DE102021133462B4 - battery and battery control methods - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Batterie, insbesondere einer Batterie , welche mit einem Verbraucher und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers verbunden ist, wobei die Batterie ein Batteriemanagementsystem (BMS) und mindestens eine Zellpackung aufweist, wobei in regelmäßigen Messperioden eine Einzelmessung der Temperatur der Batterie und/oder mindestens einer Zellpackung durchgeführt wird, wobei
die Einzelmessung der Temperatur im Ruhebetrieb der Batterie erfolgt, wobei für den Ruhebetrieb zur regelmäßigen Überprüfung nach einer definierten Ruhedauer eine Weckfunktion durchgeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Einzelmessungen der Temperatur in einem nicht flüchtigen Datenspeicher gespeichert werden, und wobei aus den Einzelmessungen eine kontinuierliche Temperaturexposition im Ruhebetrieb (TER) der Batterie ermittelt und in dem nicht flüchtigen Datenspeicher gespeichert wird.
Method for operating a battery, in particular a battery which is connected to a consumer and a central control and monitoring unit of the consumer, wherein the battery has a battery management system (BMS) and at least one cell pack, wherein an individual measurement of the temperature of the battery and/or at least one cell pack is carried out in regular measurement periods, wherein
the individual measurement of the temperature is carried out in idle mode of the battery, whereby an alarm function is carried out for regular checking after a defined idle period, thereby
characterized by
the individual temperature measurements are stored in a non-volatile data memory, and a continuous temperature exposure in idle mode (TE R ) of the battery is determined from the individual measurements and stored in the non-volatile data memory.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The present invention relates to a method for operating a battery according to the preamble of claim 1 and a battery according to the preamble of claim 11.
Batterien, insbesondere HV-Batterien, die eine Vielzahl von Zellpackungen aufweisen, werden hinsichtlich elektrischer und physikalischer Zustände überwacht, hierzu gehört auch die Überwachung der Temperatur, die im Betrieb der Batterie regelmäßig erfolgt. Hierzu gehört unteranderem auch die Überwachung von thermischen Zuständen, insbesondere die Detektion von sogenannten thermischen Durchbrüchen. Nachteilig an bekannten Lösungen ist, dass die Überwachung der Batterie nur im Betrieb erfolgt.Batteries, especially HV batteries, which have a large number of cell packs, are monitored for electrical and physical conditions, including monitoring the temperature, which is done regularly when the battery is in operation. This also includes monitoring thermal conditions, particularly the detection of so-called thermal breakdowns. The disadvantage of known solutions is that the battery is only monitored when it is in operation.
Während des Ruhebetriebes (Sleep Mode) des Systems ist keine Zustandsüberwachung möglich. Das System wird nur über den TLF-Wakeup oder CAN-Wakeup aufgeweckt und weckt das Gesamtsystem auf. Diese beiden Technologien werden genutzt, um ein koordiniertes Aufwecken einer definierten/wählbaren/beliebigen Anzahl von Zellenpacks zu ermöglichen.While the system is in sleep mode, no status monitoring is possible. The system is only woken up via TLF wakeup or CAN wakeup and wakes up the entire system. These two technologies are used to enable coordinated waking up of a defined/selectable/arbitrary number of cell packs.
Das hierzu eingesetzte Batterie-Steuergerät benötigt eine Energieversorgung über das Niedervolt-Spannungsnetz (LV) des Verbrauchers, in der Regel des Fahrzeugs. Zur Minimierung des Verbrauchs wird das Steuergerät im Ruhebetrieb des Fahrzeugs und der Batterie, also beispielsweise beim Parken abgeschaltet. Somit erfolgt während des Parkens keine Überwachung der Zustandsdaten.The battery control unit used for this requires a power supply via the low-voltage network (LV) of the consumer, usually the vehicle. To minimize consumption, the control unit is switched off when the vehicle and the battery are idle, for example when parking. This means that the status data is not monitored while parking.
Aus der
Aus der
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Erfassung und Prognose des Zustandes der Batterie bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide an improved method for detecting and predicting the condition of the battery.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und eine Batterie nach den Merkmalen des Anspruches 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method according to the features of claim 1 and a battery according to the features of claim 10. Advantageous embodiments are specified in the respective associated subclaims.
Danach wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, insbesondere einer Batterie, welche mit einem Verbraucher und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers verbunden ist, wobei die Batterie ein Batteriemanagementsystem (BMS) und mindestens eine Zellpackung aufweist. Der Verbraucher kann insbesondere ein Kraftfahrzeug sein, wobei dies hierauf nicht beschränkt werden soll und ebenso ein Schienenfahrzeug, Wasserfahrzeug oder ein Flugzeug sein kann. Ebenso kann die Erfindung für stationäre Batteriespeicher genutzt werden.The object is then achieved by a method for operating a battery, in particular a battery which is connected to a consumer and a central control and monitoring unit of the consumer, wherein the battery has a battery management system (BMS) and at least one cell pack. The consumer can in particular be a motor vehicle, although this should not be restricted to this, and can also be a rail vehicle, watercraft or an aircraft. The invention can also be used for stationary battery storage systems.
Erfindungsgemäß wird in regelmäßigen Messperioden eine Einzelmessung der Temperatur der Batterie und/oder mindestens einer Zellpackung durchgeführt, wobei die Einzelmessung der Temperatur im Ruhebetrieb der Batterie erfolgt, wozu während des Ruhebetriebs zur regelmäßigen Überprüfung nach einer definierten Ruhedauer eine Weckfunktion durchgeführt wird. Die Einzelmessungen der Temperatur werden nachfolgend in einem nicht flüchtigen Datenspeicher gespeichert, und aus den Einzelmessungen wird eine kontinuierliche Temperaturexposition im Ruhebetrieb (TER) der Batterie ermittelt und in dem nicht flüchtigen Datenspeicher gespeichert.According to the invention, an individual measurement of the temperature of the battery and/or at least one cell pack is carried out in regular measurement periods, the individual measurement of the temperature being carried out when the battery is in idle mode, for which purpose an alarm function is carried out during idle mode for regular checking after a defined idle period. The individual temperature measurements are subsequently stored in a non-volatile data memory, and a continuous temperature exposure in idle mode (TE R ) of the battery is determined from the individual measurements and stored in the non-volatile data memory.
Vorliegend soll der Begriff „Zellpackung“ als Synonym für eine innere Komponente der Batterie verstanden werden, wie Batteriezelle, Batteriekompartement uvm.In this case, the term “cell pack” should be understood as a synonym for an internal component of the battery, such as battery cell, battery compartment, etc.
Eine umfassendere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Temperatur und/oder der Temperaturverlauf der Batterie und/oder mindestens einer Zellpackung im Betrieb der Batterie gemessen wird und ebenfalls im nichtflüchtigen Datenspeicher als Temperaturexposition im Betriebsmodus gespeichert wird. Diese Temperaturexposition im Ruhebetrieb und die Temperaturexposition im Betriebsmodus werden idealerweise zu einer gesamten Temperaturexposition der Batterie und/oder der mindestens einen Zellpackung kombiniert werden und zusammengefügt.A more comprehensive embodiment of the method consists in measuring the temperature and/or the temperature profile of the battery and/or at least one cell pack during operation of the battery and also storing this in the non-volatile data memory as a temperature exposure in operating mode. This temperature exposure in idle mode and the temperature exposure in operating mode are ideally combined and merged to form an overall temperature exposure of the battery and/or the at least one cell pack.
Der Datenspeicher kann an einem beliebigen Ort innerhalb oder auf der Batterie und insbesondere innerhalb des Batteriemanagementsystems angeordnet sein und ist in geeigneter und nicht näher beschriebener Weise mit den jeweiligen Komponenten datenleitend und ggf. auch stromleitend verbunden.The data storage device can be arranged at any location within or on the battery and in particular within the battery management system and is connected to the respective components in a suitable and not further described manner in such a way that it conducts data and, if necessary, also conducts current.
Da die Erfassung der Temperatur über die gesamte Zeit einen sehr großen Speicherplatz erfordern würde, besteht eine Verfahrensverbesserung darin, die Temperaturexpositionen als diskrete Werte einer Gesamtzeitdauer pro Temperaturbereich zu speichern und/oder diesen Temperaturbereich von beispielsweise ΔT = 5 °C bis 10°C gespeichert und fortgeschrieben werden. Diese Speicherung der Temperatur als Häufigkeitsverteilung, stellt eine massive Reduktion der zu speichernden Daten dar, im Vergleich zu einer Speicherung jedes einzelnen Temperaturpunkts zu jedem Zeitpunkt über die Lebenszeit. Mit der Speicherung der Temperatur als Häufigkeitsverteilung, ist eine Aussage möglich, wie lange die Batterie innerhalb eines Temperaturbereichs verweilt ist. Auf diese Weise können aufgrund von summarischen Expositionszeiten in sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturbereichen entsprechende Folgeschritte zur Warnung, Steuerung und/oder Regelung abgeleitet werden.Since recording the temperature over the entire time would require a very large amount of storage space, an improvement in the method is to store the temperature exposures as discrete values of a total time period per temperature range and/or to store and update this temperature range of, for example, ΔT = 5 °C to 10 °C. This storage of the temperature as a frequency distribution represents a mas This represents a significant reduction in the amount of data that needs to be stored, compared to storing every single temperature point at every point in time over the lifetime. By storing the temperature as a frequency distribution, it is possible to determine how long the battery has remained within a temperature range. In this way, appropriate follow-up steps for warning, control and/or regulation can be derived based on summary exposure times in very high or very low temperature ranges.
Um die Anzahl der Einzelmessungen insbesondere im Ruhebetrieb möglichst gering zu halten und damit die Entladung der Batterie auf ein Minimum zu begrenzen, besteht eine Verbesserung darin, die Temperaturen und damit die gesamten Expositionszeiten der Batterie und/oder der mindestens einen Zellpackung, beispielsweise in einem Temperaturintervall, zwischen zwei Einzelmessungen auf Basis einer Berechnungsformel abzuschätzen. Bei dieser Abschätzung kann vorteilhafterweise angenommen werden, dass für die Berechnungsformel eine stetige Zu- oder Abnahme der Temperatur zwischen zwei Einzelmessungen vorliegt. Diese Abschätzung ist insbesondere dann vorzunehmen, wenn die Messperiode zwischen zwei Einzelmessungen kleiner oder gleich 2 Stunden beträgt und/oder bezogen auf die lokale Tageszeit nicht Wendezeiten überdeckt, wie beispielsweise die Morgenstunden, die Mittagszeit oder Zeiten des Sonnenuntergangs. Somit besteht eine weitere Verbesserung darin, dass der geographische Ort der Batterie, die dortige Jahreszeit und/oder die Verlaufsdaten des Sonnenstandes zur Festlegung der Messperiode herangezogen werden. Idealerweise sind die Messperioden kleiner oder gleich einer Stunde.In order to keep the number of individual measurements as low as possible, particularly in idle mode, and thus to limit battery discharge to a minimum, one improvement is to estimate the temperatures and thus the total exposure times of the battery and/or the at least one cell pack, for example in a temperature interval, between two individual measurements on the basis of a calculation formula. When making this estimate, it can advantageously be assumed that there is a constant increase or decrease in temperature between two individual measurements for the calculation formula. This estimate should be made in particular if the measurement period between two individual measurements is less than or equal to 2 hours and/or does not cover turning points in relation to the local time of day, such as the morning hours, midday or times of sunset. A further improvement is therefore that the geographical location of the battery, the time of year there and/or the history data of the position of the sun are used to determine the measurement period. Ideally, the measurement periods are less than or equal to one hour.
Da bei der Definition der Messperiode abgewogen werden muss, wie viele Speicherzyklen im Datenspeicher möglich sind und wie groß der maximale Energieverbrauch des Mikroprozessors sein darf. Idealerweise sind die Messperioden so kurz wie möglich.When defining the measurement period, it is necessary to consider how many memory cycles are possible in the data memory and how high the maximum energy consumption of the microprocessor can be. Ideally, the measurement periods are as short as possible.
Ein zentraler Vorteil dieser Erfindung ist es, dass statt einer aktiven Messung mit hohem Energieverbrauch, eine sehr energiesparende Abschätzung der Batterietemperatur über die gesamte Lebenszeit (Betrieb und Nicht-Betrieb) durchgeführt wird.A key advantage of this invention is that instead of an active measurement with high energy consumption, a very energy-saving estimation of the battery temperature is carried out over the entire lifetime (operation and non-operation).
Vorteilhafterweise wird der Temperaturverlauf zwischen Einzelmessungen zum Zeitpunkt t1 und t2 nach mindestens einem der folgenden Berechnungsformeln abgeschätzt T(t):
- T ist konstant
- T(t) hat einen linearen (geraden)Verlauf
- T(t) hat den Verlauf gemäß einer Gleichung zweiter oder höherer Ordnung, insbesondere einer Hyperbel
- T is constant
- T(t) has a linear (straight) course
- T(t) has the course according to a second or higher order equation, in particular a hyperbola
Bei T(t) verläuft also als Sprungantwort in erster Ordnung nach der folgenden Gleichung:
Hierbei kann die Expositionszeit der Batterie oder der Batteriezelle wie folgt abgeschätzt werden:
Hierin bedeutet
- k: Offset zwischen Umgebungstemperatur direkt außerhalb der Zelle oder des Zellenpacks und der Temperatur der Zelle oder des Zellenpacks, unabhängig von der Isolation.
- T: Temperatur der Batterie in K
- Taußen: Temperatur in K der Atmosphäre
- τ: charakteristische Abkühlzeit ohne Isolation in Sekunden, die laborseitig mittels Thermotests ermittelt wurde.
- k: Offset between ambient temperature directly outside the cell or cell pack and the temperature of the cell or cell pack, independent of insulation.
- T: Battery temperature in K
- T outside : temperature in K of the atmosphere
- τ: characteristic cooling time without insulation in seconds, determined in the laboratory by means of thermal tests.
Hierbei ist ein besonderer Vorteil und ein Bestandteil der Erfindung, dass keine direkte Messung der Umgebungstemperatur notwendig ist, die über das zentrale Steuergerät des Fahrzeuges erfolgen müsste und einen entsprechend hohen Energiebedarf hätte.A particular advantage and a component of the invention is that no direct measurement of the ambient temperature is necessary, which would have to be carried out via the central control unit of the vehicle and would have a correspondingly high energy requirement.
Das Verfahren kann dahingehend weiter verbessert werden, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) und/oder die zentrale Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers mindestens einen Mikrocontroller umfasst, welcher nach einer definierten Ruhephase die Einzelmessungen
- - der Temperatur der Batterie und/oder der mindestens einen Zellpackung oder zusätzlich
- - der Außentemperatur (Taußen) veranlasst.
- - the temperature of the battery and/or the at least one cell pack or additionally
- - the outside temperature (T outside ).
Aus den so erfassten und gespeicherten Einzelmessungen, den abgeleiteten Daten oder den Messwerten, kann vorteilhafterweise vom Batteriemanagementsystem (BMS) in Abhängigkeit von der Temperaturexposition im Ruhebetrieb (TER) und/oder im Betriebsmodus (TEB)
- - Warn- und Hinweissignale gesendet werden und/oder
- - Steuer- und/oder Regelungsdaten an die Batterie und/oder einen angeschlossenen Verbraucher gesendet werden, insbesondere Daten über eine prognostizierte Leistungsabgabe/-dauer.
- - warning and information signals are sent and/or
- - Control and/or regulation data are sent to the battery and/or a connected consumer, in particular data on a forecast power output/duration.
Hierbei sind mit Warn- und Hinweissignale alle optisch- und/oder akustisch wahrnehmbaren Hinweise gemeint, insbesondere die Auskunft über Zustands- oder Leistungsdaten der Batterie liefern und hieraus abgeleitete Information, wie beispielsweise veränderten Reichweiten für eine Fahrtstrecke eines Verbrauchers, aufgrund der Leistung einschließlich der Alterungseffekte aus langen Expositionszeiten in bestimmten Temperaturbereichen.In this context, warning and information signals are all optically and/or acoustically perceptible indications, in particular those that provide information on the status or performance data of the battery and information derived from this, such as changes in the range for a consumer's journey due to the performance, including the ageing effects from long exposure times in certain temperature ranges.
Hierbei meint „Ruhebetrieb“ der Batterie, dass der Verbraucher abgeschaltet ist und die Batterie hierfür nicht als Spannungsquelle dient. Insbesondere wird im Ruhebetrieb die Batterie nicht von einem Verbraucher zu dessen Antrieb genutzt (Arbeitsbetrieb), auch nicht in einem kurzfristigen Generatorbetrieb. Weiterhin meint „Ruhebetrieb“ auch nicht den „Ladebetrieb“, bei welchem die Batterie an einer stationären Ladestation aufgeladen wird. Weiterhin meint „Überprüfung“ oder „Überprüfungsschritt“ alle Messungen, Erfassungen und Datenauswertungen, die auch im Zusammenhang und zum Zwecke der Detektion eines thermischen Events (Thermal Runaways) stehen kann.In this case, “standby mode” of the battery means that the consumer is switched off and the battery is not used as a voltage source for this. In particular, in standby mode the battery is not used by a consumer to power it (working mode), not even in short-term generator mode. Furthermore, “standby mode” does not mean “charging mode”, in which the battery is charged at a stationary charging station. Furthermore, “checking” or “checking step” means all measurements, recordings and data evaluations that can also be related to and for the purpose of detecting a thermal event (thermal runaways).
Eine vorteilhafte Verfahrensvariante besteht darin, dass die Ruhedauer oder Ruheperiode bis zur nächsten Einzelmessung in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der letzten Einzelmessung erfolgt, so dass beispielsweise bei sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen eine kleine Zeitdauer, von beispielsweise kleiner als 30 Minuten bis zur nächsten Einzelmessung gewählt wird, um die Alterung der Batterie möglichst korrekt einzuschätzen. Bei moderaten Temperaturen kann hingegen eine längere Zeitdauer zwischen den Einzelmessungen bis zu 2 oder 3 Stunden gewählt werden, weil diese für die Alterung der Batterie nur einen geringeren Einfluss haben.An advantageous variant of the method is that the rest period until the next individual measurement depends on the respective level of the last individual measurement, so that, for example, at very high or very low temperatures, a short period of time, for example less than 30 minutes, is selected until the next individual measurement in order to estimate the ageing of the battery as accurately as possible. At moderate temperatures, however, a longer period of time of up to 2 or 3 hours can be selected between the individual measurements because this has only a smaller influence on the ageing of the battery.
Der besondere Vorteil besteht nun darin, dass auf diese Weise eine quasi vollständige Zustandsüberwachung des Batteriesystems hinsichtlich der Temperaturexposition erfolgt, so dass deren Alterung und insbesondere Leistungsvermögen und Lebenszeit optimal abgeschätzt werden kann.The particular advantage is that this method allows for a virtually complete monitoring of the condition of the battery system with regard to temperature exposure, so that its aging and in particular its performance and service life can be optimally estimated.
Einer Verbesserung besteht darin, dass die Weckfunktion von der Hauptsteuerungseinheit auf mindestens einen Mikrocontroller ausgelagert wird, der nicht auf der Hauptsteuerungseinheit oder der Hauptplatine angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass diese einfache Weckfunktion jeder nachgeordnete Mikrocontroller ausführen kann, so dass idealerweise derjenige Mikrocontroller der Batterie gewählt werden sollte, dessen Betrieb die geringste Energie erfordert.One improvement is that the wake-up function is outsourced from the main control unit to at least one microcontroller that is not located on the main control unit or the motherboard. This has the advantage that this simple wake-up function can be performed by any downstream microcontroller, so ideally the battery microcontroller should be chosen whose operation requires the least energy.
Beim Aufwecken werden alle Komponenten aktiviert, die zur Messung der Batterietemperatur, zur Berechnung der oben genannten Formeln und zur Speicherung in den nicht volatilen Speicher erforderlich sind. Erfolgt das Aufwecken durch einen nachgeordneten Mikrocontroller ohne ein Aufwecken der Hauptplatine, erfolgt muss sichergestellt sein, dass alle beschriebenen notwendigen Komponenten auch auf diesem nachgelagerten Microcontroller vorhanden sind.When waking up, all components are activated that are required to measure the battery temperature, calculate the above formulas and store the data in the non-volatile memory. If the waking up is done by a downstream microcontroller without waking up the main board, it must be ensured that all of the necessary components described are also present on this downstream microcontroller.
Insgesamt besteht eine Verbesserung darin, dass die zum festgelegten Aufwachzyklus kleinere Zeitdauer vom letzten zyklischen Aufwachen bis zu einem extern veranlassten Aufwachen oder Systemstart erfasst und gespeichert wird, um einen „Blind Spot“ zwischen dem letzten zyklischen Aufwachen der Batterie und dem extern veranlassten Aufwachen zu vermeiden. Hierzu ist mindestens eine entsprechende, zeiterfassende Hardware-Komponente auf einem Zellmessboard oder einem Mikroprozessor einer übergeordneten Hauptsteuerung vorgesehen.Overall, an improvement is that the time period from the last cyclical wake-up to an externally initiated wake-up or system start, which is smaller than the defined wake-up cycle, is recorded and stored in order to avoid a "blind spot" between the last cyclical wake-up of the battery and the externally initiated wake-up. For this purpose, at least one corresponding time-recording hardware component is provided on a cell measurement board or a microprocessor of a higher-level main control system.
Von der Erfindung ist weiterhin eine Batterie für einen Verbraucher umfasst, wobei der Verbraucher insbesondere Fahrzeug (Pkw) ist. Die Batterie ist dabei als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet und umfasst ein Batteriemanagementsystem (BMS) und mindestens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Batterie und/oder mindestens einer Zellpackung der Batterie. Vorteilhafterweise sind auf einer Vielzahl von Temperatursensoren, insbesondere ist auf jeder Zelle/-packung ein Temperatursensor angeordnet. Die Temperatursensoren sind auf oder an den Batteriezellen angeordnet, deren eigene Temperatur oder die Temperatur einer Nachbarzelle überwacht werden soll. Hierbei ist der Temperatursensor datenleitend mit der Steuerungseinheit verbunden.The invention further includes a battery for a consumer, the consumer being in particular a vehicle (car). The battery is designed as a high-voltage battery (HV battery) and comprises a battery management system (BMS) and at least one temperature sensor for detecting the temperature of the battery and/or at least one cell pack of the battery. Advantageously, a plurality of temperature sensors are arranged, in particular one temperature sensor is arranged on each cell/pack. The temperature sensors are arranged on or at the battery cells whose own temperature or the temperature of a neighboring cell is to be monitored. The temperature sensor is connected to the control unit in a data-conducting manner.
Hierbei ist das Batteriemanagementsystem (BMS) dazu ausgelegt, die Temperaturerfassung und Datenspeicherung nach einem der vorherigen Verfahrensvarianten auszuführen.The battery management system (BMS) is designed to carry out temperature detection and data storage according to one of the previous process variants.
Bei einer verbesserten Ausführungsform der Batterie, weist das Batteriemanagementsystem (BMS) mindestens einen Temperatursensor auf und/oder ist mit mindestens einem Temperatursensor verbunden, mittels welchem die Außentemperatur direkt oder mittelbar erfassbar ist. Bei einer weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Batterie, ist eine zentrale Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers mit der Batterie und/oder dem Batteriemanagementsystem (BMS) verbunden, wobei die zentrale Steuer- und Überwachungseinheit ausgebildet ist, um Teilberechnungen der Temperaturexposition, Speicherung der hiermit verbundenen Daten und/oder Messwerte oder die Steuerung der Ruhedauer vorzunehmen.In an improved embodiment of the battery, the battery management system (BMS) has at least one temperature sensor and/or is connected to at least one temperature sensor, by means of which the outside temperature can be detected directly or indirectly. In a further improvement of the battery according to the invention, a central control and monitoring unit of the consumer is connected to the battery and/or the battery management system (BMS), wherein the central control and monitoring unit is designed to carry out partial calculations of the temperature exposure, storage of the associated data and/or measured values or control the rest period.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Batterie umfasst diese mindestens einen weiteren Temperatursensor auf oder an einer Hauptplatine, wobei der Temperatursensor datenleitend direkt oder mittelbar mit einem Mikroprozessor und/oder einer Hauptsteuerungseinheit der Batterie verbunden ist. Da dieser (zentrale) Temperatursensor räumlich entfernt von den Batteriezellen oder Zellenpacks angeordnet ist, kann mittels dieses zentralen Temperatursensors eine Temperaturmessung vorgenommen werden, die im Regelfall näher an der Umgebungstemperatur liegt und auch als Kontrollmessung zu spezifischen Zelltemperaturen dienen kann.In a further embodiment of the battery, it comprises at least one further temperature sensor on or on a main board, wherein the temperature sensor is connected in a data-conducting manner directly or indirectly to a microprocessor and/or a main control unit of the battery. Since this (central) temperature sensor is arranged spatially away from the battery cells or cell packs, a temperature measurement can be taken using this central temperature sensor, which is usually closer to the ambient temperature and can also serve as a control measurement for specific cell temperatures.
Hierbei ist „verbunden sein“ oder „in Verbindung stehen“ nicht einschränkend zu verstehen und meint sowohl eine oder mehrere Verbindungen zur Spannungs- und Stromversorgung als auch zur datenleitenden Kommunikation. Die Kommunikation kann insbesondere als eine der üblichen Bustechnologien oder seriellen Schnittstellen ausgebildet sein, durch separate Einzelkabel oder moduliert auf ein oder mehrere stromführende Einzelkabel.In this context, “being connected” or “being in connection” is not to be understood in a restrictive sense and means one or more connections to the voltage and power supply as well as to data-conducting communication. The communication can in particular be designed as one of the usual bus technologies or serial interfaces, through separate individual cables or modulated onto one or more current-carrying individual cables.
Der große Vorteil besteht bei dieser Lösung darin, dass auf bei einem abgeschalteten Verbraucher und im Ruhebetrieb der Batterie, sehr energiesparend ein vollständiger Verlauf der Temperaturexposition der Batterie vorgenommen wird und diese Daten für die Bewertung der Lebensdauer, Sicherheit und der Leistungsfähigkeit der Batterie nutzbar sind.The great advantage of this solution is that a complete history of the temperature exposure of the battery is carried out in a very energy-saving manner when the consumer is switched off and the battery is in idle mode, and this data can be used to evaluate the service life, safety and performance of the battery.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.Further details and advantages of the invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings.
Es zeigen:
-
1 den Temperaturverlauf der Batterie über eine Expositionsdauer im Betriebs- und im Ruhebetrieb, -
2 den Temperaturverlauf der Batterie nach1 , wobei lineare Abschätzungen der Temperaturverläufe im Ruhebetrieb vorgenommen wurden und -
3 den Temperaturverlauf der Batterie nach1 mit einer zur2 alternativen Abschätzung der Temperaturläufe im Ruhebetrieb.
-
1 the temperature profile of the battery over an exposure period in operating and idle mode, -
2 the temperature curve of the battery after1 , whereby linear estimates of the temperature profiles were made during idle operation and -
3 the temperature curve of the battery after1 with a2 alternative estimation of the temperature runs during idle operation.
In der
Das letzte Zeitintervall (Endphase 6) zwischen dem Messzeitpunkt 3.4 und dem erneuten Beginn des Betriebsmodus I. zum Startzeitpunkt 4, wenn beispielsweise der Pkw erneut in Nutzung genommen wird, ist kürzer als die vorherigen Zeitabstände. Als Vereinfachung wurde vorliegend angenommen, dass der Weckzeitpunkt und der Messzeitpunkt identisch sind, was in der Realität natürlich nicht der Fall ist, da zeitlich unterschiedliche und einen gewissen Zeitraum umfassende Abläufe im Fall des Weckens ebenso vorliegen, wie den eigentlichen Messvorgang, was für die vorliegenden Zeitspannen von mehreren Minuten bis hin zu Stunden von einer Einzelmessung bis zur nachfolgenden Einzelmessung geringe bzw. keine Relevanz hat. Sobald die Batterie aufgeweckt worden ist, wird die Temperatur in sehr hohen Abtastraten von beispielsweise 10Hz aufgezeichnet. Es liegt dann also immer die Batterietemperatur (annähernd) zum Zeitpunkt des Aufweckens vor, so dass eine Messung zum Zeitpunkt des Startens beispielsweise des Fahrzeugs, also in jedem Fall gegeben ist.The last time interval (end phase 6) between the measurement time 3.4 and the renewed start of operating mode I at the start time 4, when the car is used again, for example, is shorter than the previous time intervals. For the sake of simplicity, it was assumed that the time of waking and the time of measurement are identical, which is of course not the case in reality, since there are different processes in the case of waking that cover a certain period of time, as well as the actual measurement process, which has little or no relevance for the time spans of several minutes to hours from an individual measurement to the subsequent individual measurement. As soon as the battery has been woken up, the temperature is recorded at very high sampling rates of 10 Hz, for example. The battery temperature is therefore always (approximately) at the time of waking up, so that a measurement is always taken at the time of starting the vehicle, for example.
Zur zeitlichen Kalkulation dieses „Blind Spot“ zwischen dem letzten zyklischen Aufwachen der Batterie und dem extern veranlassten Aufwachen der Batterie, wird vorteilhafterweise eine entsprechende Hardware-Komponente auf dem Zellmessboard oder dem Mikroprozessor einer übergeordneten Hauptsteuerung integriert.To calculate the time of this “blind spot” between the last cyclical wake-up of the battery and the externally initiated wake-up of the battery, a corresponding hardware component is advantageously integrated on the cell measurement board or the microprocessor of a higher-level main control system.
Im dem einfachsten Ausführungsbeispiel einer vollständigen Erfassung der temperaturabhängigen Exposition der Batterie über die Zeit bei einem jeweiligen Temperaturniveau, kann bei einer konservativen, sicherheitsorientierten Abschätzung die Temperatur der jeweiligen letzten Einzelmessung bis zur nachfolgenden Einzelmessung als konstant angenommen und fortgeschrieben werden. In dem vorliegenden Beispiel würden sich so fünf Temperaturen/-niveaus ergeben, zum Abschaltzeitpunkt bis zum ersten Messzeitpunkt 3.1 im Ruhebetrieb I, drei Temperaturen/-niveaus zwischen den Messzeitpunkten 3.1 ... 3.3 und die Temperatur bzw. das Temperaturniveau vom vierten Messzeitpunkt 3.4 bis zum Startzeitpunkt 4.In the simplest embodiment of a complete recording of the temperature-dependent exposure of the battery over time at a particular temperature level, the temperature of the respective last individual measurement can be assumed to be constant and continued until the subsequent individual measurement in a conservative, safety-oriented estimate. In the present example, this would result in five temperatures/levels, from the switch-off time to the first measurement time 3.1 in idle mode I, three temperatures/levels between the measurement times 3.1 ... 3.3 and the temperature or temperature level from the fourth measurement time 3.4 to the start time 4.
Alternativ könnte die Exposition über die Temperaturen dahingehend abgeschätzt und erfasst werden, dass die zum jeweiligen Messzeitpunkt 3.1 ... 3.4 ermitteltet Temperatur als vorlaufend konstant angenommen wird. Dies würde analog für die Endphase erfolgen, für die die Temperatur zum Startzeitpunkt 4 als vorlaufend konstant angenommen werden würde.Alternatively, the exposure could be estimated and recorded using temperatures in such a way that the temperature determined at the respective measurement time 3.1 ... 3.4 is assumed to be constant in advance. This would be done analogously for the final phase, for which the temperature at the start time 4 would be assumed to be constant in advance.
Alternativ kann der Mittelwert der Temperaturen bei zwei Aufwachzeitpunkten genutzt werden.Alternatively, the average of the temperatures at two waking times can be used.
In dem Beispiel nach
In dem Ausführungsbeispiel nach
Hierbei wurde für jedes Zeitintervall zwischen zwei Einzelmessungen 3.1 ... 3.4 in der Ruhephase II. folgender Zusammenhang angenommen:
Hierbei ist/sind
- ▪ t1, t2 die Zeitpunkte der Messung
- ▪ TB die Temperatur der Batterie und/oder eines Zellpacks, wobei TB(t1) entspricht T1 und TB(t2) entspricht T2.
- ▪ Taußen die Temperatur außerhalb der Batterie und/oder des Zellpacks, insb. Umgebungstemperatur
- ▪ τ die charakteristische Abkühlzeit als laborseitig bestimmter Verlauf der Abkühlung der Batterie ohne Isolierung.
- ▪ t 1 , t 2 the times of the measurement
- ▪ T B is the temperature of the battery and/or a cell pack, where T B (t 1 ) corresponds to T 1 and T B (t2) corresponds to T 2 .
- ▪ T outside the temperature outside the battery and/or the cell pack, especially the ambient temperature
- ▪ τ is the characteristic cooling time as the laboratory-determined cooling course of the battery without insulation.
Weiterhin kann die Außentemperatur aus den gemessenen Batterietemperaturen und der charakteristischen Abkühlzeit abgeschätzt werden, so dass eine Unabhängigkeit von der direkten Messung der Umgebungstemperatur gegeben ist. Die Umgebungstemperatur kann beispielsweise nach folgender Gleichung abgeschätzt werden:
Analog zu den vorherigen Verfahrensvarianten kann der Temperaturverlauf in der Endphase 6 aus dem vorherigen Verlauf 5.4 mittels Extrapolation abgeschätzt werden.Analogous to the previous process variants, the temperature curve in the final phase 6 can be estimated from the previous curve 5.4 by means of extrapolation.
Es versteht sich, dass der parabolische Temperaturverlauf der Abkühlung der Batterie auch mit geeigneten anderen mathematischen Verfahren abgeschätzt und in Annäherung beschrieben werden kann.It is understood that the parabolic temperature curve of the cooling of the battery can also be estimated and approximately described using other suitable mathematical methods.
Insbesondere kann unmittelbar auf einen kritischen Fehler geschlossen werden (Thermal Runaway), wenn die Temperatur der Batterie im Ruhebetrieb entgegen dem tieferen Temperaturniveau der Umgebung weiter ansteigt.
Weiterhin kann unmittelbar auf einen kritischen Fehler geschlossen werden, wenn die Temperatur einer einzelnen Zelle oder eines Zellenmoduls weiter ansteigt, entgegen der Temperaturen der anderen Zellen oder Zellenmodule.In particular, a critical fault (thermal runaway) can be immediately concluded if the temperature of the battery continues to rise during idle mode, contrary to the lower temperature level of the environment.
Furthermore, a critical fault can be immediately concluded if the temperature of an individual cell or cell module continues to rise, contrary to the temperatures of the other cells or cell modules.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Temperaturverlauftemperature curve
- 22
- Abschaltungszeitpunktshutdown time
- 33
- Weck- und Messzeitpunkt (auch 3.1, ... 3.4)Wake-up and measurement time (also 3.1, ... 3.4)
- 44
- Startzeitpunktstart time
- 55
- Temperaturverlauf, abgeschätzt (auch 5.1 ... 5.4)Temperature profile, estimated (also 5.1 ... 5.4)
- 66
- Endphase final phase
- II
- Betriebsmodusoperating mode
- IIII
- Ruhebetriebidle mode
Claims (12)
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2022
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