DE10260373A1 - Arrangement for electrical energy system functional state testing uses relative deviation of state parameter of cell and/or module relative to that of other cells/modules as functional state measure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionszustandsprüfung eines elektrischen Energie-Systems, welches eine beliebige Energieart in elektrische Energie umwandelt und/oder elektrische Energie bereitstellt, wobei das elektrische Energie-System eine Vielzahl miteinander verschalteter elektrischer Einzelelemente, nachfolgend Zellen genannt, umfasst, sowie das Schaffen eines zugehörigen elektrischen Energie-Systems.The invention relates to a method and a device for checking the functional state of an electrical energy system, which converts any type of energy into electrical energy and / or provides electrical energy, the electrical energy system a variety interconnected individual electrical elements, hereinafter Called cells includes, as well as creating an associated electrical Energy system.
Obwohl solche Systeme aus unterschiedlichen Gebieten bekannt sind, ist das Prinzip des Aufbaus solcher Systeme meistens ähnlich. Mehrere Zellen mit im Wesentlichen identischen Parametern werden miteinander verschaltet. Dabei können eine Vielzahl von Zellen zu so genannten Modulen verschaltet werden und eine Vielzahl von Modulen mit ebenfalls im Wesentlichen identischen Parametern können miteinander verschaltet werden, um letztendlich ein elektrisches Energie-System mit hohen Leistungsparametern zu erlangen. Das Verschalten der Zellen und/oder der Module kann dabei seriell und/oder parallel erfolgen. Als Zellen sind beispielsweise Sekundär- oder Primärzellen, Brennstoffzellen, Solarzellen, kapazitive oder induktive Bauelemente bekannt. Bei besagten elektrischen Energie-Systemen handelt es sich oftmals um Systeme, deren schwächste Zelle das Verhalten des Gesamtssystems beeinflusst bzw. dass diese schwächste Zelle in der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems berücksichtigt werden muss.Although such systems from different Known areas is the principle of building such systems mostly similar. Multiple cells with essentially identical parameters will be interconnected. You can a large number of cells can be connected to so-called modules and a variety of modules with also substantially identical ones Parameters can be interconnected to ultimately create an electrical one Achieve energy system with high performance parameters. The interconnection the cells and / or the modules can be serial and / or parallel respectively. The cells are, for example, secondary or primary cells, Fuel cells, solar cells, capacitive or inductive components known. The said electrical energy systems are often about systems whose weakest Cell influences the behavior of the overall system or that this weakest Cell in efficiency of the overall system is taken into account must become.
Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden solche elektrischen Energiesysteme beispielsweise als Traktionsbatterie verwendet, welche entweder die Gesamtenergie oder einen Teilbetrag der Gesamtenergie bereitstellt, die für den Betrieb eines solchen Fahrzeugs benötigt wird. Dabei unterliegt eine Traktionsbatterie hochdynamischen Lade- und Entladevorgängen, die beispielsweise abhängig sind vom Ladezustand, Temperatur, Betriebsalter und anderen veränderlichen Parametern. Für einen zuverlässigen Betrieb eines solchen Fahrzeugs ist es wichtig, Informationen über die Funktionstüchtigkeit und den Zustand einzelner Zellen und/oder Module und der gesamten Traktionsbatterie in den Steuerungsprozess einfließen zu lassen.For electric or hybrid vehicles such electrical energy systems are used, for example, as a traction battery used which is either the total energy or a partial amount of the total energy required for the operation of such a vehicle needed becomes. A traction battery is subject to highly dynamic charging and unloading processes, which depend for example are variable from the state of charge, temperature, operating age and other Parameters. For reliable operation of such a vehicle it is important to have information about the functionality and the condition of individual cells and / or modules and the whole Let traction batteries flow into the control process.
Es sind Systeme bekannt, bei denen nur die Zustandsgrößen des Gesamtsystems überwacht werden. Darüber hinaus sind auch Systeme bekannt, bei denen auch die Zellen und/oder Module des Gesamtsystems hinsichtlich der Absolutwerte ihrer Zustandsgrößen überwacht werden. Diese Zustandsgrößen des Gesamtsystems und/oder der einzelnen Zellen und/oder Module werden mit festgelegten und/oder berechneten Vergleichswerten verglichen und daraus abgeleitet, ob einzelne Zellen und/oder Module defekt sind, fehlerhaft arbeiten oder außerhalb des zulässigen Betriebszustandes sind. Weil der Einfluss von Umweltfaktoren oder Alterungsprozessen immer nur näherungsweise schätzbar oder berechenbar ist, aber mit der Zeit veränderte Betriebsparameter der Zellen und Module zur Folge hat, führt das Auswerten einzelner Absolutwerte durch Vergleich mit berechneten oder festgelegten Vergleichswerten von Zustandsgrößen nicht immer zu einer richtigen Schlussfolgerung.Systems are known in which only the state variables of the Entire system to be monitored. About that systems are also known in which the cells and / or Modules of the overall system monitored with regard to the absolute values of their state variables become. These state variables of the Entire system and / or the individual cells and / or modules compared with fixed and / or calculated comparison values and derived from whether individual cells and / or modules are defective work incorrectly or outside of the permissible Operating condition. Because of the influence of environmental factors or Aging processes only approximate assessable or is calculable, but the operating parameters change over time Cells and modules results in the evaluation of individual ones Absolute values by comparison with calculated or specified comparison values of state variables not always to a correct conclusion.
Bei weiteren bekannten Systemen erfolgt die Funktionszustandsprüfung eines elektrischen Energiesystems durch Auswerten von Zustandsparametern des gesamten elektrischen Energie-Systems. Bei Notlichtanlagen von Einkaufszentren beispielsweise, bei denen eine Vielzahl von Zellen seriell verschaltet sind und eine Funktionszustandsprüfung die meiste Zeit nur im unbelasteten Zustand erfolgt, führt eine Auswertung der Gesamtleerlaufspannung des elektrischen Energie-Systems nicht immer zur richtigen Schlussfolgerung, weil der Defekt einer einzelnen Zelle meistens nicht dazu führt, dass die untere Gesamtleerlaufspannungsgrenze unterschritten wird, jedoch unter Last zum Zusammenbruch des elektrischen Energie-Systems führt.In other known systems the functional status check of an electrical energy system by evaluating state parameters of the entire electrical energy system. For emergency lighting systems from Malls, for example, where a variety of cells are connected in series and most of the time a functional status check If the time is only unloaded, the total open circuit voltage is evaluated of the electrical energy system is not always the correct conclusion, because the defect of a single cell usually does not cause the lower total open circuit voltage limit is undershot, however leads to the collapse of the electrical energy system under load.
In der
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer Systemzustände und Funktionstüchtigkeit von elektrischen Energie-Systemen, die aus einer Vielzahl elektrischer Zellen bestehen, genauer erkannt werden, sowie ein zugehöriges elektrisches Energie-System zu schaffen.The invention therefore has the technical problem to create a method and a device by means of their system states and functionality of electrical energy systems consisting of a variety of electrical Cells exist, are recognized more precisely, and an associated electrical one To create energy system.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1, 7 and 16. Further advantageous refinements of the invention result from the subclaims.
Hierbei wird mittels mindestens einer Messeinrichtung mindestens eine Zustandsgröße der einzelnen Zellen und/oder Module eines elektrischen Energie-Systems erfasst, wobei in mindestens einer Auswerteeinrichtung die Zustandsgrößen und/oder daraus abgeleitete Größen der Zellen und/oder Module untereinander vergleichbar sind, wobei die relative Abweichung der Zustandsgröße einer Zelle und/oder eines Moduls gegenüber der entsprechenden Zustandsgröße anderer Zellen und/oder Module ein Maß für den Funktionszustand der Zelle und/oder des Moduls darstellt.Here, at least one Measuring device at least one state variable of the individual cells and / or Modules of an electrical energy system are recorded, with at least an evaluation device the state variables and / or derived therefrom Sizes of Cells and / or modules are comparable with each other, the relative deviation of the state variable of a cell and / or one Module opposite the corresponding state quantity of others Cells and / or modules a measure of the functional state represents the cell and / or the module.
Dies ist möglich und auch vorteilhaft, weil alle Module aus im Wesentlichen identischen Zellen aufgebaut sind, die von Umwelteinflüssen (z. B. Temperatur) und Alterungsprozessen gleichmäßig betroffen sind und somit bei voller Funktionstüchtigkeit im Wesentlichen identische Betriebsparameter liefern. Unter der Annahme, dass eine überwiegende Anzahl der Zellen und/oder Module ordnungsgemäß funktioniert, lassen sich fehlerhaft arbeitende oder defekte Zellen und/oder Module durch einen relativen Vergleich der Zustandsgrößen und/oder daraus abgeleiteter Größen aller Zellen und/oder Module untereinander vorteilhafter identifizieren. Der relative Vergleich der Zustandsgrößen und/oder daraus abgeleiteter Größen aller Zellen und/oder aller Module untereinander führt zu genaueren Ergebnissen als der Vergleich der Zustandsgrößen von jeweils nur zwei Zellen, weil zwei Zellen jeweils nur einen kleinen Ausschnitt des gesamten elektrischen Energie-Systems widerspiegeln. Außerdem ist bei dem Vergleich von nur zwei Zellen nicht einfach ermittelbar, welche der beiden Zellen defekt ist, wenn deren Zustandsgrößen voneinander abweichen.This is possible and also advantageous because all modules consist of essentially identical cells are built, which are equally affected by environmental influences (e.g. temperature) and aging processes and thus deliver essentially identical operating parameters with full functionality. Assuming that a predominant number of cells and / or modules are functioning properly, faulty or defective cells and / or modules can be identified more advantageously by comparing the state variables and / or the quantities of all cells and / or modules derived therefrom. The relative comparison of the state variables and / or the variables derived therefrom of all cells and / or of all modules with one another leads to more precise results than the comparison of the state variables of only two cells because two cells each reflect only a small section of the entire electrical energy system. In addition, when only two cells are compared, it is not easy to determine which of the two cells is defective if their state variables differ from one another.
Bei der Ausführungsform, wo die Zustandsgrößen der Zellen erfasst werden, ist zwar der Verkabelungsaufwand ähnlich hoch wie im Stand der Technik, jedoch ist die Genauigkeit der Funktionszustandsprüfung erheblich verbessert. Bei der Alternative, wo nur die Zustandsgrößen der Module erfaßt werden, verringert sich hingegen der Verkabelungsaufwand entsprechend der Anzahl der Zellen pro Modul. Bei dieser Ausführungsform ist hingegen der Funktionszustand einer einzelen Zelle nicht mehr ermittelbar, jedoch kann mittelbar aufgrund des Funktionszustandes des Moduls auf den Funktionszustand der einzelnen innerhalb des Moduls befindlichen Zellen zurückgeschlossen werden. Das Grundprinzip der Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass aufgrund des Gleichlaufs aller Zellen und/oder Module hinsichtlich Alterung, Temperatur etc. aus dem Relativvergleich zuverlässig bestimmen lässt, ob einzelne Zellen und/oder Module innerhalb eines zuverlässigen Streubereiches liegen, oder aber ob eine Zelle und/oder Modul defekt ist.In the embodiment where the state variables of the Cells are recorded, the wiring effort is similarly high as in the prior art, but the accuracy of the functional status check is considerable improved. In the alternative, where only the state variables of the Modules are recorded, however, the amount of cabling is reduced accordingly Number of cells per module. In this embodiment, however, is the functional state a single cell can no longer be determined, but can be indirect due to the functional state of the module on the functional state of the individual cells within the module become. The basic principle of the invention is based on the knowledge that that due to the synchronism of all cells and / or modules regarding Reliably determine aging, temperature etc. from the relative comparison leaves, whether individual cells and / or modules within a reliable spreading range lie, or whether a cell and / or module is defective.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird sowohl der Wert einer Zustandsgröße der einzelnen Zellen als auch der Wert der Zustandsgröße der einzelnen Module jeweils durch eine separate Messeinrichtung erfasst und mindestens einer Auswerteeinrichtung zugeführt, in welcher ein Vergleich der Werte einer Zustandsgröße der Zellen untereinander und ein Vergleich der Werte der entsprechenden Zustandsgröße der Module untereinander erfolgt. Dies erfordert zwar einen höheren Mess- und Verkabelungsaufwand, hat jedoch den Vorteil, dass bei Funktionstüchtigkeit aller Zellen, jedoch mit einem Fehler einer Verbindung zwischen zwei Zellen, der Fehler innerhalb eines Moduls identifizierbar ist.In another embodiment both the value of a state variable of the individual cells and also the value of the state variable of the individual Modules each recorded by a separate measuring device and at least fed to an evaluation device, in which a comparison of the values of a state variable of the cells among themselves and a comparison of the values of the corresponding state variable of the modules takes place among each other. Although this requires a higher measurement and wiring effort, but has the advantage of being functional all cells, but with an error in a connection between two cells, the error is identifiable within a module.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nur jedem Modul eine separate Messeinrichtung zugeordnet, die mindestens eine Zustandsgröße eines jeweiligen Moduls erfasst und an mindestens eine Auswerteeinrichtung übermittelt, in welcher ein Vergleich von Werten der entsprechenden Zustandsgrößen der Module untereinander erfolgt. Weitere Vorteile ergeben sich hierbei durch verringerten Mess- und Verkabelungsaufwand sowie durch einen reduzierten Vergleichs- bzw. Rechenaufwand und geringerem Speicherplatzbedarf, wodurch die Dimensionen der Auswerteeinrichtung verringert werden können. Eine genaue Aussage über den Funktionszustand des gesamten Energie-Systems ist dennoch ermittelbar, weil die Funktionszustände aller Module den Funktionszustand des gesamten Energie-Systems widerspiegeln.In a further preferred embodiment only a separate measuring device is assigned to each module at least one state variable of a of the respective module and transmitted to at least one evaluation device, in which a comparison of values of the corresponding state variables of the Modules are done one below the other. There are further advantages here due to reduced measurement and cabling effort as well as a reduced comparison or computational effort and less storage space, whereby the dimensions of the evaluation device are reduced can. A precise statement about the functional state of the entire energy system can still be determined, because the functional states of all Modules reflect the functional state of the entire energy system.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jedem Modul eine eigene Messeinrichtung (M1–M8) zugeordnet, wobei die Anzahl der Zellen (Za–Zx) je Modul derart gewählt wird, dass die Abweichung der Zustandsgröße aufgrund einer defekten Zelle größer als eine allgemeine Abweichung aufgrund statistischer Streuungen ist.Another advantageous embodiment Each module has its own measuring device (M1 – M8), with the Number of cells (Za – Zx) chosen in this way for each module is that the deviation of the state variable due to a defective Cell larger than is a general deviation due to statistical scatter.
Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der relativen Abweichung durch Bilden der Differenz des Wertes einer Zustandsgröße einer Zelle und/oder eines Moduls von beispielsweise dem Durchschnitt der Werte der entsprechenden Zustandsgröße aller anderen Zellen und/oder Module. Eine relative Abweichung ist beispielsweise auch ermittelbar durch Bilden der Fehlerquadrate oder alternativ anhand einer statistischen Verteilungsfunktion, wie beispielsweise einer Gaußkurve.In another embodiment the relative deviation is determined by forming the Difference in the value of a state variable of a cell and / or one Module of, for example, the average of the values of the corresponding State variable of all other cells and / or modules. A relative deviation is, for example also ascertainable by forming the squares of errors or alternatively based on a statistical distribution function, such as a Gaussian curve.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Zustandstandsgröße der Zellen und/oder Module mindestens die Spannung mittels einer Messeinrichtung erfasst, insbesondere wenn die Zellen und/oder Module seriell verschaltet sind.In a further preferred embodiment is used as the status level of the cells and / or Modules detected at least the voltage by means of a measuring device, especially if the cells and / or modules are connected in series are.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Zellen und/oder Module parallel miteinander verschaltet. Als Zustandsgröße kann dann beispielsweise ein Wert entsprechend dem Strom durch eine jeweilige Zelle bzw. durch ein jeweiliges Modul erfasst werden und als Vergleichsgröße dienen. Ein elektrisches Energie-System kann jedoch auch aus seriell und parallel verschalteten Zellen und/oder Modulen bestehen, wobei entsprechende zugehörige Werte der Spannungen oder Ströme als Vergleichsgrößen dienen können. Es können jedoch auch Größen zum Vergleich verwendet werden, die aus den gemessenen Größen abgeleitet bzw. berechnet werden, wie beispielsweise der Ladezustand.In an alternative embodiment the cells and / or modules are interconnected in parallel. As a state variable can then for example a value corresponding to the current through a respective one Cell or be recorded by a respective module and serve as a comparison variable. However, an electrical energy system can also consist of serial and there are cells and / or modules connected in parallel, with corresponding ones associated Values of voltages or currents serve as comparative values can. It can but also sizes for comparison are used, which are derived or calculated from the measured quantities such as the state of charge.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt den schematischen Aufbau eines elektrischen Energie-Systems.The invention is described below of a preferred embodiment explained in more detail. The only figure shows the schematic structure of an electrical Energy system.
Dabei besteht das elektrische Energie-System aus seriell verschalteten Modulen 1-y, Messeinrichtungen M1–My und einer Auswerteeinrichtung A. Jedes Modul besteht aus einer gleichen Anzahl seriell verknüpfter, im wesendlichen identischer Zellen Za–Zx. Die Zellen können beispielsweise Sekundär- oder Primärzellen, Brennstoffzellen, Solarzellen, kapazitive oder induktive Bauelemente darstellen. Von den Messeinrichtungen M1-My wird beispielsweise ein Wert entsprechend der Spannung der jeweils zugehörigen Module 1-y erfasst und über die Signalleitungen S1–Sy zur Auswerteeinrichtung A übermittelt. Es können jedoch auch andere Zustandsgrößen der Module 1-y, wie beispielsweise Strom oder Innenwiderstand, erfasst werden. In der Auswerteeinrichtung A werden die erfassten Werte der entsprechenden Zustandsgrößen aller Module 1-y relativ untereinander verglichen. Der Vergleich erfolgt beispielsweise durch Bilden der Differenz zwischen dem jeweiligen Wert entsprechend der Spannung eines Moduls und dem Durchschnitt der Werte entsprechend den Spannungen aller anderen Module. Die relative Abweichung des Wertes eines Moduls gegenüber dem Durchschnittswert aller anderen Module bildet dabei ein Maß für den Funktionszustand des jeweiligen Moduls. Wegen des Gleichlaufs der Zellen bzw. der Module und unter der Annahme, dass die überwiegende Anzahl der Module ordnungsgemäß funktioniert, lassen sich fehlerhafte oder nicht funktionstüchtige Module vorteilhaft identifizieren sowie Aussagen über den Funktionszustand des gesamten elektrischen Energie-Systems ermitteln, ohne den Absolutwert jeder einzelnen Zelle zu bestimmen und ihn einem Absolutwert einer berechneten oder festgelegten Vergleichsgröße, die mit einer Fehlergröße behaftet sein kann, gegenüberzustellen.The electrical energy system consists of serially connected modules 1-y, measuring devices M1-My and an evaluation device A. Each module consists of an equal number of serially linked, essentially identical cells Za-Zx. The cells can, for example, secondary or primary cells, fuel cells, solar cells, ka represent capacitive or inductive components. A value corresponding to the voltage of the respective associated modules 1-y is detected by the measuring devices M1-My and transmitted to the evaluation device A via the signal lines S1-Sy. However, other state variables of modules 1-y, such as current or internal resistance, can also be recorded. In the evaluation device A, the detected values of the corresponding state variables of all modules 1-y are compared relatively to one another. The comparison is made, for example, by forming the difference between the respective value corresponding to the voltage of one module and the average of the values corresponding to the voltages of all other modules. The relative deviation of the value of a module from the average value of all other modules is a measure of the functional state of the respective module. Due to the synchronism of the cells or the modules and assuming that the majority of the modules function properly, faulty or non-functional modules can be advantageously identified and statements about the functional state of the entire electrical energy system can be determined without the absolute value of each one To determine the cell and to compare it with an absolute value of a calculated or fixed comparison variable, which may be associated with an error variable.
Beispielsweise bricht die Spannung von Sekundärzellen, die in Entladerichtung belastet werden, auf nahezu Null zusammen und/oder ihr Innenwiderstand steigt, wenn diese einen sehr niedrigen Ladezustand oder innere Defekte wie Elektrolytverlust oder Kurzschluss aufweisen. Dieser Spannungsabfall dieser einzelnen Zelle wirkt sich auf das gesamte Modul aus, das diese Zelle enthält. Und obwohl der Absolutwert der Modulspannung sich noch im erlaubten Betriebsbereich aufhalten kann, kann ein Vergleich der Spannungen aller Module untereinander zeigen, dass dieses eine Modul aufgrund der Abweichung seiner Spannung mindestens eine tiefentladene oder defekte Zelle enthält und dadurch von einer übergeordneten Steuereinheit geeignete Maßnahmen einzuleiten sind, um einen weiteren Defekt des Systems zu vermeiden.For example, the tension breaks of secondary cells, that are loaded in the unloading direction, together to almost zero and / or their internal resistance increases if they are very low State of charge or internal defects such as loss of electrolyte or short circuit exhibit. This voltage drop of this single cell affects on the entire module that contains this cell. And although the absolute value the module voltage is still within the permitted operating range can, a comparison of the voltages of all modules can show with each other, that this one module at least due to the deviation of its voltage contains a deeply discharged or defective cell and thus from a higher-level one Control unit appropriate measures must be initiated in order to avoid a further defect in the system.
Gegebenenfalls übermittelt die Auswerteeinrichtung A ein Signal Sa an eine nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung, um fehlerhafte Module kenntlich zu machen bzw. ein Signal Si an nicht dargestellte geeignete Stellglieder, um beispielsweise nicht funktionstüchtige Module zu überbrücken, freizuschalten oder Module bezüglich ihres abweichenden Funktionszustandes neu einzuregeln. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass nicht die Zustandsgröße bzw. Zustandsgrößen jeder Zelle zu erfassen sind. Dadurch wird der Mess-, Überwachungs- und Verkabelungsaufwand verringert.If necessary, the evaluation device transmits A a signal Sa to a display device, not shown, um to identify defective modules or a signal Si an not Suitable actuators shown, for example, non-functional modules to bridge, unlock or Modules related to readjust their deviating functional state. Advantage of this embodiment is that not everyone's state quantity or state quantities Cell to be recorded. As a result, the measurement, monitoring and cabling effort reduced.
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