用于运行具有多个电池电芯的能量存储器的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于运行具有多个电池电芯的能量存储器、尤其是车辆中的能量存储器的方法。本发明还涉及一种用于运行具有多个电池电芯的能量存储器、尤其是车辆中的能量存储器的系统。

背景技术：

1、车辆的动力电池通常由多个单独的电池电芯组成，这些电池电芯例如彼此串联连接，以实现所要求的高电压。尤其地，设置有电芯模块，所述电芯模块包括确定数量的电池电芯；然后将确定数量的电芯模块连接为整块动力电池。为了监控电池，通常设置有电池管理系统(bms)的分布式拓扑结构。设置有一种中央控制单元，所述中央控制单元通过数据连接、尤其是通过数据总线与多个集成式电芯监控单元连接。例如，通过这种方式来测量和监控单个电池电芯的电芯电压和温度。电芯监控单元尤其以集成结构方式与电芯模块集成地构造。

2、集成式电芯监控单元通常适合于执行基本的数据处理，从而不必将每个单个测量都传输给中央控制单元。通过这种方式，减少中央控制单元所需的带宽和计算能力。此外，可以改善有效的采样率(英文：sampling rate)。

3、电池的荷电状态(soc)是用于存储于电池中的能量的度量。因此，这在车辆的动力电池的情况下也是一种用于车辆的剩余里程的指标。汽车电池中可用的能量是各个单个电池中的能量总和。

4、此外，电池的“健康状态”(soh)可以定义为其整体状态的量度。通常，soh随着电池的老化而降低，具体取决于负载类型、放电和充电特性以及环境影响。

5、由于动力电池占车辆总价的主要部分，因此荷电状态是以下参数，不仅里程指示的可靠性与该参数有关，而且该参数还能够实现对宝贵资源的优化利用。因此，尽可能可靠和准确地确定荷电状态对于用户而言是非常重要的。

6、然而，荷电状态不能直接测量出，而必须根据可用的电池参数和环境条件来估计。耐久且可靠地指明荷电状态的一个重要参数是电池电芯在其没有在负载下运行期间的端电压(无负载、稳定的电芯终端电压)(klemmenspannung)。然而，该值仅可能在车辆运行期间被估计，因为可测量的端电压在被应用期间根据动态负载而不断改变。尤其是，端电压在短期负荷峰值期间相应地降低，在电池充电期间还可能提高。

7、例如，在用于估计荷电状态的已知解决方案中使用以下功能，在所述功能中进行模数转换。此外，可以设置对多个值进行平均的可能性，这例如通过iir(无限脉冲响应)或fir过滤器(有限脉冲响应)来进行。过滤后的测量值受各个单个测量值的影响，这些单个测量值包括刚好在负载下运行的电芯的测量值。如上所述，这导致在估计荷电状态时的精度降低。

8、在负载下运行的电池电芯的端电压导致由中央控制单元输出的平均测量值发生偏移。这导致荷电状态的指示不准确，并因此也导致车辆的剩余里程的指示不准确。

9、由de 10 2015 114 652 a1已知一种用于估计车辆中的电池系统的能量容量的方法。在此，求取电池系统的电压偏移和估计的总电池堆能量。基于这些值，估计电池系统的能量容量。

10、wo 2019/025171 a1描述了一种用于结合负载估计电池的电芯电压、荷电状态和电池状态的方法。在此，测量第一电流和第一电压，并且估计电池的电芯开路电压(zellenleerlaufspannung)。基于该电压、电流和成本优化过程来估计电池的激励电位(erregungspegel)。

11、ep 2 306 214 a3提出了一种用于确定电池的直流阻抗的方法。

技术实现思路

1、本发明的任务是，提供一种用于运行具有多个电池电芯的能量存储器、尤其是车辆中的能量存储器的方法和系统，所述方法和系统使得能够尽可能准确、快速和节省资源地求取电池的荷电状态。

2、该任务通过根据独立权利要求的方法和系统来解决。本发明的有利构型和扩展方案在从属权利要求中给出。

3、在用于运行具有多个电池电芯的能量存储器、尤其是车辆中的能量存储器的方法中，检测出至少一个电池电芯的端电压的多个测量值。基于所检测的测量值来执行过滤并且产生经过滤的测量结果。在此，对测量值的过滤包括比较运算。基于经过滤的测量结果产生输出数据并将其输出。

4、尤其地，输出数据可以包括所检测的测量值中的至少一个测量值。

5、由此，可以有利地输出特别合适的测量值，以例如在交变的运行条件下也能实现对荷电状态的始终准确的估计。

6、然后，中央控制单元可以以改进的精度计算出荷电状态，并且由此可以可靠地确定车辆的剩余里程。这导致由于更好地利用车辆的动力电池而降低成本，并且导致通过对指示的剩余里程或运行持续时间的更大信任而给用户留下更好的印象。

7、尤其可以设置，该方法在集成式电芯监控单元的层面上执行，该集成式电芯监控单元检测用于能量存储器的电池电芯的一个子集中的电池电芯的测量值并且监控这些电池电芯。由此，该集成式电芯监控单元的电子设备可以构造为使得其仅适合于以这种方式监控的电池电芯的总电压，而不适合于能量存储器的所有电池电芯的总电压。

8、然后，可以将输出数据传输给上级中央控制单元并且将其在那里进一步评估，或者中央控制单元可以基于所接收的输出数据产生用于操控电池电芯或所述电池电芯的子集的控制信号。

9、本发明的基本思想在于，通过利用比较运算进行过滤这样处理测量值，使得可以非常容易地识别出不合适的测量值并将其过滤掉。然后，它们不会影响所输出和传输的数据量，从而节省了可用带宽，例如集成式电芯监控单元与中央控制单元之间的数据连接的可用带宽。对数据的进一步处理和/或评估也可以以更小的计算能力更高效地进行。过滤包含将测量值相互比较和/或将测量值与另一值、例如阈值或这些值的区间的边界进行比较。

10、为了在理论模型中模拟出电池电芯的物理特性，通常认为，该电池电芯具有至少一个内阻抗，其尤其包括欧姆份额。端电压由于在电芯内阻抗上的电压下降而发生变化。

11、因此，在计算荷电状态时必须考虑内阻抗，但该参数也是不能直接测量的。在估算该值时困难在于，该值受各种不同因素、如电芯的温度和使用时间(alter)以及荷电状态本身影响。因此，应选择一种用于估计荷电状态的可能方案，在该可能方案中尽可能减少内阻抗值的影响。

12、如果电芯以最小负载运行，则该电池电芯的相关端电压最对应于荷电状态；因此在这种情况下，可以以最佳精度确定荷电状态。内阻抗的欧姆份额特别快地对交变负载做出反应。

13、也就是说，为了估计电池电芯的荷电状态，所检测的电压值必须尽可能在无负载的情况下被检测。

14、对端电压的测量值的检测以本身已知的方式进行。可以针对每个单个电池电芯检测测量值；在其他构型中，可以同时针对限定量的电池电芯进行检测，例如一定量的串联连接的电池电芯。

15、此外，可以检测出至少一个电池电芯的温度的测量值，这例如与检测端电压同时进行。

16、在该方法的一个构型中，多个测量值作为时间序列被检测。

17、例如，在时间上相继地、例如以预给定的检测频率检测测量值。尤其地，这些测量可以以彼此固定的时间间隔来执行。

18、测量值尤其是在预给定的时间段内被检测，该时间段也可以是可配置的。例如在此，测量值可以存储在存储器中。此外，在此，最新的测量值可以不断地取代多个测量值中的最旧的测量值，这例如在环形存储器中进行，以便因此始终对预给定数量的最后检测的测量值或在预给定时间段内最后检测的测量值进行评估。

19、在此，对输出数据的过滤和产生可以在预给定的时间点执行，这例如以具有预给定的、必要时可配置的频率的规律间隔来进行或者响应于接收到请求信号来进行。

20、在另一构型中，比较运算包括确定多个测量值中的最大测量值或最小测量值。也就是说，在比较运算中将测量值、尤其是在确定时间段内所检测的测量值相互比较。

21、尤其地，输出数据包括所检测的测量值的最大值和/或最小值。

22、在另一构型中，可以确定最大测量值或最小测量值的预给定的、必要时可配置的数量。此外，可以基于最大测量值或最小测量值的这样的量来确定平均值。

23、在另一构型中，确定多个测量值的中值或所述多个测量值的确定子集的中值。也就是说，基于这些测量值彼此的比较来确定中值，该中值相应地大于或小于测量值的一半。与算术平均相比，这样获得的值不易受到短期偏差的影响。

24、过滤还可以包括对所检测的测量值的总量进行平滑运算，例如形成滑动平均值。

25、在一个扩展方案中，比较运算包括将测量值与至少一个边界值进行比较。在此，可以设置下边界值和/或上边界值。在与下边界值和上边界值进行比较时确定：该测量值是否处于确定的区间内。

26、在此，例如可以通过该系统的配置来预给定固定的边界值。

27、此外，可以预给定动态的边界值，例如以便在过滤时确定低于或高于所有多个测量值的平均值的测量值。还可以设置其他动态确定的边界值，这些边界值例如可以基于所述多个测量值来确定，或者借助配置被预给定。

28、在一个构型中，检测运行状态，并且根据所述运行状态来检测测量值，其中，根据所检测的运行状态触发用于重置所检测的测量值的控制信号，其中，在此这样产生控制信号，使得在一个事件结束之后才恢复对测量值的检测和/或在事件期间所检测的测量值被舍弃。

29、在一个构型中，比较运算包括确定在一个区间内的测量值的数量。在此可以可选地这样产生输出数据，使得它们包括关于多个测量值的分布的信息。该数量在此可以是所检测的测量值的绝对数量，但也可以作为多个测量值的总数的份额被指定。

30、替代地或附加地可以确定：在哪个时间段内检测出该区间内的测量值。

31、单侧或双侧限制的区间的一个或多个边界在此可以通过配置被预给定。

32、在另一构型中，在比较运算中确定该区间的至少一个边界。

33、在这种情况下，可以基于所检测的多个测量值动态地确定单侧或双侧限制的区间的一个或多个边界，例如以便确定高于所检测的测量值的平均值的测量值的数量，或者以便确定在一个区间中高于或低于平均值的测量值的数量。

34、在一个示例中，首先确定测量值的最大值，然后确定在一个确定区间内低于该最大值的测量值的数量。由此可以检查，该最大值是否是短期峰值或者其处于端电压的值的高点范围内(plateau)。

35、例如，确定一个区间内的测量值的数量可以用于执行合理性检查。

36、此外，通过评估一个区间内的测量值的数量可以获得关于电池电芯的状态的信息，例如以便识别与所推荐的参数的持久偏差，这例如可以表明电池电芯的功能故障或损坏。

37、在不同构型中，输出数据可以包括不同信息的组合。

38、在一个示例中，输出数据包括所检测的多个测量值中的最大值和单侧或双侧限制的区间内的测量值的数量。通过这些信息的组合，一方面可以确定认为是静态电压的测量值，而另一方面可以执行合理性检查。

39、在一个扩展构型中，还接收配置信号，其中，根据所述配置信号评估测量值。配置信号尤其包括配置数据，例如是用于集成式电芯监控单元的配置数据。

40、在此，对测量值的评估尤其涉及过滤和/或由过滤包括的比较运算，但也可以执行其他评估步骤并且基于配置信号来配置所述其他评估步骤。

41、所述多个测量值的规模可以是可配置的。尤其地，通过配置信号来配置时间区间的长度，在该时间区间期间进行对测量值的检测。此外，所检测的测量值的数量可以相应配置为所检测的测量值的多数。此外，可以配置测量值的检测频率。

42、例如，基于这种配置信号可以控制：多少测量值被检测和/或以什么频率和/或在什么时间段内进行检测。此外，可以基于配置信号来控制用于过滤的确定算法或功能，从而尤其是输出数据包括相应希望的信息。基于配置信号还可以控制：是否以及以何种方式执行平滑运算，以实现对所输出的数据和/或所检测的测量值的平滑。

43、基于配置信号，还可以选择确定的电池电芯用于检测测量值。

44、此外，基于配置信号可以这样配置检测，使得针对这些测量值检测电池电芯的子组的端电压。

45、配置信号还可以包括用于比较运算的一个或多个阈值。例如，基于配置信号可以传输阈值，测量值与该阈值进行比较；然后例如可以确定低于或高于该阈值的测量值的数量并且将其与输出数据一起输出。

46、此外，可以基于配置信号传输多个阈值，这些阈值限定了区间并且基于这些阈值例如可以对测量值进行调整(binning)。也就是说，将测量值与阈值进行比较，并将其配属于这些阈值之间的相应区间。通过输出这些区间中的测量值的数量，可以指出测量值的分布。一般来说，在所谓的“调整”的情况下，例如可以将属性的目标量按大小以升序的方式分成多个区间；然后将所有属性值用该值所在区间的代表值来替换。

47、在一个构型中，还检测运行状态，并且根据所述运行状态检测测量值。在此，可选地可以根据所检测的运行状态触发用于重置所检测的测量值的控制信号。尤其地，检测和/或评估用于能量存储器的和/或至少一个电池电芯的运行状态。例如，可以单个地和/或整体检测和/或评估用于与集成式电芯监控单元耦合的电池电芯的运行状态。

48、运行状态可以指能量存储器和由其包括的电池电芯。尤其地，运行状态涉及所附接的耗电装置或充电设备。也就是说，运行状态可以取决于：能量存储是否被以及以何种程度被耗电装置加载，能量存储是否被充电，或者在没有要求输出功率时能量存储是否处于静止状态。

49、例如，可以检测电压、电流和/或所要求输出的功率，用以检测运行状态。

50、此外，充电过程可以作为运行状态被检测，也就是说，检查电池电芯是否正在充电，例如在回收过程期间。在此，尤其可以检测电流方向，从而确定是否发生充电。

51、根据所检测的运行状态，还可以触发和处理用于重置所检测的测量值的控制信号。例如，可以检测出导致所检测的测量值失真的事件。例如，可以识别出回收过程，该回收过程导致对电池电芯的或能量存储器的充电，并且因此导致端电压的升高。在此，可以这样产生控制信号，使得在该事件结束之后才恢复对测量值的检测和/或在事件期间所检测的测量值被舍弃。

52、在另一构型中，基于输出值确定并输出至少一个电池电芯的和/或能量存储器的荷电状态。例如，集成式电芯监控单元可以产生输出数据并且将其传输给外部单元，例如中央控制单元，其中，该外部单元确定荷电状态。

53、在此，该方法可以有利地用于基于经过滤的测量值来获得特别准确且可靠的里程估计。

54、在另一构型中，可以基于输出数据确定能量存储器的或电池电芯的子集的“健康状态”(soh)。例如，为此可以确定测量值的当前分布，这尤其是在确定运行状态下进行。然后，可以将当前分布与在较早的时间点在可比较的运行状态下所检测的较早分布进行比较。基于分布的变化，可以确定所测量的电池电芯的健康状态的变化。尤其是，soh指定为以百分比形式的品质数。例如，由此可以指示能量存储器的健康状态随使用时间增加而恶化的程度。

55、用于运行具有多个电池电芯的能量存储器、尤其是车辆中的能量存储器的系统包括检测模块、评估模块和输出模块，所述检测模块设置为用于检测出至少一个电池电芯的端电压的多个测量值，所述评估模块设置为用于基于所检测的测量值执行过滤并且产生经过滤的测量结果，其中，对测量值的过滤包括比较运算，所述输出模块设置为用于基于经过滤的测量结果产生输出数据并将其输出。

56、该系统尤其构造为用于执行该方法。因此，它具有与本发明方法相同的优点。

57、在此，检测模块、评估模块和输出模块尤其集成到电芯监控单元中，该电芯监控单元配属于至少一个电池电芯，并且该电芯监控单元通过数据连接、尤其是数据总线与中央控制单元耦合。

58、检测模块可以以本身已知的方式构造为用于检测端电压。此外，借助检测模块可以检测出至少一个电池电芯的温度和/或另外的参数。在此，检测模块尤其可以集成到电池电芯中或电芯模块中。例如，可以为能量存储器的每个电芯模块设置一个具有检测模块的集成式电芯监控单元。

59、尤其地，该系统还包括存储器模块，其也可以由集成式电芯监控单元包括。然后，所检测的测量值存储在存储器模块中并且可用于评估，例如借助过滤来进行评估。在此，存储器模块可以例如按照环形存储器的类型这样构成，使得新检测的测量值覆盖相应最旧的测量值。

60、集成式电芯监控单元还可以包括用于上述值的重置功能，以消除车辆在回收式制动期间的电压升高期间的不适合的测量值。在重置存储器时，存储器模块中的多个测量值的所有值被覆盖，并且在重新检测多个测量值之后才执行评估。

61、可以将输出数据从输出模块传输给中央控制单元。

62、以上述方式，配置信号可以从中央控制单元传输给集成式电芯监控单元，以控制对测量值的检测和/或控制借助过滤进行的评估。

63、能量存储器的电芯模块的集成式电芯监控单元与中央控制单元之间的数据传输可以通过数据连接进行，例如通过数据总线、尤其是在环形配置中进行。在此，数据传输可以防止数据总线的一部分失效，因为数据传输可以在两个方向上进行。替代地，可以设置用于数据传输的路径配置(spur-konfiguration)。

64、尤其是，除了彼此串联连接或并联连接外，储能系统的电芯模块构造为电隔离的。

65、中央控制单元可以设置为用于检测能量存储器的或至少一个电池电芯的充电，并且然后产生重置信号并将其传输给集成式电芯监控单元，该集成式电芯监控单元构造为用于然后、即在收到重置信号后重新开始检测多个测量值。

66、本发明还涉及一种车辆，该车辆具有能量存储器、耗电装置、例如电动机并且具有加热装置和/或照明装置以及控制单元，该能量存储器包括多个电池电芯。在此，控制单元设置为用于根据本发明的方法运行能量存储器。