DE102008002190A1

DE102008002190A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Fahrzeug-Batterien

Info

Publication number: DE102008002190A1
Application number: DE102008002190A
Authority: DE
Inventors: Jochen Fassnacht; Uwe Wiedemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: WO2009146976A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Fahrzeug-Batterien (1), insbesondere Lilonen-Batterien mit mehreren Zellen (2a-2n). Der Ladezustandsausgleich kann während des Fahrbetriebs durchgeführt werden, wenn zunächst der Ladezustand (SOC) einzelner Zellen (2a-2n) ermittelt, danach für wenigstens zwei dieser Zellen (2a-2n) eine Ladungsmenge, die die Zellen (2a-2n) entladen werden sollen, oder eine dazu äquivalente Größe, wie z. B. eine Zeit, bestimmt wird und die einzelnen Zellen (2a-2n) während des Fahrbetriebs entsprechend der berechneten Ladungsmenge entladen werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Fahrzeug-Batterien gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Bekannte Fahrzeug-Batterien wie z. B. NiMH-Batterien, Lilonen-Batterien oder DLC-Energiespeicher (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt, z. B. 3.6 V, erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 42 V, bei Hybrid-Fahrzeugen aber auch bis zu 500 V betragen kann.
Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse sind der Ladezustand SOC (State of Charge) und die Leistungsfähig SOH (State of Health) der einzelnen Zellen üblicherweise unterschiedlich hoch. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie, da diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und diejenige Zelle mit dem höchsten Ladezustand für das Auf- bzw. Entladen der Batterie limitierend wirken. D. h. die Batterie kann nicht weiter aufgeladen werden, als bis die vollste Zelle voll aufgeladen ist, und nicht weiter entladen werden, als bis die Ladung der schwächsten Zelle verbraucht ist. Die Abweichung der einzelnen Zellen voneinander nimmt in der Regel mit zunehmender Lebensdauer bzw. Belastung der Batterie zu. Um eine zuverlässige Energieversorgung eines elektrischen Netzes zu gewährleisten, ist es notwendig, die einzelnen Zellen der Batterie zu überwachen und regelmäßig einen Ladungsausgleich durchzuführen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Ladungsausgleichsschaltungen bekannt. Einfache Ausführungen umfassen einen oder mehrere Widerstände, über die die Zellen nach Masse entladen werden. Aufwändigere Schaltungen sind so ausgelegt, dass sich die Zellen untereinander abgleichen, indem die Ladung einer Zelle mit höherem Ladezustand einer anderen Zelle mit niedrigerem Ladezustand zugeführt wird, bis ein Ladezustandsausgleich stattgefunden hat.
Der Ladungsausgleich findet üblicherweise außerhalb des normalen Fahrbetriebs statt, da der Ladezustand der Zellen nur in diesem Fahrzustand durch Messung der Ruhespannung einfach ermittelt werden kann. Durch kontinuierliches Messen der Ladezustände und Entladen der stärker geladenen Einzelzellen wird schließlich der Ladungsausgleich hergestellt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es in einer Nachlaufphase, außerhalb des regulären Fahrbetriebs, durchgeführt werden muss. Wegen der für den Ladungsausgleich benötigten Zeitdauer von üblicherweise mehr als 1 Stunde kann es vorkommen, dass der Prozess durch einen erneuten Start des Fahrzeugs unterbrochen wird. Darüber hinaus kann es durch das Entladen der Zellen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, dazu kommen, dass die Batterie so weit entladen wird, dass die Schwelle für einen Neustart des Fahrzeugs unterschritten wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels dessen bzw. derer der Ladungsausgleich auch während des normalen Fahrbetriebs durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Ladezustand einzelner, vorzugsweise aller Zellen zu Beginn des Verfahrens einmal zu ermitteln, und dann für wenigstens eine dieser Zellen, in Abhängigkeit von deren Ladezustand eine Ladungsmenge oder eine dazu äquivalente Größe, wie z. B. eine Zeitdauer, zu bestimmen, die die Zelle entladen werden soll. Der Ladezustand der Zellen wird vorzugsweise in einer Ruhephase der Batterie durch Spannungsmessung ermittelt. Das Entladen der Zellen erfolgt erfindungsgemäß während des Betriebs des Fahrzeugs und kann gegebenenfalls in mehreren Schritten ausgeführt werden. Dabei sind Betriebsphasen, in denen die Batterie nicht oder nur gering belastet ist, wie z. B. wenn das Fahrzeug an einer Ampel steht, besonders geeignet. Dieses Verfahren hat somit den wesentlichen Vorteil, dass der Ladezustandsausgleich während des Betriebs des Fahrzeugs durchgeführt werden kann.
Da die Batterie im Fahrbetrieb regelmäßig aufgeladen wird, kann außerdem eine zu starke Entladung der Batterie vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ladezustand der einzelnen Zellen zu Beginn einer Fahrt gemessen, noch bevor die Batterie zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird. Ein geeigneter Zeitpunkt ist beispielsweise unmittelbar nach der Aktion „Zündung EIN” oder nach der Aktivierung desjenigen Steuergeräts, das die Messung durchführt. Dieses Steuergerät kann z. B. in bekannter Weise durch Bedienung der Funk-Fernbedienung für die Zentralverriegelung, die Betätigung eines Türgriffs oder in sonstiger Weise aktiviert werden.
Der Ladezustand der Zellen wird vorzugsweise im Ruhezustand (Zellspannung ändert sich ohne Laden oder Entladen nicht mehr merklich) der Batterie bestimmt. Im Ruhezustand besteht ein definierter Zusammenhang zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand der Zellen. Somit kann aus der Ruhespannung der Ladezustand der einzelnen Zellen relativ genau bestimmt werden.
Beim Entladen werden diejenigen Zellen, die stärker geladen sind, vorzugsweise bis auf das Ladungsniveau derjenigen Zellen mit dem geringsten Ladezustand entladen. Danach haben alle Zellen wieder den gleichen Ladezustand. Wahlweise könnten die stärker aufgeladenen Zellen aber auch bis zu einem vorgegebenen Ladungsniveau, z. B. einem durchschnittlichen Ladungsniveau entladen werden.
Das Entladen der einzelnen Zellen kann in mehreren Schritten durchgeführt werden, insbesondere in Betriebsphasen, in denen die Batterie nicht oder nur gering belastet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher durch das Entladen nicht beeinträchtigt wird. Ein besonders geeigneter Zustand ist insbesondere im Stillstand des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug z. B. vor einer Ampel steht.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der Ladezustand bestimmter Zellen vor oder während des Entladens auch erhöht werden, so dass sich der Ladezustand der Batterie durch das Entladen nicht oder nur unwesentlich ändert. Das Leistungspotenzial der Batterie bleibt somit im Wesentlichen erhalten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich umfasst eine Einrichtung, die mit den einzelnen Zellen verbunden ist und zur Messung der Ruhespannung dient. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Entladeschaltung zum Entladen der stärkeren Zellen auf ein Ladungsniveau der schwächeren Zellen. Das Messen der Ruhespannung und Entladen der Zellen wird mittels eines Steuergeräts gesteuert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich einer Fahrzeug-Batterie; und
2 die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Ladezustandsausgleich.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung zum Ladezustandsausgleich der Zellen 2a–2n einer Fahrzeug-Batterie 1. Die Fahrzeug-Batterie 1 umfasst eine Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen 2a–2n, die jeweils eine Teilspannung von einigen Volt, z. B. 3.6 V, liefern. Bei der Batterie 1 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Lilonen-Batterie eines Hybrid-Fahrzeugs, die z. B. mehr als 100 Zellen 2a–2n aufweist und eine Spannung im Bereich von mehreren hundert Volt bereit stellt.
Die einzelnen Zellen 2a–2n sind über zugehörige Anschlüsse 6a bis 6n+1 mit einer Entladeschaltung 7 verbunden. Außerdem ist ein Steuergerät 4 vorgesehen, welches über die Anschlüsse 6a bis 6n+1 mit den einzelnen Zellen 2a–2n verbunden ist. Das Steuergerät 4 umfasst einen Algorithmus 5, der aus der Zellenspannung den Ladezustand (SOC) der einzelnen Zellen 2a–2n bestimmt und ferner den Entladevorgang steuert.
Zum Zwecke des Ladezustandsausgleichs der Zellen 2a–2n wird ein Verfahren durchgeführt, wie es beispielhaft in 2 dargestellt ist. Darin wird in Schritt 10 zunächst überprüft, ob das Steuergerät 4 aktiv ist. Sobald das Steuergerät 4 aktiv ist, wird in Schritt 11 die Ruhespannung der einzelnen Zellen 2a–2n gemessen und daraus der Ladezustand (SOC) ermittelt. Die Spannungsmessung wird dabei in der Startphase des Fahrzeugs durchgeführt, noch bevor die Batterie zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
Aus den Ladezuständen (SOC) der einzelnen Zellen 2a–2n wird dann in Schritt 12 eine Ladungsmenge (Q₀) berechnet, die jede Zelle 2a–2n entladen werden muss, bis deren Ladezustand demjenigen der schwächsten Zelle entspricht. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes und Kenntnis des Entlade-Widerstandes kann anhand der Zellspannung wahlweise auch eine Zeitdauer t₀ berechnet werden, die jede Zelle 2a–2n entladen werden muss (Schritt 12).
Die folgenden Schritte 13 bis 15 beschreiben den Entladevorgang. Dabei wird in Schritt 13 zunächst überprüft, ob sich die Batterie gerade in einer Ruhephase befindet, in der sie nur gering belastet ist. Falls ein solcher Zustand erkannt wurde, wird die Entladeschaltung 7 in Schritt 14 aktiviert und eine oder mehrere Zellen entladen. Andernfalls wird der Algorithmus verlassen (Fall N in Schritt 13) und nach einer vorgegebenen Zeit erneut überprüft, ob ein Ruhezustand vorliegt. In Schritt 15 wird überprüft, ob die für die einzelnen Zellen bestimmte Entlade-Zeitdauer erreicht wurde oder die entsprechende Ladungsmenge bereits abgebaut wurde. Falls eine der Zellen 2a–2n auf das gewünschte Ladungsniveau entladen wurde, endet der Entladeprozess für diese Zelle (Fall J in Schritt 15). Die anderen Zellen, die noch nicht vollständig entladen wurden (Fall N in Schritt 15), werden weiterhin entladen, bis ein vollständiger Ladungsausgleich stattgefunden hat. Das Verfahren verzweigt in diesem Fall N zurück zu Schritt 13.
Um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhalten, kann sie zwischen einzelnen Entladephasen immer wieder aufgeladen werden, so dass sich der Ladezustand der Batterie insgesamt nicht oder nur unwesentlich ändert.

Claims

Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Fahrzeug-Batterien (1), insbesondere Lilonen-Batterien, mit mehreren Zellen (2a–2n), dadurch gekennzeichnet, dass – der Ladezustand (SOC) einzelner Zellen (2a–2n) ermittelt, – für wenigstens eine dieser Zellen (2a–2n) eine Ladungsmenge, die die Zelle (2a–2n) entladen werden soll, oder eine dazu äquivalente Größe (t) bestimmt wird, und – die wenigstens eine Zelle (2a–2n) während des Betriebs des Fahrzeugs entsprechend der berechneten Ladungsmenge entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand (SOC) der Zellen (2a–2n) im Ruhezustand der Batterie (1) mittels Spannungsmessung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand (SOC) in der Startphase des Fahrzeugs, noch bevor die Batterie (1) erheblich belastet wird, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2a–2n) im Betrieb des Fahrzeugs auf ein Ladungsniveau derjenigen Zelle mit dem geringsten Ladezustand (SOC) entladen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2a–2n) in Betriebsphasen des Fahrzeugs entladen werden, in denen die Batterie (1) nicht oder nur gering belastet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2a–2n) in mehreren, zeitlich unterbrochenen Betriebsphasen entladen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) oder einzelne Zellen (2a–2n) im Betrieb des Fahrzeugs aufgeladen werden, so dass sich der Ladezustand (SOC) der Batterie (1) durch das Entladen der einzelnen Zellen (2a–2n) insgesamt nicht oder nur unwesentlich ändert.
Steuergerät, umfassend Mittel zum Durchführen eines der vorstehend beanspruchten Verfahren.
Batterie (1) mit einer Entladeschaltung (7), die für die Durchführung eines der vorherstehend beanspruchten Verfahren vorgesehen ist.