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Stand der Technik
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In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Sekundärbatterien eingesetzt, die in der Regel eine große Anzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen aufweisen. Mit den Sekundärbatterien werden elektrische Antriebseinrichtungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit elektrischer Energie versorgt. Die Batteriezellen können beispielsweise auf einer Lithium-Ionen-Technologie oder einer Nickel-Metallhybrid-Technologie beruhen.
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Um eine Lebensdauer von Batteriezellen und somit einer Sekundärbatterie optimieren zu können, ist es erforderlich, jederzeit den momentanen Betriebszustand der Batteriezellen bzw. Sekundärbatterie zu kennen. Üblicherweise wird ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur Prüfung und Regelung einer Sekundärbatterie eingesetzt, welches neben einer Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer für die Sekundärbatterie und deren Batteriezellen gewährleisten soll.
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Ein Batteriemanagementsystem umfasst neben einer Sensorik, welche die von jeder einzelnen Batteriezelle erzeugte elektrische Zellspannung, den gesamten Batteriestrom und eine Batterietemperatur erfassen kann, eine Sicherheitsfunktion, die das Überschreiten einer maximal zulässigen elektrischen Zellspannung verhindert, um eine Schädigung von Batteriezellen bzw. der Sekundärbatterie zu vermeiden.
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Mittels eines Batteriemanagementsystems kann auch einer eventuellen Tiefentladung von Batteriezellen entgegengewirkt werden, was vorteilhaft ist, da auch eine Entladung einer Batteriezelle unter einer bestimmten Ladeschwelle ungünstige chemische Prozesse in einer Batteriezelle fördern kann, die zu einer irreversiblen Degradierung von Batteriezellen führen können. Um dem entgegenzuwirken, werden herkömmlich feste Sicherheitsgrenzen für den Ladezustand (sogenannter „state of charge“; SOC) der Batteriezellen einer Sekundärbatterie vorgegeben, die jedoch durch einzelne Batteriezellen aufgrund verschiedener Bedingungen, wie beispielsweise das ungleichmäßige Alterungsverhalten einzelner Batteriezellen und unterschiedliche kapazitive Eigenschaften und Energiedichten einzelner Batteriezellen, bei regelmäßiger Inbetriebnahme einer Sekundärbatterie überschritten bzw. unterschritten werden können. Grund hierfür ist insbesondere die Tatsache, dass ein Batteriemanagementsystem eine elektrische Leistungsfreigabe anhand eines gemittelten Wertes eines Ladezustandes SOCaverage über alle Batteriezellen einer Sekundärbatterie berechnet und somit größere individuelle Abweichungen von Ladezuständen einzelner Batteriezellen zu diesem mittleren Ladezustand keine Berücksichtigung finden. Hierdurch können sich in einer Sekundärbatterie im Zeitverlauf unterschiedliche elektrische Zellspannungen an den einzelnen Batteriezellen einstellen.
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Es existieren nach aktuellem Stand der Technik zwar Varianten des sogenannten „Cell-Balancing“, um Zellspannungsdifferenzen auszugleichen, jedoch wird selbst das effektivste Verfahren des sogenannten „autonomen Cell-Balancing“ erst nach einer längeren Ruheposition eines mit einer Sekundärbatterie ausgestatteten Fahrzeugs initiiert. Während des Betriebs eines Fahrzeugs findet kein „Cell-Balancing“ statt.
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EP 1 814 206 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Balancing einer Vielzahl von mindestens zwei Batteriezellen einer Mehrzellenbatterie, aufweisend eine Mehrzellenbatterie und ein Batterie-Management-System mit einer Balancing-Schaltung. Die einzelnen Batteriezellen sind mit einem Batterieüberwachungssystem verbunden, wobei das Batterieüberwachungssystem jede einzelne elektrische Zellenspannung, die Batterietemperatur und den elektrischen Strom misst. Das Batterieüberwachungssystem kann eine niedrigste elektrische Zellspannung erfassen. Des Weiteren kann das Batterieüberwachungssystem eine Anzahl von Zellen erfassen, deren elektrische Zellspannung höher als eine bestimmte maximal zulässige elektrische Spannung ist, wobei diese Zellen balanciert werden, bis die elektrischen Spannungen dieser Zellen auf einen akzeptablen niedrigeren Wert abgenommen haben. Das Batteriemanagementsystem ist beim Laden und Entladen der Batterie aktiv, wobei die Schwellwerte mit dem Zustand der Batterie variieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum automatischen Regeln einer elektrischen Leistung, die von einer wenigstens zwei Batteriezellen aufweisenden Sekundärbatterie abgegeben wird, wobei
- – Ladezustände aller Batteriezellen in vorgebbaren zeitlichen Abständen wiederholt erfasst werden,
- – aus den erfassten Ladezuständen der Batteriezellen ein mittlerer Ladezustand pro Batteriezelle ermittelt wird,
- – eine Abweichung von wenigstens einem Ladezustand einer Batteriezelle von dem mittleren Ladezustand erfasst wird, und
- – der mittlere Ladezustand und die Abweichung bei der automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung berücksichtigt werden.
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Gemäß der Erfindung werden die Ladezustände aller Batteriezellen in vorgebbaren zeitlichen Abständen wiederholt erfasst und können so bei der automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung berücksichtigt werden. Die wiederholten Erfassungen der Ladezustände der Batteriezellen werden vorzugsweise unabhängig von einem Betriebszustand eines mit einer entsprechenden Sekundärbatterie ausgestatteten Kraftfahrzeugs vorgenommen. Die Ladezustände der Batteriezellen können über Zellüberwachungsschaltungen (sogenannte „Cell-Supervision-Circuits“; CSC‘s) ermittelt werden, welche jeweils einer einzelnen Batteriezelle oder einem aus Batteriezellen zusammengesetzten Modul zugeordnet sind und mit denen die elektrischen Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen erfassbar sind. Aus den elektrischen Zellspannungen der Batteriezellen kann auf den jeweiligen Ladezustand der einzelnen Batteriezellen geschlossen werden.
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Anhand der entsprechend ermittelten Ladezustände der einzelnen Batteriezellen wird der mittlere Ladezustand pro Batteriezelle SOCaverage ermittelt, welcher aufgrund der wiederholten Erfassung der Ladezustände aller Batteriezellen in vorgebbaren zeitlichen Abständen dynamisch an den jeweiligen Betrieb einer Sekundärbatterie angepasst werden kann, um zu einer automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung berücksichtigt werden zu können. Durch die wiederholte Erfassung der Ladezustände aller Batteriezellen in vorgebbaren zeitlichen Abständen werden auch die sich im Betrieb einer Sekundärbatterie ändernden Abweichungen von Ladezuständen einzelner Batteriezellen von dem mittleren Ladezustand pro Batteriezelle automatisch und dynamisch erfasst, um zur automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung berücksichtigbar zu sein.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung kann eine Restkapazität einer Sekundärbatterie nahezu vollständig genutzt werden, was einen Wirkungsgrad der Sekundärbatterie deutlich erhöht. Zudem stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Präventionsmaßnahme dar, welche die Hardware-Komponenten einer Sekundärbatterie schont und hierdurch eine längere Lebensdauer der Sekundärbatterie ermöglicht, insbesondere da Leistungspulsationen durch die hiermit verbundene Sicherheitsfunktion vermieden werden können. Dies impliziert sowohl für die Batteriezellen als auch für die gesamte Elektronik einer Sekundärbatterie eine schonendere Behandlung, was die Lebensdauer aller Batteriekomponenten deutlich erhöht und somit zukünftige Kosten reduziert.
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Die zeitlichen Abstände, in denen die Ladezustände aller Batteriezellen wiederholt erfasst werden, können in einem Bereich von 50 ms bis 150 ms liegen. Vorzugsweise betragen die zeitlichen Abstände 100 ms.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Differenz zwischen einem Ladezustand einer am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und einem Ladezustand einer am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle ermittelt und bei der automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung berücksichtigt. Hiernach kann die von einer Sekundärbatterie abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Ladezustand der am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und dem Ladezustand der am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle automatisch und dynamisch geregelt werden. Der Ladezustand der am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und der Ladezustand der am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle können zu ihrer weiteren Verwendung abgespeichert werden. In Abhängigkeit der ermittelten Differenz kann die von einer Sekundärbatterie abgegebene elektrische Leistung beispielsweise nach unten korrigiert werden. Gerade für große Werte des mittleren Ladezustands pro Batteriezelle SOCaverage kann die abgegebene elektrische Leistung bei einer relativ großen Differenz stärker begrenzt werden, insbesondere um zu verhindern, dass Batteriezellen, die eine sehr große Abweichung ihres Ladezustands von dem mittleren Ladezustand pro Batteriezelle nach oben hin aufweisen, in einen Überspannungs-Bereich eintreten, was entsprechende Batteriezellen schädigen kann. Nach erfolgter wiederholter Erfassung der Ladezustände aller Batteriezellen kann erfasst werden, ob sich der Ladezustand SOCmax einer am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und/oder der Ladezustand SOCmin einer am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle über alle Batteriezellen verändert hat. Sollte diese Bedingung für einen dieser beiden Ladezustandswerte erfüllt sein, verändert sich die ermittelte Differenz zwischen dem Ladezustand der am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und dem Ladezustand der am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle, so dass eine zuvor freigegebene elektrische Leistung entsprechend der neu ermittelten Ladezustände optimal angepasst werden kann. Sollten die Werte für SOCmax oder SOCmin nach dem Zeitintervall hingegen unverändert sein, kann die Sekundärbatterie nach wie vor mit den zuvor berechneten Spezifikationen betrieben werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der mittlere Ladezustand mit einer Funktion multipliziert, die von der ermittelten Differenz (Δ) abhängt, wobei ein Funktionswert der Funktion für die jeweilig ermittelte Differenz aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen den möglichen Werten der ermittelten Differenz und den möglichen Funktionswerten ermittelt wird. Die Funktion kann softwaretechnisch implementiert werden und beispielsweise in Form einer Multiplikator-Funktion für den relevanten Wertebereich gegeben sein. Die Funktion kann ihren jeweiligen Funktionswert x = f(Δ(SOCmax; SOCmin)) aus der vorgegebenen Beziehung zwischen den möglichen Werten der ermittelten Differenz und den möglichen Funktionswerten beziehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die vorgegebene Beziehung durch wenigstens eine Kennlinie definiert wird. Hiernach kann die Funktion ihren jeweiligen Funktionswert aus der Kennlinie oder einer Kennlinienschar beziehen, welche eine vorgegebene feste Beziehung zwischen den möglichen Werten der ermittelten Differenz und den möglichen Funktionswerten darstellt bzw. darstellen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die vorgegebene Beziehung mittels wenigstens eines PI-Reglers definiert. Auch durch den PI-Regler kann eine feste vorgegebene Beziehung zwischen den möglichen Werten der ermittelten Differenz und den möglichen Funktionswerten der Funktion festgelegt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein System, insbesondere für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, zum automatischen und dynamischen Regeln einer von einer wenigstens zwei Batteriezellen aufweisenden Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung, aufweisend wenigstens eine elektronische Einrichtung, welche eingerichtet ist,
- – die Ladezustände aller Batteriezellen in zeitlichen Abständen wiederholt zu erfassen,
- – aus den erfassten Ladezuständen der Batteriezellen einen mittleren Ladezustand pro Batteriezelle zu ermitteln,
- – eine Abweichung von wenigstens einem Ladezustand einer Batteriezelle von dem mittleren Ladezustand zu erfassen, und
- – den mittlere Ladezustand und die Abweichung bei der automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung zu berücksichtigen.
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Das System kann als Batteriemanagementsystem (BMS) ausgebildet sein. Mit dem System sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das System kann pro Batteriezelle eine Zellüberwachungsschaltung (CSC) aufweisen, um die elektrischen Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen erfassen und hieraus die Ladezustände der Batteriezellen ermitteln zu können.
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Die von der Sekundärbatterie abgegebene elektrische Leistung kann aus einer durch ein von einem Fahrer eines Fahrzeugs vorgegebenen Vortriebsmoment abgeleitet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektronische Einrichtung eingerichtet, eine Differenz zwischen einem Ladezustand einer am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und einem Ladezustand einer am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle zu ermitteln und bei der automatischen und dynamischen Regelung der von der Sekundärbatterie abgegebenen elektrischen Leistung zu berücksichtigen. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektronische Einrichtung eingerichtet, den mittleren Ladezustand mit einer Funktion zu multiplizieren, die von der ermittelten Differenz abhängt, und einen Funktionswert der Funktion für die jeweilig ermittelte Differenz aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen den möglichen Werten der ermittelten Differenz und den möglichen Funktionswerten zu ermitteln. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die vorgegebene Beziehung durch wenigstens eine in der elektronischen Einrichtung oder einer separaten Speichereinrichtung hinterlegte Kennlinie definiert ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Ferner wird es als vorteilhaft erachtet, wenn die elektronische Einrichtung wenigstens einen PI-Regler aufweist, durch den die vorgegebene Beziehung definiert ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt
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1: eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 10 wird eine elektrische Leistung durch eine elektrische Maschine von einer Sekundärbatterie abgerufen. In Schritt 11 ermittelt eine elektronische Einrichtung des erfindungsgemäßen Systems die Ladezustände aller Batteriezellen und ermittelt hieraus einen Ladezustand SOCmax einer am höchsten aufgeladenen Batteriezelle und einen Ladezustand SOCmin einer am niedrigsten aufgeladenen Batteriezelle. In Schritt 12 ermittelt die elektronische Einrichtung einen mittleren Ladezustand SOCaverage pro Batteriezelle aus den ermittelten Ladezuständen der einzelnen Batteriezellen. In Schritt 13 ermittelt die elektronische Einrichtung des Systems eine Differenz zwischen dem Ladezustand SOCmax und dem Ladezustand SOCmin. In Schritt 14 begrenzt die elektronische Einrichtung des Systems die von der Sekundärbatterie abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit der in Schritt 13 ermittelten Differenz. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer Kennlinie oder Kennlinienschar in Verbindung mit einer Multiplikatorfunktion erfolgen. Nach einem vorgebbaren zeitlichen Abstand Δt wird mit der elektronischen Einrichtung des Systems in Schritt 15 geprüft, ob sich der Ladezustand SOCmax und/oder der Ladezustand SOCmin verändert haben. Ist dies der Fall, geht die elektronische Einrichtung des Systems zu Schritt 13, um die von der Sekundärbatterie abgegebene elektrische Leistung an die neuen Bedingungen anpassen und regeln zu können. Haben sich der Ladezustand SOCmax und/oder der Ladezustand SOCmin nicht verändert, was in Schritt 15 geprüft wird, kann die Sekundärbatterie in Schritt 16 weiterhin mit den zuvor ermittelten Spezifikationen weiter betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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