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WO2016155962A1 - Verfahren zum betrieb einer batterieeinheit - Google Patents

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WO2016155962A1
WO2016155962A1 PCT/EP2016/054265 EP2016054265W WO2016155962A1 WO 2016155962 A1 WO2016155962 A1 WO 2016155962A1 EP 2016054265 W EP2016054265 W EP 2016054265W WO 2016155962 A1 WO2016155962 A1 WO 2016155962A1
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WO
WIPO (PCT)
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battery cell
battery
discharge
value
discharge resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/054265
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Becker
Andre Boehm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US15/561,487 priority patent/US10355504B2/en
Publication of WO2016155962A1 publication Critical patent/WO2016155962A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a battery unit with at least two series-connected battery cells.
  • the invention also relates to a use of the method for operating a battery unit in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PH EV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PH EV plug-in hybrid vehicle
  • Electric vehicles are designed as well as electronic devices, such as laptops or cell phones, new battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life.
  • Lithium-ion battery cells have a positive and a negative electrode on which lithium ions can reversibly store in a charging process and during a discharge process and outsource again.
  • the electric Drive in hybrid vehicles usually includes an electric motor, which can also be operated as a generator, a battery unit as
  • Energy storage from which the electric drive is supplied, and control electronics.
  • Plug-in hybrid vehicles also offer the option of the
  • the external energy source may for example be a charging station, which is fed via the public power supply network.
  • the battery unit is today usually designed as a lithium-ion accumulator and is also referred to as a traction battery.
  • Battery units in such electric vehicles are usually modular.
  • a plurality of battery cells are connected in series with each other and each form, for example, a battery module.
  • Several battery modules are summarized, for example, each to a subunit and share, for example, a cooling device.
  • a complete battery unit is constructed, for example, of several subunits.
  • a battery control unit is provided for controlling and monitoring the battery unit.
  • the belonging to a battery unit battery cells are usually different due to manufacturing tolerances or aging
  • a battery cell which has a higher state of charge compared to other battery cells, means a discharge resistor, which is connected in parallel to the battery cell, partially discharged.
  • Equalizing charge states of the battery cells a discharge process
  • At least one battery cell is carried out via a switchable discharge resistor.
  • the value of the discharge resistor is determined during the discharging process of the at least one battery cell, and in a subsequent discharging process of the battery cell, the previously determined value of the
  • the determined value of the discharge resistor is in one
  • the value of the discharge resistor is known in the following discharge process.
  • a known approximation value for the discharge resistor is first stored in the battery control unit.
  • the stored value of the discharge resistor is overwritten with a new value of the discharge resistor.
  • the stored value of the discharge resistor can be overwritten with the determined value of the discharge resistor. It is also conceivable to overwrite the stored value of the discharge resistor with a calculated value which lies between the stored value of the discharge resistor and the determined value of the discharge resistor.
  • Discharge resistance set The duration of the discharge process is an essential parameter in the discharge process of the battery cell.
  • Determining a suitable time duration of the discharge process thus makes it possible to optimize the discharging process of the battery cell.
  • a rest phase is provided before the discharge of the battery cell.
  • the rest phase allows a subsequent more accurate determination of operating parameters of the battery cell, such as voltage and state of charge.
  • the period of discharge of the battery cell during the rest phase is determined by calculation according to the above equation.
  • the charge of the battery cell and the charge of another battery cell are measured, and the charge difference AQ of the battery cell to the other battery cell is calculated.
  • the voltage U of the battery cell is measured during the rest phase.
  • the value R of the discharge resistor is known and is in particular in one
  • operating parameters of the battery cell in particular voltage and state of charge of the battery cell, are determined at the beginning of the discharging process. Also at the end of the battery cell
  • Discharge operation operating parameters of the battery cell in particular voltage and state of charge of the battery cell, determined.
  • the determination of said operating parameters is preferably carried out by the battery control unit.
  • the voltage determined at the beginning of the discharging process and the state of charge of the battery cell determined at the beginning of the discharging process are taken into account in determining the value of the discharging resistor.
  • the voltage determined at the end of the discharging process and the state of charge of the battery cell determined at the end of the discharging process are taken into account in determining the value of the discharging resistor.
  • the value of the discharge resistor is determined by the following equation:
  • U3 voltage of the battery cell at the beginning of the discharge process [V]
  • U4 voltage of the battery cell at the end of the discharge process [V]
  • a defect in the battery unit is advantageously detected when the determined value of the discharge resistor exceeds an upper limit value.
  • Exceeding an upper limit value indicates, for example
  • a defect in the battery unit is detected when the determined value of the discharge resistor falls below a lower limit. Falling below a lower limit indicates, for example, a short circuit.
  • the method according to the invention advantageously finds use for operating a battery unit in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PH EV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PH EV plug-in hybrid vehicle
  • the method according to the invention functions independently of a driving profile or a power profile to which the battery cells of the battery unit are exposed.
  • a manufacturing-related scattering of the value of the discharge resistor in a tolerance range can be compensated. This can be cheaper
  • Discharge resistors are used with greater production-related scattering. Furthermore, in a serial production can be cheaper
  • Discharge resistors with other nominal values are used. An age-related change in the value of the discharge resistor can also be compensated. The number of unloading operations required is reduced. This increases the range of an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV), and a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in which the inventive method is used. This also reduces the cost of necessary recharging the battery unit.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • defects in the battery unit in particular hardware defects on the battery control unit, may be diagnosed during operation of the battery unit.
  • FIG. 1 shows a battery unit, which is operated by the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an exemplary time sequence for determining the value of
  • the battery unit 10 comprises a plurality of, in the present case four, battery cells 2.
  • the battery cells 2 are connected in series.
  • Each battery cell 2 is a discharge resistor 12 and a switch 14
  • the battery unit 10 further includes a battery control device 20
  • Battery control unit 20 is used to control and monitor the battery unit
  • the battery control unit 20 is used in particular for the determination of
  • Battery control unit 20 a voltage of the battery cells 2, as well as a
  • the battery control unit 20 has corresponding internal memory areas in which the voltages of the battery cells 2 and the states of charge of the battery cells 2 can be stored.
  • the battery control device 20 is connected to the switches 14 of the battery cells 2.
  • the battery control unit 20 can open and close the individual switches 14.
  • the switches 14 of the battery cells 2 are presently designed as semiconductor switches, in particular as transistors. However, the switches 14 of the battery cells 2 can also be designed as electromechanical switches, in particular as relays.
  • the battery control unit 20 has corresponding memory areas for storing the value R of the discharge resistor 12 of the battery cell 2.
  • the battery control unit 20 also has an arithmetic unit which comprises measured voltages of the battery cell 2 and measured charge states of the battery cell 2, the capacity C of the battery cell 2 and the time T of the discharge of the battery cell 2, the value R of the discharge resistor 12 is calculated.
  • an approximate value for the value R of the discharge resistor 12 is first written into the battery control unit 20. After each discharge operation of the battery cell 2, a new value R for the discharge resistor 12 is calculated. With the newly calculated value R of the discharge resistor 12, the previous value R of the
  • FIG. 2 shows an exemplary time sequence for determining the value R of the discharge resistor 12 during operation of the battery unit 10 and of the battery cell 2 during a time t.
  • Electric motor of the electric vehicle is connected.
  • the electrical load is switched off again. This means, for example, that the electric vehicle stops at the second time T2 and is switched off.
  • Time T2 begins a rest phase for the battery cells 2. This means that there is neither a charging nor a discharge of the battery cells 2 during the rest phase instead.
  • the charge of the battery cell 2 and the charge of another battery cell 2 are measured. From these two charges, a charge difference AQ of the battery cell 2 to the other battery cell 2 is calculated. Further, during the resting phase, a voltage U of
  • the time duration T of the next discharge process of the battery cell 2 is calculated by means of the following equation:
  • a discharging process of the battery cell 2 begins to equalize its state of charge to the state of charge of other battery cells 2.
  • the discharging process of the battery cell 2 has the previously calculated period of time T.
  • the switch 14 is closed and the discharge resistor 12 is now connected in parallel to the battery cell 2.
  • a discharge current flows from the battery cell 2 through the discharge resistor 12.
  • a measurement of a voltage U3 of the battery cell 2 takes place at the beginning of the discharge process.
  • a measurement of the state of charge S3 of the battery cell 2 takes place at the beginning of the discharging process.
  • the voltage U3 of the battery cell 2 at the beginning of the discharge corresponds at least approximately to the voltage U of the battery cell 2 during the rest phase.
  • a separate measurement of the voltage U3 of the battery cell 2 at the beginning of the discharge can also be omitted.
  • the discharging operation of the battery cell 2 is terminated at a fourth time T4, that is, after the time T.
  • the switch 14 is opened again and the discharge resistor 12 is no longer connected in parallel to the battery cell 2.
  • no discharge current flows more from the battery cell 2 through the discharge resistor 12.
  • the voltage U4 of the battery cell 2 is also measured at the end of the discharge process. Likewise, at the time T4, a measurement of the state of charge S4 of the battery cell 2 takes place at the end of the discharge process.
  • the state of charge S3 of the battery cell 2 at the beginning of the discharge and the state of charge S4 of the battery cell 2 at the end of the discharge process are stored in the battery control device 20. Subsequently, the value R of the discharge resistor 12 of the battery cell 2 is determined.
  • the value R of the discharge resistor 12 of the battery cell 2 is determined by the following equation:
  • the value R of the discharge resistor 12 of the battery cell 2 calculated by means of said equation is then stored in the battery control device 20. In this case, the previous value R of the discharge resistor 12 of the battery cell 2 is overwritten.
  • a time duration T of the discharging process of the battery cell 2 is subsequently determined.
  • the thus determined period of time T of the discharging operation of the battery cell 2 is also stored in the battery control device 20.
  • a previously stored time period T of the discharging process of the battery cell 2 is overwritten.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit mit mindestens zwei in Serie geschalteten Batteriezellen, wobei zum Angleichen von Ladezuständen der Batteriezellen ein Entladevorgang mindestens einer Batteriezelle über einen zuschaltbaren Entladewiderstand durchgeführt wird. Dabei wird bei dem Entladevorgang der mindestens einen Batteriezelle der Wert des Entladewiderstands ermittelt, und bei einem folgenden Entladevorgang der Batteriezelle wird der zuvor ermittelte Wertdes Entladewiderstands berücksichtigt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit mit mindestens zwei in Serie geschalteten Batteriezellen. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des Verfahrens zum Betrieb einer Batterieeinheit in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PH EV).
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder
Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen
Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium- Ionen- Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können.
In der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge spielt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs eine immer wichtigere Rolle. Mögliche Maßnahmen, um den Verbrauch eines Kraftfahrzeugs zu senken, sind, den Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antrieb in einem Hybridfahrzeug zu kombinieren oder durch einen reinen Elektroantrieb zu ersetzen. Der elektrische Antrieb in Hybridfahrzeugen umfasst üblicherweise einen Elektromotor, welcher auch als Generator betrieben werden kann, eine Batterieeinheit als
Energiespeicher, aus welchem der Elektroantrieb versorgt wird, und eine Steuerelektronik.
Plug-In-Hybridfahrzeuge bieten darüber hinaus die Möglichkeit, die
Batterieeinheit über eine externe Energiequelle zu laden. Dabei kann die externe Energiequelle beispielsweise eine Ladestation sein, welche über das öffentliche Stromversorgungsnetz gespeist wird.
Reine Elektrofahrzeuge verfügen, im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen, nicht über einen Verbrennungsmotor, welcher das Kraftfahrzeug antreiben kann, sondern ausschließlich über einen Elektroantrieb. Daher ist bei diesen Kraftfahrzeugen eine Aufladung der besagten Batterieeinheit über eine externe Energiequelle notwendig. Der Batterieeinheit ist dabei heute üblicherweise als Lithium-Ionen- Akkumulator ausgebildet und wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet.
Batterieeinheiten in derartigen Elektrofahrzeugen sind üblicherweise modular aufgebaut. Dabei sind mehrere Batteriezellen miteinander seriell verschaltet und bilden beispielsweise je ein Batteriemodul. Mehrere Batteriemodule sind beispielsweise zu je einer Untereinheit zusammengefasst und teilen sich beispielsweise eine Kühleinrichtung. Eine komplette Batterieeinheit ist beispielsweise aus mehreren Untereinheiten aufgebaut. Zur Steuerung und Überwachung der Batterieeinheit ist ein Batteriesteuergerät vorgesehen.
Die zu einer Batterieeinheit gehörigen Batteriezellen weisen in der Regel aufgrund von Fertigungstoleranzen oder durch Alterung unterschiedliche
Kapazitäten sowie unterschiedlich Selbstentladungsraten auf. Beim Betrieb einer Batterieeinheit ist es erforderlich, die Ladezustände der einzelnen seriell verschalteten Batteriezellen aneinander anzugleichen.
Aus der DE 10 2009 002 466 AI ist ein Verfahren zum Angleichen von
Ladezuständen von Batteriezellen bekannt. Dabei wird eine Batteriezelle, die im Vergleich zu anderen Batteriezellen einen höheren Ladezustand aufweist, mittels eines Entladewiderstands, welcher parallel zu der Batteriezelle geschaltet wird, teilweise entladen.
Ein weiteres Verfahren zum Angleichen von Ladezuständen von Batteriezellen ist in der US 2007/0046260 offenbart. Dabei sind mehrere parallel schaltbare Widerstände vorgesehen. Eine Steuereinheit berechnet, wie viele und welche der vorhandenen Widerstände zum Entladen der Batteriezelle parallel geschaltet werden.
Ein weiteres Verfahren zum Angleichen von Ladezuständen von Batteriezellen geht aus der US 2012/256592 hervor. Auch dabei wird mittels eines parallel zu der Batteriezelle geschalteten Widerstandes eine teilweise Entladung der Batteriezelle durchgeführt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit, welche mindestens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen aufweist, vorgeschlagen, wobei zum
Angleichen von Ladezuständen der Batteriezellen ein Entladevorgang
mindestens einer Batteriezelle über einen zuschaltbaren Entladewiderstand durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird dabei bei dem Entladevorgang der mindestens einen Batteriezelle der Wert des Entladewiderstands ermittelt, und bei einem folgenden Entladevorgang der Batteriezelle wird der zuvor ermittelte Wert des
Entladewiderstands berücksichtigt.
Erfahrungsgemäß sind die Werte von verschiedenen Entladewiderständen nämlich, insbesondere fertigungsbedingt, nicht immer gleich, sondern streuen in einem Toleranzbereich. Ferner ändern sich die Werte von Entladewiderständen durch Alterung. Der Wert des Entladewiderstandes ist aber ein wesentlicher Parameter bei dem Entladevorgang der Batteriezelle. Die Kenntnis des Werts des Entladewiderstandes ermöglicht somit eine Optimierung des
Entladevorgangs der Batteriezelle. Vorteilhaft wird der ermittelte Wert des Entladewiderstands in einem
Batteriesteuergerät gespeichert. Somit ist der Wert des Entladewiderstands bei dem folgenden Entladevorgang bekannt. Bei Fertigung der Batterieeinheit wird dabei zunächst ein bekannter Näherungswert für den Entladewiderstand in dem Batteriesteuergerät gespeichert. Nach jedem Entladevorgang der Batteriezelle wird der gespeicherte Wert des Entladewiderstands mit einem neuen Wert des Entladewiderstands überschrieben. Dabei kann der gespeicherte Wert des Entladewiderstands mit dem ermittelten Wert des Entladewiderstands überschrieben werden. Es ist auch denkbar, den gespeicherten Wert des Entladewiderstands mit einem berechneten Wert zu überschreiben, welcher zwischen dem gespeicherten Wert des Entladewiderstands und dem ermittelten Wert des Entladewiderstands liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Zeitdauer des Entladevorgangs der Batteriezelle durch den ermittelten Wert des
Entladewiderstands festgelegt. Auch die Zeitdauer des Entladevorgangs ist ein wesentlicher Parameter bei dem Entladevorgang der Batteriezelle. Die
Festlegung einer geeigneten Zeitdauer des Entladevorgangs ermöglicht somit eine Optimierung des Entladevorgangs der Batteriezelle.
Die Zeitdauer des Entladevorgangs wird vorteilhaft durch Berechnung mittels folgender Gleichung festgelegt:
T = ΔΟ. * R / U
Dabei bedeuten:
T: Zeitdauer des Entladevorgangs [s]
AQ: Ladungsdifferenz der Batteriezelle zu einer anderen Batteriezelle in [As] R: Wert des Entladewiderstands [V/A]
U: Spannung der Batteriezelle [V]
Vorzugsweise wird vor Beginn des Entladevorgang der Batteriezelle eine Ruhephase vorgesehen. Während der Ruhephase findet weder ein Ladevorgang noch ein Entladevorgang der Batteriezelle statt, höchstens eine Selbstentladung, deren Auswirkung jedoch vernachlässigbar ist. Die Ruhephase gestattet eine anschließend exaktere Bestimmung von Betriebsparametern der Batteriezelle, beispielsweise von Spannung und Ladezustand.
Vorzugsweise wird die Zeitdauer des Entladevorgangs der Batteriezelle während der Ruhephase durch Berechnung nach oben stehender Gleichung festgelegt. Dabei werden während der Ruhephase die Ladung der Batteriezelle und die Ladung einer anderen Batteriezelle gemessen, und die Ladungsdifferenz AQ der Batteriezelle zu der anderen Batteriezelle wird berechnet. Ferner wird die Spannung U der Batteriezelle während der Ruhephase gemessen. Der Wert R des Entladewiderstands ist bekannt und ist insbesondere in einem
Batteriesteuergerät gespeichert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden bei Beginn des Entladevorgangs Betriebsparameter der Batteriezelle, insbesondere Spannung und Ladezustand der Batteriezelle, bestimmt. Auch bei Ende des
Entladevorgangs werden Betriebsparameter der Batteriezelle, insbesondere Spannung und Ladezustand der Batteriezelle, bestimmt. Die Bestimmung der besagten Betriebsparameter wird vorzugsweise von dem Batteriesteuergerät durchgeführt.
Vorzugsweise werden die bei Beginn des Entladevorgangs ermittelte Spannung und der bei Beginn des Entladevorgangs ermittelte Ladezustand der Batteriezelle bei der Ermittlung des Werts des Entladewiderstands berücksichtigt. Ebenso werden die bei Ende des Entladevorgangs ermittelte Spannung und der bei Ende des Entladevorgangs ermittelte Ladezustand der Batteriezelle bei der Ermittlung des Werts des Entladewiderstands berücksichtigt. Insbesondere wird der Wert des Entladewiderstands mittels folgender Gleichung ermittelt:
R = ( U3 + U4 ) / 2 * T / ( ( S3 - S4 ) * C )
Dabei bedeuten:
R: Wert des Entladewiderstands [V/A]
U3: Spannung der Batteriezelle bei Beginn des Entladevorgangs [V] U4: Spannung der Batteriezelle bei Ende des Entladevorgangs [V]
T: Zeitdauer des Entladevorgangs [s]
S3: Ladezustand der Batteriezelle bei Beginn des Entladevorgangs [%]
S4: Ladezustand der Batteriezelle bei Ende des Entladevorgangs [%]
C: Kapazität der Batteriezelle [As]
Vorteilhaft wird ein Defekt an der Batterieeinheit erkannt, wenn der ermittelte Wert des Entladewiderstands einen oberen Grenzwert überschreitet. Das Überschreiten eines oberen Grenzwertes deutet beispielsweise auf eine
Unterbrechung einer Leiterbahn oder auf eine fehlerhafte Lötstelle hin.
Vorteilhaft wird auch ein Defekt an der Batterieeinheit erkannt, wenn der ermittelte Wert des Entladewiderstands einen unteren Grenzwert unterschreitet. Das Unterschreiten eines unteren Grenzwertes deutet beispielsweise auf einen Kurzschluss hin.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhaft Verwendung zum Betrieb einer Batterieeinheit in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PH EV).
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine präzische Entladung einer Batteriezelle auf einen gewünschten Ladezustand durchführbar. Das
erfindungsgemäße Verfahren funktioniert dabei unabhängig von einem Fahrprofil oder einem Leistungsprofil, dem die Batteriezellen der Batterieeinheit ausgesetzt sind.
Eine fertigungsbedingte Streuung des Wertes des Entladewiderstands in einem Toleranzbereich kann ausgeglichen werden. Dadurch können günstigere
Entladewiderstände mit größerer fertigungsbedingter Streuung eingesetzt werden. Ferner können in einer laufenden Serienproduktion günstigere
Entladewiderstände mit anderen Nennwerten eingesetzt werden. Eine alterungsbedingte Änderung des Wertes des Entladewiderstands kann ebenfalls kompensiert werden. Die Anzahl der erforderlichen Entladevorgänge wird reduziert. Dadurch erhöht sich die Reichweite eines Elektrofahrzeugs (EV), eines Hybridfahrzeugs (HEV), sowie eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV), in welchem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird. Dadurch sinken auch die Kosten für erforderliche Nachladungen der Batterieeinheit.
Ferner können Defekte an der Batterieeinheit, insbesondere Hardwaredefekte an dem Batteriesteuergerät, während des Betriebs der Batterieeinheit diagnostiziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Batterieeinheit, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, und
Figur 2 einen beispielhaften zeitlichen Ablauf der Ermittlung des Wertes des
Entladewiderstands im Betrieb der Batteriezelle.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Batterieeinheit 10 dargestellt, welche mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Die Batterieeinheit 10 umfasst mehrere, vorliegend vier, Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind dabei seriell verschaltet.
Jeder Batteriezelle 2 ist ein Entladewiderstand 12 und ein Schalter 14
zugeordnet. In der gezeigten Darstellung sind lediglich ein Entladewiderstand 12 und ein Schalter 14 von einer Batteriezelle 2 gezeigt. Aber auch die übrigen Batteriezellen 2 umfassen jeweils einen hier nicht dargestellten Entladewiderstand 12 und einen hier nicht dargestellten Schalter 14. Durch Schließen des Schalters 14 kann der jeweilige Entladewiderstand 12 parallel zu der Batteriezelle 2 geschaltet werden. Nach Schließen des Schalters 14 findet ein Entladevorgang der Batteriezelle 2 statt. Dieser Entladevorgang hat eine Zeitdauer T. Der Entladewiderstand 12 hat einen Wert R. Die Batteriezelle 2 hat eine Kapazität C.
Die Batterieeinheit 10 umfasst ferner ein Batteriesteuergerät 20. Das
Batteriesteuergerät 20 dient zur Steuerung und Überwachung der Batterieeinheit
10, insbesondere der Batteriezellen 2.
Das Batteriesteuergerät 20 dient insbesondere zur Bestimmung von
Betriebsparametern der Batteriezellen 2. Insbesondere kann das
Batteriesteuergerät 20 eine Spannung der Batteriezellen 2, sowie einen
Ladezustand der Batteriezellen 2 bestimmen. Das Batteriesteuergerät 20 verfügt dazu über entsprechende interne Speicherbereiche, in welchen die Spannungen der Batteriezellen 2 sowie die Ladezustände der Batteriezellen 2 speicherbar sind.
Ferner ist das Batteriesteuergerät 20 mit den Schaltern 14 der Batteriezellen 2 verbunden. Das Batteriesteuergerät 20 kann dabei die einzelnen Schalter 14 öffnen sowie schließen. Die Schalter 14 der Batteriezellen 2 sind vorliegend als Halbleiterschalter, insbesondere als Transistoren, ausgebildet. Die Schalter 14 der Batteriezellen 2 können aber auch als elektromechanische Schalter, insbesondere als Relais, ausgebildet sein.
Ferner verfügt das Batteriesteuergerät 20 über entsprechende Speicherbereiche zur Speicherung des Wertes R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2. Auch verfügt das Batteriesteuergerät 20 über eine Recheneinheit, welche aus gemessenen Spannungen der Batteriezelle 2 sowie gemessenen Ladezuständen der Batteriezelle 2, der Kapazität C der Batteriezelle 2 und der Zeitdauer T des Entladevorgangs der Batteriezelle 2 den Wert R des Entladewiderstands 12 berechnet. Bei der Fertigung der Batterieeinheit 10 wird in das Batteriesteuergerät 20 zunächst ein Näherungswert für den Wert R des Entladewiderstandes 12 geschrieben. Nach jedem durchgeführten Entladevorgang der Batteriezelle 2 wird ein neuer Wert R für den Entladewiderstand 12 berechnet. Mit dem neu berechneten Wert R des Entladewiderstandes 12 wird der vorherige Wert R des
Entladewiderstandes 12 überschrieben.
In Figur 2 ist ein beispielhafter zeitlicher Ablauf zur Ermittlung des Wertes R des Entladewiderstandes 12 im Betrieb der Batterieeinheit 10 sowie der Batteriezelle 2 während einer Zeit t dargestellt.
Zu einem ersten Zeitpunkt Tl wird ein elektrischer Verbraucher zugeschaltet. Wenn es sich bei der Batterieeinheit 10 um eine Traktionsbatterie eines
Elektrofahrzeugs handelt, bedeutet dies beispielsweise, dass das
Elektrofahrzeug bewegt wird, dass also die Batterieeinheit 10 mit dem
Elektromotor des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 wird der elektrische Verbraucher wieder abgeschaltet. Das bedeutet beispielsweise, dass das Elektrofahrzeug zu dem zweiten Zeitpunkt T2 stehen bleibt und ausgeschaltet wird. Zu dem zweiten
Zeitpunkt T2 beginnt eine Ruhephase für die Batteriezellen 2. Das bedeutet, es findet weder ein Ladevorgang noch ein Entladevorgang der Batteriezellen 2 während der Ruhephase statt. Während der Ruhephase werden die Ladung der Batteriezelle 2 und die Ladung einer anderen Batteriezelle 2 gemessen. Aus diesen beiden Ladungen wird eine Ladungsdifferenz AQ der Batteriezelle 2 zu der anderen Batteriezelle 2 berechnet. Ferner wird während der Ruhephase eine Spannung U der
Batteriezelle 2 gemessen.
Anschließend wird, noch während der Ruhephase, die Zeitdauer T des nächsten Entladevorgangs der Batteriezelle 2 mittels folgender Gleichung berechnet:
T = AQ * R / U Der Wert R des Entladewiderstands 12 ist in dem Batteriesteuergerät 20 gespeichert und ist somit bekannt.
Zu einem dritten Zeitpunkt T3 beginnt ein Entladevorgang der Batteriezelle 2 zum Angleichen ihres Ladezustandes an den Ladezustand anderer Batteriezellen 2.
Der Entladevorgang der Batteriezelle 2 hat die zuvor berechnete Zeitdauer T. Dazu wird der Schalter 14 geschlossen und der Entladewiderstand 12 ist nun parallel zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Somit fließt ein Entladestrom von der Batteriezelle 2 durch den Entladewiderstand 12.
Zu dem dritten Zeitpunkt T3 findet auch eine Messung einer Spannung U3 der Batteriezelle 2 bei Beginn des Entladevorgangs statt. Ebenso findet zu dem dritten Zeitpunkt T3 eine Messung des Ladezustands S3 der Batteriezelle 2 zu Beginn des Entladevorgangs statt. Die Spannung U3 der Batteriezelle 2 bei Beginn des Entladevorgangs entspricht zumindest annähernd der Spannung U der Batteriezelle 2 während der Ruhephase. Somit kann eine separate Messung der Spannung U3 der Batteriezelle 2 bei Beginn des Entladevorgangs auch entfallen. Der Entladevorgang der Batteriezelle 2 ist zu einem vierten Zeitpunkt T4, also nach der Zeitdauer T, beendet. Dazu wird der Schalter 14 wieder geöffnet und der Entladewiderstand 12 ist nun nicht mehr parallel zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Somit fließt kein Entladestrom mehr von der Batteriezelle 2 durch den Entladewiderstand 12.
Zu dem vierten Zeitpunkt T4 erfolgt auch eine Messung der Spannung U4 der Batteriezelle 2 bei Ende des Entladevorgangs. Ebenso erfolgt zu dem Zeitpunkt T4 eine Messung des Ladezustandes S4 der Batteriezelle 2 bei Ende des Entladevorgangs.
Die gemessenen Werte für die Spannung U3 der Batteriezelle 2 bei Beginn des Entladevorgangs, der Spannung U4 der Batteriezelle 2 bei Ende des
Entladevorgangs, des Ladezustands S3 der Batteriezelle 2 bei Beginn des Entladevorgangs und des Ladezustands S4 der Batteriezelle 2 bei Ende des Entladevorgangs werden in dem Batteriesteuergerät 20 gespeichert. Anschließend wird der Wert R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2 ermittelt.
Der Wert R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2 wird dabei mittels folgender Gleichung ermittelt:
R = ( U3 + U4 ) / 2 * T / ( ( S3 - S4 ) * C )
Der mittels besagter Gleichung berechnete Wert R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2 wird anschließend in dem Batteriesteuergerät 20 gespeichert. Dabei wird der vorherige Wert R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2 überschrieben.
Aus dem ermittelten Wert R des Entladewiderstands 12 der Batteriezelle 2 wird anschließend eine Zeitdauer T des Entladevorgangs der Batteriezelle 2 festgelegt. Die so festgelegte Zeitdauer T des Entladevorgangs der Batteriezelle 2 wird ebenfalls in dem Batteriesteuergerät 20 gespeichert. Auch dabei wird eine zuvor gespeicherte Zeitdauer T des Entladevorgangs der Batteriezelle 2 überschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit (10)
mit mindestens zwei in Serie geschalteten Batteriezellen (2),
wobei zum Angleichen von Ladezuständen der Batteriezellen (2) ein Entladevorgang mindestens einer Batteriezelle (2) über einen zuschaltbaren Entladewiderstand (12) durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Entladevorgang der mindestens einen Batteriezelle (2) der Wert (R) des Entladewiderstands (12) ermittelt wird, und dass
bei einem folgenden Entladevorgang der Batteriezelle (2) der zuvor ermittelte Wert (R) des Entladewiderstands (12) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der ermittelte Wert (R) des Entladewiderstands (12) in einem
Batteriesteuergerät (20) gespeichert wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Zeitdauer (T) des Entladevorgangs der Batteriezelle (2) durch den ermittelten Wert (R) des Entladewiderstands (12) festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass vor Beginn des Entladevorgangs der Batteriezelle (2) eine Ruhephase vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zeitdauer (T) des Entladevorgangs der Batteriezelle (2) während der Ruhephase festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
bei Beginn des Entladevorgangs Spannung (U3) und Ladezustand (S3) der Batteriezelle (2) bestimmt werden, und dass
bei Ende des Entladevorgangs Spannung (U4) und Ladezustand (S4) der Batteriezelle (2) bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass,
Spannung (U3) und Ladezustand (S3) der Batteriezelle (2) bei Beginn des Entladevorgangs
sowie Spannung (U4) und Ladezustand (S4) der Batteriezelle (2) bei Ende des Entladevorgangs
bei der Ermittlung des Werts (R) des Entladewiderstands (12) berücksichtigt werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Defekt an der Batterieeinheit (10) erkannt wird, wenn der ermittelte Wert (R) des Entladewiderstands (12) einen oberen Grenzwert überschreitet.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Defekt an der Batterieeinheit (10) erkannt wird, wenn der ermittelte Wert (R) des Entladewiderstands (12) einen unteren Grenzwert unterschreitet.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Betrieb einer Batterieeinheit (10) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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