Verfahren und Steuergerät zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Batteriesystemsteuerung zum Steuern eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien.

Bei einem Batteriesystem mit mehreren parallel geschalteten Batterien sind die einzelnen Batterien in der Regel nicht exakt gleich und weisen daher auch nicht exakt die gleichen elektrischen Eigenschaften auf. Die Ursachen hierfür können Unterschiede bei der Herstellung und ein unterschiedliches Alterungsverhalten sein. Daher kann es auch bei einer Parallelschaltung von baugleichen Batterien zu einer unterschiedlichen Stromverteilung kommen. Beim Betrieb des Batteriesystems müssen in jedem Fall individuelle Stromgrenzen der einzelnen Batterien eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien zu schaffen, mit denen die Maximalstromgrenze des Batteriesystems zuverlässig bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien zur Verfügung gestellt, wobei die folgenden Maßnahmen durchgeführt werden:

Erfassen eines jeweiligen Einzelstromes an den mindestens zwei Batterien,

Erfassen eines Gesamtstromes des Batteriesystems,

Bestimmen eines jeweiligen Stromverhältnisses zwischen den erfassten Einzelströmen und dem erfassten Gesamtstrom,

Bestimmen von maximalen Individualstromgrenzen des Batteriesystems jeweils für jede der mindestens zwei Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Stromverhältnis und einer nominellen Maximalstromgrenze der jeweiligen Batterie; und/oder

Empfangen oder Schätzen eines jeweiligen Einzelwiderstandes der mindestens zwei Batterien,

Empfangen oder Schätzen eines Gesamtwiderstandes des Batteriesystems,

Bestimmen eines jeweiligen Widerstandsverhältnisses zwischen den empfangenen oder geschätzten Einzelwiderständen und dem empfangenen oder geschätzten Gesamtwiderstand,

Bestimmen von maximalen Individualstromgrenzen des Batteriesystems jeweils für jede der mindestens zwei Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Wderstandsverhältnis und einer nominellen Maximalstromgrenze der jeweiligen Batterie;

Auswählen der kleinsten bestimmten maximalen Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze des Batteriesystems, Bereitstellen der bestimmten Maximalstromgrenze als Maximalstromgrenzensignal.

Ferner wird insbesondere ein Steuergerät zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien geschaffen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die folgenden Maßnahmen durchzuführen:

Empfangen eines jeweils an den mindestens zwei Batterien erfassten Einzelstromes, Empfangen eines erfassten Gesamtstromes des Batteriesystems,

Bestimmen eines jeweiligen Stromverhältnisses zwischen den erfassten Einzelströmen und dem erfassten Gesamtstrom,

Bestimmen von maximalen Individualstromgrenzen des Batteriesystems jeweils für jede der mindestens zwei Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Stromverhältnis und einer nominellen Maximalstromgrenze der jeweiligen Batterie; und/oder

Empfangen oder Schätzen eines jeweiligen Einzelwiderstandes der mindestens zwei Batterien,

Empfangen oder Schätzen eines Gesamtwiderstandes des Batteriesystems,

Bestimmen eines jeweiligen Wderstandsverhältnisses zwischen den empfangenen oder geschätzten Einzelwiderständen und dem empfangenen oder geschätzten Gesamtwiderstand,

Bestimmen von maximalen Individualstromgrenzen des Batteriesystems jeweils für jede der mindestens zwei Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Widerstandsverhältnis und einer nominellen Maximalstromgrenze der jeweiligen Batterie; Auswählen der kleinsten bestimmten maximalen Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze des Batteriesystems, Bereitstellen der bestimmten Maximalstromgrenze als Maximalstromgrenzensignal.

Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen es, eine Maximalstromgrenze über einen gesamten Betriebsbereich des Batteriesystems zuverlässig zu bestimmen. Hierbei können zwei Vorgehensweisen zum Einsatz kommen: Bei der ersten Vorgehensweise wird aus an den Batterien erfassten Einzelströmen und einem an dem Batteriesystem erfassten Gesamtstrom für jede der Batterien ein Stromverhältnis bestimmt. Ausgehend von dem jeweils bestimmten Stromverhältnis und einer nominellen Maximalstromgrenze wird für jede der Batterien eine maximale Individualstromgrenze des Batteriesystems bestimmt. Hiervon wird die kleinste der bestimmten maximalen Individualstromgrenzen ausgewählt. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die hinsichtlich eines maximalen Stromes „schwächste“ Batterie einen maximal möglichen Gesamtstrom des Batteriesystems definiert, da der maximale Strom dieser Batterie nicht überschritten werden darf. Bei der zweiten Vorgehensweise werden alternativ oder zusätzlich in ähnlicher Weise Widerstandsverhältnisse bestimmt und zum Bestimmen von maximalen Individualstromgrenzen verwendet. Die jeweiligen Ergebnisse können insbesondere auch zusammengefasst und miteinander kombiniert werden. Die erste Vorgehensweise funktioniert besonders gut bei großen Strömen, wohingegen die zweite Vorgehensweise von Vorteil ist bei kleineren Strömen, bei denen ein Fehler beim Erfassen der Ströme größer ist, sodass ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis sinkt.

Die Batterien des Batteriesystems sind insbesondere parallel geschaltet. An jeder der Batterien kann ein Einzelstrom mittels eines Stromsensors erfasst werden. Ferner wird auch ein Gesamtstrom des Batteriesystems, insbesondere mittels eines Stromsensors, erfasst. Jede der Batterien weist eine vorgegebene nominelle Maximalstromgrenze auf.

Teile des Steuergeräts können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.

Die beiden Vorgehensweisen werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Beispielhaft wird hierzu ein Batteriesystem mit zwei parallel geschalteten Batterien betrachtet. Für die Batterien sind beispielsweise die folgenden nominellen Maximalstromgrenzen vorgegeben: ll ,max ^— 150 A b.max ⁼ 150 A

Die erfassten Einzelströme und ein Gesamtstrom sind beispielsweise:

Isystem ^— 200 A = 110 A l ₂ = 90 A

Hieraus ergeben sich die folgenden Stromverhältnisse:

RatiOi _,i = I _system / h = 200 A / 110 A = 1,81 Ratio _2,i = Isystem / 1 ₂ = 200 A / 90 A = 2,22

Hieraus ergeben sich die folgenden maximalen Individualstromgrenzen: h ,maxsystem,l ⁼ RatlOi ' l i ,max ⁼ 1 ,81 150 A ⁼ 271,5 A l2,maxsystem,l ⁼ Ratl02,l l2,max ⁼ 2,22 150 A ⁼ 333 A

Hiervon wird die kleinste bestimmte maximale Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze des Batteriesystems ausgewählt:

I max, System, I ^— min_n(ln,rnaxsystern,l) ^— min(l i ,maxsystem,l, l2,maxsystem,l)

= min(271 ,5 A, 333 A) = 271 ,5 A

In dem Beispiel wäre die erste Batterie die hinsichtlich eines maximalen Stroms „schwächere“ Batterie, sodass ein Gesamtstrom des Batteriesystems in Abhängigkeit dieser Batterie auf einen maximalen Strom von 271 ,5 A begrenzt werden muss, damit eine nominelle Maximalstromgrenze dieser Batterie nicht überschritten wird. Im Vergleich zu einer nominellen Maximalstromgrenze des Batteriesystems von 150 A + 150 A = 300 A, ist die bestimmte Maximalstromgrenze kleiner. Würde ein Gesamtstrom von 271,5 A, das heißt bis zur bestimmten Maximalstromgrenze, aus dem Batteriesystem bereitgestellt, so stellt die erste („schwächere“) Batterie einen Strom an ihrer nominellen Maximalstromgrenze von 150 A bereit, während die zweite Batterie nur 121,5 A bereitstellt.

In der zweiten Vorgehensweise werden Einzelwiderstände der beiden Batterien und ein Gesamtwiderstand empfangen, welche beispielsweise die folgenden Werte aufweisen:

Rsystem ⁼ 50 mQ Ri = 90 mQ R ₂ = 110 mQ

Die Werte können beispielsweise von einer Batteriesteuerung nach an sich bekannten Verfahren geschätzt werden und von dieser dem Steuergerät bereitgestellt werden.

Hieraus ergeben sich die folgenden Widerstandsverhältnisse:

RatiOi. _R = Ri / Rsystem = 90 mQ / 50 mQ = 1,8 Rati02,R = R2 / Rsystem = 110 mQ / 50 Q = 2,2

Hieraus ergeben sich die folgenden maximalen Individualstromgrenzen: h.maxsystem.R ^— RatiO- _|,R h.max - 1,8 150 A — 270 A l2,maxsystem,R ⁼ Ratl02,R l2,max ⁼ 2,2 150 A = 330 A

Hiervon wird die kleinste bestimmte maximale Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze des Batteriesystems ausgewählt:

Imax, System, R ^— min_n(ln,maxsystem,R) ^— min(l 1 ,maxsystem,R, l2,maxsystem,R)

= min(270 A, 330 A) = 270 A

Die Ergebnisse der ersten Vorgehensweise und der zweiten Vorgehensweise sind also fast gleich. Die Beispiele dienen der Verdeutlichung der Erfindung. Grundsätzlich können die Werte auch anders sein. Insbesondere kann das Batteriesystem auch mehr als zwei Batterien aufweisen. Die grundsätzliche Vorgehensweise ist aber auch bei mehr als zwei Batterien die gleiche. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein gewichteter Mittelwert aus dem jeweiligen Stromverhältnis und Widerstandsverhältnis gebildet wird, wobei die maximalen Individualstromgrenzen ausgehend von dem jeweiligen gewichteten Mittelwert bestimmt werden. Anders ausgedrückt werden das Stromverhältnis und das Wderstandsverhältnis zusammengefasst durch eine gewichtete Mittelwertbildung, welche auch in Form einer Interpolation zwischen den beiden Verhältnissen ausgeführt werden kann. Dies erfolgt insbesondere für jede Batterie, bevor die maximalen Individualstromgrenzen bestimmt werden. Hierdurch kann insbesondere eine benötigte Rechenleistung eingespart werden. Die Gewichtungsfaktoren erlauben ein Parametrieren der Mittelwertbildung bzw. der Interpolation. Die Gewichtungsfaktoren können beispielsweise empirisch für unterschiedliche Lastszenarien bestimmt und vorgehalten werden.

Das obige Beispiel aufgreifend ergibt sich dann mit einem Gewichtungsfaktor w für jede Batterie:

Ration, gewichtet = w Ratio _{n, I} + (1 - w) Ration, R

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass Gewichtungsfaktoren beim Bilden des gewichteten Mittelwertes in Abhängigkeit des Gesamtstroms gewählt werden. Hierdurch können für unterschiedliche Bereiche des Gesamtstroms unterschiedliche Gewichtungsfaktoren gewählt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Gewichtungsfaktoren als Funktion des Gesamtstroms bestimmt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Gewichtungsfaktoren derart gewählt werden, dass in einem unteren Bereich des Gesamtstroms ein Anteil des Widerstandsverhältnisses überwiegt, wohingegen im oberen Bereich des Gesamtstroms ein Anteil des Stromverhältnisses überwiegt. Hierdurch können Fehler aufgrund eines bei kleinen Strömen schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnisses beim Erfassen der Ströme verringert werden. Insgesamt verbessert sich hierdurch das Bestimmen der Maximalstromgrenze.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromverhältnisse und/oder Widerstandsverhältnisse und/oder gewichteten Mittelwerte zeitlich mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden, wobei die maximalen Individualstromgrenzen ausgehend von den gefilterten Verhältnissen und/oder gefilterten gewichteten Mittelwerten bestimmt werden. Hierdurch kann ein zeitlicher Verlauf der Stromverhältnisse und/oder Widerstandsverhältnisse geglättet werden.

Das obige Beispiel aufgreifend ergibt sich dann (für die gewichteten Mittelwerte): RatlOn, gewichtet, geglättet ^— TlSfpaSS (RatlOn, gewichtet, x)

Hierbei ist t ein Glättungskoeffizient gemäß der jeweiligen Implementierung des Tiefpassfilters.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Steuergeräts ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Steuergeräts sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.

Ferner wird insbesondere auch ein Verfahren zum Steuern eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien zur Verfügung gestellt, wobei ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ausführungsformen ausgeführt wird, und wobei ein Strom des Batteriesystems ausgehend von der bestimmten Maximalstromgrenze begrenzt wird. Dies ermöglicht das aktive Begrenzen des Gesamtstroms des Batteriesystems gemäß der bestimmten Maximalstromgrenze.

Weiter wird insbesondere auch eine Batteriesystemsteuerung geschaffen, umfassend mindestens ein Steuergerät nach einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Batteriesystemsteuerung dazu eingerichtet ist, einen Strom des Batteriesystems ausgehend von einer mittels des Steuergeräts bestimmten Maximalstromgrenze zu begrenzen.

Das Steuergerät und die Batteriesystemsteuerung können insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. Daher wird auch ein Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend mindestens ein Steuergerät gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen und/oder umfassend mindestens eine Batteriesystemsteuerung. Grundsätzlich können das Verfahren und die Batteriesystemsteuerung aber auch bei anderen mobilen oder stationären Batteriesystemen eingesetzt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts zum

Bestimmen einer Maximalstromgrenze eines Batteriesystems mit mindestens zwei Batterien;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einerweiteren Ausführungsform des Steuergeräts; Fig. 3 eine schematische Darstellung einerweiteren Ausführungsform des Steuergeräts.

In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts 1 zum Bestimmen einer Maximalstromgrenze 40 eines Batteriesystems mit zwei Batterien gezeigt. Das Steuergerät 1 führt insbesondere das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren aus, das anhand des Steuergeräts 1 erläutert wird.

Das Steuergerät 1 umfasst die Module 100 bis 103. Die Module 100 bis 103 können als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.

Dem Steuergerät 1 werden jeweils an Batterien des Batteriesystems erfasste Einzelströme 10- 1, 10-2 und ein Gesamtstrom 10-s des Batteriesystems zugeführt. Die Ströme 10-x werden mittels Stromsensoren 20, 21, 22 erfasst und beispielsweise als Stromsignale bereitgestellt.

In dem Modul 100 bestimmt das Steuergerät 1 ein jeweiliges Stromverhältnis 12-1, 12-2 zwischen den erfassten Einzelströmen 10-1, 10-2 und dem erfassten Gesamtstrom 10-s.

In den Modulen 101 und 102 bestimmt das Steuergerät 1 maximale Individualstromgrenzen 15- 1, 15-2 des Batteriesystems jeweils für jede der beiden Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Stromverhältnis 12-1, 12-2 und einer nominellen Maximalstromgrenze 30-1, 30-2 der jeweiligen Batterie.

In dem Modul 103 wählt das Steuergerät 1 die kleinste bestimmte maximale Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze 40 des Batteriesystems aus und stellt diese als Maximalstromgrenzensignal 41 bereit.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät 1 die Module 104-107 umfasst.

Dem Steuergerät 1 werden dann alternativ oder zusätzlich jeweilige (aktuelle)

Einzelwiderstände 11-1, 11-2 der beiden Batterien des Batteriesystems und ein (aktueller) Gesamtwiderstand 11-s des Batteriesystems zugeführt. Die Widerstände 11-1, 11-2, 11-s können beispielsweise von einer Batteriesteuerung 50 bereitgestellt und übermittelt werden oder auf sonstige Weise geschätzt werden. ln dem Modul 104 bestimmt das Steuergerät 1 ein jeweiliges Widerstandsverhältnis 13-1, 13-2 zwischen den empfangenen oder geschätzten Einzelwiderständen 11-1, 11-2 und dem empfangenen oder geschätzten Gesamtwiderstand 11-s.

In den Modulen 105 und 106 bestimmt das Steuergerät 1 maximale Individualstromgrenzen 15- 1, 15-2 des Batteriesystems jeweils für jede der beiden Batterien ausgehend von dem jeweils bestimmten Wderstandsverhältnis 13-1, 13-2 und der nominellen Maximalstromgrenze 30-1, 30-2 der jeweiligen Batterie.

In dem Modul 107 wählt das Steuergerät 1 die kleinste bestimmte maximale Individualstromgrenze als Maximalstromgrenze 40 des Batteriesystems aus und stellt diese als Maximalstromgrenzensignal 41 bereit.

Die von den Modulen 103 und 107 gelieferten Ergebnisse können auch zusammengefasst werden.

Das Steuergerät 1 kann Teil einer Batteriesystemsteuerung 60 sein, wobei die Batteriesystemsteuerung 60 dazu eingerichtet ist, einen Gesamtstrom 10-s des Batteriesystems ausgehend von der mittels des Steuergeräts 1 bestimmten Maximalstromgrenze 40 zu begrenzen. Hierzu wird in der Batteriesystemsteuerung 60 insbesondere das Maximalstromgrenzensignal 41 ausgewertet und verwendet.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Steuergeräts 1 gezeigt. Die Ausführungsform ist grundsätzlich wie die in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ausgestaltet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe.

Zusätzlich ist vorgesehen, dass ein gewichteter Mittelwert 14-1 , 14-2 aus dem jeweiligen Stromverhältnis 12-1, 12-2 und Widerstandsverhältnis 13-1, 13-2 gebildet wird, wobei die maximalen Individualstromgrenzen 15-1, 15-2 ausgehend von dem jeweiligen gewichteten Mittelwert 14-1, 14-2 bestimmt werden. Hierzu weist das Steuergerät 1 zusätzlich die Module 108 und 109 auf, welche die gewichtete Mittelung durch Interpolation zwischen dem jeweiligen Stromverhältnis 12-1, 12-2 und dem jeweiligen Widerstandsverhältnis 13-1, 13-2 durchführen. Es kann vorgesehen sein, dass Gewichtungsfaktoren beim Bilden des gewichteten Mittelwertes 14-1, 14-2 in den Modulen 108 und 109 in Abhängigkeit des Gesamtstroms 10-s, insbesondere als Funktion des Gesamtstroms 10-s, gewählt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Steuergeräts 1 gezeigt. Die Ausführungsform ist grundsätzlich wie die in der Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ausgestaltet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe.

Zusätzlich ist vorgesehen, dass die gewichteten Mittelwerte 14-1, 14-2 in den Modulen 110 und 111 zeitlich mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden, wobei die maximalen Individualstromgrenzen 15-1, 15-2 ausgehend von den gefilterten gewichteten Mittelwerten 16- 1, 16-2 bestimmt werden. Die Module 110 und 111 bilden insbesondere eine Filtereinrichtung 2.

Alternativ können auch bereits die Verhältnisse 12-1, 12-2, 13-1, 13-2 mittels des Tiefpassfilters gefiltert werden (nicht gezeigt), wobei das Filtern der gewichteten Mittelwerte 14-1, 14-2 im Hinblick auf eine benötigte Hardware und/oder eine benötigte Rechenleistung vorteilhaft ist.

Bezugszeichenliste Steuergerät Filtereinrichtung -1 Einzelstrom -2 Einzelstrom -s Gesamtstrom -1 Einzelwiderstand -2 Einzelwiderstand -s Gesamtwiderstand -1 Stromverhältnis -2 Stromverhältnis -1 Widerstandsverhältnis -2 Wderstandsverhältnis -1 gewichteter Mittelwert -2 gewichteter Mittelwert -1 maximale Individualstromgrenze -2 maximale Individualstromgrenze -1 gefilterter gewichteter Mittelwert -2 gefilterter gewichteter Mittelwert Stromsensor Stromsensor Stromsensor -1 nominelle Maximalstromgrenze -2 nominelle Maximalstromgrenze Maximalstromgrenze Maximalstromgrenzensignal Batteriesteuerung Batteriesystemsteuerung 0-111 Module des Steuergeräts