geringzuhalten, ist eine Möglichkeit zur direkten Messung des Stroms I± im Balancing- Stromkreis nicht vorgesehen. Der Balancing-Strom wird stattdessen aus dem Widerstandswert R± und dem während des Balancing gemessenen Spannungsverlauf U±(t) als I±(t) = U±(t)/R berechnet. Integration über die Zeit liefert die geflossene Ladung. Bestimmung des Lastwiderstands
Das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren dient zur genauen Bestimmung der Widerstandswert R±, um den Balancing-Strom und die geflossene Ladung genau ermitteln zu können. Der beim Balancing über den Lastwiderstand fließende Strom beträgt allgemein I± = Ui/Ri, wobei U± eine Funktion des Ladungszustands (SOCi) der Zelleneinheit ist und folglich nicht zeitlich konstant sein muss, sondern von der bereits geflossenen Ladung Qi abhängt. Die Ladung berechnet sich somit als
Figure imgf000008_0001
Jlidt = 1/Ri * JUidt.
Wie oben ausgeführt, ist die Batteriemanagement-Einrichtung in der Lage, U± in hoher Präzision zu messen und ggf. zeitlich aufzuzeichnen, um beispielsweise den Ladungszustand (SOC) der Zelleneinheit überwachen zu können.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Kalibrierungsparameter R± anhand der obigen Formel zu ermitteln, indem die Dauer der Betätigung der Entladeschaltung (Entladedauer) t±, die geflossene Ladung Q± und der Spannungsverlauf U±(t) bestimmt werden. R± lässt sich dann als
R = 1/Qi * iU^dt berechnen. Die hierzu erforderlichen Messungen und Berechnungen erfolgen durch die Batteriemanagement- Einrichtung, die ohnehin für die Spannungsüberwachung und die Steuerung der Entladeschaltung konfiguriert ist.
Zur Bestimmung der geflossenen Ladung Q± kommen beispielsweise die Zufuhr einer bekannten Ladung und ihre nachfolgende Entnahme über die Entladeschaltung in Betracht, oder die Berechnung der Ladung aus der differentiellen Kapazität und dem Spannungsverlauf während des Entladens. Bestimmung von Qi durch Zufuhr einer bekannten Ladung
Eine erste Möglichkeit der Bestimmung von Q± besteht in der Zufuhr einer bekannten Ladung Q, was aufgrund der Erhöhung des Ladezustands der Zelleneinheit zu einer Erhöhung der Spannung Ui führt. Danach wird die Entladeschaltung solange betätigt, bis die erhöhte Spannung wieder auf den Ausgangswert abgesunken ist. Dann ist auch der Ladungszustand (SOC) der Zelleneinheit wieder der gleiche wie vor Zufuhr der Ladung, d.h., ist die beim Entladen geflossene Ladung Q± entspricht der zugeführten Ladung Q. Der schematische Aufbau ist in Figur 2 gezeigt .
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die folgenden Schritte:
(1) Bestimmung der Anfangsspannung U±,o jeder Zelleneinheit i des Strangs durch die Batteriemanagement-Einrichtung;
(2) Anlegen eines vorbekannten Ladestroms I an den Strang für eine vorbestimmte Zeit tL, um jeder Zelleneinheit die bekannte Ladung Q = Jldt zuzuführen;
(3) Entnahme der vorher zugeführten Ladung Q± = Q, indem die Entladeschaltung solange betätigt wird, bis die Anfangsspannung U±,o wieder erreicht ist, so dass die Entladedauer t± die Bedingung Ui(t±) = U±,o erfüllt;
(4) Bestimmung von R± als
Figure imgf000009_0001
worin t± (U = U±,o) die Entladedauer darstellt, nach der die Spannung wieder auf den Anfangswert U±,o abgefallen ist.
Zunächst wird in Schritt (1) die Spannung U±,o gemessen, die Maß für den Anfangs-SOC der Zelleneinheit darstellt, der auch gleich dem End-SOC bei Beendigung des nachfolgenden Schritts (3) sein muss.
Nachfolgend wird in Schritt (2) der gesamte Strang mit einem definierten Ladestrom für eine definierte Zeitspanne aufgeladen. Dieser Schritt kann mit einem herkömmlichen Ladegerät erfolgen und unterscheidet sich vom normalen Laden lediglich dadurch, dass das Batteriesystem nicht vollständig aufgeladen wird, sondern dass nur eine bekannte Ladung Q zugeführt wird, die durch zeitliche Integration des Ladestroms berechnet wird.
Das Ladeverfahren ist nicht speziell beschränkt.
Beispielsweise kann das Laden mit konstantem Strom oder mit konstanter Spannung erfolgen. Es ist lediglich eine Messung des zeitlichen Verlaufs des Ladestroms I erforderlich, um die Ladung berechnen zu können. Zur Kontrolle des Ladevorgangs ist das Batteriesystem oder die Ladeeinrichtung ohnehin mit einer Strommesseinrichtung versehen, die für die Bestimmung der Ladung eingesetzt werden kann. In der in Figur 2 skizzierten Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung in das Batteriesystem integriert („S-Box"). Gegebenenfalls kann eine hochpräzise Strommesseinrichtung in den Ladestromkreis eingebracht werden, um die Ladung mit hoher Genauigkeit ermitteln zu können.
Schritt (2) erfordert keinen physischen Zugriff auf die einzelnen Zelleinheiten, sondern kann mit dem installierten Batteriesystem im Feldeinsatz unter Verwendung üblicher Ladeeinrichtungen durchgeführt werden. Als zusätzliche Ausrüstung kann allenfalls eine hochpräzise Strommesseinrichtung erforderlich sein.
Da der Strang lediglich aus seriell verbundenen Zelleinheiten besteht, ist der durch jede Zelle geflossene Strom und damit in guter Näherung auch die zugeführte Ladung für jede Zelleneinheit gleich und lässt sich als Q = Jldt berechnen. Nach Beendigung des Ladens kann gegebenenfalls aufgrund geringfügig unterschiedlicher Zellspannungen ein langsamer Ladungsaustausch zwischen den Zellen stattfinden, so dass die Ladungen mit der Zeit auseinanderdriften können. Dieser Effekt ist jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der langsamen Zeitskala vernachlässigbar, insbesondere, wenn Schritt (3) in direktem Anschluss an Schritt (2) durchgeführt wird.
Durch die Erhöhung des SOC aufgrund der zugeführten Ladung Q ist nach Schritt (2) die Zellspannung in den Zelleneinheiten gegenüber Eh,o erhöht. In Schritt (3) werden die Zelleneinheiten durch Betätigung der Entladeschaltung solange entladen, bis Eh,o und damit der ursprüngliche SOC wieder erreicht ist. Die dabei dissipierte Ladung Q± ist somit gleich der in Schritt (2) zugeführten Ladung.
Durch Aufzeichnung des Spannungsverlaufs während des Entladens und Integration über die Zeit lässt wird dann in Schritt (4) der Wert des Lastwiderstands R± berechnet als
Figure imgf000011_0001
durgeführt werden. Es wird keine spezielle Laborausrüstung benötigt, und es sind keine extern vorzunehmenden Maßnahmen am Batteriesystem selbst erforderlich.
Bestimmung von Qi anhand der vorbekannten differentiellen Kapazität
Alternativ lässt sich Q± auch aus der differentiellen Kapazität Ci = dQi/dUi bestimmen, die in der Batteriemanagement- Einrichtung hinterlegt ist oder aus den hinterlegten Ladungs/Spannungskorrelationsdaten Qi(Ui), die zur Ermittlung des SOC ohnehin erforderlich sind, durch Differenzieren nach der Spannung berechnet werden kann. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der differentielle Kapazität C± umfasst die folgenden Schritte:
(1) Betätigung der Entladeschaltung, um jede Zelleneinheit i über den Widerstand R± für eine vorbestimmte Zeit t± zu entladen, bei gleichzeitiger Messung der Spannung U±(t) während des Entladens, um den zeitlichen Spannungsverlauf zu erhalten;
(2) Bestimmung der während der vorbestimmte Zeit t± entnommenen Ladung Q± aus C± und U±(t) als
Figure imgf000012_0001
(3) Bestimmung von R± als
Figure imgf000012_0002
In Schritt (1) wird wiederum die Zelle kontrolliert entladen und der Spannungsverlauf beim Entladen gemessen. Im Gegensatz zur ersten Version ist jedoch die entnommene Ladung nicht vorbekannt, sondern muss in Schritt (2) aus der vorbekannten differentiellen Kapazität C± und dem gemessenen Spannungsverlauf U±(t) berechnet werden. Die differentielle Kapazität C± ist entweder selbst im Batteriemanagement-System hinterlegt, oder sie wird on-the-fly aus der vorbekannten Leerlaufkennlinie berechnet.
In Schritt (3) erfolgt schließlich die Bestimmung von R± in analoger Weise wie bei der ersten Ausführungsform.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Kalibrierung eines passiven Balancing- Systems in einem Batteriesystem, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung umfasst, worin Zelleneinheiten aus einzelnen Zellen oder parallel geschalteten Gruppen von mehreren Zellen jeweils mit einer Entladeschaltung versehen sind, die einen Lastwiderstand R± aufweist, der den Kalibrierungsparameter darstellt, und die Zelleneinheiten strangweise seriell geschaltet sind, und worin die Batteriemanagement-Einrichtung dafür eingerichtet ist, die Spannung U± jeder Zelleneinheit zu messen sowie zu einem wählbaren Zeitpunkt die Entladeschaltung zu betätigen, um die Zelleneinheit i kontrolliert über den Lastwiderstand R± zu entladen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Betätigung der Entladeschaltung der Zelleinheit i für eine Entladedauer t±, um eine Ladung Q± zu entnehmen, und Ermittlung von t±, Q± und des zeitlichen Spannungsverlaufs Ui(t);
- Bestimmung von R± als
Figure imgf000013_0001
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:
1) Bestimmung der Anfangsspannung U±,o jeder Zelleneinheit i des Strangs durch die Batteriemanagement- Einrichtung;
2) Anlegen eines vorbekannten Ladestroms I an den Strang für eine vorbestimmte Zeit tL, um jeder Zelleneinheit die bekannte Ladung Q = Jldt zuzuführen; 3) Entnahme der vorher zugeführten Ladung Q± = Q, indem die Entladeschaltung solange betätigt wird, bis die Anfangsspannung U±,o wieder erreicht ist, so dass t± die Bedingung Ui(ti) = Ui,o erfüllt ist;
4) Bestimmung von R± als
Figure imgf000014_0001
worin t(U = Ui,o) die Betätigungsdauer der Balancing- Schaltung darstellt, nach der die Spannung wieder auf den Anfangswert U±,o abgefallen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die differentielle Kapazität C± = dQi/dUi jeder Zelleneinheit, wobei dQ± die Änderung der Ladung darstellt, in der Batteriemanagement- Einrichtung hinterlegt ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
1) Betätigung der Entladeschaltung, um jede Zelleneinheit i über den Widerstand R± für eine vorbestimmte Zeit t± zu entladen, bei gleichzeitiger Messung der Spannung U±(t) während des Entladens, um den zeitlichen Spannungsverlauf zu erhalten;
2) Bestimmung der während der vorbestimmte Zeit t± entnommenen Ladung Q± aus C± und U±(t) als
Figure imgf000014_0002
3) Bestimmung von R± als
Figure imgf000014_0003
4. Batteriesystem mit passivem Balancing, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen und eine Batteriemanagement-Einrichtung umfasst, worin Zelleneinheiten aus einzelnen Zellen oder parallel geschalteten Gruppen von mehreren Zellen jeweils mit einer Entladeschaltung versehen sind, die einen Lastwiderstand R± aufweist, und die Zelleneinheiten strangweise seriell geschaltet sind, und worin die Batteriemanagement-Einrichtung dafür eingerichtet ist, die Spannung U± jeder Zelleneinheit zu messen sowie zu einem wählbaren Zeitpunkt die Entladeschaltung zu betätigen, um die Zelleneinheit i kontrolliert über den Lastwiderstand R± zu entladen, worin das Batteriesystem für die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 eingerichtet ist.
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