DE102015201628A1 - Monitoring of a battery system during control-related debounce times - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Betriebsparametern (x) eines nachladbaren Hochvolt-Batteriesystems (11) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten, wobei das Hochvolt-Batteriesystem (11) eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (15) umfasst. Die Betriebsparameter (x) des Hochvolt-Batteriesystems (11) oder der einzelnen Batteriezellen (15) werden während der Entprellzeiten erfasst und durch den Vergleich mit zulässigen Grenzwerten (x0) ausgewertet. Grenzwertüberschreitungen werden gezählt und als Anzahl von Fehlereinträgen (N) zur weiteren Auswertung gespeichert. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang (10) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges umfassend ein Hochvolt-Batteriesystem (11) und eine Elektromaschine (14), die über eine Steuer- und/oder Regeleinheit (13) elektrisch miteinander verbunden sind. Während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten erfasste Betriebsparameter (x) des Hochvolt-Batteriesystems (11) sind von der Steuer- und/oder Regeleinheit (13) mathematisch auswertbar.The invention relates to a method for monitoring operating parameters (x) of a rechargeable high-voltage battery system (11) of an electric or hybrid vehicle during control-related debounce times, wherein the high-voltage battery system (11) comprises a plurality of interconnected battery cells (15). The operating parameters (x) of the high-voltage battery system (11) or of the individual battery cells (15) are detected during the debounce times and evaluated by the comparison with permissible limit values (x0). Limit overflows are counted and stored as a number of error entries (N) for further evaluation. Furthermore, the invention relates to an electric drive train (10) of an electric or hybrid vehicle comprising a high-voltage battery system (11) and an electric machine (14), which are electrically connected to each other via a control and / or regulating unit (13). Operating parameters (x) of the high-voltage battery system (11) detected during control-related debounce times can be mathematically evaluated by the control and / or regulating unit (13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektro- und Hybridfahrzeuge mit nachladbaren Hochvolt-Batteriesystemen, und insbesondere ein Verfahren zur Überwachung von Betriebsparametern des Hochvolt-Batteriesystems während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten und einen elektrischen Antriebsstrang eines solchen Fahrzeuges. The present invention relates to electric and hybrid vehicles with rechargeable high-voltage battery systems, and more particularly to a method for monitoring operating parameters of the high-voltage battery system during derailleur-related Entprellzeiten and an electric drive train such a vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Die Automobilindustrie senkt den Verbrauch fossiler Treibstoffe unter anderem durch eine graduelle Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe, sogenannter hybrid-elektrische (HEV) oder batterie-elektrische (BEV) Fahrzeuge. Außerdem werden zunehmend Hilfs- und Nebenaggregate solcher Fahrzeuge elektrifiziert, wie beispielsweise die elektrische Servolenkung. Um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geforderte Leistung zu erbringen, werden Hochvolt-Batteriesysteme als aufladbare bzw. nachladbare Energiespeicher eingesetzt. Solche Batteriesysteme weisen typischerweise eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, die aus mehreren miteinander verschalteten Batteriezellen zusammengesetzt sind. Hochvolt-Batteriesysteme umfassen beispielsweise Nickel Metallhybrid, Lithium-Ionen und Natrium-Nickelchlorid Batteriesysteme.Among other things, the automotive industry is reducing the consumption of fossil fuels through a gradual electrification of vehicle drives, so-called hybrid-electric (HEV) or battery-electric (BEV) vehicles. In addition, auxiliary and auxiliary units of such vehicles are increasingly electrified, such as the electric power steering. In order to provide the required performance in hybrid and electric vehicles, high-voltage battery systems are used as rechargeable or rechargeable energy storage. Such battery systems typically have a plurality of battery modules, which are composed of a plurality of interconnected battery cells. High voltage battery systems include, for example, nickel metal hybrid, lithium ion and sodium nickel chloride battery systems.
Immer häufiger kommen Lithium-Ionen Batterien zum Einsatz, da diese sich durch ihre relativ hohen Energiedichten und Zellspannungen auszeichnen. Lithium-Ionen Batterien sind jedoch relativ empfindlich bezüglich Überladung wie auch Tiefentladung. Die Alterung von Lithium-Ionen Batterien ist generell stark von der Umgebungstemperatur, den Zellspannungen und den Ladeströmen abhängig. Daher sollte bei allen Lithium-Ionen-Batteriezellen das Einhalten von oberen und unteren Zellspannungsgrenzen sichergestellt werden. Andererseits wird bei niedrigen Temperaturen durch die spezifische elektrochemische Zellkinetik die Entladungsleistung deutlich herabgesetzt, was sich vor allem in einem erhöhten Innenwiderstand einer Batteriezelle, aber auch in einer verminderten Entladekapazität vor allem bei hohen Strömen äußert. Die Höhe der Ladeströme sollte daher vor allem bei niedrigen Temperaturen begrenzt werden. Um kritische Zustände zu vermeiden, werden verschiedene Betriebsparameter von Batteriezellen, wie beispielsweise, Strom, Spannung und Temperatur kontinuierlich oder periodisch gemessen und ausgewertet. Lithium-ion batteries are increasingly being used, as they are characterized by their relatively high energy densities and cell voltages. However, lithium-ion batteries are relatively sensitive to both overcharging and over-discharging. The aging of lithium-ion batteries is generally highly dependent on the ambient temperature, the cell voltages and the charging currents. Therefore, it should be ensured for all lithium-ion battery cells to comply with upper and lower cell voltage limits. On the other hand, the discharge power is significantly reduced at low temperatures by the specific electrochemical cell kinetics, which manifests itself above all in an increased internal resistance of a battery cell, but also in a reduced discharge capacity, especially at high currents. The height of the charging currents should therefore be limited, especially at low temperatures. To avoid critical conditions, various operating parameters of battery cells, such as current, voltage and temperature, are continuously or periodically measured and evaluated.
Aufgrund von Regelungsvorgängen in einem Fahrzeug und aus Gründen der Robustheit werden typischerweise Abschaltgrenzen für Betriebsparameter von Batteriezellen wie beispielsweise Strom, Spannung und Temperatur zeitlich entprellt. Während einer solchen Entprellung, also in der Entprellzeit, kann es zu einem Betrieb von Batteriezellen außerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereiches kommen, was von standardmäßig eingesetzten Steuer- und/oder Regeleinheiten nicht registriert wird. Tritt ein Betrieb von Batteriezellen außerhalb des vorgegebenen Betriebsbereiches gehäuft vor, kann dies zu einer beschleunigten und unerwarteten Alterung der betroffenen Batteriezellen führen, woraus im Extremfall ein Sicherheitsrisiko entstehen kann. Due to control processes in a vehicle and for reasons of robustness, cut-off limits for operating parameters of battery cells, such as, for example, current, voltage and temperature, are typically debounced in time. During debouncing, that is, in the debounce time, operation of battery cells outside of a predetermined operating range may occur, which is not registered by standard control and / or regulating units. If operation of battery cells outside of the predetermined operating range frequently occurs, this can lead to an accelerated and unexpected aging of the affected battery cells, which in extreme cases can pose a safety risk.
Die Nutzung einer Entprellung aus Robustheitsgründen ist beispielsweise aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Überwachung von Batteriezellen eines Batteriesystems, das dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient, während betriebsbedingter Entprellzeiten zu ermöglichen.Against this background, it is an object of the present invention to enable monitoring of battery cells of a battery system, which serves to drive a motor vehicle, during operational debounce times.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Überwachung von Betriebsparametern eines nachladbaren Hochvolt-Batteriesystems eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten und ein elektrischer Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges aufweisend eine Steuer- und/oder Regeleinheit zur Verarbeitung und Auswertung der Betriebsparameter vorgeschlagen.To solve the problem, a method for monitoring operating parameters a rechargeable high-voltage battery system of an electric or hybrid vehicle during control-related Entprellzeiten and an electric drive train of an electric or hybrid vehicle having proposed a control and / or regulating unit for processing and evaluation of the operating parameters.
Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung von Betriebsparametern eines nachladbaren Hochvolt-Batteriesystems eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten, wobei das Hochvolt-Batteriesystem eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen umfasst. Die Betriebsparameter des Hochvolt-Batteriesystems oder der einzelnen Batteriezellen werden während der Entprellzeiten erfasst und durch den Vergleich mit zulässigen Grenzwerten ausgewertet. Grenzwertüberschreitungen werden gezählt und als Anzahl von Fehlereinträgen zur weiteren Auswertung gespeichert.Accordingly, the invention provides a method for monitoring operating parameters of a rechargeable high-voltage battery system of an electric or hybrid vehicle during control-related debounce times, wherein the high-voltage battery system comprises a plurality of interconnected battery cells. The operating parameters of the high-voltage battery system or of the individual battery cells are recorded during the debounce times and evaluated by comparison with permissible limit values. Limit overruns are counted and stored as a number of error entries for further evaluation.
Durch die Erfassung und Auswertung von Fehlereinträgen bei Grenzwertüberschreitungen der verschiedenen Betriebsparameter können eine frühzeitige Alterung der Batteriezellen des Batteriesystems sowie Probleme im elektrischen Antriebstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs erkannt und Sicherheitsrisikos vermieden werden.By detecting and evaluating fault entries when limit values are exceeded for the various operating parameters, early aging of the battery cells of the battery system as well as problems in the electric powertrain of an electric or hybrid vehicle can be detected and safety risks avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vorzeitige Alterung des Hochvolt-Batteriesystems bzw. der einzelnen Batteriezellen durch eine unzureichende Regelung des elektrischen Antriebs diagnostiziert werden kann. Compared with the prior art, the method according to the invention has the advantage that premature aging of the high-voltage battery system or of the individual battery cells can be diagnosed by an insufficient regulation of the electric drive.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anzahl von Fehlereinträgen mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen werden, um frühzeitige Alterung des Hochvolt-Batteriesystems zu erkennen. Wird der Referenzwert erreicht oder überschritten, kann das Batteriesystem oder der gesamte elektrische Antriebsstrang des Elektro- oder Hybridfahrzeuges stillgelegt oder eine Wartung angeordnet werden. In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the number of fault entries are compared with a predetermined reference value in order to detect premature aging of the high-voltage battery system. If the reference value is reached or exceeded, the battery system or the entire electric drive train of the electric or hybrid vehicle can be shut down or maintenance arranged.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine zeitliche Analyse der Anzahl von Fehlereinträgen durchgeführt wird, wobei aus der zeitlichen Analyse Rückschlüsse bezüglich des Beginns und der Frequenz der Fehlereinträge gezogen werden.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that a temporal analysis of the number of error entries is performed, being drawn from the temporal analysis conclusions regarding the beginning and the frequency of the error entries.
Mithilfe dieser zeitlichen Analyse können Probleme im Antriebsstrang eines Fahrzeugs aufgedeckt werden. Insbesondere können mit dieser zeitlichen Analyse Rückschlüsse gezogen werden, seit wann die Fehlereinträge auftreten und ob sich die Häufigkeit über der Zeit, also die Frequenz der Fehlereinträge, erhöht hat und somit, ob eine beschleunigte Alterung des Batteriesystems oder einzelner Batteriezellen aufgetreten ist bzw. auftritt und ob sich die Regelung des Antriebstrangs verschlechtert hat bzw. zunehmend verschlechtert. This time analysis can be used to detect problems in the powertrain of a vehicle. In particular, conclusions can be drawn with this temporal analysis since when the error entries occur and whether the frequency has increased over time, ie the frequency of the error entries, and thus, whether an accelerated aging of the battery system or individual battery cells has occurred or occurs and whether the control of the drive train has deteriorated or increasingly deteriorated.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass für die zeitliche Analyse die Anzahl der Fehlereinträge über einen bestimmten Zeitraum aufgezeichnet wird, die Anzahl der Fehlereinträge gespeichert wird, und somit zur späteren Auswertung bereitgestellt wird und eine Einteilung der aufgezeichneten Fehlereinträge in verschiedene Zeiträume vorgenommen wird. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that for the temporal analysis, the number of error entries over a certain period of time is recorded, the number of error entries is stored, and thus provided for later evaluation and made a division of the recorded error entries in different periods becomes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anzahl der Fehlereinträge über der Zeit grafisch dargestellt wird und die Steigung des Graphen zur Analyse der Fehlereinträge herangezogen wird.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the number of defect entries over time is displayed graphically and the slope of the graph is used to analyze the defect entries.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass bei einer exponentiell ansteigenden Anzahl von Fehlereinträgen eine frühzeitige Alterung der Batteriezellen diagnostiziert wird.It is further provided that an exponentially increasing number of fault entries early diagnosis of battery cells is diagnosed.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Hochvolt-Batteriesystem als ein Bestandteil eines elektrischen Antriebsstranges des Elektro- oder Hybridfahrzeuges eingesetzt wird, wobei bei einer exponentiell ansteigenden Anzahl von Fehlereinträgen ein Problem des elektrischen Antriebsstranges diagnostiziert wird.A further advantageous embodiment of the invention provides that the high-voltage battery system is used as a component of an electric drive train of the electric or hybrid vehicle, with an exponentially increasing number of fault entries a problem of the electric drive train is diagnosed.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Betriebsparameter der Strom, die Spannung, der mittlere Strom und die Temperatur während der Entprellzeiten erfasst werden.A further advantageous embodiment of the invention provides that the current, the voltage, the average current and the temperature are detected during the Entprellzeiten as operating parameters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswertung der Fehlereinträge von einer Steuer- oder Regeleinheit, die mit dem Hochvolt-Batteriesystem und einer Elektromaschine des Elektro- oder Hybridfahrzeuges durchgeführt wird.A further advantageous embodiment of the invention provides that the evaluation of the error entries by a control or regulating unit, which is performed with the high-voltage battery system and an electric machine of the electric or hybrid vehicle.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein elektrischer Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges umfassend ein Hochvolt-Batteriesystem und eine Elektromaschine, die über eine Steuer- und/oder Regeleinheit elektrisch miteinander verbunden sind, vorgeschlagen.To achieve the object mentioned above, an electric drive train of an electric or hybrid vehicle comprising a high-voltage battery system and an electric machine, which are electrically connected to each other via a control and / or regulating unit, also proposed.
Während regeltechnisch bedingter Entprellzeiten erfasste Betriebsparameter des Hochvolt-Batteriesystems sind von der Steuer- und/oder Regeleinheit mathematisch auswertbar. Grenzwertüberschreitungen der Betriebsparameter sind von der Steuer- und/oder Regeleinheit feststellbar und als Anzahl von Fehlereinträgen zählbar. Durch einen Vergleich der Anzahl von Fehlereinträgen mit einem Referenzwert und/oder einer zeitlichen Analyse der Anzahl von Fehlereinträgen sind Probleme in dem elektrischen Antriebsstrang von der Steuer- und/oder Regeleinheit diagnostizierbar. Operating parameters of the high-voltage battery system detected during control-related debounce times can be mathematically evaluated by the control and / or regulating unit. Limit overruns of the operating parameters can be determined by the control and / or regulating unit and counted as a number of fault entries. By comparing the number of fault entries with a reference value and / or a time analysis of the number of fault entries, problems in the electric drive train can be diagnosed by the control and / or regulating unit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:Further advantageous details, features and design details of the invention are explained in more detail in connection with the exemplary embodiments illustrated in the figures. Showing:
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or functionally identical components are provided with the same reference numerals.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In der
Das Batteriemanagementsystem (BMS)
Wird beispielsweise das Fahrzeug gestartet, so wird ein Befehl vom Steuergerät
Abschaltgrenzen für Betriebsparameter des Batteriesystems
Zum einen kann nach Gleichung (1) ein lineares Integral gebildet werden: mit
- N
- Anzahl der Fehlereinträge
- x
- Spannung U, Strom I, mittlerer Strom Irms, oder Temperatur T
- x0
- Grenzwert (maximale oder minimale Spannung U, maximaler oder minimaler Strom I, maximaler oder minimaler mittlerer Strom Irms und maximale oder minimale Temperatur T)
- t
- Zeit
- Tend
- Gesamtdauer des Zustandes außerhalb von x0
- 1/60
- Normierung auf Minuten
- N
- Number of error entries
- x
- Voltage U, current I, mean current I rms , or temperature T
- x 0
- Limit value (maximum or minimum voltage U, maximum or minimum current I, maximum or minimum average current I rms and maximum or minimum temperature T)
- t
- Time
- T end
- Total duration of the state outside of x 0
- 1/60
- Normalization to minutes
Zum anderen kann nach Gleichung (2) ein quadratisches Integral als Energieäquivalent gebildet werden: mit
- N
- Anzahl der Fehlereinträge
- x
- Spannung U, Strom I, mittlerer Strom Irms, oder Temperatur T
- x0
- Grenzwert (maximale oder minimale Spannung U, maximaler oder minimaler Strom I, maximaler oder minimaler mittlerer Strom Irms und maximale oder minimale Temperatur T)
- t
- Zeit
- Tend
- Gesamtdauer des Zustandes außerhalb von x0
- 1/60
- Normierung auf Minuten
- N
- Number of error entries
- x
- Voltage U, current I, mean current I rms , or temperature T
- x 0
- Limit value (maximum or minimum voltage U, maximum or minimum current I, maximum or minimum average current I rms and maximum or minimum temperature T)
- t
- Time
- T end
- Total duration of the state outside of x 0
- 1/60
- Normalization to minutes
Bei beiden Gleichungen ist die Normierung auf Minuten anstatt Sekunden eine optionale Normierung. Andere Normierungen oder keine Normierung können eingesetzt werden. For both equations, normalization to minutes rather than seconds is an optional normalization. Other standards or no standardization can be used.
Bei jedem Betrieb des Batteriesystems
Für jeden überwachten Betriebsparameter kann entsprechend einer möglichen Ausführungsform ein Vergleich mit einem Referenzwert (R) oder Schwellwert durchgeführt werden. Zum Beispiel können 500 V2s durch den Hersteller der Batteriezellen
- N
- Anzahl der Fehlereinträge
- U
- Spannung
- U0
- maximale oder minimale Spannung U (Grenzwert)
- t
- Zeit
- Tend
- Gesamtdauer des Zustandes außerhalb von x0
- 1/60
- Normierung auf Minuten
- R
- Referenzwert, beispielsweise R = 500 V2s
- N
- Number of error entries
- U
- tension
- U 0
- maximum or minimum voltage U (limit)
- t
- Time
- T end
- Total duration of the state outside of x 0
- 1/60
- Normalization to minutes
- R
- Reference value, for example R = 500 V 2 s
Wird der Referenzwert (R) erreicht oder überschritten, kann das Batteriesystem
Durch die Kopplung der Überwachung von Betriebsparametern des Batteriesystems
Sollte das Auftreten der Fehlereinträge (N) und somit der Betrieb des Batteriesystems
Zusätzlich zu dem bereits beschriebenen Vergleich gegenüber einem Referenzwert (R) kann eine zeitliche Analyse der wie oben beschrieben ermittelten Integralwerte (N) durchgeführt werden. Mithilfe dieser zeitlichen Analyse der Integralwerte (N) können Probleme im Antriebsstrang
In der
Die Auswertung der aufgezeichneten Fehlereinträge (N) kann beispielsweise in drei verschiedenen Kategorien erfolgen, die beispielhaft in den Kennlinien a, b und c der
Die Kennlinie b zeigt einen linear ansteigenden Integralwert. Somit wird eine konstante Änderungsrate für den Integralwert definiert, z. B. 2 V2s/24 h. Ein Überschreiten zeigt eine erhöhte Häufigkeit der Fehlereinträge (N) auf. Bei einem beispielhaften Integralwert von 2V2s kann mit dem folgenden Test geprüft werden, ob sich das Auftreten der Fehlereinträge (N) erhöht.
Die Kennlinie c zeigt einen exponentiell steigenden Integralwert. Es wird eine exponentielle Änderungsrate für den Integralwert definiert. Ein Überschreiten kann ein ernstes Problem im Antriebsstrang
oder mit
- N
- Anzahl der Fehlereinträge
- T
- eitraum
- t
- Zeitpunkt
- R
- Referenzwert
- N
- Number of error entries
- T
- PERIOD
- t
- time
- R
- reference value
Die Exponentialfunktionen sind relative flach für negative Werte und weist im Bereich 0 bis 1 eine starke Steigung auf. Vorzugsweise wird demzufolge zur Diagnose ein Ausschnitt der Exponentialfunktion nach Gleichung (5) oder (6) verwendet, in dem eine relativ starke Steigung auftritt. In dem in der
Somit können mithilfe der beschriebenen Verfahren Betriebsparameter eines Batteriesystems
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispielen dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.The illustrated in the figures and explained in connection with these embodiments are illustrative of the invention and are not limiting for this.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102005062873 A1 [0007] DE 102005062873 A1 [0007]
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