DE102022120011A1 - Method and system for estimating the state of charge of battery cells of a reconfigurable battery - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie, wobei die rekonfigurierbare Batterie mehrere Batteriezellen umfasst und eine jeweilige Batteriezelle durch mindestens zwei von einer Steuerung gesteuerte Halbleiterschalter mit jeweilig benachbarten Batteriezellen verschaltbar ist, wobei in einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie eine Klemmenspannung der jeweiligen Batteriezelle nach einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme ein Relaxationsverhalten zeigt, wobei im lastfreien Zustand der jeweiligen Batteriezelle mindestens ein Fitparameter einer Fitfunktion an einen Verlauf der jeweiligen Klemmenspannung für eine vorgegebene Fit-Zeitdauer nach einem Einsetzen des Relaxationsverhaltens angefittet wird, wobei aus der Fitfunktion mit dem mindestens einen angefitteten Fitparameter ein Relaxationsendwert, welcher einer Leerlaufklemmenspannung entspricht, extrapoliert wird, und wobei der Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle aus der Leerlaufklemmenspannung anhand eines für eine jeweilige Temperatur abgespeicherten funktionalen Zusammenanhangs zwischen Leerlaufklemmenspannung und Ladezustand geschätzt wird. Ferner wird ein System beansprucht, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.Method for estimating a state of charge of battery cells of a reconfigurable battery, wherein the reconfigurable battery comprises a plurality of battery cells and a respective battery cell can be connected to adjacent battery cells by at least two semiconductor switches controlled by a controller, wherein a terminal voltage of the respective battery cell is determined during operation of the reconfigurable battery a charge removal or a charge absorption shows a relaxation behavior, wherein in the load-free state of the respective battery cell at least one fit parameter of a fit function is fitted to a curve of the respective terminal voltage for a predetermined fit period after the onset of the relaxation behavior, with the at least one fitted from the fit function Fit parameter, a relaxation final value, which corresponds to an open-circuit terminal voltage, is extrapolated, and the state of charge for the respective battery cell is estimated from the open-circuit terminal voltage based on a functional relationship between the open-circuit terminal voltage and the state of charge stored for a respective temperature. Furthermore, a system is claimed on which the method according to the invention is carried out.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zu einer Ladezustandsschätzung einer jeweiligen Batteriezelle in einer rekonfigurierbaren Batterie, welche mehrere verschaltbare Batteriezellen umfasst.The present invention relates to a method and a system for estimating the state of charge of a respective battery cell in a reconfigurable battery, which comprises a plurality of interconnectable battery cells.

Bei leistungselektronischen Schaltungen, welche eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen bzw. Batteriezellen aufweisen, ist eine genaue Kenntnis jeweiliger Ladezustände in der Nutzung von großer Bedeutung, bspw. um eine Lebensdauer der Batteriezellen zu maximieren oder für eine Reichweitenschätzung eines Fahrzeugs mit solchen Batteriezellen als Traktionsbatterie. Dabei ist ein Ladezustand der Batteriezelle, im Englischen mit „State of Charge“ (SoC) bezeichnet, durch einen Quotienten aus einer noch entnehmbaren Ladungsmenge im Zähler und einer Nennkapazität der Batteriezelle im Nenner definiert. Die Nennkapazität stellt hierbei nicht den Wert des Datenblatts da, sondern die tatsächlich nutzbare Ladungsmenge. Eine Leerlaufklemmenspannung der Batteriezelle wird im Englischen als „Open Circuit Voltage“ (OCV) bezeichnet und ist eine bijektive Funktion des Ladezustandes, d. h. jedem SoC-Wert ist eindeutig ein OCV-Wert zuordenbar und umgekehrt. Die Steilheit dieser Funktion ist maßgeblich von einer verwendeten Zellchemie abhängig.In the case of power electronic circuits that have a plurality of energy storage cells or battery cells, precise knowledge of the respective charging states is of great importance in use, for example in order to maximize the service life of the battery cells or for estimating the range of a vehicle with such battery cells as a traction battery. A state of charge of the battery cell, known in English as “State of Charge” (SoC), is defined by a quotient of the amount of charge that can still be removed in the numerator and the nominal capacity of the battery cell in the denominator. The nominal capacity does not represent the value on the data sheet, but rather the actually usable amount of charge. An open-circuit terminal voltage of the battery cell is known in English as “Open Circuit Voltage” (OCV) and is a bijective function of the state of charge, i.e. H. An OCV value can be clearly assigned to each SoC value and vice versa. The steepness of this function depends largely on the cell chemistry used.

Die Nennkapazität einer Batteriezelle kann bspw. dadurch bestimmt werden, dass man diese einmal von einer minimalen Spannung, einer sogenannten Entladeschlussspannung, bis zu einer maximalen Spannung, einer sogenannten Ladeschlussspannung, auflädt und dabei den durch die Zelle fließenden Strom integriert. Dieses Verfahren entspricht dem Stand der Technik und entspricht einem Ladevorgang nach „CC“, englisch abgekürzt für „constant current“, und CV, englisch abgekürzt für „constant voltage“. Ist die Nennkapazität der Batteriezelle bekannt, so ist die einfachste Methode, den SoC zu bestimmen, eine Umkehrbarkeit der OCV-Kurve zu nutzen. Durch das Messen einer unbelasteten und relaxierten Batteriezelle, kann an Klemmen dieser Batteriezelle direkt der OCV-Wert gemessen und daraus auf den SoC-Wert geschlossen werden. Da allerdings neben dem Ladezustand auch die Leerlaufklemmenspannung temperaturabhängig ist, müssen bei einer solchen Vorgehensweise für jeden Zelltyp für verschiedene Temperaturen mehrere OCV-Kennlinien abgespeichert werden. Nachdem ein Start-Ladezustand einmalig anhand des OCV-Wertes bestimmt wurde, wird darauffolgend ein Laststrom durch die Batteriezelle gemessen und über die Zeit integriert. Dadurch entnommene bzw. aufgenommene Ladungsmengen zu berechnen wird allgemein als Coulombzählung bzw. Coulomb-counting bezeichnet.The nominal capacity of a battery cell can be determined, for example, by charging it from a minimum voltage, a so-called final discharge voltage, to a maximum voltage, a so-called final charge voltage, and thereby integrating the current flowing through the cell. This process corresponds to the state of the art and corresponds to a charging process according to “CC”, English abbreviation for “constant current”, and CV, English abbreviation for “constant voltage”. If the nominal capacity of the battery cell is known, the easiest method to determine the SoC is to use a reversibility of the OCV curve. By measuring an unloaded and relaxed battery cell, the OCV value can be measured directly at the terminals of this battery cell and the SoC value can be determined from this. However, since in addition to the state of charge, the no-load terminal voltage is also temperature-dependent, with such an approach, several OCV characteristics must be saved for different temperatures for each cell type. After a starting state of charge has been determined once based on the OCV value, a load current through the battery cell is then measured and integrated over time. Calculating the amounts of charge removed or absorbed in this way is generally referred to as coulomb counting or coulomb counting.

Betrachtet man bei Einsetzen einer Strombelastung eine Spannungssprungantwort der Batteriezelle, so werden zwei Effekte deutlich: Sobald die Strombelastung anliegt, fällt die Klemmenspannung UBat schlagartig von der Leerlaufklemmenspannung Uocv ab, um dann mit verstreichender Zeit langsam aber stetig noch weiter abzusinken. Sobald dann keine Strombelastung mehr anliegt, erfolgt ein positiver Spannungssprung, der jedoch nicht sofort einen Wert der ursprünglichen Leerlaufklemmenspannung erreicht, sondern ein relaxierendes Verhalten zeigt. Dies bedeutet nun aber nachteilig, dass in einem Betrieb mit gegebener Schaltfrequenz, zu der die jeweilige Batteriezelle mit einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme beaufschlagt wird, aus der jeweilig gemessenen Klemmenspannung nicht mehr auf den Ladezustand geschlossen werden kann. Der Stand der Technik kennt auch komplexere Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes, welche modellbasierte Methoden zum Zellverhalten bemühen, die aber intrinsisch nur so gut sein können, wie in der Realität eine jeweilig durch Beanspruchung alternde Batteriezelle einem theoretischen Modellverlauf entspricht.If you look at the voltage step response of the battery cell when a current load is applied, two effects become clear: As soon as the current load is applied, the terminal voltage U Bat suddenly drops from the open-circuit terminal voltage Uocv, and then slowly but steadily decreases further as time passes. As soon as there is no longer any current load, a positive voltage jump occurs, which, however, does not immediately reach a value of the original open-circuit terminal voltage, but rather shows a relaxing behavior. However, this disadvantageously means that in an operation with a given switching frequency, at which the respective battery cell is subjected to a charge removal or a charge absorption, the charging state can no longer be deduced from the respective measured terminal voltage. The state of the art also knows more complex methods for determining the state of charge, which use model-based methods for cell behavior, but which can only be as good intrinsically as a battery cell that ages due to stress corresponds to a theoretical model progression in reality.

Die europäische Druckschrift EP 3 916 948 A1 offenbart eine modulare Batterie, welche es gestattet, einzelne Zellen oder Module gezielt zu entlasten und lokale Messungen von Stromstärke und Spannungsverlauf vorzunehmen. Lokale Entlastungen, die sich in bestimmten Betriebspunkten ergeben könnten, werden nicht selbsttätig erkannt.The European publication EP 3 916 948 A1 discloses a modular battery that allows individual cells or modules to be specifically relieved and local measurements of current and voltage curves to be carried out. Local relief that could arise at certain operating points are not automatically recognized.

Die Druckschrift DE 20 2014 004 749 U1 beschreibt ein Verfahren, um in einem modularen Multilevelkonverter als Traktionsbatterie die Modulspannungen zu ermitteln. Um die natürliche Verzögerung, bis die zu messende Spannung nach einer Zustandsänderung den Gleichgewichts- oder Endzustand erreicht, zu berücksichtigen, wird nach einer Belastung die Relaxationszeit abgewartet, bevor die eigentliche Messung beginnt. Zur Erhöhung der Genauigkeit und Vermeidung von elektromagnetischem Rauschen werden die Messwerte dabei über eine gewisse Integrationszeit hinweg gemittelt.The publication DE 20 2014 004 749 U1 describes a method for determining the module voltages in a modular multilevel converter as a traction battery. In order to take into account the natural delay until the voltage to be measured reaches the equilibrium or final state after a change of state, the relaxation time is waited after a load before the actual measurement begins. To increase accuracy and avoid electromagnetic noise, the measured values are averaged over a certain integration time.

In der deutschen Druckschrift DE 10 2011 054 790 A1 wird ein Ladungsausgleichsverfahren zur Entlastung schwächerer Zellen in einer Reihen-Parallelschaltung vorgeschlagen, um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen. Zusätzlich soll die Schaltungstopologie ohne weiteren Schaltungsaufwand dazu eingesetzt werden, den genauen Ladezustand der Batterie im laufenden Betrieb zu ermitteln, um die Strombilanz-Messung zu kalibrieren. Hierzu wird eine Referenzzelle im Betrieb für begrenzte Zeit von ihrem Strang abgetrennt und separat vermessen.In the German publication DE 10 2011 054 790 A1 A charge equalization method is proposed to relieve the load on weaker cells in a series-parallel connection in order to increase the battery life. In addition, the circuit topology should be used without any additional circuitry effort to determine the exact state of charge of the battery during operation in order to calibrate the current balance measurement. For this purpose, a reference cell is separated from its strand for a limited time during operation and measured separately.

Die Druckschrift DE10 2011 113 503 A1 betrifft ein Verfahren zur integrativen Bestimmung des Ladezustands, welche Schätzfehler vermeiden soll, indem sowohl gegenwärtige als auch frühere Mess- und Schätzwerte für Leerlaufklemmenspannung und Stromstärke integriert werden. Eine gezielte Entlastung einzelner Zellen ist hierzu nicht vorgesehen.The publication DE10 2011 113 503 A1 relates to a method for the integrative determination of the state of charge, which is intended to avoid estimation errors by integrating both current and previous measured and estimated values for open-circuit terminal voltage and current. There is no provision for targeted relief of individual cells.

Für eine erfolgreiche Coulombzählung ist insbesondere eine präzise Strommessung erforderlich. Ist die Batteriezelle jedoch Teil einer leistungselektronischen Schaltung, wie dies bspw. bei der rekonfigurierbaren Batterie, die mit einer Mehrzahl an untereinander auf verschiedene Art und Weisen verschaltbaren Batteriezellen (seriell, parallel, Bypass, kaskadierte Anordnung oder Anordnung in Strängen) umfasst, so weist der Strom durch die Batteriezellen eine hohe Dynamik auf. Diese hohe Stromdynamik setzt somit multiple Strommessungen mit hoher Dynamik voraus, um die Coulombzählung zu realisieren. Dies ist jedoch zum einen technisch sehr anspruchsvoll, zum anderen in der Umsetzung kostenintensiv.For successful coulomb counting, precise current measurement is particularly necessary. However, if the battery cell is part of a power electronic circuit, as is the case, for example, with the reconfigurable battery, which includes a plurality of battery cells that can be interconnected in various ways (serial, parallel, bypass, cascaded arrangement or arrangement in strings), then the Current through the battery cells is highly dynamic. This high current dynamic therefore requires multiple current measurements with high dynamics in order to realize coulomb counting. However, on the one hand this is technically very demanding and on the other hand it is cost-intensive to implement.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie zur Verfügung zu stellen, wobei ein laufender Betrieb hierzu nicht unterbrochen werden soll. Aufwand und Kosten hierzu sollten gering sein. Ferner soll ein System bereitgestellt werden, auf welchem das Verfahren zur Ausführung kommt.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for estimating a charge state of battery cells of a reconfigurable battery, whereby ongoing operation should not be interrupted for this purpose. The effort and costs for this should be low. Furthermore, a system should be provided on which the method is carried out.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie vorgeschlagen, wobei die rekonfigurierbare Batterie mehrere Batteriezellen umfasst und eine jeweilige Batteriezelle durch mindestens zwei von einer Steuerung gesteuerte Halbleiterschalter mit einem Strompfad verbindbar ist. In einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie zeigt eine Klemmenspannung der jeweiligen Batteriezelle nach einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme ein Relaxationsverhalten. Im lastfreien Zustand der jeweiligen Batteriezelle wird mindestens ein Fitparameter einer Fitfunktion an einen Verlauf der jeweiligen Klemmenspannung für eine vorgegebene Fit-Zeitdauer nach Einsetzen des Relaxationsverhaltens angefittet. Aus der mit einem Wert des mindestens einen angefitteten Fitparameters versehenen Fitfunktion wird ein Relaxationsendwert, welcher einer Leerlaufklemmenspannung entspricht, extrapoliert. Der Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle wird aus der Leerlaufklemmenspannung anhand eines für eine jeweilige Temperatur abgespeicherten funktionalen Zusammenanhangs zwischen Leerlaufklemmenspannung und Ladezustand geschätzt.To solve the above-mentioned problem, a method for estimating a state of charge of battery cells of a reconfigurable battery is proposed, wherein the reconfigurable battery comprises a plurality of battery cells and a respective battery cell can be connected to a current path by at least two semiconductor switches controlled by a controller. During operation of the reconfigurable battery, a terminal voltage of the respective battery cell shows a relaxation behavior after a charge has been removed or a charge has been received. In the no-load state of the respective battery cell, at least one fit parameter of a fit function is fitted to a curve of the respective terminal voltage for a predetermined fit period after the onset of the relaxation behavior. A final relaxation value, which corresponds to an open-circuit terminal voltage, is extrapolated from the fit function provided with a value of the at least one fitted fit parameter. The state of charge for the respective battery cell is estimated from the idle terminal voltage based on a functional relationship between the idle terminal voltage and the state of charge stored for a respective temperature.

Durch eine geeignete Schalterstellung der mindestens zwei Halbleiterschalter kann die jeweilige Batteriezelle lastfrei gestellt werden, d. h. sie befindet sich in einem sogenannten Bypass-Schaltzustand. Dieser Bypass-Schaltzustand kann für eine jeweilige Batteriezelle durch eine Steuerung in regelmäßigen Zeitabständen für die Fit-Zeitdauer herbeigeführt werden, währenddessen eine extern angefragte Last durch die restlichen Batteriezellen der rekonfigurierbaren Batterie bereitgestellt wird. Es ist aber auch denkbar, dass eine Phase geringer Lastanforderung abgewartet wird, wie sie bspw. bei einem Elektrofahrzeug im Leerlauf gebildet wird. Insbesondere bei einer Verwendung der rekonfigurierbaren Batterie als Wechselstrombatterie, d. h. bei einer ständig dergestalt durchgeführten Umkonfiguration der Verschaltung der Batteriezellen zueinander bzw. im Strompfad, so dass zwischen beiden Außenanschlüssen der rekonfigurierbaren Batterie eine Wechselspannung gebildet wird, kommt es regelmäßig zu Betriebspunkten, in denen einzelne Batteriezellen nicht belastet werden und somit nicht von Strom durchflossen werden, so dass deren jeweilige Klemmenspannung relaxieren kann.By using a suitable switch position of the at least two semiconductor switches, the respective battery cell can be made load-free, i.e. H. it is in a so-called bypass switching state. This bypass switching state can be brought about for a respective battery cell by a control at regular time intervals for the fit period, during which an externally requested load is provided by the remaining battery cells of the reconfigurable battery. However, it is also conceivable to wait for a phase of low load demand, such as that which occurs when an electric vehicle is idling. In particular when using the reconfigurable battery as an alternating current battery, i.e. H. If the connection of the battery cells to one another or in the current path is constantly reconfigured in this way, so that an alternating voltage is formed between the two external connections of the reconfigurable battery, operating points regularly arise in which individual battery cells are not loaded and therefore no current flows through them, so that their respective terminal voltage can relax.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorgegebene Fitfunktion aus folgender Liste fitbarer Funktion gewählt: Parametrierte Exponentialfunktion, Potenzreihe oder Polynome vorgegebener Ordnung. Aus der Liste beispielhaft aufgegriffen, ist folgende Form für eine parametrierte Exponentialfunktion mit drei Fitparametern a, b, Uocv denkbar: U B a t ( t ) = U O C V − a e − b ( t − t 0 )

Figure DE102022120011A1_0001
In one embodiment of the method according to the invention, the predetermined fit function is selected from the following list of fitable functions: parameterized exponential function, power series or polynomials of a predetermined order. Taking the example from the list, the following form is conceivable for a parameterized exponential function with three fit parameters a, b, Uocv: U b a t ( t ) = U O C v − a e − b ( t − t 0 )
Figure DE102022120011A1_0001

An für die Fit-Zeitdauer bereitgestellten Messwerten zu dem zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung UBat(t) werden erfindungsgemäß die drei Fitparameter a, b, Uocv angefittet. t0 ist ein Zeitpunkt, an dem die jeweilige Batteriezelle stromlos wurde.According to the invention, the three fit parameters a, b, Uocv are fitted to the measured values provided for the fit period to the time profile of the terminal voltage U Bat (t). t 0 is a point in time at which the respective battery cell was de-energized.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Fitfunktion eine Abhängigkeit von mindestens einer physikalischen Größe der jeweiligen Batteriezelle auf. Bei Einsetzen des Relaxationsverhaltens wird ein Wert der mindestens einen physikalischen Größe ermittelt und die Fitfunktion mit diesem Wert parametriert. Die mindestens eine physikalische Größe wird aus folgender Liste gewählt: Ladezustand, Temperatur, Alterung.In a further embodiment of the method according to the invention, the fit function has a dependence on at least one physical quantity of the respective battery cell. When the relaxation behavior begins, a value of at least one physical quantity is determined and the fit function is parameterized with this value. The at least one physical quantity is selected from the following list: state of charge, temperature, aging.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorgegebene Fit-Zeitdauer vor einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie als eine Zeitdauer ermittelt, für deren Verlauf der Klemmenspannung nach Einsetzen des Relaxationsverhaltens der jeweiligen Batteriezelle der mindestens eine Fitparameter der Fitfunktion mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmbar ist, so dass ein Extrapolationswert der angefitteten Fitfunktion auf den Relaxationsendwert mit dem Leerlaufklemmenspannungswert innerhalb eines Toleranzbereichs übereinstimmt. Ein möglicher Toleranzbereich ist bspw. durch 1% oder 5% des Leerlaufklemmenspannungswertes gegeben.In a still further embodiment of the method according to the invention, the predetermined fit period before operation of the reconfigurable battery is determined as a period of time for which the terminal voltage changes after it is inserted zen of the relaxation behavior of the respective battery cell, the at least one fit parameter of the fit function can be determined with sufficient accuracy, so that an extrapolation value of the fitted fit function to the relaxation final value corresponds to the open-circuit terminal voltage value within a tolerance range. A possible tolerance range is, for example, given by 1% or 5% of the no-load terminal voltage value.

In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Schätzung des Ladezustandes bei einer jeweiligen Batteriezelle die jeweilige Batteriezelle für die vorgegebene Fit-Zeitdauer lastfrei gestellt.In a further further embodiment of the method according to the invention, in order to estimate the state of charge in a respective battery cell, the respective battery cell is placed without load for the predetermined fit period.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jede Batteriezelle eine Rekalibrierungszeitdauer vorgegeben. Nach einem Verstreichen der Rekalibrierungszeitdauer der jeweiligen Batteriezelle wird die jeweilige Batteriezelle zur Schätzung deren Ladezustandes lastfrei gestellt. Dies erfolgt im laufenden Betrieb vorteilhaft bei einer zeitlich nächstauftretenden Phase geringerer Belastung der gesamten rekonfigurierbaren Batterie, bei der auf eine Ansteuerung bzw. einen Strombeitrag der jeweiligen Batteriezelle kurzfristig verzichtet werden kann. Dies ist bspw. bei Verwendung der rekonfigurierbaren Batterie als Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug bei einem Ampelstau oder im Leerlauf der Traktionsmaschine der Fall.In a further embodiment of the method according to the invention, a recalibration period is specified for each battery cell. After the recalibration period of the respective battery cell has elapsed, the respective battery cell is de-loaded to estimate its state of charge. This is advantageously done during ongoing operation in the next phase of lower load on the entire reconfigurable battery, in which control or a current contribution from the respective battery cell can be dispensed with for a short time. This is the case, for example, when using the reconfigurable battery as a traction battery in an electric vehicle when there is a traffic light traffic jam or when the traction machine is idling.

In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Einsetzen des Relaxationsverhaltens entweder über eine Strommessung mit Ergebnis 0 A festgestellt, oder das Einsetzen des Relaxationsverhaltens wird über eine Spannungsmessung festgestellt, indem in fortgeführter Ausführung eine Differenz zwischen Spannungsverlauf und Fitfunktion, welche mit einem zuletzt gültigen Wert des mindestens einen Fitparameters parametriert ist, berechnet wird und die Differenz einen vorgegebenen Schwellenwert zu unterschreiten beginnt. Es ist denkbar, dass für jede Batteriezelle in fortgeführter Ausführung überprüft wird, ob ein Relaxationsverhalten eingesetzt hat, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, und zudem, ob anschließend die jeweilige Batteriezelle für die Fit-Zeitdauer unbelastet geblieben ist, so dass der als Ergebnis erhaltene Ladezustand verwertet werden kann.In a further embodiment of the method according to the invention, the onset of the relaxation behavior is determined either via a current measurement with a result of 0 A, or the onset of the relaxation behavior is determined via a voltage measurement, in which, in a continued embodiment, a difference between the voltage curve and the fit function, which corresponds to a last valid one Value of the at least one fit parameter is parameterized, is calculated and the difference begins to fall below a predetermined threshold value. It is conceivable that for each battery cell in continued execution it is checked whether relaxation behavior has set in to carry out the method according to the invention and also whether the respective battery cell has subsequently remained unloaded for the fit period, so that the state of charge obtained as a result can be utilized.

In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein ursprünglich gespeicherter Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle, bspw. zu Betriebsbeginn durch eine Coulombzählung erhalten, mittels eines Filters mit dem geschätzten Ladezustand korrigiert. Dadurch wird vorteilhaft vermieden, dass ein zeitlicher Verlauf des jeweiligen Ladezustandes Sprünge aufweist. Zudem ist denkbar, dass bei Ausbleiben einer solchen Korrektur bzw. Reinitialisierung des Ladezustandes bei einer jeweiligen Batteriezelle für einen bestimmten Zeitrahmen, eine Schätzung des Ladezustandes mittels des erfindungsgemäßen Verfahren forciert wird, indem bspw. eine entsprechende Meldung an eine übergeordnete Steuerung der rekonfigurierbaren Batterie, bspw. ein sogenannter Scheduler, weitergegeben wird. Der Scheduler berücksichtigt dann solche Meldungen in seiner Bereitstellung weiterer Schaltzustände, d. h. es wird die in Frage kommende Batteriezelle gezielt entlastet, was gegebenenfalls durch verstärkte Belastung der übrigen Batteriezellen ausgeglichen wird. Somit wird eine regelmäßige Nachführung der dem System bekannten Ladezustände der Batteriezellen gewährleistet.In an even further embodiment of the method according to the invention, an originally stored state of charge of the respective battery cell, for example obtained at the start of operation by a coulomb count, is corrected using a filter with the estimated state of charge. This advantageously prevents a time course of the respective charging state from having jumps. In addition, it is conceivable that if such a correction or reinitialization of the state of charge fails to occur in a respective battery cell for a specific time frame, an estimate of the state of charge is forced using the method according to the invention, for example by sending a corresponding message to a higher-level controller of the reconfigurable battery, for example . a so-called scheduler is passed on. The scheduler then takes such messages into account when providing further switching states, i.e. H. The battery cell in question is specifically relieved of load, which may be compensated for by increased load on the remaining battery cells. This ensures regular tracking of the charge states of the battery cells known to the system.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die rekonfigurierbare Batterie durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, auch als MMSPC abgekürzt, gebildet. Ein solcher modularer Multilevelkonverter, bspw. beschrieben in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215 , 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225, erzeugt Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern bzw. Batteriezellen, und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände. Hierbei sind die jeweiligen Batteriezellen zusammen mit den sie verschaltenden Halbleiterschaltern in Modulen angeordnet. Die Module können wiederum in Strängen angeordnet sein, welche jeweils eine jeweilige Phase eines Laststromes bilden, bspw. drei Stränge für Drehstrom bei einem dreiphasigen Elektromotor. Der MMSPC verfügt pro Modul neben den seriellen und parallelen Schaltzuständen auch über zwei Bypass-Verschaltungsmöglichkeiten, bypass+ und bypass-, mit deren Hilfe eine im jeweiligen Modul angeordnete Batteriezelle lastfrei geschaltet werden kann, so dass die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the reconfigurable battery is formed by a modular multilevel converter with serial and parallel connectivity, also abbreviated as MMSPC. Such a modular multilevel converter, for example described in “Goetz, SM; Peterchev, AV; Weyh, T., “Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,” Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215 , 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225, generates voltage differences between two connection terminals, for example of an energy network or a traction system of an electric car, by configuring an electrical connection of energy storage or battery cells, and by switching modulation between switching states to form any intermediate states. The respective battery cells are arranged in modules together with the semiconductor switches that interconnect them. The modules can in turn be arranged in strands, each of which forms a respective phase of a load current, for example three strands for three-phase current in a three-phase electric motor. In addition to the serial and parallel switching states, the MMSPC also has two bypass connection options per module, bypass+ and bypass-, with the help of which a battery cell arranged in the respective module can be switched off load, so that the method according to the invention can be carried out.

Ferner wird ein System zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie beansprucht, wobei das System die rekonfigurierbare Batterie, eine Steuerung und eine Recheneinheit umfasst. Die rekonfigurierbare Batterie weist eine Vielzahl von Halbleiterschaltern und eine Vielzahl von Batteriezellen auf. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, eine jeweilige Batteriezelle durch mindestens zwei Halbleiterschalter mit einem Strompfad zu verbinden. In einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie zeigt eine Klemmenspannung der jeweiligen Batteriezelle nach einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme ein Relaxationsverhalten. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert,

  • • im lastfreien Zustand der jeweiligen Batteriezelle mindestens ein Fitparameter einer Fitfunktion an einen Verlauf der jeweiligen Klemmenspannung für eine vorgegebene Fit-Zeitdauer nach Einsetzen des Relaxationsverhaltens anzufitten,
  • • aus der Fitfunktion, in der der mindestens eine angefittete Fitparameter eingesetzt ist, ein Relaxationsendwert, welcher einer Leerlaufklemmenspannung entspricht, zu extrapolieren, und
  • • den Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle aus der Leerlaufklemmenspannung anhand eines für eine jeweilige Temperatur abgespeicherten funktionalen Zusammenanhangs zwischen Leerlaufklemmenspannung und Ladezustand zu schätzen.
Furthermore, a system for estimating a charge state of battery cells of a reconfigurable battery is claimed, the system comprising the reconfigurable battery, a controller and a computing unit. The reconfigurable battery has a plurality of semiconductor switches and a plurality of battery cells. The controller is configured to control a respective battery cell to be connected to a current path by at least two semiconductor switches. During operation of the reconfigurable battery, a terminal voltage of the respective battery cell shows a relaxation behavior after a charge has been removed or a charge has been received. The computing unit is configured to
  • • in the no-load state of the respective battery cell, to fit at least one fit parameter of a fit function to a curve of the respective terminal voltage for a predetermined fit period after the onset of the relaxation behavior,
  • • to extrapolate a relaxation end value, which corresponds to an open-circuit terminal voltage, from the fit function in which the at least one fitted fit parameter is used, and
  • • to estimate the state of charge for the respective battery cell from the idle terminal voltage based on a functional relationship between the idle terminal voltage and the state of charge stored for a respective temperature.

Das System ist dazu ausgestaltet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.The system is designed to carry out a method according to the invention.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (10)

Verfahren zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie, wobei die rekonfigurierbare Batterie mehrere Batteriezellen umfasst und eine jeweilige Batteriezelle durch mindestens zwei von einer Steuerung gesteuerte Halbleiterschalter mit einem Strompfad verbindbar ist, wobei in einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie eine Klemmenspannung der jeweiligen Batteriezelle nach einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme ein Relaxationsverhalten zeigt, wobei im lastfreien Zustand der jeweiligen Batteriezelle mindestens ein Fitparameter einer Fitfunktion an einen Verlauf der jeweiligen Klemmenspannung für eine vorgegebene Fit-Zeitdauer nach einem Einsetzen des Relaxationsverhaltens angefittet wird, wobei aus der Fitfunktion mit dem mindestens einen angefitteten Fitparameter ein Relaxationsendwert, welcher einer Leerlaufklemmenspannung entspricht, extrapoliert wird, und wobei der Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle aus der Leerlaufklemmenspannung anhand eines für eine jeweilige Temperatur abgespeicherten funktionalen Zusammenanhangs zwischen Leerlaufklemmenspannung und Ladezustand geschätzt wird.Method for estimating a state of charge of battery cells of a reconfigurable battery, wherein the reconfigurable battery comprises a plurality of battery cells and a respective battery cell can be connected to a current path by at least two semiconductor switches controlled by a controller, wherein during operation of the reconfigurable battery, a terminal voltage of the respective battery cell according to a Charge removal or charge absorption shows a relaxation behavior, wherein in the load-free state of the respective battery cell at least one fit parameter of a fit function is fitted to a curve of the respective terminal voltage for a predetermined fit period after the onset of the relaxation behavior, wherein from the fit function with the at least one fitted fit parameter a relaxation final value, which corresponds to an open-circuit terminal voltage, is extrapolated, and the state of charge for the respective battery cell is estimated from the open-circuit terminal voltage based on a functional relationship between the open-circuit terminal voltage and the state of charge stored for a respective temperature. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Fitfunktion aus folgender Liste fitbarer Funktion gewählt wird: Parametrierte Exponentialfunktion, Potenzreihe oder Polynome vorgegebener Ordnung.Procedure according to Claim 1 , whereby the specified fit function is selected from the following list of fitable functions: parameterized exponential function, power series or polynomials of a specified order. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fitfunktion eine Abhängigkeit von mindestens einer physikalischen Größe der jeweiligen Batteriezelle aufweist, wobei bei Einsetzen des Relaxationsverhalten ein Wert der mindestens einen physikalischen Größe ermittelt wird und die Fitfunktion mit diesem Wert parametriert wird, und wobei die mindestens eine physikalische Größe gewählt wird aus folgender Liste: Ladezustand, Temperatur, Alterung.Method according to one of the preceding claims, wherein the fit function has a dependence on at least one physical quantity of the respective battery cell, wherein when the relaxation behavior begins, a value of the at least one physical quantity is determined and the fit function is parameterized with this value, and wherein the at least one physical quantity is chosen from the following list: state of charge, temperature, aging. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Fit-Zeitdauer vor einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie als eine Zeitdauer ermittelt wird, für deren Verlauf der Klemmenspannung nach Einsetzen des Relaxationsverhaltens der jeweiligen Batteriezelle der mindestens eine Fitparameter der Fitfunktion mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmbar ist, so dass ein Extrapolationswert der angefitteten Fitfunktion auf den Relaxationsendwert mit dem Leerlaufklemmenspannungswert innerhalb eines Toleranzbereichs übereinstimmt.Method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined fit period before operation of the reconfigurable battery is determined as a period of time for the course of the terminal voltage after the onset of the relaxation behavior of the respective battery cell, the at least one fit parameter of the fit function can be determined with sufficient accuracy, so that an extrapolation value of the fitted fit function to the relaxation final value corresponds to the open-circuit terminal voltage value within a tolerance range. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zur Schätzung des Ladezustandes bei einer jeweiligen Batteriezelle die jeweilige Batteriezelle für die vorgegebene Fit-Zeitdauer lastfrei gestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in order to estimate the state of charge in a respective battery cell, the respective battery cell is placed without load for the predetermined fit period. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei für jede Batteriezelle eine Rekalibrierungszeitdauer vorgegeben wird, wobei nach einem Verstreichen der Rekalibrierungszeitdauer der jeweiligen Batteriezelle die jeweilige Batteriezelle zur Schätzung deren Ladezustandes lastfrei gestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a recalibration period is specified for each battery cell, wherein after the recalibration period of the respective battery cell has elapsed, the respective battery cell is de-loaded to estimate its state of charge. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Einsetzen des Relaxationsverhaltens entweder über eine Strommessung mit Ergebnis 0 A festgestellt wird, oder wobei das Einsetzen des Relaxationsverhaltens über eine Spannungsmessung festgestellt wird, indem in fortgeführter Ausführung eine Differenz zwischen Spannungsverlauf und mit zuletzt gültigen Werten des mindestens einen Fitparameters parametrierter Fitfunktion berechnet wird, und die Differenz einen vorgegebenen Schwellenwertes zu unterschreiten beginnt.Method according to one of the preceding claims, wherein the onset of the relaxation behavior is determined either via a current measurement with a result of 0 A, or wherein the onset of the relaxation behavior is determined via a voltage measurement, in which, in continued execution, a difference between the voltage curve and the last valid values of the at least A fit function parameterized by a fit parameter is calculated, and the difference begins to fall below a predetermined threshold value. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein ursprünglich gespeicherter Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle mittels eines Filters mit dem geschätzten Ladezustand korrigiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein an originally stored state of charge of the respective battery cell is corrected with the estimated state of charge using a filter. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die rekonfigurierbare Batterie durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the reconfigurable battery is formed by a modular multilevel converter with serial and parallel connectivity. System zur Schätzung eines Ladezustandes von Batteriezellen einer rekonfigurierbaren Batterie, wobei das System die rekonfigurierbare Batterie, eine Steuerung und eine Recheneinheit umfasst, wobei die rekonfigurierbare Batterie eine Vielzahl von Halbleiterschaltern und eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, wobei eine Steuerung dazu konfiguriert ist, eine jeweilige Batteriezelle durch mindestens zwei Halbleiterschalter mit einem Strompfad zu verbinden, wobei in einem Betrieb der rekonfigurierbaren Batterie eine Klemmenspannung der jeweiligen Batteriezelle nach einer Ladungsentnahme oder einer Ladungsaufnahme ein Relaxationsverhalten zeigt, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, im lastfreien Zustand der jeweiligen Batteriezelle mindestens ein Fitparameter einer Fitfunktion an einen Verlauf der jeweiligen Klemmenspannung für eine vorgegebene Fit-Zeitdauer nach Einsetzen des Relaxationsverhaltens anzufitten, aus der Fitfunktion mit dem mindestens einen angefitteten Fitparameter ein Relaxationsendwert, welcher einer Leerlaufklemmenspannung entspricht, zu extrapolieren, und den Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle aus der Leerlaufklemmenspannung anhand eines für eine jeweilige Temperatur abgespeicherten funktionalen Zusammenanhangs zwischen Leerlaufklemmenspannung und Ladezustand zu schätzen, und wobei das System dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.System for estimating a state of charge of battery cells of a reconfigurable battery, the system comprising the reconfigurable battery, a controller and a computing unit, the reconfigurable battery having a plurality of semiconductor switches and a plurality of battery cells, a controller being configured to control a respective battery cell to be connected to a current path by at least two semiconductor switches, wherein in operation of the reconfigurable battery a terminal voltage of the respective battery cell shows a relaxation behavior after a charge has been removed or a charge has been received, the computing unit being configured to provide at least one fit parameter of a fit function in the load-free state of the respective battery cell to fit a course of the respective terminal voltage for a predetermined fit period after the onset of the relaxation behavior, to extrapolate a relaxation end value from the fit function with the at least one fitted fit parameter, which corresponds to an open-circuit terminal voltage, and to use the state of charge for the respective battery cell from the open-circuit terminal voltage to estimate a functional relationship between idle terminal voltage and state of charge stored for a respective temperature, and wherein the system is designed to implement a method according to one of Claims 1 until 9 to carry out.
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