DE102013204885A1

DE102013204885A1 - Verfahren zur Reduzierung des Gesamtladungsverlusts von Batterien

Info

Publication number: DE102013204885A1
Application number: DE102013204885.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Becker; Andre Boehm; Armin Steck; Christian Korn; Marianne Heizmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25
Also published as: US20140285152A1; US9362758B2; CN104064832B; CN104064832A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung des Gesamtladungsverlustes von Batteriezellen (16, 18) durch Balancieren von Ladungszuständen SoC mit nachfolgenden Verfahrensschritten: Einem Abprüfen von Randbedingungen, ob sich ein Fahrzeug im Parkmodus (72) befindet, ob ein vorheriger Balancierungsschritt mindestens eine definierte Zeitspanne t_wait zurückliegt, ob eine Temperatur einer Balancierungseinheit (64) unterhalb einer einstellbaren Temperaturgrenze liegt und ob Ladungszustände SoC_i aller Batteriezellen (16, 18) > SoC_MIN übersteigen. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt erfolgt die Ermittlung eines Balancierungsbedarfes derart, dass geprüft wird, ob eine maximale Differenz aller Ladungszustände SoC_i aller Batteriezellen (16, 18) > DELTA_SoC beträgt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird, falls die ersten beiden Verfahrensschritte zu bejahen sind, ein Balancieren durch die Balancierungseinheiten (64), bei der für eine Zeit t_i Balancierungswiderstände R_bal an jeweilige Batteriezellen (16, 18) geschaltet werden. Die Ermittlung der Balancierungszeit t_i für eine jede individuelle Batteriezelle (16, 18) erfolgt gemäß der Beziehung t_i = Q_i·R_balU_OCV(SoC_i) mit Q_i ≙ abzuführende Ladung der Batteriezelle i U_OCV ≙ Batteriezellenspannung bei offenem Kreis SoC_i ≙ Ladungszustände der Batteriezellen i R_bal ≙ Widerstandswert des Balancing-Widerstandes Das Zeitintervall t_wait zwischen zwei Balancierungsschritten ist so gewählt, dass dieses der Durchführung einer maximalen Zyklenzahl der Balancierungseinheit (64) entspricht.

Description

Stand der Technik
In Hybridfahrzeugen oder in Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks mit Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Batteriezellen bestehen. Ein Batteriemanagementsystem dient zur Überwachung der Batterie und soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewährleisten. Dazu ist sicherzustellen, dass die Ladezustände (State of Charge: SoC) der einzelnen Batteriezellen trotz unterschiedlicher Selbstentladungen aufeinander abgestimmt sind. Dies geschieht durch eine geeignete Zellsymmetrierung, was als Cell-Balancing bezeichnet wird. Die Zellsymmetrierung wird in der Regel resistiv vorgenommen, d.h. unter Einsatz mindestens eines ohmschen Widerstandes. Dazu wird jeder Batteriezelle ein Widerstand und ein Schaltelement zugeordnet, um einzelne Batteriezellen über diesem dem Balancing dienenden Widerstand entladen zu können.
Neben unterschiedlichen Selbstentladungsraten der einzelnen Batteriezellen, weichen auch die Kapazitäten der Batteriezellen durch Produktionsstreuungen voneinander ab. Dieser Effekt ist zu Beginn der Lebenszeit der Batteriezellen vernachlässigbar gering, kann sich aber im Laufe der Lebensdauer durch Unterschiede in der Zellalterung vergrößern und in mehreren Prozent Kapazitätsunterschied zwischen den einzelnen Batteriezellen resultieren.
In Batteriesystemen, in denen die Kapazität der einzelnen Batteriezellen nicht bekannt ist und das resistive Balancing hin zu einem gemeinsamen Ladezustand vorgenommen wird, ist die gesamt auszugleichende Ladung sehr hoch, da unnötigerweise Ladung über die Balancing-Widerstände abgeführt wird, die weit über den reinen Ausgleich der verschiedenen Selbstentladungen liegt.
In der Darstellung gemäß 1 ist dieser Effekt zeichnerisch wiedergegeben. Gemäß Figur 1 sind zwei Batteriezellen 16, 18 unterschiedlicher Kapazitäten gezeigt, die gemäß Schritt 1 initial auf 50 % SoC (State of Charge = Ladezustand) geladen sind. Die erste Batteriezelle 16 hat eine geringere Kapazität als die zweite Batteriezelle 18, was in 1 durch eine kürzere Strichlänge angedeutet ist. In Schritt 2 erfolgt die Ladung. In Schritt 3 wird wieder auf den gleichen SoC (State of Charge = Ladezustand) ausgeglichen, d.h. die erste Batteriezelle wird resistiv teilentladen. Im sich anschließenden Schritt 4 erfolgt ein Entladen der Batteriezellen 16, 18. Anschließend muss die zweite Batteriezelle 18 resistiv teilentladen werden, um einen bezüglich der ersten Batteriezelle 16 einheitlichen SoC (State of Charge = Ladezustand) zu erreichen. Der Ausgleichsbedarf, beim Übergang von Schritt 4 zu Schritt 5 ist teilweise durch den Ausgleich beim Übergang von Schritt 2 auf Schritt 3 geschaffen worden. Wird das Batteriesystem permanent so ausgeglichen, dass alle Batteriezellen einen identischen, gleichen SoC haben, wird nicht nur unnötig Ladung über die zum Ausgleichen, d.h. zum Balancen erforderlichen Balance-Widerstände abgeführt, sondern es kommt vielmehr auch zu unnötig vielen Schaltvorgängen der Balancierungseinheit, welche deren Lebensdauer ungünstig beeinflussen kann.
DE 10 2009 045 519 A1 bezieht sich auf ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Ausbalancieren der Batteriezellen dieses Batteriesystems. Das Batteriesystem umfasst ein erstes Batterieelement. Der positive Pol des ersten Batterieelements ist mit dem negativen Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden. Es ist ein Entlademittel zum partiellen Entladen der ersten und zweiten Batterieelemente vorgesehen. Ein Spannungsteiler ist dazu ausgelegt, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten Batterieelements und dem elektrischen Potential des positiven Pols des zweiten Batterieelements ein erstes elektrisches Potential zu erzeugen, welches dem Sollwert des elektrischen Potentials an dem positiven Pol des ersten Batterieelementes und dem negativen Pol des zweiten Batterieelementes entspricht. Vergleichsmittel dienen zum Vergleichen des ersten elektrischen Potentials mit einem zweiten elektrischen Potential, das an dem positiven Pol des ersten Batterieelementes und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements anliegt. Entlademittel sind derart ausgelegt, das erste Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potential in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potential abweicht und das zweite Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potential in negative Richtung von dem ersten elektrischen Potential abweicht.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein SoC-basiertes Balancing und/oder ein Balancing ohne Kenntnis der aktuellen Kapazitäten von einer Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen derart zu ermöglichen, dass die Verlustladung beim Balancen möglichst gering ist und die Anzahl von Schaltzyklen der Balancing-Widerstände reduziert und deren Lebensdauer dadurch erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Batteriezellensymmetrierung, d.h. das Cell-Balancing zum Ziel hat und bei dem zwei aufeinanderfolgende Balancing-Schritte an einer Batteriezelle nur nach Ablauf eines Mindestzeitintervalls zugelassen werden. Dieses Mindestzeitintervall ist insbesondere einstellbar. Eine obere Schranke dieses Zeitintervalles ergibt sich aus dem Bedarf an Zellsymmetrierung, d.h. an Cell-Balancing und der Balancing-Ladung pro Ausgleichsschritt, d.h. Balancing-Schritt.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, erfolgt zunächst ein Abprüfen von Randbedingungen, wobei abgeprüft wird, ob sich ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, dessen Batteriemodule bzw. dessen Batteriezellen auszubalancieren sind, im Parkmodus befindet. Das Elektro- oder Hybridfahrzeug darf sich weder im Lade- noch im Entlademodus befinden. Ferner wird abgeprüft, ob der letzte Balancing-Schritt eine definierte Zeitspanne zurückliegend erfolgt ist und dass die Temperatur einer Balancierungseinheit, die den Ausgleich von Ladungsunterschieden von Batteriezellen resistiv, d.h. mittels eines Widerstandes vornimmt, kleiner einer einstellbaren Temperaturgrenze liegt. Des Weiteren wird im ersten Verfahrensschritt abgeprüft, ob der Ladezustand (SoC) aller Batteriezellen oberhalb in einer einstellbaren Grenze liegt. Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt eine Prüfung dahingehend, ob Bedarf an der Durchführung eines Ausbalancierens, d.h. an einem Ausgleich von Ladezuständen von Batteriezellen besteht oder nicht. Dazu wird eine SoC-Differenz aller Batteriezellen, die oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegt, ermittelt. Dazu wird der minimale SoC aller Batteriezellen SoC_MIN bestimmt. Gilt für mindestens eine Batteriezelle i, dass ihr individueller Ladezustand SoC_i mehr als DELTA_SoC größer als SoC_MIN ist, besteht Bedarf am Ausbalancieren.
Falls Ausbalancierungsbedarf gemäß des zweiten Verfahrensschrittes besteht und die Bedingungen, die im ersten Verfahrensschritt abgeprüft werden erfüllt sind, erfolgt die Durchführung eines Ausbalancierungsschrittes entsprechend folgender Randbedingungen:
Die ein Batteriezellen-Balancing vornehmende Einheit nimmt ein autonomes Ausbalancieren vor, indem die relevanten Balancierungseinheiten auf Anforderung für eine bestimmte Zeit Balancing-Widerstände R_Bal an die jeweiligen Batteriezellen, die auszubalancieren sind, schalten. Die Balancierungseinheiten dürfen sich bei der Erhitzung über eine Temperaturschwelle hinaus abschalten, jedoch nicht wieder selbstständig einschalten. In einem nachfolgenden vierten Verfahrensschritt wird für eine jede Batteriezelle der individuelle Balancing-Bedarf ermittelt. Es wird der Bedarf an abzuführender Ladung der Batteriezelle i errechnet, gemäß der Gleichung Q_i = C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN) wobei C_NOM für die Nominalkapazität der Batteriezellen steht. Entsprechend der Spannung U_OCV beim gegebenen Ladezustand SoC der Zelle sowie dem Wert für den Balancing-Widerstand R_bal kann nun mithilfe des ohmschen Gesetzes die Zeit, während der Ausbalancierungsschritte durchgeführt werden soll, ermittelt werden, gemäß nachfolgender Beziehung: t_i = Q_i·R_bal / U_OCV(SoC_i) mit

R_bal: Balancing-Widerstand
Q_i: abzuführende Ladung der Zelle i
SoC_i: aktueller Ladezustand der Batteriezelle i
U_OCV: Batteriezellenspannung bei offenem Kreis

Nun wird in einem fünften Verfahrensschritt eine jede Balancierungseinheit i für eine betreffende Batteriezelle i für die Zeit t_i geschaltet, maximal jedoch für eine einstellbare maximale Zeit. Die Einhaltung einer oberen Zeitschranke dient zum Schutz der Balancierungseinheit vor Überhitzung.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, schalten sich die Balancierungs-Einheiten, die den Ausgleich von Ladungszuständen an den Batteriezellen resistiv bewirken und die Ausbalancierungswiderstände R_bal an die einzelnen Batteriezellen schalten, bei Erhitzung über eine Temperaturschwelle selbsttätig ab, ohne sich jedoch wieder selbsttätig einzuschalten.
Die Parameter Q_i, R_bal, U_OCV, SoC_i und C_NOM können entsprechend des jeweiligen Batteriesystems bzw. der Betriebsstrategie angepasst werden. Sinnvollerweise liegt der Parameter SoC_MIN oberhalb der gewünschten Ladereserve. Sinnvollerweise sollte der Ladezustand, d.h. der Parameter SoC aller Batteriezellen über einer einstellbaren Grenze liegen, beispielsweise 15 %, damit eine Tiefentladung durch Zellsymmetrisierung nicht beschleunigt wird.
Der Parameter DELTA_SoC definiert eine erlaubte SoC-Varianz, unterhalb derer nicht ausbalanciert werden darf. Wird jedoch auf diese Grenze hin ausbalanciert, ist der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladezustand, d.h. dem SoC der Batteriezellen gerade DELTA_SoC. Dieser Wert sollte so gewählt werden, dass er groß ist gegen das Unsicherheitsintervall, in dem der Ladungszustand der Batteriezelle bestimmt wird. Das Zeitintervall zwischen zwei Balancing-Schritten t_wait sollte so gewählt sein, dass es zur maximalen Zyklenzahl der Balancierungseinheit passt. Kann die Balancierungseinheit beispielsweise N Temperaturzyklen verkraften, sollte der Zeitintervall t_wait größer sein als die Lebensdauer/N. Andererseits muss bei der Wahl des Zeitintervalls t_wait auch der Unterschied in den Selbstentladungsraten der einzelnen Batteriezellen berücksichtigt werden. Das Zeitintervall t_wait sollte nur so groß gewählt werden, dass der während dieser Zeit entstehende Zellsymmetrierungsbedarf während eines Balancing-Schrittes ausgeglichen werden kann. Damit beide Randbedingungen erfüllt werden können, d.h. die Zyklenzahl der Balancierungseinheit sowie die vollständige Deckung des Zellsymmetrierungsbedarfes, ist die Dauer eines jeden Balancing-Schrittes anzupassen.
Als eine mögliche Variante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Reduzierung von Gesamtladungsverlusten kann das Zeitmanagement, d.h. der zeitlich gestaffelte Betrieb der einzelnen Balancierungseinheiten über das Batteriemanagementsystem derart gesteuert werden, dass anstatt aller Batteriezellen auch einzelne individuell ausgewählte Batteriezellen bzw. Untermengen von Batteriezellen dem Zell-Balancing unterworfen werden. In diesem Falle erhalten alle Batteriezellen oder eine beliebige Untermenge von Batteriezellen einen geeigneten Timer. Die Voraussetzung, ob ein Balancing-Bedarf besteht, wird für einen jeden Timer unabhängig geprüft. Der sich daraus ergebende Vorteil ist darin zu erblicken, dass die einzelnen Batteriezellen so aufgeteilt werden können, dass alle Batteriezellen einer bestimmten Untermenge gleichzeitig gebalanced werden können, ohne dass es zu einer zu schnellen und zu starken Erwärmung der das Balancing durchführenden Balancierungseinheit kommt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Vornahme eines Ausgleichs von Ladungsunterschieden, d.h. ein Cell-Balancing an Batteriezellen eines Batteriemoduls eines Batteriepacks für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug durchzuführen, wobei dieser Ladungsausgleich bei Kapazitätsunterschieden der einzelnen Batteriezellen in Bezug aufeinander im Bereich von 20 % ohne explizite Kenntnis der einzelnen Batteriezellenkapazitäten möglich ist. Wieviel Kapazitätsunterschied letztendlich ohne Kenntnis der tatsächlichen Kapazitäten vom System verkraftet werden kann, hängt im nicht unerheblichen Maße vom Fahrprofil ab. Ferner kann der Ladungsverlust, der durch das Cell-Balancing auftritt, erheblich reduziert werden. Ferner kann die Lebensdauer der zum Cell-Balancing eingesetzten Widerstände R_bal erheblich erhöht werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise, dass das Cell-Balancing individuell auf die Selbstentladungscharakteristik einzelner verschiedener individueller Batteriezellen durch Wahl eines entsprechenden Mindestzeitintervalls angepasst werden kann und somit unterschiedliche Alterungszyklen einzelner Batteriezellen Rechnung getragen werden kann. Ein weiterer mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung verbundener Vorteil ist darin zu erblicken, dass eine flexible Anpassung des Zeitraumes zwischen zwei Balancingschritten an den Fahrerrhythmus mögliche ist. Ein weiterer schlagender Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist darin zu erblicken, dass die Lebensdauer der Balancingwiderstände durch das Zeitmanagement verlängert werden kann. Die Lebensdauer lässt sich durch eine Beschränkung der Anzahl der Schaltzyklen verlängern. Es werden nur so viele Schaltzyklen zugelassen, wie einerseits für das Balancing benötigt werden und andererseits durch die Entlademittel erlaubt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände, d.h. ein Batteriezellen-Balancing zur Beibehaltung eines gleichen Ladezustandes (SoC) der beiden Batteriezellen,
2 ein erstes periodisches Lade-/Entladeprofil, aufgetragen über 24 h,
3 ein weiteres zweites Lade-/Entladeprofil mit einer anderen Lade-/Entladecharakteristik, ebenfalls aufgetragen über 24 H,
4.1 einen Aufbau einer Balancierungseinheit,
4.2 ein Flußdiagramm zur Durchführung von an Batteriezellen vorzunehmenden Ausgleichsmaßnahmen (Cell-Balancing-Schritte) mit Zeitmanagern,
5 eine Simulation des Lade-/Entladeprofiles gemäß der Darstellung in 2 mit 20 Batteriezellen über 365 Tage mit Selbstentladungsanteilen und Balancing-Schritten und
6 ein Simulationsergebnis des in 3 dargestellten zweiten Entlade-/Ladeprofiles, ebenfalls mit 20 Batteriezellen über 365 Tage, ebenfalls mit Selbstentladungsanteilen und Cell-Balancing-Anteilen.
Ausführungsvarianten
1 zeigt ein permanentes Durchführen von Ausgleichsschritten (Cell-Balancing-Schritten) zur Beibehaltung eines identischen Ladezustandes (SoC) zweier Batteriezellen 16, 18. Ausgehend von einem Ladezustand 10, einem SoC-Level von 50 % ist in 1 bei Schritt 1 dargestellt, dass ein Ladevorgang 12 in vertikale Richtung nach oben in Bezug auf den SoC-Level 10 verläuft, während ein Entladevorgang, vergleiche Bezugszeichen 14 in die entgegengesetzte Richtung verläuft.
Die erste Batteriezelle ist mit Bezugszeichen 16 bezeichnet, die weitere, zweite Batteriezelle mit Bezugszeichen 18. Im ersten Schritt gemäß 1 haben beide Batteriezellen 16 und 18 einen identischen SoC-Level 10 von 50 %. Im zweiten Schritt ist erkennbar, dass eine Ladung beider Batteriezellen 16, 18 über den SoC-Level von 50 % erfolgt. Bezogen auf die Steigung, ist beim Übergang vom zweiten auf den dritten Schritt die erste Batteriezelle 16 geringfügig zu entladen, bis, vergleiche im dritten Schritt, die beiden SoC-Level 24 der ersten Batteriezelle 16 und der zweiten Batteriezelle 18 wieder einander entsprechen. Die Teilentladung im zweiten Schritt ist mit dem Bezugszeichen 22 versehen. Im vierten Schritt gemäß der Darstellung in 1 erfolgt ein Entladevorgang 14 der beiden Batteriezellen 16, 18 derart, dass der aktuelle SoC-Level 24 unter den SoC-Level 10 von 50 % fällt. Um beide Batteriezellen 16 und 18 wieder auf einen identischen SoC-Level zu bringen ist, wie in Schritt 4 angedeutet, eine resistive Teilentladung der zweiten Batteriezelle, wie durch Bezugszeichen 22 in Schritt 4 gemäß 1 angedeutet, erforderlich. In Schritt 5 sind die beiden Batteriezellen 16 und 18 wieder „ausbalanciert“, d.h. weisen einen identischen SoC-Level 24 auf, der unterhalb des SoC-Levels 10 von 50 % liegt.
2 ist ein erstes Lade-/Entladeprofil 30 zu entnehmen, bei dem eine Laderate über die Zeit, im vorliegenden Fall über einen 24 h Tag, aufgetragen ist.
Dem in 2 dargestellten ersten Lade-/Entladeprofil 30 ist zu entnehmen, dass es im Tagesverlauf 32 von 5 Uhr bis 8 Uhr zu einem SoC-Swing 34 kommt, währenddessen eine Batterie während einer Dauer 36 einen langen SoC-Swing erfährt, d.h. eine Entladephase 38 durchläuft. Die Entladephase 38 ist gegen 8 Uhr beendet. Gegen 21 Uhr schließt sich eine ausgeprägte Ladephase 40 an, die bis 24 Uhr andauert, danach beträgt die Laderate 42 wieder Null.
Demgegenüber ist gemäß 3 ein zweites Lade-/Entladeprofil 44 dargestellt, bei dem es beispielsweise bei einem Taxi-Fahrzeug über den Tagesverlauf 32 gesehen, zu vielen kurzen SoC-Swings 46 kommt, d.h. Entlade- und Ladephasen 38, 40 wechseln im Stundentakt einander ab, wobei es, abgesehen vom späten Vormittag bis 10 Uhr, zu vier Ladephasen 40 und zu fünf Entladephasen 38 gekommen ist. Im Unterschied zum ersten Lade-/Entladeprofil 30 gemäß der Darstellung in 2 fallen die SoC-Swings 46, die Ladezustandsänderungen bei dem in 3 dargestellten zweiten Lade-/Entladeprofil 44 deutlich ausgeprägter hinsichtlich der Amplitude aus. Die im anfallenden SoC-Swings 46 werden entlang des Pfeils mit dem Bezugszeichen 48 gezählt.
Ausgehend von der Mittagszeit folgen im Laufe des Nachmittags und des frühen Abends bis zu 20 Uhr fünf Ladephasen 40 jeweils unterbrochen durch Entladephasen 38 von kurzer Dauer, jeweils ca. 1 knappe Stunde.
In 4.1 ist ein Schaltungsaufbau für ein Balancieren von Ladungszuständen dargestellt. Eine derartige Balancierungseinheit 64 umfasst Balancierwiderstände R₁, R₂, ..., R_n, die über eine Schaltlogik 66 miteinander verbunden sind.
Der Darstellung gemäß 4.2 ist ein Flußdiagramm 70 zu entnehmen, anhand dessen das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Ausgleich von Ladungsunterschieden (Cell-Balancing) der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, durchgeführt wird.
Ein Batteriemanagementsystem umfasst eine Batterie Control Unit (BCU), welche den aktuellen Ladungszustand (SoC) aller in Serie geschalteten Batteriezellen 16, 18 ermittelt. Eine Balancierungseinheit für eine jede der Batteriezellen 16 und 18 umfasst eine Anzahl von Widerständen R_bal, die an eine der Batteriezellen 16, 18 geschaltet werden können, sowie eine Schaltlogik 66 gemäß 4.1.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, wird in einem ersten Verfahrensschritt abgeprüft, ob sich ein Elektro- oder Hybridfahrzeug im Parkmodus 72 befindet oder nicht. Zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zum Ausgleich von Ladungsunterschieden an Batteriezellen 16, 18 darf sich ein Elektro- oder Hybridfahrzeug nicht im Lade- oder Entlademodus befinden. Ferner wird innerhalb des ersten Verfahrensschritts abgeprüft, ob der Ladezustand (SoC) aller Batteriezellen oberhalb einer einstellbaren Grenze liegt, beispielsweise oberhalb einer Grenze von 15 %. Durch diese vorher erfolgende Abprüfung wird eine Tiefentladung einzelner Batteriezellen 16, 18 durch Zellsymmetrisierung, d.h. durch das Cell-Balancing, bei dem Ladung abfließt, nicht beschleunigt, vergleiche Position 74 im Blockschaltbild gemäß 4.2. Schließlich wird die Randbedingung überprüft, ob eine Balancierungseinheit 64 eine Temperatur aufweist, die unterhalb einer einstellbaren Temperaturgrenze von beispielsweise 40°C oder 45°C liegt, so dass die Balancierungseinheit 64, d.h. die Schaltlogik 66 und die Widerstände, über welche der Ladungsausgleich an den einzelnen Batteriezellen 16, 18 durch resistive Beschaltung vorgenommen wird, eingesetzt werden kann. Es sei darauf verwiesen, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren hier lediglich anhand von zwei Batteriezellen 16, 18 beschrieben wird. In der Praxis, d.h. im tatsächlichen Anwendungsfall wird ein Batteriesystem eingesetzt werden, das bis zu 100 und mehr Batteriezellen enthalten kann und bei dem das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Ladungsausgleich implementiert wird.
In einem Entscheider 76 wird entschieden, ob ein Ausgleichsschritt zum Ausgleich von Ladungsunterschieden, d.h. das Cell-Balancing überhaupt erforderlich ist. Dazu wird eine maximale Ladezustand (SoC)-Differenz aller Batteriezellen gebildet, die oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegen muss, beispielsweise 3 %, so dass folgende Bedingung erfüllt ist: SoC_i > SoC_MIN + DELTA_SoC, z.B. 3 %
Wird am Entscheider 76 der Bedarf an einem Cell-Balancing verneint, wird auf eine zweite Abzweigung 80 verwiesen und bei 98 eine Fortsetzung des Normalbetriebes, im vorliegenden Falle auf ein Nicht-Durchführen des Cell-Balancings entschieden.
Wird hingegen am Entscheider 76 ein Bedarf an mindestens einer der Batteriezellen 16, 18 für ein Cell-Balancing ermittelt und sind die Randbedingungen gemäß dem ersten Verfahrensschritt allesamt erfüllt, folgt das Verfahren der ersten Verzweigung 78 und es erfolgt die Durchführung eines Cell-Balancing-Schrittes entsprechend folgender Randbedingungen:
Der Ausgleichsvorgang, d.h. das Cell-Balancing findet autonom statt, d.h. die BCU gibt den relevanten Balancierungseinheiten 64 die Anforderung für eine bestimmte Zeit die Widerstände R_bal an die jeweiligen Batteriezellen 16, 18 zu schalten, so dass ein resistives Cell-Balancing erfolgt. Die Balancierungseinheiten 64 selbst dürfen sich bei Erhitzung über eine bestimmte Temperaturschwelle hinaus abschalten, jedoch ist auszuschließen, dass diese sich selbstständig wieder einschalten.
Wird ein Cell-Balancing zugelassen, d.h. liegt die Temperatur der Balancierungseinheit 64 unterhalb einer Temperatur von beispielsweise 40°C oder 45°C, angedeutet durch Position 84 in 4.2 (zweite Bedingung) und ist eine dritte Bedingung 88, d.h. liegt ein Balancing-Schritt mehr als t_wait (z.B. 19 h) zurück und ist eine erste Bedingung 82 erfüllt, wonach SoC_i > SoC_MIN + DELTA_SoC, z.B. 3 % liegt, wird für jede der Batteriezellen i der individuelle Balancing-Bedarf ermittelt. Eine abzuführende Ladung einer Batteriezelle i ergibt sich gemäß nachfolgender Beziehung: Q_i = C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN) wobei C_NOM einer Normalkapazität aller Batteriezellen 16, 18 entspricht. Entsprechend des Spannungswertes U_OCV, der sich bei einem gegebenen Ladungszustand der Batteriezelle i einstellt, sowie dem Widerstandswert des Balancing-Widerstandes R_Bal kann mithilfe des ohmschen Gesetzes die Zeit, während der das Cell-Balancing ausgeführt werden soll, ermittelt werden nach: t_i = Q_i·R_bal / U_OCV(SoC_i) mit

R_bal: Balancing-Widerstand
Q_i: abzuführende Ladungsmenge
U_OCV: Batteriezellenspannung bei offenem Kreis
SoC_i: aktueller Ladezustand der Batteriezelle i.

Der Ladungsausgleich, d.h. das Balancing erfolgt nun durch die BCU, die einen entsprechenden Balancing-Widerstand R_bal während der individuell bestimmten Zeit t_i mit der entsprechenden Batteriezelle 16, 18 der Batteriezellen i verschaltet. Diese Verschaltung erfolgt für die Zeit t_i maximal jedoch für eine einstellbare maximale Zeit. Diese obere Zeitschranke, d.h. die maximale Zeit dient dem Schutz der Balancierungseinheit 64 (BCU ≙ Balancing Unit) vor Überhitzung.
Dies ist im Flußdiagramm 70 gemäß 4.2 durch die erste Verzweigung 90 angedeutet, die eine Ansteuerung der Batterie Control Unit 94 bewirkt, so dass das resistiv erfolgende Cell-Balancing für einen Zeitraum von x Minuten durchgeführt wird und ein Timer-Reset 96 am Timer 100 für die entsprechende Batteriezelle i derjenigen der Batteriezellen ausgelöst wird, an der das Cell-Balancing durch resistive Verschaltung nunmehr initiiert ist.
Sind die Bedingungen 82, 84, 88 nicht erfüllt, wird über die zweite Verzweigung 92 zur Fortsetzung 98 verzweigt, gleiches gilt für eine Verzweigung von Timer-Reset 96 zur Fortsetzung 98.
Die oben genannten Parameter, so zum Beispiel Q_i, SoC_i, SoC_MIN, die Widerstandswerte für die Balancing-Widerstände R_bal usw., können entsprechend des jeweiligen hinsichtlich seiner Ladungsunterschiede einzelner Batteriezellen 16, 18 auszugleichenden Batteriesystems bzw. hinsichtlich der Betriebsstrategie der Batterien angepasst werden. So sollte beispielsweise der Parameter SoC_MIN oberhalb der gewünschten Ladereserve liegen. DELTA_SoC definiert die erlaubte Varianz hinsichtlich der Ladungszustände SoC der einzelnen Batteriezellen 16, 18, unterhalb derer ein Cell-Balancing unterbleibt. Sollte auf diese Grenze, d.h. die erlaubte SoC-Varianz ein Ausgleich von Ladungsunterschieden durchgeführt werden, entspricht der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladungszustand (SoC) der Batteriezellen 16, 18 gerade DELTA_SoC. Dieser Wert sollte auf jeden Fall so gewählt werden, dass er groß ist gegen ein Unsicherheitsintervall, in dem der individuelle Ladungszustand SoC der Batteriezellen 16, 18 bestimmt werden kann.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird die Lebensdauer der Balancierungseinheiten 64 und damit die Lebensdauer der Balancingwiderstände R_bal durch das Zeitmanagement dadurch erhöht, dass zwischen zwei Balancingschritten, die durch die Balancierungseinheit 64 durchgeführt werden, eine Zeitspanne t_wait von beispielsweise 12 h und mehr vergeht. Dadurch ist sichergestellt, dass das Batteriezellen-Balancing nicht auf jeden Ladungszustandunterschied, gegeben durch jeweilige Kapazitätsunterschiede anspricht. Durch die Einfügung des Zeitmanagements in Zusammenhang mit dem Balancing, lässt sich dieses viel robuster gestalten, verglichen mit dem in 1 dargestellten Balancing, so dass mehrere Vorteile erreicht werden. Zum einen wird die Lebensdauer der Balancingwiderstände R_bal entscheidend verlängert. Des Weiteren wird die jeweils eingesetzte Balancierungseinheit 64 deutlich weniger Schaltzyklen durchführen, da gezwungenermaßen bzw. vorgegebenermaßen eine Zeitspanne t_wait zwischen Balancingvorgängen vergehen muss. Des Weiteren können wie im Zusammenhang mit der Beschreibung von 1 dargestellt, die Anzahl der Schaltvorgänge zum resistiven Cell-Balancing drastisch reduziert werden, so dass auch unerwünschterweise abfließende Ladung, die gemäß der Vorgehensweise aus dem Stand der Technik an Cell-Balancing abgeführt wird, obwohl gar nicht notwendig, in den Batteriezellen 16, 18 verbleiben kann, so dass das Cell-Balancing deutlich robuster ist, wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, d.h. eine Verknüpfung des Cell-Balancings mit einem Zeitmanagement angewendet.
Es werden gerade nur so viele Schaltzyklen durch die Balancierungseinheiten 64 durchgeführt, wie durch das Cell-Balancing unbedingt erforderlich und durch die Entlademittel gerade erlaubt sind. Neben der obenstehend erwähnten Zeitspanne t_wait von 12 h, können auch Zeitspannen von t_wait in der Größenordnung von 19 h, 20 h und mehr festgelegt werden, die zwischen zwei Balancingvorgängen vergehen müssen.
Den Darstellungen gemäß der 5 und 6 sind durch Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Reduzierung des Gesamtladungsverlustes, dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Cell-Balancing, folgende erreichbare Balancing-Profile 60, 62 zu entnehmen. In den 5 und 6 sind jeweils auf der vertikalen Achse die in einem Simulationszeitraum ermittelten Ladungsverluste 52 in Ampere-Stunden angegeben. Die Ladungsverluste 52 teilen sich in einen Teil, der auf Selbstentladung 56 zurückzuführen ist, und einen Teil, der auf Balancing-Schritte 58 zurückzuführen ist. Wird das in 2 dargestellte erste Lade-/Entladeprofil 30 auf eine Batteriezellenanzahl 50 von zwanzig Stück über 365 Tage simuliert, so zeigt sich, dass die auf Selbstentladung 56 zurückgehenden Gesamtladungsverluste durch die Balancing-Schritte 58 über eine jede der Batteriezellen 1 bis 20 ausgeglichen werden können, so dass sich insgesamt gesehen ein gleichmäßiger Ladungszustand aller zwanzig Batteriezellen einstellt.
In Bezug auf das Simulationsergebnis, welches in 6 dargestellt ist, und einen Lade-/Entladezyklus wie er in 3 dargestellt ist, simuliert, ergibt sich Ähnliches. Hier sind gleich zur Darstellung zum Simulationsergebnis wie es in 5 dargestellt ist, die Selbstentladungen 56 zum Teil wesentlich höher, verglichen mit den Anteilen der Balancing-Schritte 58.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045519 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Reduzierung des Gesamtladungsverlustes von Batteriezellen (16, 18) durch Balancieren von Ladungszuständen SoC, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) dem Abprüfen von Randbedingungen, ob – ob ein vorheriger Balancierungsschritt mindestens eine definierte Zeitspanne t_wait zurückliegt, – die Temperatur einer Balancierungseinheit (64) unterhalb einer einstellbaren Temperaturgrenze liegt, – die Ladungszustände SoC_i aller Batteriezellen (16, 18) > SoC_MIN liegen, b) der Ermittlung eines Balancierungsbedarfes dahingehend, ob eine maximale Differenz aller Ladungszustände SoC_i aller Batteriezellen (16, 18) > DELTA_SoC liegt, c) falls Verfahrensschritte a) und b) zu bejahen sind, erfolgt ein Balancieren der Batteriezellen (16, 18) durch die Balancierungseinheiten (64), bei der für eine Zeit t_i Balancierungswiderstände R_bal an jeweilige Batteriezellen (16, 18) geschaltet werden, mit t_i = Q_i·R_bal / U_OCV(SoC_i) mit Q_i ≙ abzuführende Ladung der Batteriezelle i U_OCV ≙ Batteriezellenspannung bei offenem Kreis SoC_i ≙ Ladungszustand der Batteriezelle i R_bal ≙ Widerstandswert des Balancing-Widerstandes d) der Wahl des Zeitintervalles t_wait zwischen zwei Balancierungsschritten derart, dass dieses der Durchführung einer maximalen Zyklenzahl der Balancierungseinheiten (64) entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) die abzuführende Ladung Q_i der Batteriezelle i gemäß nachfolgender Beziehung bestimmt wird: Q_i ≙ C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN) mit C_NOM ≙ Nominalkapazität der Batteriezellen (16, 18).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) bezüglich des Balancierungsbedarfes dieser bejaht wird, wenn für mindestens eine Batteriezelle i der individuelle Ladungszustand SoC_i mehr als DELTA_SoC größer als SoC_MIN ist, erfüllt ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Balancierungseinheiten (64) bei Erwärmung über eine Temperaturschwelle T_Grenz selbständig abschalten und abgeschaltet bleiben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balancierungseinheiten (64) für die Zeit t_i geschaltet bleiben, maximal jedoch für eine einstellbare maximale Zeit t_max.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter SoC_MIN, der minimale Ladungszustand einer individuellen Batteriezelle i oberhalb einer gewünschten Ladereserve liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter DELTA_SoC eine zulässige SoC-Varianz definiert, unterhalb derer keine Balancierungsschritte vorgenommen werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Balancierungsvorgang auf den Parameter DELTA_SoC balanciert wird und der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladezustand SoC der Batteriezellen (16, 18) gerade dem Wert DELTA_SoC entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall t_wait so groß gewählt wird, dass ein während dieser Zeitspanne entstehende Symmetrierungsbedarf während eines Balancing-Schrittes ausgeglichen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Zyklenzahl der Balancierungseinheit (64) und die Deckung eines eventuellen Symmetrierungsbedarfes durch die Dauer t_i eines Balancing-Schrittes aneinander angepasst werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß des vorstehenden Verfahrens individuell einzelne Batteriezellen i bzw. Untermengen von Batteriezellen i ausbalanciert werden.