WO2023164733A1 - Verfahren und system zum konditionieren eines batteriemoduls - Google Patents

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WO2023164733A1
WO2023164733A1 PCT/AT2023/060054 AT2023060054W WO2023164733A1 WO 2023164733 A1 WO2023164733 A1 WO 2023164733A1 AT 2023060054 W AT2023060054 W AT 2023060054W WO 2023164733 A1 WO2023164733 A1 WO 2023164733A1
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voltage
battery module
switch
relaxation curve
charging current
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PCT/AT2023/060054
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Inventor
Manuel SCHOBER
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Avl Ditest Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for conditioning a battery module, in particular a battery module of a traction battery, to a predetermined target voltage. Furthermore, the present invention relates to an associated system for carrying out the method for conditioning the battery module.
  • Electric vehicles or hybrid vehicles usually have in the drive train, in addition to an electric drive motor or an electric motor for driving the vehicle, a high-voltage battery which, as a drive or traction battery, provides electrical energy for the electric drive motor of the vehicle.
  • These batteries are usually rechargeable and usually include several interconnected battery modules.
  • Such battery modules consist, for example, of a few to a large number of accumulator cells or cell blocks connected in parallel and in series. Traction batteries are differentiated according to the materials used for the accumulator cells. For example, lead accumulator systems, nickel-cadmium accumulator systems, lithium-ion accumulator systems, etc. can be used as drive batteries in electrically powered vehicles.
  • a defective battery module is detected in a drive battery of a hybrid or electric vehicle, it is usually necessary to replace the defective battery module with a new battery module.
  • Battery modules are usually stored in a state that is geared towards optimal, long-term storage - e.g. in a state of charge of 30%, etc.
  • a new battery module must be adjusted to the state of charge - the so-called state of Charge (short: SoC) - of the other battery modules of the traction battery must be adjusted so that the traction battery can be activated after replacing the battery module and the entire battery system in the car works properly.
  • SoC state of Charge
  • the battery module Before installation and commissioning in practical operation, the battery module is therefore subjected to a special charging process (ie special charging or discharging), which is also referred to as "conditioning".
  • a special charging process ie special charging or discharging
  • conditioning For this special process, which prepares the battery module for installation, a so-called conditioning unit or a module conditioning system are used.
  • the battery module to be installed is connected to the conditioning unit via connection lines, for example, and is brought to a desired state of charge, for example by charging or discharging accordingly, and is thus adjusted to the current state of charge of the battery modules of the drive battery.
  • a target voltage is specified by the conditioning unit, which corresponds to the state of charge desired for the battery module.
  • the target voltage is, for example, a voltage which results after the end of the conditioning process—ie after the charging or discharging process—as a steady state of an open-circuit voltage of the battery module.
  • Open-circuit voltage is understood to mean a voltage that is dependent on the respective state of charge and that is present between a positive connection and a negative connection of the battery module without a connected load.
  • the no-load voltage that occurs in the steady state is also referred to as the open-circuit voltage of the battery module.
  • Different charging methods can be used to charge rechargeable battery modules.
  • the charging methods differ in that the current and voltage are controlled differently when charging the battery module.
  • Battery modules are usually charged using a constant current or a constant voltage.
  • a so-called IU charging method is used as the charging method.
  • the IU method combines the constant current charging method with the constant voltage charging method and is also referred to as the “constant current constant voltage” or CCCV method for short.
  • CCCV method constant current constant voltage
  • charging is first carried out with a constant charging current until a specified voltage limit, e.g. a charging cut-off voltage, is reached between the terminals of the battery module - usually when the charging unit or battery is connected.
  • conditioning unit - is achieved. After that, charging continues with a constant voltage, with the charging current automatically reducing towards the end of charging. If the charging current reaches or falls below a defined current limit or if a specified period of time has elapsed, the charging of the battery module is terminated.
  • the CCCV process ensures that a maximum permissible voltage and a charging current - usually recommended by the manufacturer - is not exceeded, but with this charging process it is very time-consuming to charge a battery module to the desired state of charge or to charge a battery set the open-circuit voltage specified as the target voltage.
  • a specified target voltage on the battery module or a desired depth of discharge a so-called Depth of Discharge (DoD for short)—of the battery module.
  • DoD Depth of Discharge
  • deviations from the specified target voltage can also occur.
  • the voltage between the terminals of the battery module increases until it reaches the no-load voltage. This change in voltage after the end of discharging also causes a deviation from the predetermined target voltage.
  • the off-load voltage that occurs on the battery module is then usually above the desired target voltage.
  • WO 2020/227821 A1 discloses an adapted charging method for a battery in order to accelerate charging of a battery.
  • at least one discharge pulse is applied to the battery during a charging process of a battery and a first value of a relaxation voltage is measured during a relaxation process following the discharge pulse and after a predetermined waiting time a second value of a relaxation voltage is measured.
  • the charging parameters for the charging process are then adjusted on the basis of a difference between the two measured voltage values.
  • the charging process of the battery can thus be accelerated, if necessary, with the method described in WO 2020/227821 A1.
  • it is hardly possible with the method to specify a desired target voltage for the battery, which is to be achieved as open-circuit voltage after charging.
  • a charging method for a battery is also known in order to accelerate charging of a battery, in which battery aging is also taken into account by a switch-off criterion for ending a charging process of the battery after each charging process or after a predetermined number adapted to loading processes.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and an associated system which make it possible to set a predefined target voltage on a battery module in a time-efficient manner and with relatively high accuracy.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which a battery module is charged or discharged with a charging current until a voltage that drops between a positive and a negative terminal of the battery module reaches a first switch-off voltage. After the first switch-off voltage has been reached, the charging current is switched off and a relaxation curve between the positive and negative terminals of the Battery module measured. A model of the battery module is derived from the measured relaxation curve and the entire relaxation curve is determined with the help of this model. A second switch-off voltage is determined from the determined relaxation curve in such a way that, after switching off the charging current, the specified target voltage is set as the open-circuit voltage of the battery module at the second switch-off voltage. The battery module then continues to be charged or discharged with the charging current until the voltage drop between the positive and negative terminals of the battery module reaches the second switch-off voltage.
  • the battery module is preferably charged or discharged with a constant charging current.
  • the main aspect of the solution proposed according to the invention is that the battery module can be charged or discharged with a specific, predetermined, preferably constant, charging current. This significantly accelerates the charging or discharging of the battery module to a desired charging or discharging state. Furthermore, with the aid of the method according to the invention, the specified target voltage after the end of the charging or The discharging process can be set on the battery module with relatively high accuracy. After the charging current is switched off when the second switch-off voltage is reached, the battery module relaxes and the specified target voltage is set relatively precisely as the open-circuit voltage on the battery module.
  • the first switch-off voltage is expediently specified in such a way that an open-circuit voltage, which occurs after the relaxation curve for the first switch-off voltage at the battery module, is lower than the specified target voltage.
  • the first switch-off voltage can be specified in such a way that an open-circuit voltage, which occurs after the relaxation curve for the first switch-off voltage at the battery module, is greater than the specified target voltage.
  • the first switch-off voltage for the battery module to be charged or discharged is selected in such a way that the first switch-off voltage is close to the specified target voltage, so that a relaxation curve between the positive and negative terminals of the battery module is subsequently measured, which approximates the Relaxation curve corresponds to the target voltage as the rest voltage.
  • the first switch-off voltage can, for example, be selected such that it lies within a predeterminable range above and/or below the predeterminable target voltage or, for example, deviates from the target voltage by a predeterminable percentage.
  • the range that can be specified or the percentage value that can be specified can be established on the basis of empirical values, for example.
  • the first shutdown voltage in the course the use of the process on the basis of measured data (e.g. terminal voltage during the process, measured relaxation curves, etc.) for different battery module types and specified target voltages, in order to charge or charge the battery module to be conditioned even more precisely to the desired charge or discharge state. to unload.
  • measured data e.g. terminal voltage during the process, measured relaxation curves, etc.
  • an electrical equivalent circuit diagram of the battery module is used for the model of the battery module, which is parameterized by means of an adaptive calculation method on the basis of the measured relaxation curve. This enables properties and behavior of the battery module to be approximated and simulated as precisely as possible in a simple manner, and thus the specified target voltage to be set as precisely as possible on the battery module.
  • a least squares method is used as an adaptive calculation method for the parameterization of the electrical equivalent circuit diagram of the battery module.
  • real data - such as the measured section of the relaxation curve - can be examined. Assuming that the measured data is close to the underlying "correct" data and that there is a certain connection between the measured data, this method can be used to find a function that describes this connection as well as possible. I.e. an equivalent circuit diagram or a function that describes the properties of the battery module as precisely as possible.
  • An expedient embodiment of the invention provides that upper limit values and lower limit values for respective parameters of the equivalent circuit diagram of the battery module are specified for a parameterization of the electrical equivalent circuit diagram of the battery module.
  • Specifying limit values is a simple way of preventing the parameters of the equivalent circuit diagram from also assuming unrealistic values. This prevents, for example, that voltages and/or time constants assume values less than zero.
  • the invention also relates to a system for conditioning a battery module to a specified target voltage, which has at least one conditioning unit and one analysis unit, with the system being able to charge or discharge a battery module to a specified target voltage efficiently and in a time-saving manner.
  • the conditioning unit can be connected to the positive and the negative connection of the battery module via connection lines. Furthermore, the conditioning unit is set up to be between the positive and negative To measure the voltage dropping from the battery module and to compare it with a first switch-off voltage and with a second switch-off voltage; switch off a charging current when the first and second switch-off voltages are reached and measure a relaxation curve between the positive and negative terminals of the battery module for a predetermined period of time.
  • the analysis unit is set up to derive a model of the battery module from the relaxation curve measured by the conditioning unit for the predetermined period of time, with which the entire relaxation curve can be determined, and to determine a second switch-off voltage from the entire relaxation curve.
  • the analysis unit can be designed as an independent unit and have a communication link with the conditioning unit. As a result, the analysis unit could be used very easily with different conditioning units or exchanged very easily.
  • the analysis unit can also be integrated into the conditioning unit.
  • the conditioning unit and analysis unit would form a common unit, which would be easy to handle or transport, for example.
  • upper and lower limit values which are used for parameterizing the model of the battery module in the course of the method according to the invention, can be stored in the analysis unit.
  • the analysis unit can have a memory unit or a memory area, for example.
  • the limit values for the parameterization can be entered, for example, via an input/output unit and then stored in the analysis unit.
  • measurement data e.g. voltage curves, relaxation curves, etc.
  • this data could also be stored directly in the conditioning unit.
  • conditioning unit has a temperature sensor with which a current battery temperature can be determined. This means that, for example, a temperature-dependent behavior of the battery module - e.g. different relaxation curves at different temperatures, etc. - can also be taken into account when conditioning the battery module.
  • FIGS. 1 to 4 show advantageous configurations of the invention by way of example, schematically and not restrictively. It shows:
  • FIG. 4 shows a system for carrying out the method according to the invention for conditioning a battery module
  • FIG. 1 shows an exemplary sequence of the method for conditioning a battery module BM.
  • connections Kp, Kn of the battery module BM that is, a positive connection Kp and a negative connection Kn of the battery module BM—are connected via connection lines L to a conditioning unit MB or a charger MB.
  • a charging current II is made available by the conditioning unit MB or the charger MB, with which the battery module BM can then be charged to a predetermined target voltage Uz and thus to a desired state of charge or discharged to a desired depth of discharge.
  • a charging current I is switched on for a first charging step 101 .
  • the charging current I is specified, for example in terms of the amount or as a current curve over time, and can be a constant charging current I, for example.
  • a maximum permissible charging current I for the respective battery module BM is selected, which can be specified, for example, by the manufacturer and/or a battery type used, which can accelerate charging or discharging.
  • the battery module BM is correspondingly charged with the charging current I during a charging process or correspondingly discharged during a discharging process.
  • a voltage Ut dropping between the positive and the negative terminal Kp, Kn of the battery module BM is continuously measured.
  • a first test step 102 it is checked whether the measured voltage Ut has reached a first switch-off voltage Ua1. If it is determined in the first test step 102 that the voltage Ut measured between the positive and negative terminals Kn, Kp of the battery module BM reaches the first switch-off voltage Ua1, then the charging current I is switched off. This triggers a relaxation process in the battery module BM.
  • a measuring step 103 a course of the relaxation process or a relaxation course is measured for a predetermined period of time, for example by the conditioning unit MB or by the charging device MB. For this purpose, for example, a profile of the voltage lit dropping between the positive and negative terminals Kp, Kn of the battery module BM is recorded during the specified period of time. A section of the relaxation curve of the battery module BM is obtained as the result of the measuring step 103 .
  • the first switch-off voltage Ua1 at which the charging current I is switched off, is selected for a charging process, for example, such that an open-circuit voltage that is less than the specified target voltage would result in the battery module BM after a complete relaxation process.
  • a first switch-off voltage Ua1 is selected such that, after an entire relaxation process, an open-circuit voltage that is greater than the target voltage would be set at the battery module BM.
  • the first switch-off voltage Ua1 can be selected, for example, based on empirical values for the battery module BM that is to be conditioned in each case.
  • a voltage value for the first switch-off voltage Ua1 can be selected which is within a specified range above and/or below the specified target voltage Uz or which deviates from the specified target voltage Uz by a specified percentage.
  • the first switch-off voltage Ua1 can also be adapted over time for different battery module types and predefined target voltages Uz or states of charge or states of discharge. For this purpose, for example, for a first-time charging or discharging process of a battery module type to a specified target voltage Uz, the first switch-off voltage Ua1—as listed above—can be specified. With each execution of the conditioning process for the respective battery module type, data (e.g. voltage curve between the terminals Kp, Kn, relaxation curve, etc.) can be collected and subsequently evaluated. The first switch-off voltage Ua1 can then be adjusted on the basis of this measured data in order to set the specified target voltage Uz on the battery module BM even more precisely.
  • data e.g. voltage curve between the terminals Kp, Kn, relaxation curve, etc.
  • a few minutes can be specified as the duration during which the relaxation profile or the profile of the voltage Ut between the positive and negative terminals Kp, Kn of the battery module BM is measured in measuring step 103 . Since the strongest changes in the relaxation curve (e.g. transient voltage drop during charging, transient voltage increase during discharging, etc.) usually occur immediately after switching off the charging current l, the specified time period selected in such a way that these changes are recorded in the measured relaxation profile.
  • the strongest changes in the relaxation curve e.g. transient voltage drop during charging, transient voltage increase during discharging, etc.
  • a model for the battery module BM can then be derived from the measured relaxation curve, which model represents a good approximation of a behavior of the battery module BM.
  • an electrical equivalent circuit diagram is used, for example, through which properties and behavior of the battery module BM can be approximated as precisely as possible.
  • FIG. 2 shows, for example, such a simplified electrical equivalent circuit diagram, which is used, for example, in modeling step 104 to derive the model of battery module BM.
  • This equivalent circuit diagram has, for example, an ideal voltage source Iloc, from which an open-circuit voltage Iloc of the battery module BM is described.
  • the no-load voltage Uoc depends on the current state of charge of the battery module BM and is greater the more the battery module BM is charged.
  • a resistor Ro which describes an internal resistance Ro of the battery module, is arranged in series with the voltage source Uoc. The resistance Ro is also dependent on the respective state of charge of the battery module BM.
  • a value for the internal resistance Ro can, for example, be determined from the measurement of the relaxation curve in measurement step 103 - e.g. from a voltage jump at the beginning of the measurement. Alternatively, the value of the internal resistance Ro can also be taken from data sheets for the respective battery module BM, for example.
  • a current I describes the charging current I of the battery module BM.
  • the battery module BM is either charged or discharged.
  • a time-dependent voltage Ut drops between a positive connection Kp and a negative connection Kn of the equivalent circuit diagram. This voltage Ut corresponds to the no-load voltage Uoc when the battery module is completely relaxed - i.e. is in a steady state and no load is connected between the terminals Kp, Kn.
  • RC elements R1C1, . . . , RiCi are arranged in series between the internal resistance Ro and the positive terminal Kp of the battery module BM.
  • the RC elements R1, C1, ..., RiCi each have a parallel circuit made up of a resistor R1, ..., Ri and a capacitor C1, ..., Ci.
  • the respective capacitances C1, ..., Ci represent a capacitive behavior inside the battery module BM.
  • the resistances R1, . . . , Ri result from charge transport inside the battery module BM.
  • the RC elements R1C1, ..., RiCi are used in the equivalent circuit diagram to a dynamic or time-dependent behavior of the battery module BM with appropriate time constants, such as eg to be able to model a relaxation behavior of the battery module BM.
  • at least two RC elements R1C1, R2C2 are provided in the equivalent circuit diagram for a good approximation of the relaxation behavior.
  • three RC elements R1C1, . . . , R3C3, for example, are provided in the equivalent circuit diagram.
  • a model of the battery module BM is determined, for example on the basis of a simplified electrical equivalent circuit diagram—as shown in FIG.
  • the equivalent circuit diagram of the battery module BM is parameterized using the relaxation curve measured in the measuring step 103 . This means that suitable parameter values for the no-load voltage Uoc, the internal resistance Ro and for the RC elements R1C1, ... , RiCi used for the equivalent circuit diagram are derived from the measured section of the relaxation curve.
  • a so-called least squares method is used to calculate the appropriate parameter values.
  • the least squares method obtains its optimality criterion directly from the known data, such as the section of the relaxation curve measured in measurement step 103.
  • This criterion describes a deterministic error function, which consists of the sum of the squared deviations of the given function, which is why the method is also known in German as the method of the least error squares.
  • the calculation of suitable parameter values from the measured section of the relaxation curve using the least squares method can be carried out, for example, using calculation software such as GNU Octave.
  • GNU Octave is free software for numerical solutions to mathematical problems (e.g. matrix calculation, (differential) equation systems, integration, etc.).
  • the relaxation curve after a charging process for the electrical equivalent circuit diagram with, for example, three RC elements R1C1, ..., R3C3 described with the following formula:
  • Uoc or Uo the no-load voltage or open-circuit voltage to which the relaxation curve falls after a long time; ILO the charging current I, with which the battery module BM was charged until the first switch-off voltage Ua1 was reached;
  • This formula can be simplified by combining the respective resistance values R1, R2, R3 and capacitance values C1, C2, C3 into time constants T1, T2, T3.
  • the time constants T1, T2, T3 can be used to estimate how long the respective RC element R1 C1, ..., R3C3 needs until the voltage ILO*R1 , ILO*R2, ILO*R3.
  • the products of the current ILO and the respective resistance value R1, R2, R3 can be combined to form voltage drops U1, U2, U3 at the respective RC element R1C1, . . . , R3C3.
  • parameter values for the voltages Uo, U1, U2, U3 and for the time constants T1, T2, T3 can then be determined. So that these parameter values cannot assume unrealistic values (e.g. negative values, etc.), upper and lower limit values are specified for the individual parameter values of the voltages Uo, U1, U2, U3 and time constants T1, T2, T3. By specifying upper and lower limit values, additional roles can be defined for the individual parameters.
  • the parameter value of the voltage Uo indicates a voltage value to which the voltage Ut drops after a long time. This voltage value Uo thus corresponds to the no-load voltage of the battery module BM.
  • An upper limit value and a lower limit value of the voltage Uo are determined, for example, as a percentage from a first measured value of the voltage Ut after a transient voltage drop after the charging current I has been switched off. D.gh. the first measured value of the relaxation curve measured in measuring step 103 after the transient voltage drop is used for the limit values of the voltage Uo.
  • the parameter values of the voltages U1, U2, U3 and the corresponding time constants T1, T2, T3 largely determine the respective exponential voltage drops, where For example, a first voltage U1 and a first time constant T1 a first, fast range of the voltage drop, a second voltage U2 and a second time constant T2 a second, medium range of the voltage drop and a third voltage U3 and a third time constant T3 a third, slow range of the Describe the voltage drop in the relaxation process after charging the battery module Bm.
  • the lower limit value for the parameter values of the voltages U1, U2, U3 is, for example, at a value of zero in order to avoid negative voltage values.
  • a value of 1 volt can be selected as the upper limit value for the voltage parameters U1, U2, U3.
  • other voltage values can also be used for the upper limit value of the respective voltage parameter U1, U2, U3.
  • the upper and lower limit values of the time constants T1, T2, T3 can, for example, be specified in such a way that the respective range of the voltage drop (ie fast, medium or slow) is taken into account accordingly.
  • a relaxation curve for the battery module after a discharging process can also be modeled in the modeling step 104 .
  • a section of the relaxation curve measured in measuring step 103 for the specified period of time (eg 2 minutes)—this time after switching off the charging current I during the discharging process—as well as the simplified electrical equivalent circuit diagram of the battery module BM described above are also used.
  • the corresponding parameter values are then determined again, for example, using the least squares method.
  • the following formula for the time-dependent voltage Ut at the terminals Kp, Kn of the battery module BM can be used:
  • the voltage Uo indicates a voltage value which largely corresponds to the no-load voltage of the battery module BM or to which the time-dependent voltage Ut rises after a long time.
  • the voltage parameters U1, U2, U3 and the time constants T1, T2, T3 each determine exponential voltage increases, with a distinction being made between a fast, medium and slow range of the voltage increase.
  • Correspondingly adapted upper and lower limit values for the parameter values of the voltages U1, U2, U3 and the time constants T1, T2, T3 can also be specified for determining the model of the battery module BM during the discharging process.
  • the entire Relaxation curve can be determined for the respective charging process or for the respective discharging process of the battery module BM.
  • the course of the time-dependent voltage lit from switching off the charging current I until the no-load voltage Uo is reached between the terminals Kp, Kn of the battery module BM is simulated.
  • the first switch-off voltage Ua1 - and a voltage that occurs at the battery module BM after a long period of time (e.g. at least one hour to several Hours) setting open-circuit voltage Uo can be determined. From this, a second switch-off voltage Ua2 can then be determined in simulation step 105 such that after switching off the charging current I at the second switch-off voltage Ua2, the specified target voltage Uz is accepted as the open-circuit voltage by the battery module.
  • a second charging step 106 the battery module BM continues to be charged or discharged with the charging current I, which corresponds, for example, to the maximum permissible charging current I for the battery module BM.
  • a second test step 107 it is checked whether the voltage Ut, which drops between the positive and negative terminals Kp, Kn of the battery module BM and is continuously measured, has reached the second switch-off voltage Ua2 determined in the simulation step 105.
  • a switch-off step 108 the charging current I is switched off again or finally.
  • a relaxation process begins again in the battery module BM.
  • the voltage Ut at the battery module BM drops to an open-circuit voltage in switch-off step 108 after the charging process, which corresponds to the specified target voltage Uz.
  • the voltage Ut at the battery module BM rises to an open-circuit voltage, which corresponds to the specified target voltage Uz, after the charging current I has been switched off in the switching-off step 108 .
  • FIG. 3 shows a time profile of the voltage Ut between the positive connection Kp and the negative connection Kn of the battery module and a time profile of the charging current I, which is constant here, during a charging process of the battery module BM.
  • the conditioning method according to the invention is used to charge the battery module BM to a desired state of charge or to set the specified target voltage Uz.
  • On a horizontal axis is the time t plotted.
  • Voltage U and current I are plotted on a vertical axis.
  • the specified target voltage Uz which should be set as the no-load voltage at the battery module BM after the example charging process has ended, and the first cut-off voltage Ua1 and the second cut-off voltage Ua2.
  • a maximum charging current value l max permissible for the battery module BM is also plotted on the vertical axis.
  • a start time tO for example, the charging process of the battery module BM is started.
  • the charging current I is switched on at the start time tO in order to charge the battery module BM, for example, with the maximum permissible value I max for the charging current I.
  • the time-dependent voltage Ut between the positive and negative terminals Kp, Kn of the battery module BM begins to rise. If the first switch-off voltage Ua1 is reached by the time-dependent voltage Ut at a first point in time t1, the charging current I is switched off. The time from the start time tO to the first time t1 thus corresponds to the first charging step 101.
  • the cut-off voltage Ua1 to end the first charging step 101 at the first time t1 is selected in such a way that the first cut-off voltage Ua1 after an entire relaxation process is an open-circuit voltage sets, which is below the target voltage Uz.
  • the first switch-off voltage Ua1 it is also important that it is close to the specified target voltage Uz, so that the battery module BM has approximately the same relaxation behavior as in the case of the target voltage Uz.
  • a voltage value was selected for the first switch-off voltage Ua1 which, for example, is a few millivolts above the target voltage Uz, for example within a specifiable range. It would also be conceivable to select a voltage value for the first switch-off voltage Ua1 which is a few millivolts below the target voltage Uz, for example within a definable range.
  • a relaxation process is generated in the battery module BM and the voltage Ut begins to drop as a result of the relaxation process.
  • the relaxation profile or the profile of the voltage Ut is measured in measuring step 103 for a specified period of time (e.g. two minutes). Measuring step 103 is started, for example, at the first point in time t1 and ends at a second point in time t2 after the specified period of time has elapsed.
  • the model of the battery module BM is then determined in the modeling step 104, with which the entire relaxation curve of the battery module for a desired state of charge and the second switch-off voltage Ua2 can be determined in the simulation step 105 .
  • the charging current I is also switched on again in order to continue charging the battery module with the maximum permissible value Imax of the charging current I.
  • the second charging step 106 begins at the second point in time t2.
  • the battery module BM continues to be charged until the voltage lit reaches the second switch-off voltage Ua2 at a third point in time t3.
  • the charging current I is finally switched off. From the third point in time t3 or after switching off the charging current I, the voltage Ut falls—according to the relaxation curve—towards the open-circuit voltage, which corresponds to the specified target voltage Uz. As shown in FIG.
  • the charging process can be carried out in a time-efficient manner with the maximum permissible charging current I max , with the voltage Ut dropping to the specified target voltage Uz with relatively great accuracy after the charging process has ended.
  • the second switch-off voltage Ua2 lies within a voltage range permissible for the battery module BM, since the battery module is overcharged up to this voltage value Ua2.
  • FIG. 4 shows, by way of example and schematically, a system which is set up to carry out the conditioning method for a battery module BM, in particular a battery module BM for a traction or drive battery, which is illustrated by way of example in FIG.
  • the battery module BM can be connected to a conditioning unit MB or a charger MB via connection lines L for a conditioning process—ie for charging or discharging to a desired state of charge or to a desired depth of discharge.
  • a positive terminal Kp and a negative terminal Kn of the battery module BM are each connected to the conditioning unit MB via a connecting line L in order to set the specified target voltage Uz at the battery module BM by charging or discharging the battery module BM accordingly.
  • the target voltage Uz should drop as an open-circuit voltage between the positive terminal Kp and the negative terminal Kn after the end of the corresponding charging or discharging process in the steady state of the battery module BM.
  • the conditioning unit MB - in addition to charging or discharging the battery module BM with the charging current I - is set up to measure the voltage Ut that changes over time as a result of the respective charging or discharging process, with the voltage Ut between the positive terminal Kp and the negative terminal Kn of the battery module BM drops. Furthermore, the conditioning unit MB compares the measured voltage Ut, for example in the first test step 102 with the first switch-off voltage Ua1 and in the second test step 107 with the second switch-off voltage Ua2, in order to switch off the charging current I when the first or second switch-off voltage Ua1, Ua2 is reached.
  • the conditioning unit MB is set up to, after switching off the charging current I when the first switch-off voltage Ua1 is reached, a relaxation curve—ie the curve of the Voltage lit between the positive and negative terminals Kp, Kn of the battery module BM - to be measured for a predetermined period of time.
  • the conditioning unit MB can have a temperature sensor (e.g. an infrared temperature sensor). With the temperature sensor, for example, a current battery temperature can be determined and monitored. The determined temperature of the battery module BM can then flow into the conditioning process, for example, in order to achieve the specified target voltage Uz even more precisely.
  • a temperature sensor e.g. an infrared temperature sensor
  • the system also has an analysis unit AE, which can be designed as an independent unit, for example, and is connected to the conditioning unit MB via a communication link KV. Alternatively, the analysis unit AE can also be integrated into the conditioning unit MB.
  • the analysis unit AE is set up to derive a model of the battery module BM from a section of the relaxation curve measured by the conditioning unit MB for the specified period of time.
  • the analysis unit AE can, for example, use a simplified electrical equivalent circuit diagram of the battery module BM, which is shown, for example, in FIG. 2, and determine parameter values for this using an adaptive calculation method, such as the least squares method.
  • upper and lower limit values for the respective parameters can be stored in the analysis unit AE, for example in a memory unit SE, which e.g BM are adapted.
  • the storage unit SE can, for example, be integrated into the analysis unit AE or be designed as an external storage unit SE which is connected to the analysis unit AE.
  • the analysis unit AE is set up to use the derived model of the battery module BM to analyze the entire relaxation curve - i.e. the entire curve of the voltage Ut between the positive and the negative terminal Kp, Kn from the first switching off of the charging current l at the first switching off voltage Ua1 to Reaching the open-circuit voltage on the battery module BM - to determine or simulate.
  • the analysis unit AE determines the second switch-off voltage Ua2 from the determined or simulated entire relaxation curve and can forward this to the conditioning unit MB, for example, which can then continue the conditioning process up to the second switch-off voltage Ua2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren eines Batteriemoduls (BM), insbesondere eines Batteriemoduls (BM) einer Traktionsbatterie, auf eine vorgegebene Zielspannung (Uz) sowie ein zugehöriges System. Das Batteriemodul (BM) wird von einer Konditionierungseinheit (MB) oder einem Ladegerät (MB) mit einem Ladestrom (lL) geladen oder entladen (101), bis eine Spannung (Ut), welche zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) abfällt, eine erste Abschaltspannung (Ua1) erreicht (102). Bei Erreichen der ersten Abschaltspannung (Ua1) wird der Ladestrom (II) abgeschaltet und von der Konditionierungseinheit (MB) während einer vorgegebenen Zeitdauer ein Relaxationsverlauf zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) gemessen (103). Aus diesem gemessenen Relaxationsverlauf wird von einer Analyseeinheit (AE) ein Modell des Batteriemoduls (BM) abgeleitet (104), mit dessen Hilfe der gesamte Relaxationsverlauf ermittelt wird (105). Aus dem ermittelten gesamten Relaxationsverlauf wird dann von der Analyseeinheit (AE) eine zweite Abschaltspannung (Ua2) derart bestimmt (105), dass nach Abschalten des Ladestroms (lL) bei Erreichen der zweiten Abschaltspannung (Ua2) die vorgegebene Zielspannung (Uz) als Ruhespannung vom Batteriemodul (BM) angenommen wird. Das Batteriemodul (BM) wird dann solange mit dem Ladestrom (lL) weiter geladen oder entladen, bis von der zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) abfallenden Spannung (Ut) die zweite Abschaltspannung (Ua2) erreicht wird (107). Dann wird der Ladestrom (lL) abgeschaltet und am Batteriemodul (BM) stellt sich durch den Relaxationsverlauf die vorgegebenen Zielspannung (Uz) ein (108).

Description

Verfahren und System zum Konditionieren eines Batteriemoduls
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren eines Batteriemoduls, insbesondere eines Batteriemoduls einer Traktionsbatterie, auf eine vorgegebene Zielspannung. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein zugehöriges System zur Durchführung des Verfahrens zum Konditionieren des Batteriemoduls.
Stand der Technik
Heutzutage werden, wie in vielen elektrisch antreibbaren Systemen (z.B. Mobiltelefonen, elektronischen Geräten, etc.), auch in elektrisch antreibbaren Fahrzeugen, wiederaufladbare Batterien bzw. so genannte Sekundärbatterien eingesetzt. Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen üblicherweise im Antriebsstrang neben einer elektrischen Antriebsmaschine bzw. einem Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs eine Hochvoltbatterie auf, welche als Antriebs- oder Traktionsbatterie elektrische Energie für die elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs bereitstellt. Diese Batterien sind üblicherweise wiederaufladbar und umfassen meist mehrere zusammengeschaltete Batteriemodule.
Derartige Batteriemodule bestehen beispielswiese aus einigen wenigen bis zu einer Vielzahl an parallel und seriell zusammengeschalteten Akkumulator-Zellen oder Zellblöcken. Antriebsbatterien werden je nach den Materialien unterschieden, welche für die Akkumulatorzellen verwendet werden. So können z.B. Bleiakkumulator-System, Nickel-Cadmium- Akkumulator-System, Lithium-Ionen-Akkumulator-Systeme, etc. als Antriebsbatterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden.
Wird in einer Antriebsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs ein defektes Batteriemodul erkannt, so ist es meist notwendig, das defekte Batteriemodul durch ein neues Batteriemodul ersetzen. Üblicherweise werden Batteriemodule in einem Zustand gelagert, welcher auf eine optimale, langfristige Lagerung ausgerichtet ist - z.B. in einem Ladezustand von 30%, etc. Vor einem Einbau in ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug muss ein neues Batteriemodul allerdings an den Ladezustand - den so genannten State of Charge (kurz: SoC) - der anderen Batteriemodule der Antriebsbatterie angepasst werden, damit die Antriebsbatterie nach dem Austausch des Batteriemoduls aktiviert werden kann und das gesamte Batteriesystem im Auto ordnungsgemäß funktioniert.
Vor dem Einbau und einer Inbetriebnahme in einen praktischen Betrieb wird das Batteriemodul daher einem speziellen Ladevorgang (d.h. einem speziellen Laden oder Entladen) unterzogen, welcher auch als „Konditionieren“ bezeichnet wird. Für diesen speziellen Vorgang, welcher das Batteriemodul auf den Einbau vorbereitet, kann beispielsweise eine so genannte Konditionierungseinheit oder ein Modul- Konditionierungssystem verwendet werden. Das einzubauende Batteriemodul wird z.B. über Anschlussleitungen mit der Konditionierungseinheit verbunden und z.B. durch entsprechendes Laden oder Entladen auf einen gewünschten Ladezustand gebracht und damit an den aktuellen Ladezustand der Batteriemodule der Antriebsbatterie angeglichen. Von der Konditionierungseinheit wird dabei eine Zielspannung vorgegeben, welche dem für das Batteriemodul gewünschten Ladezustand entspricht. Dabei wird als Zielspannung beispielsweise eine Spannung angestrebt, welche sich nach Ende des Konditionierungsvorgangs - d.h. nach dem Lade- oder Entladevorgang - als eingeschwungener Zustand einer Leerlaufspannung des Batteriemoduls ergibt. Unter Leerlaufspannung wird dabei eine von jeweiligen Ladezustand abhängige Spannung verstanden, welche ohne angeschlossene Last zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss des Batteriemoduls anliegt. Die sich im eingeschwungenen Zustand einstellende Leerlaufspannung wird auch als Ruhespannung des Batteriemoduls bezeichnet.
Zum Laden von wiederaufladbaren Batteriemoduls können unterschiedliche Ladeverfahren eingesetzt werden. Die Ladeverfahren unterscheiden sich dabei durch eine unterschiedliche Steuerung von Strom und Spannung beim Laden des Batteriemoduls. Üblicherweise werden Batteriemodule mit Hilfe eines konstanten Stroms oder einer konstanten Spannung geladen. Für Batteriemodule, wie z.B. Lithium-Ionen-Akkumulator-Systeme, wird als Ladeverfahren z.B. ein so genanntes IU-Ladeverfahren verwendet. Das IU-Verfahren verbindet das Konstantstrom-Ladeverfahren mit dem Konstantspannungs-Ladeverfahren und wird auch als „constant current constant voltage“- oder kurz: CCCV-Verfahren bezeichnet. Beim CCCV- Verfahren wird zuerst mit einem konstanten Ladestrom geladen, bis eine vorgegebene Spannungsgrenze, z.B. eine Ladeschlussspannung, zwischen den Anschlüssen des Batteriemoduls - üblicherweise bei angeschlossener Ladeeinheit bzw.
Konditionierungseinheit - erreicht wird. Danach wird mit konstanter Spannung weiter geladen, wobei sich der Ladestrom gegen Ende des Ladens selbsttätig verringert. Erreicht bzw. unterschreitet der Ladestrom eine definierte Stromgrenze bzw. ist eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen, wird das Laden des Batteriemoduls beendet. Durch das CCCV- Verfahren wird zwar sichergestellt, dass eine maximal zulässige Spannung und ein - meist vom Hersteller empfohlener - Ladestrom nicht überschritten wird, aber es ist mit diesem Ladeverfahren nur mit großem Zeitaufwand möglich, ein Batteriemodul auf einen gewünschten Ladezustand zu laden bzw. eine als Zielspannung vorgegebene Ruhespannung einzustellen.
Weiterhin kann es notwendig sein, einen gezielten Entladevorgang durchzuführen, um eine vorgegebene Zielspannung am Batteriemodul bzw. eine gewünschte Entladetiefe - eine so genannte Depth of Discharge (kurz: DoD) - des Batteriemoduls zu erreichen. Allerdings können auch dabei Abweichungen von der vorgegebenen Zielspannung auftreten. Nach Beendigung des Entladevorgangs steigt beispielsweise nach Abschalten eines Entladestroms die Spannung zwischen den Anschlüssen des Batteriemoduls bis zum Erreichen der Ruhespannung an. Diese Spannungsänderung nach Beendigung des Entladens verursacht ebenfalls eine Abweichung von der vorgegebenen Zielspannung. Die sich am Batteriemodul einstellende Ruhespannung liegt dann meist über der gewünschten Zielspannung.
Aus der Schrift WO 2020/227821 A1 ist beispielsweise ein angepasstes Ladeverfahren für eine Batterie bekannt, um ein Laden einer Batterie zu beschleunigen. Dazu wird während eines Ladevorgangs einer Batterie zumindest ein Entladeimpuls auf die Batterie angewendet und während eines dem Entladeimpuls folgenden Relaxationsvorgangs ein erster Wert einer Relaxationsspannung und nach einer vorgegebenen Wartezeit ein zweiter Wert einer Relaxationsspannung gemessen. Auf Basis einer Differenz der beiden gemessenen Spannungswerte werden dann Ladeparameter für den Ladevorgang angepasst. Damit kann mit dem in der Schrift WO 2020/227821 A1 gegebenenfalls der Ladevorgang der Batterie beschleunigt werden. Es ist allerdings mit dem Verfahren kaum möglich, der Batterie eine gewünschte Zielspannung vorzugegeben, welche nach dem Laden als Ruhespannung erreicht werden soll.
Aus der Schrift US 2018/0145527 A1 ist weiterhin ein Ladeverfahren für eine Batterie bekannt, um ein Laden einer Batterie zu beschleunigen, bei welchen zusätzlich eine Batteriealterung berücksichtigt wird, indem ein Abschaltkriterium zum Beenden eines Ladevorgangs der Batterie nach jedem Ladevorgang oder nach einer vorgegebenen Anzahl an Ladevorgängen angepasst wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein zugehöriges System anzugeben, welche es ermöglichen, eine vorgegebene Zielspannung an einem Batteriemodul zeiteffizient und mit relativ hoher Genauigkeit einzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren eingangs genannter Art, bei welchem ein Batteriemodul mit einem Ladestrom geladen oder entladen wird, bis von einer Spannung, welche zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss des Batteriemoduls abfällt, eine erste Abschaltspannung erreicht wird. Nach Erreichen der ersten Abschaltspannung wird der Ladestrom abgeschaltet und während einer vorgegebenen Zeitdauer ein Relaxationsverlauf zwischen dem positiven und negativen Anschluss des Batteriemoduls gemessen. Aus dem gemessenen Relaxationsverlauf wird ein Modell des Batteriemoduls abgeleitet und mit Hilfe dieses Modells der gesamte Relaxationsverlauf ermittelt. Aus dem ermittelten Relaxationsverlauf wird eine zweite Abschaltspannung derart bestimmt, dass sich nach Abschalten des Ladestrom bei der zweiten Abschaltspannung die vorgegebene Zielspannung als Ruhespannung vom Batteriemodul einstellt. Dann wird das Batteriemodul mit dem Ladestrom solange weiter geladen oder entladen, bis die zwischen dem positiven und negativen Anschluss des Batteriemoduls abfallenden Spannung die zweite Abschaltspannung erreicht. Vorzugsweise wird das Batteriemodul mit einem konstanten Ladestrom geladen oder entladen.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass das Batteriemodul mit einem bestimmten vorgegebenen, vorzugsweise konstanten, Ladestrom geladen bzw. entladen werden kann. Dadurch wird das Laden bzw. Entladen des Batteriemoduls auf einen gewünschten Lade- bzw. Entladezustand maßgeblich beschleunigt. Weiterhin kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens - vor allem durch Verwendung des aus einem gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs ermittelten Modells des Batteriemoduls, des mit Hilfe des Modells bestimmten gesamten Relaxationsverlaufs und auf Basis der daraus abgeleiteten, zweiten Abschaltspannung die vorgegebene Zielspannung nach Beendigung des Lade- bzw. Entladeprozesses mit relativ hoher Genauigkeit am Batteriemodul eingestellt werden. Nach dem Abschalten des Ladestroms bei Erreichen der zweiten Abschaltspannung relaxiert das Batteriemodul und es stellt sich am Batteriemodul relativ genau die vorgegebene Zielspannung als Ruhespannung ein.
Für einen Ladevorgang wird die erste Abschaltspannung zweckmäßigerweise derart vorgegeben, dass eine Ruhespannung, welche sich nach dem Relaxationsverlauf für die erste Abschaltspannung am Batteriemodul einstellt, kleiner ist als die vorgegebene Zielspannung. Analog kann für einen Entladevorgang die erste Abschaltspannung derart vorgegeben werden, dass eine Ruhespannung, welche sich nach dem Relaxationsverlauf für die erste Abschaltspannung am Batteriemodul einstellt, größer ist als die vorgegebene Zielspannung. Dabei ist wichtig, dass die erste Abschaltspannung für das jeweils zu ladende oder entladende Batteriemodul so gewählt wird, dass die erste Abschaltspannung in der Nähe der vorgegebenen Zielspannung liegt, damit im Folgenden ein Relaxationsverlauf zwischen positivem und negativem Anschluss des Batteriemoduls gemessen wird, welche annähernd dem Relaxationsverlauf auf die Zielspannung als Ruhespannung entspricht. Die erste Abschaltspannung kann dazu beispielsweise so gewählt werden, dass diese innerhalb eines vorgebbaren Bereichs oberhalb und/oder unterhalb der vorgegebenen Zielspannung liegt oder beispielsweise um einen vorgebbaren Prozentwert von der Zielspannung abweicht. Der vorgebbare Bereich bzw. der vorgebbare Prozentwert kann beispielsweise auf Basis von Erfahrungswerten festgelegt werden. Weiterhin kann die erste Abschaltspannung im Laufe der Nutzung des Verfahrens auf Basis von gemessenen Daten (z.B. Klemmenspannung während des Verfahrens, gemessener Relaxationsverläufe, etc.) für unterschiedliche Batteriemodultypen und vorgegebenen Zielspannungen angepasst werden, um das zu konditionierende Batteriemodul noch genauer auf den gewünschten Lade- bzw. Entladezustand zu laden bzw. zu entladen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn für das Modell des Batteriemoduls ein elektrisches Ersatzschaltbild des Batteriemoduls verwendet wird, welches mittels eines adaptiven Rechenverfahrens auf Basis des gemessenen Relaxationsverlaufs parametriert wird. Dies ermöglicht auf einfache Weise, Eigenschaften und Verhalten des Batteriemoduls möglichst genau anzunähern und zu simulieren und damit am Batteriemodul die vorgegebene Zielspannung möglichst genau einzustellen.
Es ist dabei günstig, wenn als adaptives Rechenverfahren für die Parametrierung des elektrischen Ersatzschaltbildes des Batteriemoduls eine Least-Square-Methode oder deutsch eine Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird. Mit dieser Methode können reale Daten - wie z.B. der gemessene Abschnitt des Relaxationsverlaufs - untersucht werden. Unter der Annahme, dass die gemessenen Daten nahe an den zugrunde liegenden „richtigen“ Daten liegen und dass zwischen den gemessenen Daten ein bestimmter Zusammenhang besteht, kann mit dieser Methode eine Funktion gefunden werden, welche diesen Zusammenhang möglichst gut beschreibt. D.h. eine Ersatzschaltbild bzw. eine Funktion, welche die Eigenschaften des Batteriemoduls möglichst genau beschreiben.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass für eine Parametrierung des elektrischen Ersatzschaltbildes des Batteriemoduls jeweils obere Grenzwerte und untere Grenzwerte für jeweilige Parameter des Ersatzschaltbildes des Batteriemoduls vorgegeben werden. Eine Vorgabe von Grenzwerten verhindern auf einfache Weise, dass die Parameter des Ersatzschaltbildes auch unrealistische Werte annehmen. So wird dadurch z.B. verhindert, dass von Spannungen und/oder Zeitkonstanten Werte kleiner Null angenommen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein System zum Konditionieren eines Batteriemoduls auf eine vorgegebene Zielspannung, welches zumindest eine Konditionierungseinheit und eine Analyseeinheit aufweist, wobei mit dem System ein Batteriemodul effizient und zeitsparend auf eine vorgegebene Zielspannung geladen oder entladen werden kann.
Die Konditionierungseinheit ist dazu über Anschlussleitungen mit dem positiven und dem negativen Anschluss des Batteriemoduls verbindbar. Weiterhin ist die Konditionierungseinheit dazu eingerichtet, eine zwischen dem positiven und negativen Anschluss des Batteriemoduls abfallende Spannung zu messen und mit einer ersten Abschaltspannung und mit einer zweiten Abschaltspannung zu vergleichen; einen Ladestrom jeweils bei Erreichen der ersten und der zweiten Abschaltspannung abzuschalten und einen Relaxationsverlauf zwischen dem positiven und negativen Anschluss des Batteriemoduls für eine vorgegebene Zeitdauer zu messen.
Die Analyseeinheit ist dazu eingerichtet, aus dem von der Konditionierungseinheit für die vorgegebene Zeitdauer gemessenen Relaxationsverlauf ein Modell des Batteriemoduls abzuleiten, mit welchem der gesamte Relaxationsverlauf ermittelbar ist, und aus dem gesamten Relaxationsverlauf eine zweite Abschaltspannung zu bestimmen. Die Analyseeinheit kann als eigenständige Einheit ausgeführt sein und eine Kommunikationsverbindung mit der Konditionierungseinheit aufweisen. Dadurch könnte die Analyseeinheit sehr einfach mit unterschiedlichen Konditionierungseinheiten genutzt oder sehr einfach ausgetauscht werden.
Alternativ kann die Analyseeinheit auch in die Konditionierungseinheit integriert sein. Dadurch würden Konditionierungseinheit und Analyseeinheit eine gemeinsame Einheit bilden, welche z.B. einfach zu handhaben oder transportieren wäre.
Idealerweise können obere und untere Grenzwerte, welche für die Parametrierung des Modells des Batteriemoduls im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, in der Analyseeinheit hinterlegt sein. Dazu kann die Analyseeinheit beispielsweise eine Speichereinheit oder einen Speicherbereich aufweisen. Es wäre auch denkbar, dass die Grenzwerte für die Parametrierung z.B. über eine Ein-/Ausgabeeinheit eingegeben und dann in der Analyseeinheit hinterlegt werden. Weiterhin können in der Speichereinheit oder im Speicherbereich Messdaten (z.B. Spannungsverläufe, Relaxationsverläufe, etc.) für z.B. unterschiedliche Batteriemodultypen und Zielspannungen hinterlegt werden, welche dann beispielsweise für Analysezweck und/oder zum Adaptieren der ersten Abschaltspannung genutzt werden können. Alternativ könnten diese Daten auch direkt in der Konditionierungseinheit gespeichert werden.
Eine zweckmäßige Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Konditionierungseinheit einen Temperatursensor aufweist, mit welchem eine aktuelle Batterietemperatur ermittelt werden kann. Damit kann beispielsweise auch ein temperaturabhängiges Verhalten des Batteriemoduls - z.B. unterschiedliche Relaxationsverläufe bei unterschiedlichen Temperaturen, etc. - beim Konditionieren des Batteriemoduls berücksichtigt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Konditionieren eines Batteriemoduls
Fig. 2 ein vereinfachtes, elektrisches Ersatzschaltbild des Batteriemoduls
Fig. 3 einen Verlauf von Strom und Spannung während eines Ladevorgangs des Batteriemoduls gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
Fig. 4 ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Konditionieren eines Batteriemoduls
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens zum Konditionieren eines Batteriemoduls BM. Dazu werden beispielsweise Anschlüsse Kp, Kn des Batteriemoduls BM- d.h. ein positiver Anschluss Kp und ein negativer Anschluss Kn des Batteriemoduls BM - über Anschlussleitungen L mit einer Konditionierungseinheit MB oder einem Ladegerät MB verbunden. Von der Konditionierungseinheit MB bzw. dem Ladegerät MB wird ein Ladestrom II zur Verfügung gestellt, mit welchem das Batteriemodul BM dann auf eine vorgegebene Zielspannung Uz und damit auf einen gewünschten Ladezustand geladen oder auf eine gewünschte Entladetiefe entladen werden kann.
Zum Starten des Verfahrens wird für einen ersten Ladeschritt 101 ein Ladestrom l eingeschaltet. Der Ladestrom l ist vorgegeben, beispielsweise in Höhe oder als zeitlicher Verlauf eines Stromes, und kann beispielsweise ein konstanter Ladestrom l sein. Dabei wird beispielsweise ein für das jeweilige Batteriemoduls BM maximal zulässiger Ladestrom l gewählt, welcher z.B. durch den Hersteller und/oder einen verwendeten Batterietyp vorgegeben sein kann, was das Laden oder Entladen beschleunigen kann. Das Batteriemodul BM wird während des ersten Ladeschritts 101 mit dem Ladestrom l bei einem Ladevorgang entsprechend geladen bzw. bei einem Entladevorgang entsprechend entladen.
Weiterhin wird während des ersten Ladeschritt 101 und dem weiteren Verfahren laufend eine zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemoduls BM abfallende Spannung Ut gemessen.
In einem ersten Prüfschritt 102 wird geprüft, ob von der gemessenen Spannung Ut eine erste Abschaltspannung Ua1 erreicht wird. Wird im ersten Prüfschritt 102 festgestellt, dass die zwischen dem positiven und negativen Anschluss Kn, Kp des Batteriemoduls BM gemessene Spannung Ut die erste Abschaltspannung Ua1 erreicht, so wird der Ladestrom l abgeschaltet. Dadurch wird im Batteriemodul BM ein Relaxationsprozess ausgelöst. In einem Messschritt 103 wird ein Verlauf des Relaxationsprozess bzw. ein Relaxationsverlauf für eine vorgegebene Zeitdauer z.B. von der Konditionierungseinheit MB oder vom Ladegerät MB gemessen. Dazu wird beispielsweise während der vorgegebenen Zeitdauer ein Verlauf der zwischen dem positiven und negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemoduls BM abfallenden Spannung lit aufgezeichnet. Als Ergebnis des Messschritts 103 wird ein Abschnitt des Relaxationsverlaufs des Batteriemoduls BM erhalten.
Die erste Abschaltspannung Ua1 , bei welcher der Ladestrom l abgeschaltet wird, wird dabei beispielsweise für einen Ladevorgang so gewählt, dass sich nach einem gesamten Relaxationsverlauf eine Ruhespannung am Batteriemodul BM einstellen würde, welche kleiner als die vorgegebene Zielspannung ist. Analog wird beispielsweise für einen Entladevorgang eine erste Abschaltspannung Ua1 so gewählt, dass sich nach einem gesamten Relaxationsverlauf am Batteriemodul BM eine Ruhespannung einstellen würde, welche größer als die Zielspannung ist. Die Auswahl der ersten Abschaltspannung Ua1 kann beispielsweise anhand von Erfahrungswerten für das jeweils zu konditionierende Batteriemodul BM erfolgen. So kann beispielsweise ein Spannungswert für die erste Abschaltspannung Ua1 gewählt werden, welcher innerhalb eines vorgebbaren Bereichs oberhalb und/oder unterhalb der vorgegebenen Zielspannung Uz liegt oder welcher um einen vorgebbaren Prozentsatz von der vorgegebenen Zielspannung Uz abweicht. Wichtig bei der Auswahl der ersten Abschaltspannung Ua1 ist, dass diese in der Nähe der vorgegebenen Zielspannung Uz liegt, damit das Batteriemodul annähernd dasselbe Relaxationsverhalten aufweist.
Die erste Abschaltspannung Ua1 kann außerdem für verschiedene Batteriemodultypen und vorgegebene Zielspannungen Uz bzw. Ladezustände oder Entladezustände im Laufe der Zeit adaptiert werden. Dazu kann beispielsweise für einen erstmaligen Lade- oder Entladevorgang eines Batteriemodultyps auf eine vorgegebene Zielspannung Uz die erste Abschaltspannung Ua1 - wie oben aufgeführt - vorgegeben werden. Bei jeder Ausführung des Konditionierungsverfahrens für den jeweiligen Batteriemodultyp können Daten (z.B. Spannungsverlauf zwischen den Anschlüssen Kp, Kn, Relaxationsverlauf, etc.) gesammelt und in der Folge ausgewertet werden. Die erste Abschaltspannung Ua1 kann dann auf Basis dieser gemessenen Daten angepasst werden, um die vorgegebenen Zielspannung Uz am Batteriemodul BM noch genauer einzustellen.
Als Zeitdauer, während der im Messschritt 103 der Relaxationsverlauf bzw. der Verlauf der Spannung Ut zwischen dem positiven und negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemoduls BM gemessen wird, können beispielsweise einige Minuten, z.B. idealerweise zwei Minuten, vorgegeben werden. Da die stärksten Veränderungen im Relaxationsverlauf (z.B. transienter Spannungsabfall beim Laden, transienter Spannungsanstieg beim Entladen, etc.) meist unmittelbar nach Abschalten des Ladestroms l auftreten, wird die vorgegebene Zeitdauer derart gewählt, dass im gemessenen Relaxationsverlauf diese Veränderungen erfasst werden.
Aus dem gemessenen Relaxationsverlauf kann dann in einem Modellierungsschritt 104 ein Modell für das Batteriemoduls BM abgeleitet werden, welches eine gute Näherung eines Verhaltens des Batteriemoduls BM darstellt. Als Ausgangspunkt für das Modell des Batteriemoduls BM wird beispielsweise ein elektrisches Ersatzschaltbild verwendet, durch welches Eigenschaften und Verhalten des Batteriemoduls BM möglichst genau angenähert werden können.
Figur 2 zeigt beispielsweise ein derartiges vereinfachtes, elektrisches Ersatzschaltbild, welches beispielsweise im Modellierungsschritt 104 zum Ableiten des Modells des Batteriemoduls BM verwendet wird.
Dieses Ersatzschaltbild weist z.B. eine ideale Spannungsquelle lloc, von welcher eine Leerlaufspannung lloc des Batteriemoduls BM beschrieben wird. Die Leerlaufspannung Uoc ist vom jeweils aktuellen Ladezustand des Batteriemoduls BM abhängig und ist umso größer, je mehr das Batteriemodul BM aufgeladen ist. In Serie zur Spannungsquelle Uoc ist ein Widerstand Ro angeordnet, weicher einen Innenwiderstand Ro des Batteriemoduls beschreibt. Auch der Widerstand Ro ist vom jeweiligen Ladezustand des Batteriemoduls BM abhängig. Ein Wert für den Innenwiderstand Ro kann beispielsweise aus der Messung des Relaxationsverlaufs im Messschritt 103 - z.B. aus einem Spannungssprung zu Beginn der Messung - mitbestimmt werden. Alternativ kann der Wert des Innenwiderstands Ro beispielsweise auch aus Datenblättern des jeweiligen Batteriemoduls BM entnommen werden. Ein Strom l beschreibt den Ladestrom l des Batteriemoduls BM. Je nach dem Vorzeichen des Stroms l wird das Batteriemodul BM entweder geladen oder entladen. Zwischen einem positiven Anschluss Kp und einem negativen Anschluss Kn des Ersatzschaltbildes fällt eine zeitabhängige Spannung Ut ab. Diese Spannung Ut entspricht der Leerlaufspannung Uoc, wenn das Batteriemodul vollständig relaxiert ist - d.h. sich in einem eingeschwungenen Zustand befindet und keine Last zwischen den Anschlüssen Kp, Kn angeschlossen ist.
Weiterhin sind zwischen dem Innenwiderstand Ro und dem positiven Anschluss Kp des Batteriemoduls BM mehrere RC-Glieder R1C1 , ... , RiCi in Serie angeordnet. Die RC-Glieder R1 C1 , ... , RiCi weisen jeweils eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 , ... , Ri und einer Kapazität C1 , ... , Ci auf. Die jeweiligen Kapazitäten C1 , ... , Ci repräsentieren ein kapazitives Verhalten im Inneren des Batteriemoduls BM. Die Widerstände R1 , ... , Ri ergeben sich aufgrund von Ladungstransporten im Inneren des Batteriemoduls BM. Die RC- Glieder R1C1, ... , RiCi dienen im Ersatzschaltbild dazu, um mit entsprechenden Zeitkonstanten ein dynamischen bzw. zeitabhängiges Verhalten des Batteriemoduls BM, wie z.B. ein Relaxationsverhalten des Batteriemoduls BM modellieren zu können. Für eine gute Annäherung des Relaxationsverhaltens werden im Ersatzschaltbild beispielsweise zumindest zwei RC-Glieder R1C1 , R2C2 vorgesehen. Um eine gute Genauigkeit bei einen möglichst geringen Rechenaufwand zu erzielen, werden im Ersatzschaltbild beispielsweise drei RC- Glieder R1C1, ... , R3C3 vorgesehen.
Im Modellierungsschritt 104 wird beispielsweise auf Basis eines vereinfachten, elektrischen Ersatzschaltbildes - wie in Figur 2 dargestellt - ein Modell des Batteriemoduls BM ermittelt. Dazu wird das Ersatzschaltbild des Batteriemoduls BM mit Hilfe des aus dem im Messschritt 103 gemessenen Relaxationsverlaufs parametriert. D.h. es werden aus dem gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs passende Parameterwerte für die Leerlaufspannung Uoc, den Innenwiderstand Ro sowie für die jeweils für das Ersatzschaltbild verwendeten RC- Glieder R1C1, ... , RiCi abgeleitet.
Für die Berechnung der passenden Parameterwerte wird beispielsweise eine so genannte Least-Squares-Methode verwendet. Die Least-Square-Methode bezieht ihr Optimalitätskriterium direkt aus den jeweils bekannten Daten, wie z.B. dem im Messschritt 103 gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs. Dieses Kriterium beschreibt eine deterministische Fehlerfunktion, welche aus der Summe der quadrierten Abweichungen der vorgegebenen Funktion besteht, weshalb die Methode auf Deutsch auch als Methode der kleinsten Fehlerquadrate bezeichnet wird. Die Berechnung passender Parameterwerte aus dem gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs mit Hilfe der Least-Square-Methode kann beispielsweise mit Hilfe einer Berechnungssoftware wie z.B. GNU Octave durchgeführt werden. GNU Octave ist eine freie Software für numerische Lösungen mathematischer Probleme (z.B. Matrizenrechnung, (Differential-)Gleichungssysteme, Integration, etc.).
Um die Parameterwerte für das elektrische Ersatzschaltbild des Batteriemoduls BM und damit das Modell des Batteriemoduls BM aus dem gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs ermitteln zu können, wird der Relaxationsverlauf nach einem Ladevorgang für das elektrische Ersatzschaltbild mit beispielsweise drei RC-Gliedern R1C1, ... , R3C3 mit folgender Formel beschrieben:
Figure imgf000012_0001
Dabei bezeichnen:
Ut eine zeitabhängige Spannung zwischen den Anschlüssen Kp, Kn des Batteriemoduls BM;
Uoc bzw. Uo die Leerlaufspannung bzw. Ruhespannung, auf welche der Relaxationsverlauf nach langer Zeit abfällt; ILO den Ladestrom l , mit welchem das Batteriemodul BM bis zum Erreichen der ersten Abschaltspannung Ua1 geladen wurde;
R1 , R2, R3 Widerstandswerte der RC-Glieder im Ersatzschaltbild;
- C1 , C2, C3 Kapazitätswerte der RC-Glieder im Ersatzschaltbild;
- t eine Zeitvariable; und
- e die Euler’sche Zahl.
Diese Formel kann vereinfacht werden, indem die jeweiligen Widerstandwerte R1 , R2, R3 und Kapazitätswerte C1 , C2, C3 zu Zeitkonstanten T1 , T2, T3 zusammengefasst werden. Anhand der Zeitkonstanten T1 , T2, T3 kann abgeschätzt werden, wie lange das jeweilige RC- Glied R1 C1 , ... , R3C3 benötigt, bis sich die am jeweiligen RC-Glied R1 C1 , ... , R3C3 abfallende Spannung ILO*R1 , ILO*R2, ILO*R3 entladen hat. Dabei können die Produkte aus dem Strom ILO und dem jeweiligen Widerstandswert R1 , R2, R3 zu Spannungsabfällen U1 , U2, U3 am jeweiligen RC-Glied R1C1 , ... , R3C3 zusammengefasst werden. Damit ergibt sich eine vereinfachte Formel für die zeitabhängige Spannung lit zwischen den Anschlüssen Kp, Kn, von welcher der Relaxationsverlauf des Batteriemoduls BM nach einem Ladevorgang beschrieben wird:
Figure imgf000013_0001
Mit Hilfe dieser vereinfachten Formel und des im Messschritt 103 gemessenen Abschnitts des Relaxationsverlaufs können dann Parameterwerte für die Spannungen Uo, U1 , U2, U3 sowie für die Zeitkonstanten T1 , T2, T3 ermittelt werden. Damit diese Parameterwerte keine unrealistischen Werte (z.B. negative Werte, etc.) annehmen können, werden für die einzelnen Parameterwerte der Spannungen Uo, U1 , U2, U3 und Zeitkonstanten T1 , T2, T3 obere und untere Grenzwerte festgelegt. Durch die Vorgabe von oberen und unteren Grenzwerten können zusätzlich Rollen für der einzelnen Parameter festgelegt werden. Dabei gibt z.B. der Parameterwert der Spannung Uo einen Spannungswert an, auf welchen die Spannung Ut nach langer Zeit abfällt. Dieser Spannungswert Uo entspricht damit der Ruhespannung des Batteriemoduls BM. Ein oberer Grenzwert und ein unterer Grenzwert der Spannung Uo wird beispielsweise prozentual aus einem ersten Messwert der Spannung Ut, nach einem transienten Spannungsabfall nach Abschalten des Ladestroms l ermittelt. D.gh. für die Grenzwerte der Spannung Uo wird der erste Messwert des im Messschritt 103 gemessenen Relaxationsverlaufs nach dem transienten Spannungsabfall herangezogen.
Die Parameterwerte der Spannungen U1, U2, U3 sowie die entsprechenden Zeitkonstanten T1 , T2, T3 bestimmen weitgehend die jeweiligen exponentiellen Spannungsabfälle, wobei beispielsweise eine erste Spannung U1 und eine erste Zeitkonstante T1 einen ersten, schnellen Bereich des Spannungsabfalls, eine zweite Spannung U2 und eine zweite Zeitkonstante T2 einen zweiten, mittleren Bereich des Spannungsabfalls und eine dritte Spannung U3 und eine dritte Zeitkonstante T3 einen dritten, langsamen Bereich des Spannungsabfalls im Relaxationsverlauf nach dem Ladevorgang des Batteriemoduls Bm beschreiben. Dabei liegt der untere Grenzwert für die Parameterwerte der Spannungen U1 , U2, U3 z.B. bei einem Wert von Null, um negative Spannungswerte zu vermeiden. Als oberer Grenzwert der Spannungsparameter U1, U2, U3 kann beispielsweise ein Wert von 1 Volt gewählt werden. In Abhängigkeit vom zu konditionierenden Batteriemodul BM und dessen Eigenschaften können aber auch andere Spannungswerte für den oberen Grenzwert des jeweiligen Spannungsparameters U1 , U2, U3 verwendet werden. Die oberen und unteren Grenzwerte der Zeitkonstanten T1 , T2, T3 können beispielsweise so vorgegeben werden, dass der jeweilige Bereich des Spannungsabfalls (d.h. schnell, mittel oder langsam) entsprechend berücksichtigt wird.
Analog zur Modellierung des Relaxationsverlaufs des Batteriemoduls BM nach einem Ladevorgang kann im Modellierungsschritt 104 auch ein Relaxationsverlauf für das Batteriemodul nach einem Entladevorgang modelliert werden. Dazu wird ebenfalls ein im Messschritt 103 für die vorgegebene Zeitdauer (z.B. 2 Minuten) gemessener Abschnitt des Relaxationsverlaufs - diesmal nach Abschalten des Ladestroms l beim Entladevorgang - sowie das oben beschriebene vereinfachte, elektrische Ersatzschaltbild des Batteriemoduls BM herangezogen. Die entsprechenden Parameterwerte werden dann beispielsweise wieder mittels Least-Squares-Methode bestimmt. Dazu kann beispielsweise von folgender Formel für die zeitabhängige Spannung Ut an den Anschlüssen Kp, Kn des Batteriemoduls BM ausgegangen werden:
Figure imgf000014_0001
Dabei gibt die Spannung Uo einen Spannungswert an, welcher weitgehend der Ruhespannung des Batteriemoduls BM entspricht bzw. auf welchen die zeitabhängige Spannung Ut nach langer Zeit ansteigt. Die Spannungsparameter U1, U2, U3 und die Zeitkonstanten T1 , T2, T3 bestimmen dabei jeweils exponentielle Spannungsanstiege, wobei zwischen einem schnellen, mittleren und langsamen Bereich des Spannungsanstiegs unterschieden wird. Für die Ermittlung des Modells des Batteriemoduls BM beim Entladevorgang können ebenfalls - entsprechende adaptierte - obere und untere Grenzwerte für die Parameterwerte der Spannungen U1 , U2, U3 und der Zeitkonstanten T1 , T2, T3 vorgegeben werden. Nachdem im Modellierungsschritt 104 die Parameterwerte für die Spannungen llo, U1, U2, U3 und Zeitkonstanten T1, T2, T3 beispielsweise mittels der Least-Square-Methode aus dem im Messschritt 103 gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs bestimmt wurden, kann in einem Simulationsschritt 105 der gesamte Relaxationsverlauf für den jeweiligen Ladevorgang oder für den jeweiligen Entladevorgang des Batteriemoduls BM ermittelt werden. D.h. es wird der Verlauf der zeitabhängigen Spannung lit vom Abschalten des Ladestroms l bis zum Erreichen der Ruhespannung Uo zwischen den Anschlüssen Kp, Kn des Batteriemoduls BM simuliert. Aus diesem ermittelten, gesamten Relaxationsverlauf kann eine Gesamtdifferenz zwischen der Spannung beim Abschalten des Ladestroms l an den Anschlüssen Kp, Kn des Batteriemoduls BM - d.h. der ersten Abschaltspannung Ua1 - und einer sich am Batteriemodul BM nach langer Zeitdauer (z.B. zumindest einer Stunde bis zu mehreren Stunden) einstellenden Ruhespannung Uo bestimmt werden. Daraus kann dann im Simulationsschritt 105 eine zweite Abschaltspannung Ua2 derart bestimmt werden, dass nach Abschalten des Ladestroms l bei der zweiten Abschaltspannung Ua2 die vorgegebenen Zielspannung Uz als Ruhespannung vom Batteriemodul angenommen wird.
In einem zweiten Ladeschritt 106 wird das Batteriemodul BM mit dem Ladestrom l , welcher beispielsweise dem maximal zulässigen Ladestrom l für das Batteriemodul BM entspricht, weiter geladen oder entladen. Dabei wird in einem zweiten Prüfschritt 107 überprüft, ob die Spannung Ut, welche zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemodul BM abfällt und laufend gemessen wird, die im Simulationsschritt 105 ermittelte, zweite Abschaltspannung Ua2 erreicht.
Wird im zweiten Prüfschritt 107 festgestellt, dass die zweite Abschaltspannung Ua2 von der zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss Kp, Kn abfallenden Spannung Ut erreicht wird, so wird in einem Abschaltschritt 108 der Ladestrom l neuerlich bzw. endgültig abgeschaltet. Nach Abschalten des Ladestroms l beginnt im Batteriemodul BM wieder ein Relaxationsprozess. Dabei sinkt die Spannung Ut am Batteriemodul BM im Abschaltschritt 108 nach dem Ladevorgang auf eine Ruhespannung ab, welche der vorgegebenen Zielspannung Uz entspricht. Nach einem Entladevorgang steigt die Spannung Ut am Batteriemodul BM nach Abschalten des Ladestroms l im Abschaltschritt 108 auf eine Ruhespannung an, welche der vorgegebenen Zielspannung Uz entspricht.
In Figur 3 sind beispielhaft ein zeitlicher Verlauf der Spannung Ut zwischen dem positiven Anschluss Kp und dem negativen Anschluss Kn des Batteriemoduls sowie ein zeitlicher Verlauf des, hier konstanten, Ladestroms l während eines Ladevorgangs des Batteriemoduls BM dargestellt. Dabei wird zum Laden des Batteriemoduls BM auf einen gewünschten Ladezustand bzw. zum Einstellen der vorgegebenen Zielspannung Uz das erfindungsgemäße Konditionierungsverfahren angewendet. Auf einer horizontalen Achse ist die Zeit t aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse sind Spannung U sowie Strom I aufgetragen. Weiterhin sind auf der vertikalen Achse die vorgegebene Zielspannung Uz, welche sich am Batteriemodul BM nach Beendigung des beispielhaften Ladevorgangs als Ruhespannung einstellen soll, sowie die erste Abschaltspannung Ua1 und die zweite Abschaltspannung Ua2 eingetragen. Auf der vertikalen Achse ist weiterhin ein für das Batteriemodul BM zulässiger maximaler Ladestromwert lmax eingezeichnet.
Zu einem Startzeitpunkt tO wird beispielsweise der Ladevorgang des Batteriemoduls BM begonnen. Dazu wird zum Startzeitpunkt tO der Ladestrom l eingeschaltet, um das Batteriemodul BM z.B. mit dem maximal zulässigen Wert lmax für den Ladestrom l zu laden. Dadurch fängt die zeitabhängige Spannung Ut zwischen dem positiven und negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemoduls BM an zu steigen. Wird in einem ersten Zeitpunkt t1 von der zeitabhängigen Spannung Ut die erste Abschaltspannung Ua1 erreicht, so wird der Ladestrom l abgeschaltet. Die Zeitdauer vom Startzeitpunkt tO bis zum ersten Zeitpunkt t1 entspricht damit dem ersten Ladeschritt 101. Die Abschaltspannung Ua1 , um den ersten Ladeschritt 101 im ersten Zeitpunkt t1 zu beenden, ist dabei derart gewählt, dass für die erste Abschaltspannung Ua1 nach einem gesamten Relaxationsprozess eine Ruhespannung einstellt, welche unterhalb der Zielspannung Uz liegt. Für die Auswahl der ersten Abschaltspannung Ua1 ist weiterhin wichtig, dass diese in der Nähe der vorgegebenen Zielspannung Uz liegt, damit das Batteriemodul BM annähernd dasselbe Relaxationsverhalten wie bei der Zielspannung Uz aufweist. In Figur 3 wurde beispielsweise ein Spannungswert für die erste Abschaltspannung Ua1 gewählt, welcher z.B. einige Millivolt z.B. innerhalb eines vorgebbaren Bereichs über der Zielspannung Uz liegt. Es wäre auch denkbar, für die erste Abschaltspannung Ua1 einen Spannungswert zu wählen, welcher einige Millivolt beispielsweise innerhalb eines vorgebbaren Bereichs unterhalb der Zielspannung Uz liegt.
Durch Abschalten des Ladestroms l zum ersten Zeitpunkt t1 wird ein Relaxationsprozess im Batteriemodul BM erzeugt und die Spannung Ut beginnt durch den Relaxationsprozess zu sinken. Der Relaxationsverlauf bzw. der Verlauf der Spannung Ut wird dabei im Messschritt 103 für eine vorgegebene Zeitdauer (z.B. zwei Minuten) gemessen. Der Messschritt 103 wird z.B. zum ersten Zeitpunkt t1 gestartet und nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer bei einem zweiten Zeitpunkt t2 beendet. Aus dem zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs wird dann im Modellierungsschritt 104 das Modell des Batteriemoduls BM ermittelt, mit welchem im Simulationsschritt 105 der gesamte Relaxationsverlauf des Batteriemoduls für einen gewünschten Ladezustand sowie die zweite Abschaltspannung Ua2 ermittelt werden kann.
Zum zweiten Zeitpunkt t2 wird auch der Ladestrom l wieder eingeschaltet, um das Batteriemodul mit dem maximal zulässigen Wert lmax des Ladestroms l weiterzuladen. D.h. im zweiten Zeitpunkt t2 beginnt der zweite Ladeschritt 106. Das Batteriemodul BM wird weitergeladen, bis zu einem dritten Zeitpunkt t3 die Spannung lit die zweite Abschaltspannung Ua2 erreicht. Zum dritten Zeitpunkt t3 wird dann der Ladestrom l endgültig abgeschaltet. Ab dem dritten Zeitpunkt t3 bzw. nach Abschalten des Ladestroms l sinkt die Spannung Ut - entsprechend dem Relaxationsverlauf - gegen die Ruhespannung ab, welche der vorgegebenen Zielspannung Uz entspricht. Der Ladevorgang kann - wie in Figur 3 dargestellt - mit dem maximal zulässigen Ladestrom lmax zeiteffizient durchgeführt werden, wobei die Spannung Ut nach Beendigung des Ladevorgangs mit relativ großer Genauigkeit auf die vorgegebene Zielspannung Uz absinkt. Allerdings muss beim Ladevorgang beachtet werden, dass die zweite Abschaltspannung Ua2 innerhalb eines für das Batteriemodul BM zulässigen Spannungsbereichs liegt, da das Batteriemodul bis zu diesem Spannungswert Ua2 überladen wird.
Figur 4 zeigt beispielhaft und schematisch ein System, welches zur Durchführung des anhand von Figur 1 beispielhaft dargestellten Konditionierungsverfahrens für ein Batteriemodul BM, insbesondere ein Batteriemoduls BM für eine Traktions- oder Antriebsbatterie, eingerichtet ist. Das Batteriemodul BM kann für einen Konditionierungsvorgang - d.h. zum Laden oder Entladen auf einen gewünschten Ladezustand bzw. auf eine gewünschte Entladetiefe - über Anschlussleitungen L mit einer Konditionierungseinheit MB oder einem Ladegerät MB verbunden werden. Dazu sind beispielsweise ein positiver Anschluss Kp und ein negativer Anschluss Kn des Batteriemoduls BM über jeweils eine Anschlussleitung L mit der Konditionierungseinheit MB verbunden, um durch entsprechendes Laden oder Entladen des Batteriemoduls BM die vorgegebene Zielspannung Uz am Batteriemodul BM einzustellen. Die Zielspannung Uz soll nach Beendigung des entsprechenden Lade- bzw. Entladevorgangs im eingeschwungenen Zustand des Batteriemoduls BM zwischen dem positiven Anschluss Kp und dem negativen Anschluss Kn als Ruhespannung abfallen.
Für die Durchführung des Verfahrens ist die Konditionierungseinheit MB - neben einem Laden oder Entladen des Batteriemoduls BM mit dem Ladestrom l - dazu eingerichtet, die sich durch den jeweiligen Lade- oder Entladevorgang zeitlich ändernde Spannung Ut zu messen, wobei die Spannung Ut zwischen dem positiven Anschluss Kp und dem negativen Anschluss Kn des Batteriemoduls BM abfällt. Weiterhin vergleicht die Konditionierungseinheit MB die gemessene Spannung Ut z.B. im ersten Prüfschritt 102 mit der ersten Abschaltspannung Ua1 und im zweiten Prüfschritt 107 mit der zweiten Abschaltspannung Ua2, um jeweils beim Erreichen der ersten bzw. der zweiten Abschaltspannung Ua1 , Ua2 den Ladestrom l abzuschalten. Weiterhin ist die Konditionierungseinheit MB dazu eingerichtet, nach dem Abschalten des Ladestrom l bei Erreichen der ersten Abschaltspannung Ua1 einen Relaxationsverlauf - d.h. den Verlauf der Spannung lit zwischen dem positiven und negativen Anschluss Kp, Kn des Batteriemoduls BM - für eine vorgegebene Zeitdauer zu messen.
Weiterhin kann die Konditionierungseinheit MB einen Temperatursensor (z.B. einen Infrarot- Temperatursensor) aufweisen. Mit dem Temperatursensor kann z.B. eine aktuelle Batterietemperatur ermittelt und überwacht werden. Die ermittelte Temperatur des Batteriemoduls BM kann dann beispielsweise in das Konditionierungsverfahren einfließen, um die vorgegebene Zielspannung Uz noch genauer zu erreichen.
Weiterhin weist das System eine Analyseeinheit AE auf, welche z.B. als eigenständige Einheit ausgeführt sein kann und über eine Kommunikationsverbindung KV mit der Konditionierungseinheit MB verbunden ist. Alternativ kann die Analyseeinheit AE auch in die Konditionierungseinheit MB integriert sein. Die Analyseeinheit AE ist dazu eingerichtet, aus einem von der Konditionierungseinheit MB für die vorgegebene Zeitdauer gemessenen Abschnitt des Relaxationsverlaufs ein Modell des Batteriemoduls BM abzuleiten. Dazu kann die Analyseeinheit AE beispielsweise ein vereinfachtes, elektrisches Ersatzschaltbild des Batteriemoduls BM heranziehen, welche z.B. in Figur 2 dargestellt ist, und für dieses mittels eines adaptiven Rechenverfahrens, wie z.B. mit dem Least-Squares-Verfahren, Parameterwerte ermitteln. Für die Parametrierung des Ersatzschaltbildes können in der Analyseeinheit AE beispielsweise in einer Speichereinheit SE obere und untere Grenzwerte für die jeweiligen Parameter hinterlegt sein, welche z.B. an jeweils gängige, gewünschte Ladezustände (z.B. SoC 60%) oder Entladetiefen (z.B. DoD 30%) des Batteriemoduls BM adaptiert sind. Die Speichereinheit SE kann z.B. in die Analyseeinheit AE integriert sein oder als externe Speichereinheit SE ausgestaltet sein, welche mit der Analyseeinheit AE verbunden ist.
Weiterhin ist die Analyseeinheit AE dazu eingerichtet, mit Hilfe des abgeleiteten Modells des Batteriemoduls BM den gesamten Relaxationsverlauf - d.h. den gesamten Verlauf der Spannung Ut zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss Kp, Kn vom ersten Abschalten des Ladestroms l bei der ersten Abschaltspannung Ua1 bis zum Erreichen der Ruhespannung am Batteriemodul BM - zu ermitteln bzw. zu simulieren. Aus dem ermittelten bzw. simulierten gesamten Relaxationsverlauf bestimmt die Analyseeinheit AE dann die zweite Abschaltspannung Ua2 und kann diese z.B. an die Konditionierungseinheit MB weiterleiten, welche dann den Konditionierungsvorgang bis zur zweiten Abschaltspannung Ua2 fortsetzen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Konditionieren eines Batteriemoduls (BM), insbesondere eines Batteriemoduls (BM) einer Traktionsbatterie, auf eine vorgegebene Zielspannung (Uz), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (BM) mit einem Ladestrom (l ) geladen oder entladen wird (101), bis von einer Spannung (Ut), welche zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) abfällt, eine erste Abschaltspannung (Ua1) erreicht wird (102), dass der Ladestrom (l ) abgeschaltet wird und während einer vorgegebenen Zeitdauer ein Relaxationsverlauf zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) gemessen wird (103), dass aus dem gemessenen Relaxationsverlauf ein Modell des Batteriemoduls (BM) abgeleitet wird (104), dass mit Hilfe des Modells des Batteriemoduls (BM) der gesamte Relaxationsverlauf ermittelt wird und aus dem gesamten Relaxationsverlauf eine zweite Abschaltspannung (Ua2) derart bestimmt wird (105), dass nach Abschalten des Ladestroms (l ) bei Erreichen der zweiten Abschaltspannung (Ua2) die vorgegebene Zielspannung (Uz) als Ruhespannung vom Batteriemodul (BM) angenommen wird, und dass das Batteriemodul (BM) mit dem Ladestrom (l ) solange weiter geladen oder entladen wird (106), bis von der zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) abfallenden Spannung (Ut) die zweite Abschaltspannung (Ua2) erreicht wird (107).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (BM) mit einem konstanten Ladestrom (l ) geladen oder entladen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Ladevorgang die erste Abschaltspannung (Ua1) derart vorgegeben wird, dass eine sich für die erste Abschaltspannung (Ua1) nach dem Relaxationsverlauf einstellende Ruhespannung kleiner als die vorgegebene Zielspannung ist. (102).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Entladevorgang die erste Abschaltspannung (Ua1) derart vorgegeben wird, dass eine sich für die erste Abschaltspannung (Ua1) nach dem Relaxationsverlauf einstellende Ruhespannung größer als die vorgegebene Zielspannung (Uz) ist. (102).
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modell des Batteriemoduls (BM) ein elektrisches Ersatzschaltbild des Batteriemoduls (BM) verwendet wird, welche mittels eines adaptiven Rechenverfahrens auf Basis des gemessenen Relaxationsverlaufs parametriert wird (104).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als adaptives Rechenverfahren eine Least-Square-Methode verwendet wird (104).
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Parametrierung des elektrischen Ersatzschaltbildes des Batteriemoduls (BM) jeweils obere Grenzwerte und untere Grenzwerte für jeweilige Parameter des Ersatzschaltbildes des Batteriemoduls (BM) vorgegeben werden (104).
8. System zum Konditionieren eines Batteriemoduls (BM), insbesondere eines Batteriemoduls (BM) einer Traktionsbatterie, auf eine vorgegebene Zielspannung (Uz), dadurch gekennzeichnet, dass, zumindest vorgesehen sind:
- eine Konditionierungseinheit (MB), welche über Anschlussleitungen (L) mit einem positiven Anschluss (Kp) und negativen Anschluss (Kp) des Batteriemoduls (BM) verbindbar ist, und welche zumindest dazu eingerichtet ist, eine zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) abfallende Spannung (Ut) zu messen und mit einer ersten Abschaltspannung (Ua1) und einer zweiten Abschaltspannung (Ua2) zu vergleichen; einen Ladestrom (l ) jeweils bei Erreichen der ersten und der zweiten Abschaltspannung (Ua1, Ua2) abzuschalten und einen Relaxationsverlauf zwischen dem positiven und negativen Anschluss (Kp, Kn) des Batteriemoduls (BM) für eine vorgegebene Zeitdauer zu messen; und
- eine Analyseeinheit (AE), welche zumindest dazu eingerichtet ist, aus dem von der Konditionierungseinheit (MB) für die vorgegebene Zeitdauer gemessenen Relaxationsverlauf ein Modell des Batteriemoduls (BM) abzuleiten, mit welchem der gesamte Relaxationsverlauf ermittelbar ist, und aus dem gesamten Relaxationsverlauf eine zweite Abschaltspannung (Ua2) zu bestimmen.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (AE) als eigenständige Einheit ausgeführt ist, wobei die Analyseeinheit (AE) eine Kommunikationsverbindung (KV) mit der Konditionierungseinheit (MB) aufweist.
10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (AE) in die Konditionierungseinheit (MB) integriert ist.
11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Analyseeinheit (AE) obere Grenzwerte und untere Grenzwerte für eine Parametrierung des Modells des Batteriemoduls hinterlegt sind.
12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinheit (MB) zum Ermitteln einer aktuellen Batterietemperatur einen Temperatursensor aufweist.
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