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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Kenngröße in einem Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Batteriesystem, das dazu eingerichtet ist, mit einem solchen Verfahren betrieben zu werden.
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Gegenwärtig werden große Anstrengungen unternommen, die Elektrifizierung von Fahrzeugen voranzutreiben, wobei Sicherheit und Zuverlässigkeit der Fahrzeugantriebe einen wesentlichen Bestandteil der Entwicklungsarbeiten ausmachen.
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Bei einer Antriebsregelung eines Hybrid-, Brennstoffzellen- oder Elektrofahrzeugs treffen unterschiedliche Grenzwertanforderungen aufeinander. Diese Anforderungen betreffen beispielsweise einzelne elektrische Antriebe, Batteriemanagmentsysteme (BMS) oder allgemein das Energie-Management der Fahrzeuge. Dabei sind einzelne Grenzwerte in unterschiedlichen Steuergeräten und Softwaremodulen hinterlegt, mithilfe derer man die Grenzwertanforderungen überprüft oder steuert.
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Während eines Fahrbetriebs resultieren verschiedene Grenzwerte aus einem aktuellen Systemzustand von Batteriesystemen, welche mehrere elektrische Energiespeicher umfassen, beispielsweise mehrere HV-Batterien bzw. daraus gebildeten Batteriestränge. Ein Batterie-Systemzustand ist wesentlich von seinem Ladezustand und seiner Temperatur abhängig. Um den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit nicht zu beeinträchtigen ist es notwendig, bei unterschiedlichen Regeleingriffen der Fahrzeugsteuerung eine Überschreitung von Fahrzeug-Grenzwerten zu vermeiden. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, den genauen Zustand des Batteriesystems zu kennen, um eine optimale Leistungsprognose für eine anstehende Fahrt treffen zu können.
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Eine Möglichkeit Leistungseinbußen zu verhindern, ist der Einsatz von skalierbaren und modularen Batteriesystemen. Solche Systeme haben den Vorteil, dass sie unterschiedlichen Fahrzeugklassen flexibel angepasst werden können. Des Weiteren lassen sich ändernde Mobilitätsbedürfnisse leichter mit skalierbaren Batteriesystemen ausgleichen. Auf eine solche Weise können unterschiedliche Fahrzeugreichweiten ermöglicht werden. Außerdem kann ein modulares Batteriesystem ein Stellhebel sein, wettbewerbsfähige Preise zu erzielen. Solche Batteriesysteme können beispielsweise aus mehreren parallel geschalteten Einzelbatterien oder aus mehreren parallel geschalteten Batteriesträngen bestehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln einer Kenngröße in einem Batteriesystem bereitzustellen, das eine zuverlässige Prognose hinsichtlich dessen Leistungsvermögens zulässt und ein Batteriesystem anzubieten, das dazu eingerichtet ist, mit einem solchen Verfahren betrieben zu werden, um genaue und zuverlässige Leistungsprognosen zuzulassen.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Ermitteln einer Kenngröße in einem Batteriesystem gelöst, welches zumindest zwei elektrische Energiespeicher umfasst, wobei die elektrischen Energiespeicher jeweils über ein eigenes Batteriemanagementsystem (BMS) verfügen, wobei in einem ersten Schritt Kennwerte der einzelnen elektrischen Energiespeicher von dem dazugehörigen BMS im Leerlauf bestimmt werden, in einem zweiten Schritt Kennwerte der einzelnen elektrischen Energiespeicher von dem dazugehörigen BMS beim parallelen Verschalten miteinander bestimmt werden, wobei ein zwischen dem zumindest zwei Energiespeichern fließender Ausgleichstrom berücksichtigt wird.
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Dadurch wird besonders einfach eine Vermessung von einem Batteriesystem ermöglicht, welches mehrere elektrische Energiespeicher umfasst, beispielsweise mehrere HV-Batterien oder mehrere Batteriestränge. Die Vermessung erfolgt bei einer Aktivierung des Batteriesystems und unmittelbar nach einer Aktivierung der elektrischen Energiespeicher, wobei diese nach deren Aktivierung parallel zusammengeschlossen sind. Sobald die elektrischen Energiespeicher parallel verschaltet sind, kommt es bei unterschiedlichen Spannungslagen der einzelnen elektrischen Energiespeicher zu Ausgleichsströmen. Dabei findet ein Ladungsaustausch zwischen den einzelnen elektrischen Energiespeichern statt. Die Erfindung nützt den Ausgleichsvorgang, um die vorhandenen Werte der elektrischen Energiespeicher zu berechnen, bzw. die vorhandenen Werte der elektrischen Energiespeicher zu plausibilisieren. In anderen Worten können mit den gemessenen Werten spezifische Daten der einzelnen elektrischen Energiespeicher ermittelt und überprüft werden. Durch eine Analyse bzw. Auswertung der Ausgleichströme und der Strangspannungen zwischen den einzelnen elektrischen Energiespeichern können Ladezustand, Innenwiderstand, Kapazität und Temperatur plausibilisiert und korrigiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, werden die von dem jeweiligen BMS im Leerlauf bestimmten Kennwerte der einzelnen elektrischen Energiespeicher mittels der ermittelten Kenngröße korrigiert. Dadurch ist es möglich, den tatsächlichen Leistungszustand des Batteriesystems zu bestimmen und eine zuverlässige Leistungsprognose hinsichtlich einzelner elektrischer Energiespeicher oder des gesamten Batteriesystems zu treffen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, werden von dem jeweiligen BMS ansteuerbare Sensoren zum Ermitteln der Kennwerte mittels der Kenngröße korrigiert. Demnach kann alternativ oder zusätzlich zu einer Korrektur der Kennwerte der einzelnen elektrischen Energiespeicher eine Art „Kalibrierung” der von dem jeweiligen BMS ansteuerbaren Sensoren zum Ermitteln dieser Kennwerte vorgenommen werden. Demzufolge kann eine Aussage über die Leistungsprognose von einzelnen Komponenten des Batteriesystems verbessert werden.
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Um eine möglichst genaue Bestimmung bzw. Prognose des Leistungszustands des Batteriesystems treffen zu können, umfassen in einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung die von dem jeweiligen BMS bestimmten Kennwerte einen Spannungswert und/oder einen Stromwert und/oder einen Temperaturwert und/oder einen Wert des Ladungszustands der einzelnen elektrischen Energiespeicher. Anhand der unterschiedlichen Kennwerte können der Ladezustand, Innenwiderstand, die Kapazität und Temperatur der einzelnen elektrischen Energiespeicher plausibilisiert und korrigiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit zumindest zwei Energiespeichern, die jeweils über ein eigenes Batteriemanagementsystem verfügen, wobei das Batteriesystem zum Betreiben eines Verfahrens gemäß vorherstehender Beschreibung eingerichtet ist. Ein solches Batteriesystem kann sich die Vorteile des vorherstehend beschriebenen Verfahrens zu Nutze machen. Dabei ist es unwesentlich, wo einen Auswertung oder Analyse der Kennwerte erfolgt. Eine Implementierung kann beispielsweise in einem Steuergerät des Batteriemanagementsystems, des Batteriesystems selbst oder auch in einem Antriebssteuergerät erfolgen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Erfindung umfasst der elektrische Energiespeicher mehrere zueinander parallel geschaltete Einzelbatterien und/oder mehrere zueinander parallel geschaltete Batteriestränge. Ein Batteriestrang setzt sich dabei aus mehreren in Serie zueinander geschalteten Einzelbatterien zusammen. Dadurch lassen sich auf einfache Weise skalierbare Batteriesysteme konzipieren. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass solche Batteriesysteme an unterschiedliche Fahrzeugklassen und Mobilitätsbedürfnisse flexibel angepasst werden können.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen stark vereinfachten Schaltkreis eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
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2 eine Ersatzschaltung für die in 1 veranschaulichte Schaltung.
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In 1 wird vereinfachend ein Batteriesystem mit zwei elektrischen Energiespeichern B1, B2 dargestellt, die miteinander parallel verschaltet sind. Im Allgemeinen werden für elektrisch angetriebene Fahrzeuge HV-Batterien B1, B2 verwendet. Die beiden in 1 dargestellten elektrischen Energiespeicher umfassen zwei Hochvoltbatterien B1, B2 und die jeweils dazugehörigen inneren Widerstände RI1 bzw. RI2. Die jeweiligen inneren Widerstände RI1, RI2 stehen repräsentativ für die in der jeweiligen HV-Batterie B1, B2 auftretenden Verluste. Sie begrenzen den maximalen Strom IB1, IB2, den die jeweilige HV-Batterie B1 bzw. B2 an eine angekoppelte Last liefern können. Eine gestrichelte Linie K kennzeichnet die Klemmen des Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei daran eine Last ankoppelbar ist, die in der 1 bzw. 2 als Widerstand RL dargestellt ist. Jeder HV-Batterie B1, B2 ist ein eigenes Batteriemanagementsystem zugeordnet – hier nicht gezeigt – mit dessen Hilfe einzelne Messwerte bzw. Kennwerte der jeweiligen HV-Batterie B1, B2 ermittelt werden. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel genannten HV-Batterien sind nur aus Zwecken der leichteren Veranschaulichung gewählt worden; sie stehen charakteristisch für eine Reihe unterschiedlicher elektrischer Energiespeicher-Typen die an dieser Stelle nicht explizit genannt werden.
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Die beiden als HV-Batterie B1, B2 dargestellten elektrischen Energiespeicher umfassen eine Spannungsquelle UB1 mit dem dazugehörigen Innenwiderstand RI1 bzw. eine Spannungsquelle UB2 mit dem dazugehörigen Innenwiderstand RI2. Sie stehen Stellvertretend für einzelne HV-Batterien B1, B2 bzw. für eine Zusammenschaltung mehrerer solcher Batterien in Serie zu einzelnen Batteriesträngen. Eine Messung gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens, zum Ermitteln einer Kenngröße in einem Batteriesystem, erfolgt bei der Aktivierung oder unmittelbar direkt nach der Aktivierung der HV-Batterien B1, B2 bzw. der Batteriestränge. Die einzelnen HV-Batterien B1, B2 bzw. Batteriestränge sind nach der Aktivierung parallel zusammengeschlossen. Werden die einzelnen HV-Batterien B1, B2, parallel verschaltet, kommt es bei unterschiedlichen Spannungslagen UB1–URI1 bzw. UB2–UBI2 zu Ausgleichsströmen zwischen den einzelnen HV-Batterien UB1, UB2. Auf Grund dieser Ströme IB1, IB2, kommt es zu einem Ladungsaustausch zwischen den HV-Batterien B1, B2 bzw. Batteriesträngen UB1, UB2.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sieht das Verfahren vor, dass bevor die einzelnen Batteriestränge oder HV-Batterien B1, B2 miteinander zusammengeschaltet sind, einzelne Daten der HV-Batterien B1, B2, ausgewertet werden, wobei ein notwendiger Ladungsausgleich zwischen zwei oder mehreren HV-Batterien B1, B2 bzw. Batteriesträngen prognostiziert wird. In einem folgenden Schritt wird, sobald ein Stromfluss zwischen den Batteriesträngen bzw. HV-Batterien B1, B2 möglich ist, bestimmte Kennwerte aufgezeichnet und analysiert. Dazu gehören beispielsweise die einzelnen Spannungen der elektrischen Energiequellen UB1, UB2, des Weiteren Strangströme IB1, IB2, Strang-Temperaturen – hier nicht gezeigt, usw.
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Durch einen Vergleich der gemessenen Daten mit den Daten, die nach dem unmittelbaren parallelen Zusammenschalten der einzelnen Batteriesträngen UB1, UB2 im Leerlauf erfolgte, können die Daten der einzelnen Batteriestränge bzw. HV-Batterien B1, B2 berechnet und erforderlichenfalls korrigiert werden. Dabei macht sich die Erfindung den Ausgleichsvorgang eines Ladungsflusses zu Nutze, um die vorhandenen Batteriestrangwerte UB1, UB2 bzw. IB1, IB2 sowie Strangtemperaturen zu berechnen bzw. die vorhandenen Batteriestrangwerte zu plausibilisieren. Mit den gemessenen Werten IB1, IB2, UB1, UB2 können strangspezifische bzw. batteriespezifische Daten ermittelt und überprüft werden. Durch eine Auswertung der Ausgleichsströme IB1, IB2 bzw. der Strangspannungen UB1–URI1 sowie UB2–URI2 können ein Ladezustand, Innenwiderstand RI1, RI2 bzw. eine Kapazität und Temperatur der jeweiligen HV-Batterie B1, B2 oder des betreffenden Batteriestrangs plausibilisiert und korrigiert werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, einen Abgleich von Sensoren – Verspannung und Strom – durchzuführen. Durch eine solche „Kalibrierung” kann ein wahres „Alter” einer HV-Batterie B1, B2 errechnet werden.
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Die mittels des Verfahrens gemäß des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels ermittelten Kennwerte der einzelnen Energiespeicher dienen dazu, eine Kenngröße zu bestimmen, mit der eine optimale Leistungsprognose für eine unmittelbar bevorstehende Nutzung des Batteriesystems getroffen werden kann. Dadurch wird vermieden, dass ein mit einem elektrischen Antrieb versehenes Fahrzeug unerwartet stehen bleibt oder erforderliche Regeleingriffe der elektrischen Steuerungssysteme von dem Batteriesystem während einer Fahrt nicht mehr unterstützt werden können und damit den Fahrkomfort bzw. die Fahrsicherheit stark beeinträchtigen.
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2 stellt lediglich ein Ersatzschaltbild für ein Batteriesystem gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dar, wobei UB für die Gesamtspannung der parallel zusammen geschalteten HV-Batterien B1, B2 bzw. Batteriestränge steht. Entsprechend stellt RI den gesamten Innenwiderstand dar – der anhand der vorher bestimmten Werte URI1 bzw. URI2 sowie IB1 bzw. IB2 ermittelbar ist. Der durch den resultierenden Innenwiderstand RI fließende Strom ist in der 2 mit IB bezeichnet sowie die über den resultierenden Innenwiderstand RI abfallende Spannung mit URI. An ein Klemmenpaar K, das durch die Schnittpunkte der Schaltung mit einer gestrichelten Linie in den beiden Figuren dargestellt ist, ist ein Verbraucher anschließbar, der in Form eines Widerstands RL dargestellt ist. Damit der Verbraucher RL richtig funktioniert, ist es erforderlich, dass das Batteriesystem – B in der Ersatzschaltung – bestehend aus mehreren HV-Batterien B1, B2, mindestens einen Strom IL bei einer erforderlichen Spannung UL liefern kann. Um dieses zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, eine Kenngröße gemäß dem in der Erfindung beschriebenen Verfahren zu berechnen, mit deren Hilfe die resultierenden Spannung UB–URI bzw. der resultierende Strom IB des Batteriesystems zuverlässig in Abhängigkeit eines realen „Alters” der Batterie sowie eines aktuellen Ladezustands und einer aktuellen Temperatur der einzelnen elektrischen Energiespeicher des Batteriesystems berechnet werden kann.
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Die vorherstehend dargestellten Ausführungsformen sollen lediglich das Funktionsprinzip bzw. einen sehr stark vereinfachten Aufbau einer Schaltung zur Ermittlung einer Kenngröße veranschaulichen, mit deren Hilfe man zuverlässig eine Leistungsprognose für ein Batteriesystem treffen kann. Die zum Betrieb, beispielsweise mehrerer HV-Batterien in einem elektrischen Fahrzeuge, erforderlichen Schaltungen und Zwischenkreise sind der Klarheit wegen weggelassen worden.
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Bezugszeichenliste
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- B1, B2, B
- HV-Batterie, Batteriestrang
- IB1, IB2
- Ströme (HV-Batterie bzw. Batteriestränge)
- IL
- Strom (Verbraucherlast)
- K
- Klemmenpaar
- RI1, RI2, RI
- Innenwiderstand
- RL
- Widerstand Last
- UB1, UB2
- Spannung HV-Batterie
- UB1–URI1, UB2–UBI2
- Spannung (Spannungsabfall an Innenwid. berücksichtigt)
- UL
- Spannung Last
