DE102024206912A1

DE102024206912A1 - Method for voltage monitoring of a battery element of a vehicle battery and corresponding control unit

Info

Publication number: DE102024206912A1
Application number: DE102024206912.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Jehle; Christian Stocker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-07-23
Filing date: 2024-07-23
Publication date: 2026-01-29
Also published as: WO2026021801A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements (Zk) einer Batterie (101), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mittels einer Spannungsüberwachungs-Schaltung (102), wobei die Spannungsüberwachungs-Schaltung durch eine erste Messverbindung (Wk+1) mit einem positiven Pol und durch eine zweite Messverbindung (Wk & 105) mit einem negativen Pol des Batterieelements (Zk) verbunden ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln eines Spannungswerts (Uk), welcher indikativ für eine Batterieelement-Spannung zwischen den beiden Polen ist, unter Verwendung der Spannungsüberwachungs-Schaltung (102); Ermitteln eines Widerstandwerts (R) eines Abschnitts eines Verbindungselements (105), wobei das Verbindungselement (105) das Batterieelement (Zk) mit einem benachbarten Batterieelement (Zk-1) verbindet und wobei eine der beiden Messverbindungen (Wk & 105, Wk+1) den Abschnitt des Verbindungselements (105) beinhaltet; und Korrigieren des Spannungswerts (Uk) basierend auf dem Widerstandswert (R). Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Steuergerät und Computerprogramm. The invention relates to a method for monitoring the voltage of a battery cell (Zk) of a battery (101), in particular a vehicle battery, by means of a voltage monitoring circuit (102), wherein the voltage monitoring circuit is connected to a positive terminal of the battery cell (Zk) by a first measuring connection (Wk+1) and to a negative terminal of the battery cell (Zk) by a second measuring connection (Wk & 105). The method comprises the following steps: determining a voltage value (Uk), which is indicative of a battery cell voltage between the two terminals, using the voltage monitoring circuit (102); determining a resistance value (R) of a section of a connecting element (105), wherein the connecting element (105) connects the battery cell (Zk) to an adjacent battery cell (Zk-1) and wherein one of the two measuring connections (Wk & 105, Wk+1) includes the section of the connecting element (105); and correcting the voltage value (Uk) based on the resistance value (R). The invention further relates to a corresponding control unit and computer program.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren und Steuergeräte zur Spannungsüberwachung von Batterieelementen einer Fahrzeugbatterie, beispielsweise von Batteriezellen.The present disclosure relates to methods and control devices for voltage monitoring of battery elements of a vehicle battery, for example battery cells.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Batterien in Fahrzeugantrieben bestehen typischerweise aus einer Anzahl in Reihe und gegebenenfalls auch parallel geschalteter Batteriezellen. Diese dürfen aus Gründen der Sicherheit, beispielsweise zur Vermeidung thermischer Ereignisse sowie zur Vermeidung übermäßiger Alterung, nur innerhalb bestimmter Zellspannungsgrenzen betrieben werden, welche üblicherweise der Batteriehersteller vorgibt. Hierbei limitiert die obere Zellspannungsgrenze den Strom im Ladebetrieb der Batterie, zum Beispiel beim Laden am Stromnetz oder bei Rekuperation im Fahrbetrieb, während die untere Zellspannungsgrenze den Strom im Entladebetrieb der Batterie limitiert, zum Beispiel bei Beschleunigung im Fahrbetrieb. Die Zellspannungen werden mithilfe einer Überwachungs-Elektronik gemessen, welche mittels Messleitungen die Potentiale oberhalb und unterhalb jeder Zelle abgreift und aus der Differenzspannung die Zellspannung ermittelt. Hierzu werden häufig ein oder mehrere Batterie-Monitoring-ICs (Bat-Mon-ICs) eingesetzt, welche mehrere Eingangskanäle für die einzelnen Zellspannungen haben. Die Ermittlung der Zellspannungen aus den Messwerten der Bat-Mon-ICs kann hierbei beispielsweise in einem Batterie-Steuerungsgerät oder innerhalb eines Fahrzeug- oder Antriebssteuergeräts erfolgen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei konventionellen Überwachungsverfahren zumindest einige der gemessenen Zellspannungen systematische Fehler aufweisen.Batteries in vehicle powertrains typically consist of a number of battery cells connected in series and, if necessary, in parallel. For safety reasons, such as preventing thermal damage and excessive aging, these cells must only be operated within specific cell voltage limits, which are usually specified by the battery manufacturer. The upper cell voltage limit restricts the current during battery charging, for example, when charging from the grid or during regenerative braking while driving, while the lower cell voltage limit restricts the current during battery discharge, for example, during acceleration while driving. The cell voltages are measured using monitoring electronics, which use measuring leads to detect the potentials above and below each cell and calculate the cell voltage from the difference. One or more battery monitoring ICs (Bat-Mon ICs) are often used for this purpose, each with multiple input channels for the individual cell voltages. The cell voltages are then determined from the Bat-Mon IC readings, for example, in a battery control unit or within a vehicle or powertrain control unit. However, it has been shown that at least some of the measured cell voltages exhibit systematic errors in conventional monitoring methods.

KURZDARSTELLUNG UND AUSFÜHRUNGSFORMENSUMMARY AND FORMS OF EXECUTION

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein besonders zuverlässiges und genaues Verfahren sowie Steuergerät zur Spannungsüberwachung von Batterieelementen, insbesondere von Batteriezellen, bereitzustellen, wobei systematische Fehler bei der Ermittlung zumindest einiger Zellspannungen berücksichtigt werden.It is therefore an objective of the present disclosure to provide a particularly reliable and accurate method and control unit for voltage monitoring of battery elements, in particular battery cells, taking into account systematic errors in the determination of at least some cell voltages.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, sowie ein Steuergerät und ein Computerprogramm gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.This problem is solved by a method for monitoring the voltage of a battery cell, in particular a vehicle battery, as well as a control unit and a computer program according to the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are described in the dependent claims, the following description, and the drawings.

So wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mittels einer Spannungsüberwachungs-Schaltung bereitgestellt. Die Spannungsüberwachungs-Schaltung ist durch eine erste Messverbindung mit einem positiven Pol und durch eine zweite Messverbindung mit einem negativen Pol des Batterieelements verbunden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln, insbesondere Messen, eines Spannungswerts, welcher indikativ für eine Batterieelement-Spannung zwischen den beiden Polen ist, unter Verwendung der Spannungsüberwachungs-Schaltung; Ermitteln eines Widerstandwerts eines Abschnitts eines Verbindungselements, wobei das Verbindungselement das Batterieelement mit einem benachbarten Batterieelement verbindet und wobei eine der beiden Messverbindungen den Abschnitt des Verbindungselements beinhaltet; und Korrigieren des Spannungswerts basierend auf dem Widerstandswert. Der Begriff „Abschnitt“ ist hier allgemein gefasst und kann sich auch auf das ganze Verbindungselement beziehen.Thus, according to a first aspect, a method for monitoring the voltage of a battery cell, particularly a vehicle battery, is provided by means of a voltage monitoring circuit. The voltage monitoring circuit is connected to a positive terminal of the battery cell via a first measuring connection and to a negative terminal via a second measuring connection. The method comprises the following steps: determining, in particular measuring, a voltage value indicative of the battery cell voltage between the two terminals using the voltage monitoring circuit; determining the resistance value of a section of a connecting element, wherein the connecting element links the battery cell to an adjacent battery cell and wherein one of the two measuring connections includes the section of the connecting element; and correcting the voltage value based on the resistance value. The term "section" is used here in a general sense and can also refer to the entire connecting element.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuergerät, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, bereitgestellt, welches eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß einer Ausgestaltung ist das Steuergerät die Spannungsüberwachungs-Schaltung oder weist diese auf. According to another aspect, a control unit, in particular a battery management system, is provided which is configured to carry out the procedure described above. According to one embodiment, the control unit is or includes the voltage monitoring circuit.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batteriesystem bereitgestellt, welches das zuvor beschriebene Steuergerät einschließlich Spannungsüberwachungs-Schaltung, die Batterie sowie die erste und zweite Messverbindung zwischen der Spannungsüberwachungs-Schaltung und der Batterie aufweist.According to another aspect, a battery system is provided which includes the previously described control unit including voltage monitoring circuit, the battery, and the first and second measuring connections between the voltage monitoring circuit and the battery.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Computer beispielsweise definiert als ein Gerät, welches mittels programmierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet. Computer können in Alltagsgeräte eingebettet sein, beispielsweise in Steuergeräte von Kraftfahrzeugen.According to another aspect, a computer program is provided that includes instructions which, when executed by a computer, cause it to perform the procedure described above. In the context of this disclosure, a computer is defined, for example, as a device that processes data using programmable computational instructions. Computers can be embedded in everyday devices, such as the control units of motor vehicles.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium mit einem Computerprogramm bereitgestellt, wobei das Computerprogramm Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.According to another aspect, a storage medium is provided with a computer program, the computer program comprising commands that are executed during the execution of the computer program. gramms through a computer cause it to carry out the procedure described above.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Batterie beispielsweise definiert als ein Speicher für elektrische Energie, insbesondere auf elektrochemischer Basis. In einer Ausgestaltung ist die Batterie ein Akkumulator, also eine wiederaufladbare Batterie. Die Batterie kann mehrere Batteriezellen enthalten, welche zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in Reihe geschaltet sein können. Die Batterie kann mehrere Batteriemodule enthalten, wobei mehrere Batteriezellen jeweils zu einem Batteriemodul zusammengefasst sind. Ferner kann die Batterie mehrere Batteriepakete enthalten, wobei mehrere Batteriemodule jeweils zu einem Batteriepaket zusammengefasst sind. Die Batterie ist beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Batterie kann eine Traktionsbatterie sein, welche geeignet ist, Energie für einen Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Die Batterie kann eine Hochvolt-Batterie sein.In the context of this disclosure, a battery is defined, for example, as a storage device for electrical energy, particularly on an electrochemical basis. In one embodiment, the battery is an accumulator, i.e., a rechargeable battery. The battery can contain several battery cells, which can be connected in series, at least partially, and in particular completely. The battery can contain several battery modules, wherein several battery cells are grouped together to form a battery module. Furthermore, the battery can contain several battery packs, wherein several battery modules are grouped together to form a battery pack. The battery is, for example, a lithium-ion accumulator. The battery can be a traction battery suitable for providing energy for a vehicle propulsion system. The battery can be a high-voltage battery.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Batterieelement beispielsweise definiert als ein Teil der Batterie, der mindestens eine Batteriezelle aufweist. Ein Batterieelement kann eine Batteriezelle oder eine Anordnung einer Mehrzahl von Batteriezellen sein. Die Mehrzahl von Batteriezellen kann insbesondere parallel geschaltet sein. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung kann eine Batteriezelle eine Anode und eine Kathode aufweisen, welche insbesondere durch ein Leitmedium, beispielsweise einen Elektrolyten, getrennt sind.In the context of this disclosure, a battery element is defined, for example, as a part of the battery comprising at least one battery cell. A battery element can be a single battery cell or an arrangement of a plurality of battery cells. The plurality of battery cells can, in particular, be connected in parallel. In the context of this disclosure, a battery cell can comprise an anode and a cathode, which are, in particular, separated by a conductive medium, for example, an electrolyte.

Ein Batterieelement kann auch ein Batteriemodul oder eine Anordnung einer Mehrzahl von Batteriemodulen und/oder ein Batteriepaket oder eine Anordnung einer Mehrzahl von Batteriepakten sein oder aufweisen. Dabei kann ein Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen, wobei die Batteriezellen in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können. In einem Batteriemodul können die Batteriezellen derart zusammengefasst sein, dass es modulartig austauschbar ist. Analog kann ein Batteriepaket eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufweisen.A battery element can also be or comprise a battery module or an arrangement of multiple battery modules and/or a battery pack or an arrangement of multiple battery packs. A battery module can comprise multiple battery cells, which can be connected in series and/or parallel. Within a battery module, the battery cells can be grouped in such a way that it is modularly replaceable. Similarly, a battery pack can comprise multiple battery modules.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung sind benachbarte Batterieelemente beispielsweise definiert als solche Batterieelemente, die direkt miteinander elektrisch verbunden sind, das heißt ohne dass andere Batteriezellen zwischengeschaltet sind. Gemäß einer Ausgestaltung sind benachbarte Batterieelemente in Reihe geschaltet. Beispielsweise sind zwei direkt miteinander verbundene und in Reihe geschaltete Batteriezellen zueinander benachbart.In the context of the present disclosure, adjacent battery elements are defined, for example, as those battery elements that are directly electrically connected to one another, that is, without any other battery cells being interposed. According to one embodiment, adjacent battery elements are connected in series. For example, two battery cells that are directly connected and in series are adjacent to each other.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Verbindungselement beispielsweise definiert als ein Element, welches eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Batterieelementen und/oder zwischen benachbarten Batterieeinheiten herstellt, beispielsweise zwischen direkt miteinander verbundenen in Reihe geschalteten Batteriezellen und/oder zwischen direkt miteinander verbundenen in Reihe geschalteten Batteriemodulen. Eine Batterieeinheit kann ein Batteriemodul oder ein Abschnitt eines Batteriemoduls sein. Beispielsweise ist ein Verbindungselement ein Modulverbinder oder ein Verbinder zwischen benachbarten Abschnitten eines Batteriemoduls.In the context of this disclosure, a connecting element is defined, for example, as an element that establishes an electrical connection between adjacent battery elements and/or between adjacent battery units, for example, between directly connected series-connected battery cells and/or between directly connected series-connected battery modules. A battery unit can be a battery module or a section of a battery module. For example, a connecting element is a module connector or a connector between adjacent sections of a battery module.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Messverbindung beispielsweise definiert als eine elektrische Verbindung zwischen der Spannungsüberwachungs-Schaltung und einem der Pole eines Batterieelements, etwa einer Batteriezelle. Die Messverbindung kann zumindest einen Teil eines Verbindungselements zwischen benachbarten Batterieelementen und/oder eine Messleitung zwischen der Spannungsüberwachungs-Schaltung und der Verbindungsleitung bzw. dem zugehörigen Pol des Batterieelements enthalten. Der Begriff Messleitung bezeichnet demnach den Teil der Messverbindung ohne das Verbindungselement. Die Messleitung kann direkt mit einem Pol des Batterieelements verbunden sein, das heißt ohne zwischengeschaltetes Verbindungselement.In the context of this disclosure, a measuring connection is defined, for example, as an electrical connection between the voltage monitoring circuit and one of the poles of a battery element, such as a battery cell. The measuring connection may include at least part of a connecting element between adjacent battery elements and/or a measuring lead between the voltage monitoring circuit and the connecting lead or the associated pole of the battery element. The term measuring lead therefore refers to the part of the measuring connection excluding the connecting element. The measuring lead may be directly connected to a pole of the battery element, that is, without an interposed connecting element.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Batteriemanagementsystem oder BMS beispielsweise definiert als eine mit einer zugehörigen Batterie verbundene Komponente, welche zumindest eine der folgenden Funktionen erfüllt: Überwachung, Regelung und Schutz der Batterie. Beispielsweise kann das Batteriemanagementsystem eine Spannungsdiagnose, insbesondere Zellspannungsdiagnose, eine Ladungs- und Entladungs-Steuerung, eine Ladezustandserkennung, eine Temperaturkontrolle, einen Tiefentladeschutz und/oder einen Überladeschutz implementieren. Das Batteriemanagementsystem kann für eine Balancierung oder Symmetrierung der unterschiedlichen Zellen eingerichtet sein, insbesondere um eine gleichmäßigere elektrische Ladungsverteilung in unterschiedlichen Batteriezellen sicherzustellen.In the context of this disclosure, a battery management system (BMS) is defined, for example, as a component associated with a battery that performs at least one of the following functions: monitoring, regulating, and protecting the battery. For example, the battery management system may implement voltage diagnostics, in particular cell voltage diagnostics, charge and discharge control, state-of-charge detection, temperature control, deep discharge protection, and/or overcharge protection. The battery management system may be configured to balance or symmetrize the different cells, in particular to ensure a more uniform electrical charge distribution among the different battery cells.

Bei Batterien mit mehreren Zellen kann das Batteriemanagementsystem zur Überwachung und/oder Steuerung der einzelnen Zellen eingerichtet sein. Zu diesem Zweck kann das Batteriemanagementsystem eine Spannungsüberwachungs-Schaltung aufweisen. Die Spannungsüberwachungs-Schaltung kann eingerichtet sein, die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Messverbindung zu messen, insbesondere direkt zu messen. Alternativ kann die Spannungsüberwachungs-Schaltung eingerichtet sein, die Spannung indirekt zu messen, d.h. die Spannung aus anderen gemessenen Größen zu bestimmen. Die Spannungsüberwachungs-Schaltung kann ein Bat-Mon-IC sein oder einen solchen aufweisen.In multi-cell batteries, the battery management system can be configured to monitor and/or control individual cells. For this purpose, the battery management system can include a voltage monitoring circuit. The voltage monitoring circuit can be configured to measure the voltage between the first and second measuring connections, specifically by measuring it directly. Alternatively, the voltage monitoring circuit can be configured to measure the voltage indirectly, i.e., to determine the voltage from other measured quantities. The voltage monitoring circuit The circuit may be a Bat-Mon IC or may contain one.

Das zuvor beschriebene Verfahren und/oder das zuvor beschriebene Steuergerät können vorteilhaft sein, um eine besonders verlässliche und genaue Spannungsüberwachung zu ermöglichen, wenn bei der Spannungsermittlung Widerstände von Verbindungselementen zwischen Batterieelementen berücksichtigt werden.The previously described method and/or control unit can be advantageous in order to enable particularly reliable and accurate voltage monitoring when resistances of connecting elements between battery elements are taken into account when determining the voltage.

Aus Sicherheitsgründen und zur Erhöhung der Lebensdauer von Batterien, werden typischerweise vom Hersteller Spannungsgrenzen angegeben, innerhalb welcher die Batterien betrieben werden dürfen, eine obere Zellspannungsgrenze für den Ladebetrieb und eine untere Zellspannungsgrenze für den Entladebetrieb. Es hat sich nach aufwändiger Ursachenermittlung gezeigt, dass unberücksichtigte Widerstände in den Messverbindungen diese Spannungsgrenzen zum Teil erheblich verschieben, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Stromrichtung die obere Zellspannungsgrenze für den Ladebetrieb nach unten verschieben und die untere Zellspannungsgrenze für den Entladebetrieb nach oben verschieben. Deswegen wird beim Entladen zu schnell ein Erreichen der unteren Zellspannungsgrenze erkannt, was zu einer Reduktion des Entladestroms und somit zu einer unnötig frühen Leistungsreduktion führt. Umgekehrt wird beim Laden die Ladeleistung unnötig begrenzt, obwohl die obere Zellspannungsgrenze tatsächlich noch gar nicht erreicht ist. Damit werden engere Spannungsgrenzen gesetzt als mit Blick auf Sicherheit und Alterung der Batterie eigentlich erforderlich. Hinzu kommt, dass Ladeverhalten und Entladeverhalten der Batterie im Allgemeinen durch das schwächste Glied, also die Batteriezelle mit den ungünstigsten Eigenschaften, beschränkt wird. Demnach können einige wenige Verbindungelemente mit großem Widerstand das Leistungsverhalten der gesamten Batterie erheblich verschlechtern. Wird deshalb der Widerstand von Verbindungselementen bei der Ermittlung der Zellspannung berücksichtigt, können die Spannungsgrenzen effizienter festgelegt werden und damit sowohl beim Laden als auch Entladen ein größerer Leistungsbereich genutzt werden.For safety reasons and to increase battery lifespan, manufacturers typically specify voltage limits within which the batteries may be operated: an upper cell voltage limit for charging and a lower cell voltage limit for discharging. Extensive investigation into the causes has revealed that unaccounted-for resistances in the measuring connections can significantly shift these voltage limits. Due to the different current directions, the upper cell voltage limit for charging is shifted downwards, and the lower cell voltage limit for discharging is shifted upwards. Consequently, during discharge, the lower cell voltage limit is detected too quickly, leading to a reduction in the discharge current and thus an unnecessarily early reduction in power. Conversely, during charging, the charging power is unnecessarily limited, even though the upper cell voltage limit has not yet been reached. This results in tighter voltage limits than are actually required with regard to safety and battery aging. Furthermore, the charging and discharging behavior of the battery is generally limited by the weakest link, i.e., the battery cell with the least favorable characteristics. Therefore, even a few high-resistance connecting elements can significantly impair the performance of the entire battery. By taking the resistance of connecting elements into account when determining the cell voltage, voltage limits can be set more efficiently, thus allowing a wider power range to be utilized during both charging and discharging.

Mit anderen Worten werden durch die korrigierte Zellspannung die Zellspannungsgrenzen im Hinblick auf die echte Zellspannung, das heißt ohne Verbinder, effizient ausgenutzt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei gleicher Spezifikation jeweils die höchste bzw. niedrigste Zellspannung den Lade- bzw. Entladebetrieb limitiert. Es kann somit vermieden werden, dass die verfälschten Zellspannungen einiger weniger Zellen, z.B. oberhalb Verbindern innerhalb von Batteriemodulen, oder im ungünstigsten Fall einer einzigen Zelle mit besonders unvorteilhaften Randbedingungen, den Betriebsbereich aller Zellen der Batterie unnötig einschränkt. Der Nutzen einer verbesserten Zellspannungsbestimmung multipliziert sich damit über alle Zellen der Batterie.In other words, the corrected cell voltage allows for efficient utilization of the cell voltage limits with respect to the true cell voltage, i.e., without connectors. It is important to consider that, with identical specifications, the highest and lowest cell voltages limit the charging and discharging operations, respectively. This prevents the distorted cell voltages of a few cells, e.g., above connectors within battery modules, or, in the worst case, a single cell with particularly unfavorable conditions, from unnecessarily restricting the operating range of all cells in the battery. The benefit of improved cell voltage determination is thus multiplied across all cells in the battery.

Der Bereich mit hoher Lade- und Entladeleistung kann also erweitert werden, dies führt zu schnelleren Ladezeiten und beim Entladen zu besseren Beschleunigungswerten im unteren SOC-Bereich (State of Charge). Zudem wird durch die spätere Reduktion der Entladeleistung die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Hierbei kann bereits eine Korrektur der Spannung im mV-Bereich eine relevante Erhöhung der Fahrzeugreichweite bei unveränderter Batteriegröße zur Folge haben, die für den Fahrzeughersteller und den Endkunden einen erheblichen Mehrwert darstellt. Umgekehrt könnte die Batteriegröße bei gleichbleibender Reichweite des Fahrzeugs reduziert werden. Da die Batterie einen großen Anteil der Kosten zum Beispiel in einem batterieelektrischen Fahrzeug verursacht, kann dies einen erheblichen finanziellen Gegenwert haben.The high-power charging and discharging range can therefore be extended, leading to faster charging times and improved acceleration during discharge in the lower state of charge (SOC) range. Furthermore, reducing the discharge power later on increases the vehicle's range. Even a voltage adjustment in the millivolt range can result in a significant increase in vehicle range with the same battery size, representing considerable added value for both the vehicle manufacturer and the end customer. Conversely, the battery size could be reduced while maintaining the same vehicle range. Since the battery accounts for a large portion of the costs in, for example, a battery-electric vehicle, this can have a substantial financial impact.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: Ermitteln eines Stromstärke-Werts eines Stroms durch das Verbindungselement, wobei das Korrigieren des Spannungswerts basierend auf dem ermittelten Stromstärke-Wert erfolgt, insbesondere in Kombination mit dem Widerstandswert. Beispielsweise kann basierend auf einem Produkt des ermittelten Stromstärke-Werts mit dem Widerstandswerts korrigiert werden. Hier und anderswo schließt im Kontext der Offenbarung der Begriff „basierend“ nicht aus, dass andere Werte oder Größen als die konkret genannten herangezogen werden. Gemäß einer Ausgestaltung wird der Stromstärke-Wert mittels eines Shunts gemessen.According to one embodiment, the method further comprises: determining the current value of a current through the connecting element, wherein the voltage value is corrected based on the determined current value, particularly in combination with the resistance value. For example, correction can be based on the product of the determined current value and the resistance value. Here and elsewhere, in the context of the disclosure, the term "based" does not preclude the use of values or quantities other than those specifically mentioned. According to one embodiment, the current value is measured using a shunt.

Gemäß einer Ausführungsform werden die erste und die zweite Messverbindung auch zur Spannungsüberwachung eines zu dem Batterieelement jeweils benachbarten Batterieelements verwendet. Mit anderen Worten ist zwischen benachbarten Batterieelementen jeweils nur eine Messverbindung verbunden. Dies kann im Hinblick auf Materialersparnis und Effizienz vorteilhaft sein.According to one embodiment, the first and second measuring connections are also used for voltage monitoring of a battery cell adjacent to the respective battery cell. In other words, only one measuring connection is used between adjacent battery cells. This can be advantageous in terms of material savings and efficiency.

Gemäß einer Ausführungsform werden für unterschiedliche Batterieelemente zumindest teilweise unterschiedliche Spannungskorrekturen vorgenommen. Beispielsweise kann für manche der Batterieelemente einer Batterie eine Korrektur erforderlich sein, für andere jedoch nicht. Dies kann davon abhängen, wie groß der Widerstand von jeweiligen Verbindungselementen zwischen den Batterieelementen ist.According to one embodiment, different voltage corrections are applied, at least partially, to different battery cells. For example, some battery cells in a battery may require a correction, while others may not. This can depend on the resistance of the respective connecting elements between the battery cells.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Batterieelement eine Batteriezelle oder eine Anordnung von zwei oder mehr parallel geschalteten Batteriezellen, wobei das benachbarte Batterieelement eine benachbarte Batteriezelle oder eine benachbarte Anordnung von zwei oder mehr parallel geschalteten Batteriezellen ist. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil Batteriezellen die kleinsten zu überwachenden Einheiten einer Batterie darstellen und weil, wie bereits erläutert, unter Umständen einzelne Batteriezellen das Lade- und Entladeverhalten der gesamten Batterie in erheblichem Maße beeinflussen können.According to one embodiment, the battery element is a battery cell or an arrangement of two or more battery cells connected in parallel. len, wherein the adjacent battery element is an adjacent battery cell or an adjacent arrangement of two or more battery cells connected in parallel. Such an embodiment can be advantageous because battery cells represent the smallest units of a battery to be monitored and because, as already explained, individual battery cells may significantly influence the charging and discharging behavior of the entire battery.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungselement ein Modulverbinder zwischen einem Batteriemodul und einem benachbarten Batteriemodul der Batterie, wobei das Batterieelement zu dem Batteriemodul und das benachbarte Batterieelement zu dem benachbarten Batteriemodul gehört. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, wenn Modulverbinder einen größeren Widerstand aufweisen als Zellverbinder zwischen Batteriezellen eines Moduls. Dies kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass Modulverbinder länger sind als Zellverbinder innerhalb eines Moduls, einen anderen Querschnitt haben und/oder ein anderes Material aufweisen.According to one embodiment, the connecting element is a module connector between a battery module and an adjacent battery module of the battery, wherein the battery element belongs to the battery module and the adjacent battery element belongs to the adjacent battery module. Such an embodiment can be advantageous if module connectors have a greater resistance than cell connectors between battery cells of a module. This can be caused, for example, by module connectors being longer than cell connectors within a module, having a different cross-section, and/or being made of a different material.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungselement ein Paketverbinder zwischen einem Batteriepaket und einem benachbarten Batteriepaket, wobei das Batterieelement zu dem Batteriepaket und das benachbarte Batterieelement zu dem benachbarten Batteriepaket gehört. Batteriepakete können mehrere Batteriemodule zusammenfassen. Die Vorteile sind analog zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform.According to one embodiment, the connecting element is a package connector between a battery pack and an adjacent battery pack, wherein the battery element belongs to the battery pack and the adjacent battery element belongs to the adjacent battery pack. Battery packs can combine several battery modules. The advantages are analogous to the embodiment described above.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungselement eine elektrische Verbindungsleitung zwischen einem Abschnitt und einem benachbarten Abschnitt eines Batteriemoduls, wobei das Batterieelement zu dem Abschnitt und das benachbarte Batterieelement zu dem benachbarten Abschnitt gehört. Beispielsweise kann die elektrische Verbindungsleitung zwei Hälften eines Batteriemoduls miteinander verbinden. Dabei können die beiden Hälften derart angeordnet sein, beispielsweise als nebeneinander angeordnete Stapel oder Reihen, dass die elektrische Verbindungsleitung zwischen den Hälften länger ist als andere Verbindungsleitungen zwischen Batteriezellen desselben Moduls.According to one embodiment, the connecting element is an electrical connecting conductor between a section and an adjacent section of a battery module, wherein the battery element belongs to the section and the adjacent battery element belongs to the adjacent section. For example, the electrical connecting conductor can connect two halves of a battery module. The two halves can be arranged, for example, as adjacent stacks or rows, such that the electrical connecting conductor between the halves is longer than other connecting conductors between battery cells of the same module.

Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil es schwierig ist, die aus den verschiedenen Verbindungselementen resultierenden Messungenauigkeiten beispielsweise durch zusätzliche Messleitungen auszugleichen. Dies gilt insbesondere für Verbindungselemente zwischen Abschnitten desselben Moduls, weil sich aus Hardwaresicht die Konfiguration von Modulen nur mit großem Aufwand ändern lässt.Such an embodiment can be advantageous because it is difficult to compensate for the measurement inaccuracies resulting from the various connecting elements, for example, by using additional measuring leads. This is particularly true for connecting elements between sections of the same module, because from a hardware perspective, changing the configuration of modules is very complex and costly.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: Ermitteln einer betragsmäßig minimalen Stromstärke-Grenze für einen Strom durch das Verbindungselement, wobei der Spannungswert basierend auf der betragsmäßig minimalen Stromstärke-Grenze korrigiert wird. Beispielsweise kann ein betragsmäßig minimaler Wert der Stromstärke unter Berücksichtigung von Messungenauigkeiten, etwa Fertigungstoleranzen, Alterung und/oder möglichen unerkannten Fehlerfällen, ermittelt werden. Die betragsmäßig minimale Stromstärke-Grenze kann unter vorgegebenen Sicherheitsanforderungen, beispielsweise ASIL-Niveau, sicher eingehalten sein. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil eine Korrektur des Spannungswerts vorgenommen wird, gleichzeitig aber sichergestellt ist, dass nicht überkorrigiert wird.According to one embodiment, the method further comprises: determining a minimum absolute current limit for a current through the connecting element, wherein the voltage value is corrected based on the minimum absolute current limit. For example, a minimum absolute current value can be determined taking into account measurement inaccuracies such as manufacturing tolerances, aging, and/or possible undetected faults. The minimum absolute current limit can be reliably maintained under predefined safety requirements, for example, ASIL level. Such an embodiment can be advantageous because a correction of the voltage value is made while simultaneously ensuring that no overcorrection occurs.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Stromstärke durch das Verbindungselement basierend auf einem Batteriestrom bestimmt. Der Batteriestrom kann von einer Batteriesteuerung oder einer Fahrzeugsteuerung gemessen werden, insbesondere mittels eines Shunts, oder unter Verwendung anderer Steuergeräte, beispielsweise eines Inverters, gemessen oder errechnet werden. Die Messung des Stroms mittels eines Shunts kann über einen speziellen IC für die Messung von Hochspannungsgrößen erfolgen, welcher oft als UIR-IC für die Messung von Spannungen, Strömen und Widerständen bezeichnet wird.According to one embodiment, the current through the connecting element is determined based on a battery current. The battery current can be measured by a battery controller or a vehicle control unit, particularly by means of a shunt, or measured or calculated using other control devices, such as an inverter. Current measurement via a shunt can be performed using a special IC for measuring high-voltage quantities, often referred to as a UIR IC for measuring voltages, currents, and resistances.

Gemäß einer Ausführungsform wird als Widerstandswert eine untere Widerstands-Grenze für den Widerstand des Abschnitts des Verbindungselements ermittelt und der Spannungswert wird basierend auf der unteren Widerstands-Grenze korrigiert wird. Beispielsweise kann die untere Widerstands-Grenze als Minimalwert eines Toleranzbereichs gewählt werden. Der Toleranzbereich kann Fertigungs- und Alterungseffekte berücksichtigen. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil einerseits der Leistungsbereich der Batterie durch Korrigieren des Spannungswerts erweitert wird, andererseits aber sichergestellt ist, dass nicht überkorrigiert wird. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung eines Minimalwertes des Widerstandes und gegebenenfalls eines zusätzlichen Sicherheitsfaktors eine konservative Abschätzung des ohmschen Spannungsabfalls erfolgen, so dass im Lade- und Entladebetrieb die Grenzen für die echte Zellspannung sicher eingehalten werden.According to one embodiment, a lower resistance limit is determined for the resistance of the connecting element section, and the voltage value is corrected based on this lower resistance limit. For example, the lower resistance limit can be chosen as the minimum value of a tolerance range. The tolerance range can account for manufacturing and aging effects. Such an embodiment can be advantageous because, on the one hand, the battery's performance range is extended by correcting the voltage value, while on the other hand, it ensures that overcorrection is avoided. In other words, by using a minimum resistance value and, if necessary, an additional safety factor, a conservative estimate of the ohmic voltage drop can be made, so that the limits for the true cell voltage are reliably maintained during charging and discharging.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Widerstandswert aus einer Messung und/oder einer theoretischen Herleitung ermittelt, insbesondere unter Berücksichtigung von Alterungseffekten. Beispielsweise kann der Widerstandswert auf Grundlage einer Spezifikation, insbesondere einer Spezifikation des Verbindungselements und/oder einer das Verbindungselement enthaltenden übergeordneten Einheit, etwa eines Batteriemoduls, ermittelt werden. Hierfür können das Material und/oder die geometrischen Ausmaße, insbesondere Länge und Querschnitt, des Verbindungselements berücksichtigt werden. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft im Hinblick auf eine besonders genaue Korrektur des Spannungswerts sein.According to one embodiment, the resistance value is determined from a measurement and/or a theoretical derivation, particularly taking aging effects into account. For example, the resistance value can be based on a specification, in particular a specification of the connecting element and/or a The stress value can be determined for the higher-level unit containing the connecting element, such as a battery module. For this purpose, the material and/or the geometric dimensions, in particular the length and cross-section, of the connecting element can be taken into account. Such an embodiment can be advantageous with regard to a particularly precise correction of the stress value.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Widerstandswert basierend auf einer Temperatur ermittelt, insbesondere einer Temperatur, die durch einen Temperatursensor der Batterie gemessen wird, insbesondere in der Nähe des Batterieelements und/oder des benachbarten Batterieelements. Eine derartige Ausführungsform kann im Fall einer Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts vorteilhaft für eine besonders genaue Korrektur des Spannungswerts und damit für ein besonders effizientes Ausschöpfen des Leistungsvermögens der Batterie sein.According to one embodiment, the resistance value is determined based on a temperature, in particular a temperature measured by a temperature sensor of the battery, especially near the battery cell and/or the adjacent battery cell. Such an embodiment can be advantageous in the case of a temperature dependency of the resistance value for a particularly precise correction of the voltage value and thus for a particularly efficient utilization of the battery's performance capacity.

Gemäß einer Ausführungsform wird der basierend auf dem Widerstandswert und/oder dem Stromstärkewert korrigierte Spannungswert unter Verwendung eines Sicherheitswerts verkleinert. Beispielsweise kann der Sicherheitswert ein Sicherheitsfaktor kleiner als eins und größer null sein, insbesondere kleiner als 0,5, welcher mit dem korrigierten Spannungswert multipliziert wird und/oder ein Sicherheitssubtrahend, welcher größer als null ist und welcher von dem korrigierten Spannungswert abgezogen wird. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um Sicherheitsanforderungen, beispielsweise durch ein vorgegebenes ASIL-Niveau, gerecht zu werden.According to one embodiment, the voltage value, corrected based on the resistance value and/or the current value, is reduced using a safety factor. For example, the safety factor can be a safety factor less than one and greater than zero, particularly less than 0.5, which is multiplied by the corrected voltage value, and/or a safety subtrahend greater than zero, which is subtracted from the corrected voltage value. Such an embodiment can be advantageous for meeting safety requirements, for example, a specified ASIL level.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Korrektur in Abhängigkeit von einem Ladebetrieb oder einem Entladebetrieb der Batterie. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um sowohl im Lade- als auch im Entladebetrieb das Leistungsvermögen der Batterie auszuschöpfen.According to one embodiment, the correction is performed depending on whether the battery is being charged or discharged. Such an embodiment can be advantageous in order to fully utilize the battery's performance capacity in both charging and discharging modes.

Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Korrektur in dem Ladebetrieb der Batterie der Spannungswert betragsmäßig nach unten korrigiert und in dem Entladebetrieb der Batterie der Spannungswert betragsmäßig nach oben korrigiert. Die Korrektur kann von einer Flussrichtung des elektrischen Stroms abhängen. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil unterschiedliche Rahmenbedingungen beim Laden und Entladen für die Korrektur berücksichtigt werden.According to one embodiment, during battery charging, the voltage value is corrected downwards, and during battery discharging, it is corrected upwards. The correction can depend on the direction of the electric current. Such an embodiment can be advantageous because it takes into account the different conditions during charging and discharging.

Gemäß einer Ausführungsform werden ein Stromstärkewert durch das Verbindungselement und der Spannungswert zeitbezogen ermittelt und ein zeitlicher Abstand zwischen dem Stromstärkewert und dem Spannungswert wird für das Korrigieren des Spannungswerts berücksichtigt. Auch ein temperaturabhängiger Widerstandswert kann zeitbezogen ermittelt werden und entsprechend für die Korrektur des Spannungswerts berücksichtigt werden. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um eine genaue Korrektur zu ermöglichen, beispielsweise wenn der Stromstärkewert über einen UIR-IC und der Spannungswert über einen Bat-Mon-IC erfasst werden. Die Übertragung der Messwerte des UIR-ICs und des bzw. der Bat-Mon-ICs an beispielsweise den Mikrocontroller einer Batterie- oder Fahrzeug-/Antriebssteuerung über eine Schnittstelle kann zu nennenswerten Verzögerungen führen, welche die Korrektur der Zellspannung nicht beeinträchtigen sollten.According to one embodiment, the current value through the connecting element and the voltage value are determined over time, and a time interval between the current and voltage values is taken into account for correcting the voltage value. A temperature-dependent resistance value can also be determined over time and correspondingly considered for correcting the voltage value. Such an embodiment can be advantageous for enabling precise correction, for example, when the current value is acquired via a UIR IC and the voltage value via a battery monitor IC. Transmitting the measured values from the UIR IC and the battery monitor IC(s) to, for example, the microcontroller of a battery or vehicle/drive control system via an interface can lead to significant delays, which should not impair the cell voltage correction.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein zulässiger Betriebsbereich der Batterie basierend auf der korrigierten Spannung beurteilt und/oder wird eine Diagnose der Batterie basierend auf der korrigierten Spannung durchgeführt. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil eine effizientere Ausnutzung der Leistungsgrenzen der Batterie und/oder eine genauere Batterie-Diagnose ermöglicht wird. Bei Verwendung der korrigierten Zellspannung für eine Diagnose kann diese zielgenauer ausgeführt werden, beispielsweise weil durch die Unterscheidung von Spannungsabfällen innerhalb der Zelle und an Verbindern, etwa an modulinternen Verbindern, ein errechneter Innenwiderstand der Zelle eine höhere Genauigkeit aufweist.According to one embodiment, the permissible operating range of the battery is assessed based on the corrected voltage and/or a battery diagnosis is performed based on the corrected voltage. Such an embodiment can be advantageous because it enables more efficient utilization of the battery's performance limits and/or more accurate battery diagnostics. When the corrected cell voltage is used for diagnostics, the diagnosis can be performed more precisely, for example, because by distinguishing between voltage drops within the cell and at connectors, such as those on module-internal connectors, the calculated internal resistance of the cell exhibits higher accuracy.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie des Steuergeräts ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantages and beneficial designs and further developments of the method and the control unit result from the following exemplary embodiments shown in connection with the figures.

Es zeigen:

1 ein Batteriesystem mit Batterie und einer Spannungsüberwachungs-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 Aspekte eines Verfahrens zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

They show:

1 a battery system comprising a battery and a voltage monitoring circuit according to an embodiment of the present disclosure;
2 Aspects of a method for voltage monitoring of a battery element according to an embodiment of the present disclosure.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In manchen Figuren sind einzelne Bezugszeichen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.Identical, similar, or similarly functioning elements are marked with the same reference symbols in the figures. In some figures, individual reference symbols have been omitted for clarity. The figures and the relative sizes of the elements depicted within them are not to be considered to scale. Rather, individual elements may be used for illustrative purposes. It may be exaggeratedly large for better presentation and/or for better comprehensibility.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EXAMPLES OF EXECUTION

1 zeigt ein Batteriesystem 100 eines Kraftfahrzeugs, welches die folgenden Elemente umfasst: (i) eine Spannungsüberwachungs-Schaltung 102, die beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems sein kann, (ii) eine wiederaufladbare Batterie 101 mit mindestens zwei Batteriezellen Zk, Zk-1, welche über ein Verbindungselement 105 verbunden sind, und (iii) mindestens zwei Messleitungen Wk, Wk+1 zwischen der Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 und der Batterie 101. 1 Figure 1 shows a battery system 100 of a motor vehicle comprising the following elements: (i) a voltage monitoring circuit 102, which may, for example, be part of a battery management system, (ii) a rechargeable battery 101 with at least two battery cells Zk, Zk-1, which are connected via a connecting element 105, and (iii) at least two measuring lines Wk, Wk+1 between the voltage monitoring circuit 102 and the battery 101.

Eine erste Messleitung Wk verbindet die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 mit dem Pluspol der Batteriezelle Zk-1 sowie über das Verbindungselement 105 mit dem Minuspol der Batteriezelle Zk. Eine zweite Messleitung Wk+1 verbindet die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 mit dem Pluspol der Batteriezelle Zk. In der dargestellten Konfiguration kontaktieren die Messleitungen Wk jeweils den Pluspol der zugehörigen Batteriezelle Zk-1 direkt. Alternativ könnten die Messleitungen auch jeweils den Minuspol entsprechender Batteriezellen direkt kontaktieren oder einen Abschnitt der jeweiligen Verbindungsleitung zwischen benachbarten Batteriezellen.A first measuring lead Wk connects the voltage monitoring circuit 102 to the positive terminal of battery cell Zk-1 and, via the connecting element 105, to the negative terminal of battery cell Zk. A second measuring lead Wk+1 connects the voltage monitoring circuit 102 to the positive terminal of battery cell Zk. In the configuration shown, the measuring leads Wk each contact the positive terminal of the corresponding battery cell Zk-1 directly. Alternatively, the measuring leads could also each contact the negative terminal of the corresponding battery cells directly or a section of the respective connecting lead between adjacent battery cells.

Die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 weist eine Messeinrichtung auf, beispielsweise einen sogenannten Batterie-Monitoring-IC, mit welcher die Spannung Uk zwischen den Messleitungen Wk und Wk+1 gemessen wird. Um die tatsächliche Spannung zwischen Minuspol und Pluspol der Batteriezelle Zk zu ermitteln, muss das leitende Verbindungselement 105 berücksichtigt werden. Dieses verbindet den Minuspol der Zelle Zk mit dem Pluspol der benachbarten Zelle Zk-1. Gleichzeitig verbindet das Verbindungselement 105 den Minuspol der Batterieeinheit 103 mit dem Pluspol der benachbarten Batterieeinheit 104, wobei jede der Batterieeinheiten 104, 103 eine Mehrzahl von Batteriezellen Zk-2, Zk-1 bzw. Zk, Zk+1 aufweist. Das Verbindungselement 105 unterscheidet sich von den elektrischen Verbindungen zwischen benachbarten Batteriezellen Zk-2, Zk-1 bzw. Zk, Zk+1 innerhalb einer Batterieeinheit 104, 103 insbesondere darin, dass das Verbindungselement 105 einen vergleichsweise größeren Widerstand hat. Die Batterieeinheiten 103, 104 können beispielsweise unterschiedliche Batteriemodule oder Batteriepakete der Batterie sein. Vorliegend sind die Batterieeinheiten 103, 104 benachbarte Abschnitte innerhalb eines Batteriemoduls, die beispielsweise durch eine besondere geometrische Anordnung ausgezeichnet sind, etwa, benachbarte Stapel oder Reihen von Batteriezellen oder eine Anordnung Rückenan-Rücken.The voltage monitoring circuit 102 includes a measuring device, for example, a so-called battery monitoring IC, with which the voltage Uk between the measuring leads Wk and Wk+1 is measured. To determine the actual voltage between the negative and positive terminals of battery cell Zk, the conductive connecting element 105 must be taken into account. This connects the negative terminal of cell Zk to the positive terminal of the adjacent cell Zk-1. Simultaneously, the connecting element 105 connects the negative terminal of battery unit 103 to the positive terminal of the adjacent battery unit 104, each of which comprises a plurality of battery cells Zk-2, Zk-1 and Zk, Zk+1, respectively. The connecting element 105 differs from the electrical connections between adjacent battery cells Zk-2, Zk-1 and Zk, Zk+1 within a battery unit 104, 103, particularly in that the connecting element 105 has a comparatively higher resistance. The battery units 103, 104 can, for example, be different battery modules or battery packs of the battery. In this case, the battery units 103, 104 are adjacent sections within a battery module, which are distinguished, for example, by a special geometric arrangement, such as adjacent stacks or rows of battery cells or a back-to-back arrangement.

Die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 ist eingerichtet, ein Verfahren zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements Zk einer Batterie 101, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, durchzuführen. Die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 ist durch eine erste Messverbindung Wk+1 mit einem positiven Pol und durch eine zweite Messverbindung Wk & 105 mit einem negativen Pol des Batterieelements Zk verbunden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (i) Ermitteln eines Spannungswerts Uk, welcher indikativ für eine Batterieelement-Spannung zwischen den beiden Polen ist, unter Verwendung der Spannungsüberwachungs-Schaltung 102; (ii) Ermitteln eines Widerstandwerts R eines Abschnitts eines Verbindungselements 105, wobei das Verbindungselement 105 das Batterieelement Zk mit einem benachbarten Batterieelement Zk-1 verbindet und wobei eine der beiden Messverbindungen Wk & 105, Wk+1 den Abschnitt des Verbindungselements 105 beinhaltet; und Korrigieren des Spannungswerts Uk basierend auf dem Widerstandswert R.The voltage monitoring circuit 102 is configured to perform a method for monitoring the voltage of a battery cell Zk of a battery 101, in particular a vehicle battery. The voltage monitoring circuit 102 is connected to a positive terminal of the battery cell Zk by a first measuring connection Wk+1 and to a negative terminal of the battery cell Zk by a second measuring connection Wk & 105. The method comprises the following steps: (i) determining a voltage value Uk, which is indicative of a battery cell voltage between the two terminals, using the voltage monitoring circuit 102; (ii) determining a resistance value R of a section of a connecting element 105, wherein the connecting element 105 connects the battery cell Zk to an adjacent battery cell Zk-1 and wherein one of the two measuring connections Wk & 105, Wk+1 includes the section of the connecting element 105; and correcting the voltage value Uk based on the resistance value R.

In Reihe angeordnete Zellen Zk-2, Zk-1, Zk, Zk+1 werden üblicherweise von niedrigem zu hohem Potential aufsteigend durchnummeriert, das heißt von der Minus- zur Plusseite der Batterie. Als „Zelle“ kann vorliegend auch die Parallelschaltung mehrerer Zellen bezeichnet werden. Zellen Zk-2, Zk-1, Zk, Zk+1 werden häufig zu Batteriemodulen gruppiert, welche im Fehlerfall austauschbar sein können. Hierbei beziehen sich die spezifizierten Zellspannungsgrenzen auf die Zelle selbst, nicht auf gegebenenfalls dazwischen vorhandene Verbindungselemente 105. Letztere können im Betrieb einen nennenswerten ohmschen Spannungsabfall aufweisen. Dies betrifft insbesondere die Verbindungen zwischen Modulen, sogenannte Modulverbinder. Daher wird im Allgemeinen vermieden, den ohmschen Spannungsabfall von Modulverbindern bei der Zellspannungsermittlung mitzumessen, indem entweder eine separate Messleitung oberhalb und unterhalb eines Modulverbinders verwendet wird, wobei insbesondere der entsprechende Eingangskanal eines Bat-Mon-ICs nicht zur Zellspannungsmessung eingesetzt wird, oder indem die Zellen oberhalb und unterhalb eines Modulverbinders getrennten Bat-Mon-ICs zugeordnet werden. In beiden Fällen gibt es Messleitungen auf beiden Seiten des Modulverbinders, welche für die Zellspannungsermittlung herangezogen werden können.Cells Zk-2, Zk-1, Zk, Zk+1, arranged in series, are typically numbered sequentially from lowest to highest potential, i.e., from the negative to the positive side of the battery. In this context, the term "cell" can also refer to several cells connected in parallel. Cells Zk-2, Zk-1, Zk, Zk+1 are often grouped into battery modules, which can be replaced in case of a fault. The specified cell voltage limits refer to the cell itself, not to any connecting elements 105 that may be present between the cells. These connecting elements can exhibit a significant ohmic voltage drop during operation. This applies particularly to the connections between modules, so-called module connectors. Therefore, the ohmic voltage drop across module connectors is generally avoided when determining cell voltage by either using separate measuring leads above and below a module connector (in particular, ensuring that the corresponding input channel of a battery monitoring IC is not used for cell voltage measurement) or by assigning separate battery monitoring ICs to the cells above and below a module connector. In both cases, measuring leads are available on both sides of the module connector for cell voltage determination.

Aufgrund einer aufwändigen Ursachenanalyse hat sich gezeigt, dass auch innerhalb der Batteriemodule noch nennenswerte ohmsche Widerstände von Verbindungselementen 105 oder Verbindern auftreten können, beispielsweise bei der Verbindung zwischen zwei Hälften 103, 104 eines Batteriemoduls, in dem jeweils zwei Reihen von Zellen Zk-2, Zk-1 bzw. Zk, Zk+1 „Rücken an Rücken“ angeordnet sind (in 1 der Übersichtlichkeit halber anders dargestellt). Das Verwenden getrennter Messleitungen beiderseits der Verbindung innerhalb des Moduls würde erhebliche Mehrkosten mit sich bringen. Wird beispielsweise bei einem solchen Modul aus zehn Zellen eine Messleitung Wk oberhalb der fünften Zelle Zk-1 des Moduls platziert, und die nächste Messleitung Wk+1 oberhalb der sechsten Zelle Zk, dann enthält die Differenzspannung dieser Messleitungen, welche für die Zellspannung der sechste Zelle Zk des Moduls verwendet wird, auch den ohmschen Spannungsabfall am Verbinder 105 zwischen beiden Modulhälften.A comprehensive root cause analysis has revealed that significant ohmic resistances can still occur within the battery modules due to connecting elements 105 or connectors, for example during the Connection between two halves 103, 104 of a battery module in which two rows of cells Zk-2, Zk-1 and Zk, Zk+1 are arranged "back to back" (in 1 (Shown differently for clarity). Using separate measuring leads on both sides of the connection within the module would entail considerable additional costs. For example, if, in such a ten-cell module, one measuring lead Wk is placed above the fifth cell Zk-1 of the module, and the next measuring lead Wk+1 is placed above the sixth cell Zk, then the differential voltage of these measuring leads, which is used for the cell voltage of the sixth cell Zk of the module, also includes the ohmic voltage drop at connector 105 between the two module halves.

Dies reduziert beim Entladen die scheinbare Spannung der sechsten Zelle Zk. Das Steuergerät bzw. die Spannungsüberwachungs-Schaltung 102 erkennt somit fälschlicherweise ein Erreichen der unteren Zellspannungsgrenze, was zur Reduktion des Entladestromes und somit zur unnötig frühen Leistungsreduktion führt. Umgekehrt erhöht dies beim Laden die scheinbare Spannung der sechsten Zelle Zk, sodass die Ladeleistung unnötig limitiert wird. Da die Entladeleistung beim Fahren nicht beliebig reduziert werden kann, limitiert dies auch den nutzbaren Energieinhalt der Batterie 101, welcher für die Reichweite des Fahrzeugs entscheidend ist.This reduces the apparent voltage of the sixth cell Zk during discharge. The control unit or voltage monitoring circuit 102 therefore incorrectly detects that the lower cell voltage limit has been reached, leading to a reduction in the discharge current and thus an unnecessarily early reduction in power. Conversely, this increases the apparent voltage of the sixth cell Zk during charging, unnecessarily limiting the charging power. Since the discharge power cannot be reduced arbitrarily while driving, this also limits the usable energy content of the battery 101, which is crucial for the vehicle's range.

Den Einfluss der Verbindungen innerhalb von Modulen auf die Zellspannungsmessung kann man entweder akzeptieren, um Mehrkosten zu vermeiden, oder man muss auch Verbindungen innerhalb der Module mit nennenswertem ohmschen Widerstand auf einen eigenen Messkanal eines Bat-Mon-ICs oder zwischen Bat-Mon-ICs legen, mit dem entsprechenden Mehraufwand für die Messleitungen und die Überwachungs-Elektronik, z.B. mehr Bat-Mon-ICs bei begrenzter maximaler Anzahl von Kanälen pro Bat-Mon-IC.The influence of connections within modules on cell voltage measurement can either be accepted to avoid additional costs, or connections within the modules with significant ohmic resistance must also be placed on a separate measurement channel of a Bat-Mon-IC or between Bat-Mon-ICs, with the corresponding additional effort for the measurement lines and the monitoring electronics, e.g. more Bat-Mon-ICs with a limited maximum number of channels per Bat-Mon-IC.

Vorzugsweise erfolgt jedoch für Zellspannungen Uk, welche nennenswert durch die ohmschen Widerstände von Verbindungselementen 105 oder Verbindern beeinflusst werden, typischerweise Verbinder innerhalb von Batteriemodulen, eine rechnerische Korrektur des Einflusses des ohmschen Spannungsabfalls des Verbinders 105 auf die Zellspannung Uk im Lade- und/oder Entladebetrieb in der Batterie- oder Fahrzeugsteuerung. Im Ladebetrieb wird hierzu beispielsweise das Produkt aus einem Widerstandswert R des Verbinders 105 und des Betrages eines Batteriestroms I von der Zellspannung Uk abgezogen. Im Entladebetrieb wird hierzu beispielsweise das Produkt aus einem Widerstandswert R des Verbinders 105 und des Betrags eines Batteriestroms I zur Zellspannung Uk addiert.Preferably, however, for cell voltages Uk that are significantly influenced by the ohmic resistances of connecting elements 105 or connectors, typically connectors within battery modules, a computational correction of the influence of the ohmic voltage drop of the connector 105 on the cell voltage Uk during charging and/or discharging is performed in the battery or vehicle control system. During charging, for example, the product of the resistance value R of the connector 105 and the magnitude of a battery current I is subtracted from the cell voltage Uk. During discharging, for example, the product of the resistance value R of the connector 105 and the magnitude of a battery current I is added to the cell voltage Uk.

Der Batteriestrom I kann hierbei von der Batterie- oder Fahrzeugsteuerung gemessen werden, zum Beispiel mithilfe eines Shunts, oder mittels anderer Steuergeräte wie beispielsweise einem Inverter gemessen oder errechnet werden. Hierbei kann im Lade- und Entladebetrieb jeweils ein betragsmäßig minimaler Wert des Stromes unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit, insbesondere Fertigungstoleranzen, Alterung, mögliche unerkannte Fehlerfälle etc., verwendet werden, der unter den entsprechenden Sicherheitsanforderungen, zum Beispiel ASIL-Level, sicher eingehalten wird. Die Messung des Stromes mittels eines Shunts kann dabei über einen speziellen IC für die Messung von Hochspannungsgrößen erfolgen, oft als UIR-IC für die Messung von Spannungen, Strömen und Widerständen bezeichnet.The battery current I can be measured by the battery or vehicle control unit, for example using a shunt, or measured or calculated by other control units such as an inverter. During charging and discharging, a minimum current value can be used, taking into account measurement accuracy, particularly manufacturing tolerances, aging, and potential undetected faults, etc., which is reliably maintained under the relevant safety requirements, such as ASIL level. Current measurement using a shunt can be performed via a special integrated circuit (IC) for measuring high-voltage quantities, often referred to as a UIR IC for measuring voltages, currents, and resistances.

Der Widerstandswert R kann mithilfe der Spezifikation des entsprechenden Verbinders 105 bzw. Batteriemoduls festgelegt werden. Dies kann insbesondere auf Grundlage eines Minimalwertes eines Toleranzbereiches erfolgen, um eine Überkompensation zu vermeiden. Der Toleranzbereich kann hierbei Fertigungs- und Alterungseffekte berücksichtigen. Hierbei kann auch der Minimalwert um einen Sicherheitsfaktor verkleinert werden, z.B. um den Faktor 2, um eventuelle Überschreitung der spezifizierten Toleranzen im Fehlerfall abzudecken. Der Widerstandswert R kann auch als Funktion von Temperaturwerten abgelegt sein, beispielsweise als Funktion eines Temperaturmesswertes innerhalb des Batteriemoduls, insbesondere eines in der Nähe des Verbinders 105 platzierten Temperatursensors. Der Widerstandswert R kann auch als Funktion einer Betriebszeit des Speichers oder des Batteriemoduls abgelegt werden, um Alterungseinflüsse zu berücksichtigen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines thermischen Profils des Betriebes.The resistance value R can be determined using the specifications of the corresponding connector 105 or battery module. This can be done, in particular, based on a minimum value within a tolerance range to avoid overcompensation. The tolerance range can take manufacturing and aging effects into account. The minimum value can also be reduced by a safety factor, e.g., by a factor of 2, to cover any potential exceedance of the specified tolerances in the event of a fault. The resistance value R can also be stored as a function of temperature values, for example, as a function of a temperature measurement within the battery module, especially from a temperature sensor located near connector 105. The resistance value R can also be stored as a function of the operating time of the memory or battery module to account for aging effects, possibly taking into account a thermal profile of the operation.

Die korrigierte Zellspannung Uk kann neben der Regelung des Lade- und Entladestroms auch für eine Diagnose, z.B. anhand eines errechneten Innenwiderstandes der Zelle, bzw. für eine State of Charge (SOC) oder State of Health (SOH)-Berechnung der Zelle verwendet werden.The corrected cell voltage Uk can be used not only for regulating the charging and discharging current, but also for diagnostics, e.g., based on a calculated internal resistance of the cell, or for calculating the state of charge (SOC) or state of health (SOH) of the cell.

Um eine genaue zeitliche Zuordnung von Strom I und Zellspannung Uk und somit eine genaue Korrektur zu ermöglichen, kann die Erfassung des Stroms I bspw. über einen UIR-IC und der Zellspannung Uk über einen Bat-Mon-IC zeitllich synchronisiert erfolgen. Dies kann erforderlich sein, da die Übertragung der Messwerte des UIR-ICs und des bzw. der Bat-Mon-ICs an beispielsweise den Mikrocontroller einer Batterie- oder Fahrzeug-/Antriebssteuerung über eine Schnittstelle zu nennenswerten Verzögerungen führen können, welche die Korrektur der Zellspannung Uk nicht beeinträchtigen sollten.To enable precise timing of current I and cell voltage Uk, and thus accurate correction, the current I can be measured, for example, via a UIR IC, and the cell voltage Uk can be measured, synchronized via a Bat-Mon IC. This may be necessary because transmitting the measured values from the UIR IC and the Bat-Mon IC(s) to, for example, the microcontroller of a battery or vehicle/drive control system via an interface can lead to significant delays that should not affect the correction of the cell voltage Uk.

2 illustriert ein Verfahren zur Spannungsüberwachung eines Batterieelements Zk, wie es im Zusammenhang mit 1 bereits erläutert wurde. Dargestellt ist im oberen Teil der Batteriestrom bzw. die Stromstärke I eines Stroms durch das Verbindungselement 105. Im unteren Teil sind dann korrespondierende, von der Stromstärke I abhängige Spannungswerte ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... verschiedener Batteriezellen ..., Zk-1, Zk, Zk+1, ... dargestellt. 2 zeigt also das gemessene Verhalten der Zellspannungen ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... einer Batterie 101 während zunehmendem Entladebetrieb, d.h. zunehmend negativer Stromstärke I. Hierbei ist neben einem kontinuierlichen Streuband von Zellspannungen Uk-1, Uk+1, ... auch eine Gruppe von Zellspannungen Uk, ... zu erkennen, deren Zellspannung mit zunehmendem Entladebetrieb stärker abnimmt als die der anderen Zellen. Dies sind im vorliegenden Fall genau die Zellen Zk, ... welche oberhalb der Hälfte 104 eines Batteriemoduls liegen und somit den Spannungsabfall am Verbinder 105 zwischen beiden Modulhälften 103, 104 enthalten. Diese Zellspannungen Uk, ... sind limitierend für den Entladebetrieb, wenn keine Korrektur des ohmschen Spannungsabfalls am Verbinder 105 innerhalb des Moduls erfolgt. Die in 2 dargestellte Diskrepanz zwischen den gemessenen Zellspannungen ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... war Ausgangspunkt für Ursachenermittlung und Lösungsfindung, wie in der vorliegenden Offenbarung dargestellt. 2 illustrates a method for voltage monitoring of a battery cell Zk, as used in connection with 1 As already explained, the upper part shows the battery current or the current intensity I of a current through the connecting element 105. The lower part then shows corresponding voltage values, dependent on the current intensity I, ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... of various battery cells ..., Zk-1, Zk, Zk+1, ... 2 This shows the measured behavior of the cell voltages ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... of a battery 101 during increasing discharge operation, i.e., increasingly negative current I. In addition to a continuous scatter band of cell voltages Uk-1, Uk+1, ..., a group of cell voltages Uk, ... can also be seen whose cell voltage decreases more sharply with increasing discharge operation than that of the other cells. In this case, these are precisely the cells Zk, ... which are located above half 104 of a battery module and thus contain the voltage drop at the connector 105 between the two module halves 103, 104. These cell voltages Uk, ... are limiting for the discharge operation if no correction of the ohmic voltage drop at the connector 105 takes place within the module. The in 2 The discrepancy shown between the measured cell voltages ..., Uk-1, Uk, Uk+1, ... was the starting point for determining the causes and finding solutions, as presented in the present disclosure.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.The invention is not limited to the exemplary embodiments described therein. Rather, the invention encompasses every new feature as well as every combination of features, which in particular includes every combination of features in the exemplary embodiments and claims.

BEZUGSZEICHENREFERENCE MARK

100100: BatteriesystemBattery system
101101: Batteriebattery
102102: Spannungsüberwachungs-SchaltungVoltage monitoring circuit
103103: erste Batterieeinheit (z.B. Abschnitt eines Batteriemoduls)first battery unit (e.g. section of a battery module)
104104: zweite Batterieeinheit (z.B. benachbarter Abschnitt des Batteriemoduls)second battery unit (e.g. adjacent section of the battery module)
105105: VerbindungselementConnecting element
ZkZk: BatteriezelleBattery cell
WkWk: Messleitung zum Pluspol der Batteriezelle Z_k-1 Measuring lead to the positive terminal of battery cell Z _k-1
II: Stromstärkecurrent
UkUK: Spannung der Batteriezelle Z_k Battery cell voltage Z _k
RR: Widerstand des VerbindungselementsResistance of the connecting element
tt: ZeitTime

Claims

A method for monitoring the voltage of a battery cell (Zk) of a battery (101), in particular a vehicle battery, using a voltage monitoring circuit (102), wherein the voltage monitoring circuit is connected to a positive terminal of the battery cell (Zk) by a first measuring connection (Wk+1) and to a negative terminal of the battery cell (Zk) by a second measuring connection (Wk & 105), the method comprising the following steps: - Determining a voltage value (Uk) indicative of a battery cell voltage between the two terminals using the voltage monitoring circuit (102); - Determining a resistance value (R) of a section of a connecting element (105), wherein the connecting element (105) connects the battery cell (Zk) to an adjacent battery cell (Zk-1) and wherein one of the two measuring connections (Wk & 105, Wk+1) includes the section of the connecting element (105); and - Correcting the voltage value (Uk) based on the resistance value (R).

Method according to the preceding claim, wherein the battery element (Zk) is a battery cell or an arrangement of two or more battery cells connected in parallel and wherein the adjacent battery element (Zk-1) is an adjacent battery cell or an adjacent arrangement of two or more battery cells connected in parallel.

Method according to one of the preceding claims, wherein the connecting element (105) is a module connector between a battery module and an adjacent battery module of the battery (101) and wherein the battery element (Zk) belongs to the battery module and the adjacent battery element (Zk-1) belongs to the adjacent battery module.

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the connecting element (105) is an electrical connecting line between a section (103) of a battery module and an adjacent section (104) of the same battery module and wherein the battery element (Zk) belongs to the section (103) and the adjacent battery element (Zk-1) belongs to the adjacent section (104).

A method according to one of the preceding claims, further comprising: determining a minimum absolute current limit for a current (I) through the connecting element (105), wherein the voltage value (Uk) is based is corrected to the absolute minimum current limit.

Method according to one of the preceding claims, wherein a lower resistance limit for the resistance of the section of the connecting element (105) is determined as the resistance value (R) and wherein the voltage value (Uk) is corrected based on the lower resistance limit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the resistance value (R) is determined from a measurement and/or a theoretical derivation, in particular taking into account aging effects.

Method according to one of the preceding claims, wherein the resistance value (R) is determined based on a temperature, in particular a temperature measured by a temperature sensor of the battery (101).

Method according to one of the preceding claims, wherein the voltage value (Uk) corrected on the basis of the resistance value (R) is reduced using a safety value, in particular by multiplying by a safety factor less than one.

Method according to one of the preceding claims, wherein the correction is made depending on whether the battery (101) is charging or discharging.

Method according to the preceding claim, wherein during the charging operation of the battery (101) the voltage value (Uk) is corrected downwards in absolute value and during the discharging operation of the battery (101) the voltage value (Uk) is corrected upwards in absolute value.

Method according to one of the preceding claims, wherein a current value (I) through the connecting element (105) and the voltage value (Uk) are determined over time and a time interval between the current value (I) and the voltage value (Uk) is taken into account for correcting the voltage value (Uk).

Method according to one of the preceding claims, wherein a permissible operating range of the battery (101) is assessed based on the corrected voltage (Uk) and/or a diagnosis of the battery (101) is performed based on the corrected voltage (Uk).

Control unit, in particular battery management system, which is configured to perform a procedure according to one of the Claims 1 until 13 to carry out.

A computer program that includes instructions which, when executed by a computer, cause it to perform the procedure according to one of the Claims 1 until 13 to carry out.