DE102007012129A1

DE102007012129A1 - Akkumulatoreinrichtung

Info

Publication number: DE102007012129A1
Application number: DE102007012129A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Phys. Bulling; Klaus Dipl.-Ing. Keilhofer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Es wird eine Akkumulatoreinrichtung, insbesondere eines Akkumulators (10) eines Hybridfahrzeugs, mit einer Energiemanagementeinheit (12) vorgeschlagen, die dazu vorgesehen ist, eine Kenngröße zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) vorzugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoreinrichtung, insbesondere eines Akkumulators eines Hybridfahrzeugs.
Aus der DE 102 08 651 B4 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie bekannt. Dabei wird eine Batteriezelle bis in einen Bereich einsetzender Vergasung aufgeladen. Anschließend wird eine Zelltemperatur aus gemessenen Spannungs- und Stromwerten berechnet, eine Zelltemperatur gemessen und eine Differenz zwischen der gemessenen und der berechneten Zelltemperatur berechnet. Darauf folgend wird ein Ladezustand mittels eines ersten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen berechneter Temperaturdifferenz und Ladezustand bestimmt. Dieses Verfahren wird vorzugsweise bei NiMH-Batterien verwendet, bei denen die Ruhespannung zum „state of charge" (SOC) keine auswertbare Korrelation aufweist.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Akkumulatoreinrichtung bereitzustellen, bei der vorzugsweise schnell ein Ladezustand ermittelt werden kann. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Es wird eine Akkumulatoreinrichtung, insbesondere eines Akkumulators eines Hybridfahrzeugs, mit einer Energiemanagementeinheit vorgeschlagen, die dazu vorgesehen ist, eine Kenngröße zur Bestimmung eines Ladezustands vorzugeben, wodurch eine zumindest weitgehend von einer Akkumulatorruhespannung unabhängige schnelle Ermittlung eines Ladezustands erreicht werden kann. Ferner können durch eine entsprechende Einrichtung häufig, insbesondere während eines Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs, einfach Ladezustandsermittlungen durchgeführt werden, wodurch ein gewünschter Ladezustandsbereich vorteilhaft eingehalten und dadurch bedingt Komponenten geschont werden können. Dabei soll unter „vorgesehen" insbesondere speziell ausgestattet, ausgelegt, und/oder programmiert verstanden werden. Ferner soll unter einer „Energiemanagementeinheit" vorzugsweise eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und einer Speichereinheit verstanden werden, in dem ein entsprechendes Betriebsprogramm gespeichert ist.
Die Energiemanagementeinheit kann dazu vorgesehen sein, verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Kenngrößen vorzugeben, wie Spannungswerte und/oder besonders vorteilhaft einen bestimmten Stromwert, wodurch vorteilhaft einfach und insbesondere schnell auf einen aktuellen Ladezustand geschlossen werden kann, ohne zuvor einen Ladevorgang oder Entladevorgang vorzunehmen, und war insbesondere, wenn die Energiemanagementeinheit dazu vorgesehen ist, die Kenngröße zur Bestimmung des Ladezustands einzuregeln und besonders vorteilhaft wenn die Energiemanagementeinheit dazu vorgesehen ist, einen zumindest im Wesentlichen mit Null übereinstimmenden Stromwert einzuregeln. Als Regler kann vorzugsweise ein PI-Regler eingesetzt werden. Dabei soll unter „im Wesentlichen" verstanden werden, dass der einzuregelnde Wert zumindest kleiner als 10% und bevorzugt kleiner als 5% des maximalen Stromwerts und besonders vorteilhaft gleich Null ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Akkumulatoreinrichtung eine Auswerteeinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, ein Zeitintervall vor einer Auswertung abzuwarten, wodurch eine Relaxationszeit des Akkumulators vorteilhaft berücksichtigt und vorteilhaft exakte Werte erreicht werden können. Das Zeitintervall weist dabei vorzugsweise zwischen 5 sec und 40 sec und vorzugsweise zwischen 15 sec und 25 sec auf.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Akkumulatoreinrichtung eine Fehlererkennungseinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, einen Fehler an einer Differenz zwischen einem erwarteten Ladestrom und einem tatsächlichen Ladestrom zu erkennen, wodurch Fehler vorteilhaft erkannt werden können, und zwar insbesondere bedingt durch einen so genannten Wanneneffekt, bei dem bei einem berechneten Ladezustand ein mit einem realen Ladezustand übereinstimmender Spannungswert vorliegt, jedoch differierende Ladestromwerte vorliegen. Dabei soll unter einem „erwarteten Ladestrom" insbesondere ein berechneter und/oder aus einer Tabelle ausgelesener und unter einem "tatsächlichen Ladestrom" insbesondere ein gemessener Ladestrom verstanden werden.
Weist die Akkumulatoreinrichtung eine Fehlerausgleichseinheit auf, die dazu vorgesehen ist, eine fehlerhafte Kenngröße eines Ladezustands an eine einem tatsächlichen Ladestrom zugeordnete Kenngröße eines Ladezustands anzupassen, kann eine besonders einfache und schnelle Fehlerkorrektur erreicht werden.
Die Auswerteeinheit, die Fehlererkennungseinheit und/oder Fehlerausgleichseinheit sind vorzugsweise Einheiten mit einer Prozessoreinheit und einer Speichereinheit und einem darin gespeicherten Betriebsprogramm. Jede der Einheiten kann dabei getrennt von der Energiemanagementeinheit oder zumindest teilweise einstückig mit der Energiemanagementeinheit ausgeführt sein.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematisiert dargestellte Akkumulatoreinrichtung eines Hybridfahrzeugs und
2 einen Verlauf einer Sollladespannung und einen Verlauf einer Ruhespannung eines Akkumulators über einem Ladezustand SOC in Prozent.
1 zeigt eine schematisiert dargestellte Akkumulatoreinrichtung eines Hybridfahrzeugs mit einer Akkumulatoreinheit 14, die einen Akkumulator 10 bzw. eine wiederaufladbare Batterie und eine Akkumulatormanagementeinheit 16 umfasst. Die Akkumulatormanagementeinheit 16 umfasst eine Prozessoreinheit 18 und eine Speichereinheit 20 mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm.
Die Akkumulatoreinheit 14 ist über eine Datenleitung 22 mit einer Motorsteuerungseinheit 24 verbunden, die wiederum eine Energiemanagementeinheit 12 und eine Momentenkoordinationseinheit 26 umfasst, die insbesondere dazu vorgesehen ist, einen beispielsweise über ein Fahrpedal eingegebenen Fahrerwunsch durch eine vorteilhafte Momentenkoordination bzw. Momentenzuordnung zu einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine und zu einem Elektromotor 28 eines Hybridantriebs des Hybridfahrzeugs umzusetzen. Die Energiemanagementeinheit 12 und die Momentenkoordinationseinheit 26 weisen je weils eine Prozessoreinheit 30, 32 und eine Speichereinheit 34, 36 mit darin gespeicherten Betriebsprogrammen auf. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Einheiten 12, 26 zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind, d. h. z. B. eine gemeinsame Speichereinheit und/oder eine gemeinsame Prozessoreinheit aufweisen.
Die Motorsteuerungseinheit 24 ist über eine Leitung 38 mit einer Spannungswandlungseinheit 40 bzw. mit einer DC-DC-Spannungswandlereinheit verbunden, die dazu vorgesehen ist, eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. Ferner ist die Motorsteuerungseinheit 24 über eine Leitung 42 mit einer Elektromotoreinheit 44 verbunden, die den Elektromotor 28 des Hybridantriebs und eine Leistungselektronikeinheit 46 umfasst, die eine Prozessoreinheit 48 und eine Speichereinheit 50 mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm umfasst.
In der Energiemanagementeinheit 12 und in der Akkumulatormanagementeinheit 16 werden redundant ausgehend von einem Ladungszustand SOC mit unterschiedlich ermittelten Werten Stromintegrale berechnet, um anschließend auf einen vorliegenden Ladungszustand SOC zu schließen. Insbesondere werden hierzu Spannungswerte und Stromwerte in der Akkumulatoreinheit 14 gemessen.
Überschreitet eine zwischen den in der Energiemanagementeinheit 12 und in der Akkumulatormanagementeinheit 16 ermittelten Ladungszuständen ermittelte Differenz einen Schwellwert, und/oder tritt eine entsprechende Unstimmigkeit bzw. ein unplausibler Wert auf, wird in einen Ladezustandserkennungsmodus umgeschaltet, in dem insbesondere wesentliche Energieabgriff- und Energiezuführfunktionen deaktiviert sind, wie insbesondere Boostfunktionen und Rekuperationsfunktionen usw.
Die Energiemanagementeinheit 12 ist dazu vorgesehen, im Ladezustandserkennungsmodus einen Stromwert auf Null einzuregeln.
In 2 sind ein Verlauf einer Sollladespannung U_soll und ein Verlauf einer Ruhespannung U_OCV des Akkumulators 10 über dem Ladezustand SOC dargestellt. Weicht ein berechneter Ladezustand SOC_ber von einem reellen Ladezustand SOC_real ab und stellt man die erwartete Ruhespannung U_OCV des Akkumulators 10 als Sollspannung ein, fließt ein Ausgleichstrom, an den gezeigten Beispielswerten SOC_ber, SOC_real ein Ladestrom, der von der Energiemanagementeinheit 12 auf Null eingeregelt wird, wodurch sich eine mit der tatsächlichen Ruhespannung übereinstimmende Spannung einstellt.
Die Energiemanagementeinheit 12 ist einstückig mit einer Auswerteeinheit ausgeführt, die einen Timer aufweist und dazu vorgesehen ist, ein Zeitintervall von ca. 20 sec nach der Einregelung des gewünschten Stromwerts abzuwarten, um dann aus dem vorliegenden Spannungswert auf eine vorliegende Ruhespannung U_OCV und damit auf einen vorliegenden Ladezustand SOC_real zu schließen. Wird von der Auswerteeinheit festgestellt, dass nach dem Zeitintervall ein gefilteter Akkumulatorstrom unterhalb eines Grenzwerts liegt und die Ruhespannung U_OCV der Sollladespannung U_soll entspricht, wird eine erfolgreiche Kalibrierung erkannt.
Anschließend wird von der Energiemanagementeinheit 12 ein Ladevorgang eingeleitet, um den Akkumulator 10 auf einen Ladezustandsarbeitspunkt 52 von ca. 52% aufzuladen, und zwar indem in einem spannungsgeführten Modus eine von der Energiemanagementeinheit 12 vorgegebene Sollladespannung U_soll durch die Leistungselektronikeinheit 46 eingeregelt wird.
Weist der Akkumulator 10 einen Ladezustand SOC in einem Bereich 54 unterhalb des Ladezustandsarbeitspunkts 52 von ca. 52% auf, wird dieser geladen, und zwar aufgrund dessen, dass die vorgegebene Sollladespannung U_soll größer ist als die Ruhespannung U_OCV des Akkumulators 10. In einem Bereich 56 über dem Ladezustandsarbeitspunkt 52, und zwar von einem Ladezustand SOC von ca. 52% bis 68%, wird angestrebt, einen vorliegenden Ladezustand zu halten, und zwar indem die vorgegebene Sollladespannung U_soll der vorliegenden Ruhespannung U_OCV entspricht. In einem Bereich 58 oberhalb des Bereichs 56 wird der Akkumulator 10 entladen, und war indem die vorgegebene Sollladespannung U_soll unterhalb der vorliegenden Ruhespannung U_OCV des Akkumulators 10 liegt.
Ferner ist die Energiemanagementeinheit 12 einstückig mit einer Fehlererkennungseinheit und einer Fehlerausgleichseinheit ausgeführt, die dazu vorgesehen sind, einen Fehler an einer Differenz zwischen einem erwarteten Ladestrom und einem tatsächlichen Ladestrom zu erkennen und eine fehlerhafte Kenngröße eines Ladezustands SOC_ber* an eine einem tatsächlich Ladestrom zugeordneten Kenngröße eines realen Ladezustands SOC_real* anzupassen.
Hat man den Ladezustand SOC_ber* berechnet und soll mit einer vorgegebenen Sollladespannung U_soll ein Ladevorgang vorgenommen werden, wobei jedoch der vom berechneten Ladezustand SOC_ber* abweichende reale Ladezustand SOC_real* vorliegt, fließt kein Ladestrom, da im Ladezustand SOC_real* die Sollladespannung U_soll mit einer Ruhespannung U_OCV des Akkumulators 10 übereinstimmt. Wird ein entsprechender Fall mittels der Fehlererkennungseinheit erkannt, kann der fehlerhafte Ladezustand SOC_ber* direkt auf den korrekten Ladezustand SOC_real* korrigiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert besonders gut bei Energiespeichern, deren Ruhespannung zum Ladezustand deutlich und eindeutig korreliert ist. Bei Lithiumbatterien und auch bei Bleibatterien ist dies der Fall.

10: Akkumulator
12: Energiemanagementeinheit
14: Akkumulatoreinheit
16: Akkumulatormanagementeinheit
18: Prozessoreinheit
20: Speichereinheit
22: Datenleitung
24: Motorsteuerungseinheit
26: Momentenkoordinationseinheit
28: Elektromotor
30: Prozessoreinheit
32: Prozessoreinheit
34: Speichereinheit
36: Speichereinheit
38: Leitung
40: Spannungswandlungseinheit
42: Leitung
44: Elektromotoreinheit
46: Leistungselektronikeinheit
48: Prozessoreinheit
50: Speichereinheit
52: Ladezustandsarbeitspunkt
54: Bereich
56: Bereich
58: Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10208651 B4 [0002]

Claims

Akkumulatoreinrichtung, insbesondere eines Akkumulators (10) eines Hybridfahrzeugs, mit einer Energiemanagementeinheit (12), die dazu vorgesehen ist, eine Kenngröße zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) vorzugeben.
Akkumulatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (12) dazu vorgesehen ist, die Kenngröße zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) einzuregeln.
Akkumulatoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (12) dazu vorgesehen ist, einen bestimmten Stromwert einzuregeln.
Akkumulatoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (12) dazu vorgesehen ist, einen zumindest im Wesentlichen mit Null übereinstimmenden Stromwert einzuregeln.
Akkumulatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, die dazu vorgesehen ist, ein Zeitintervall vor einer Auswertung abzuwarten.
Akkumulatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fehlererkennungseinheit, die dazu vorgesehen ist, einen Fehler an einer Differenz zwischen einem erwarteten Ladestrom und einem tatsächlichen Ladestrom zu erkennen.
Akkumulatoreinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Fehlerausgleichseinheit, die dazu vorgesehen ist, eine fehlerbehaftete Kenngröße eines Ladezustands (SOC) an eine einem tatsächlichen Ladestrom zugeordnete Kenngröße eines Ladezustands (SOC) anzupassen.
Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines Akkumulators (10), insbesondere mit einer Akkumulatoreinrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Stromwert eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest im Wesentlichen mit Null übereinstimmender Stromwert eingeregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Auswertung ein Zeitintervall abgewartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen einem erwarteten Ladestrom und einem tatsächlichen Ladestrom im Hinblick auf einen vorliegenden Fehler ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dass aus dem erkannten Fehler eine Fehlerkorrektur abgeleitet wird.