DE102010003422A1 - Method for operating energy storage device i.e. lithium-based energy storage device for e.g. battery powered car, involves determining corrected state of charge based on determined correction value - Google Patents

Method for operating energy storage device i.e. lithium-based energy storage device for e.g. battery powered car, involves determining corrected state of charge based on determined correction value Download PDF

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Dr. Aßfalg Jochen
Michael Roscher
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Abstract

The method involves detecting energy storage voltage (U-Batt) and energy storage current (I-Batt) using a measurement unit (200). A state of charge (SOC) is determined based on the energy storage current. Model energy storage voltage (U-Mod) is determined based on the energy storage current and preset hysteresis of open circuit voltage characteristics of an energy storage device (10). A correction value (delta SOC) is determined based on the energy storage voltage and the model energy storage voltage. A corrected state of charge (SOC-cor) is determined based on the correction value. An independent claim is also included for a device for operating an energy storage device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers, bei dem beziehungsweise bei der während der Betriebsphase in vorgegebenen Zeitschritten ein Ladezustand ermittelt wird.The invention relates to a method and a device for operating an energy store, in which or during the operating phase in predetermined time steps, a state of charge is determined.

Aufgrund einer geringen CO2-Emission nimmt das Interesse an batteriebetriebenen Fahrzeugen, insbesondere an Fahrzeugen mit Hybridantrieb, sehr stark zu. Fahrzeuge mit Hybridantrieb weisen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen einen zusätzlichen Energiespeicher auf, in welchem zurückgewonnene Energie abgespeichert werden kann. Für die Funktion von batteriebetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen spielt die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers eine wesentliche Rolle. Moderne Energiespeichersysteme, wie sie in Hybridfahrzeugen und Batteriefahrzeugen eingesetzt werden, verfügen zunehmend über eine Überwachungs- und Batteriemanagementelektronik.Due to low CO 2 emissions, interest in battery-powered vehicles, especially hybrid-powered vehicles, is growing rapidly. Vehicles with hybrid drive have in comparison to conventional vehicles on an additional energy storage in which recovered energy can be stored. For the function of battery-powered vehicles and hybrid vehicles, the performance of the energy storage plays an essential role. Modern energy storage systems, such as those used in hybrid vehicles and battery vehicles, increasingly have monitoring and battery management electronics.

DE 3530985 C2 offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands einer Starterbatterie, bei dem im Betrieb des Fahrzeugs fortlaufend ein Batteriestrom gemessen und daraus über die Zeit die Ladungsentnahme der Batterie bestimmt wird. Des Weiteren wird nach dem Abschalten des Fahrzeugmotors über einen längeren Zeitraum eine Beruhigungsspannung der Batterie gemessen und mit dieser die vom Batteriestrom zuvor bestimmte Ladungsentnahme korrigiert. DE 3530985 C2 discloses a method for monitoring a state of charge of a starter battery, in which, during operation of the vehicle, a battery current is continuously measured and the charge withdrawal of the battery is determined therefrom over time. Furthermore, a calming voltage of the battery is measured after switching off the vehicle engine over a longer period of time and corrects the charge removal previously determined by the battery current.

EP 1 266 237 B1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie, bei dem bei Vorliegen eines ersten Arbeitsbereichs der Batterie der Ladezustand auf Grundlage einer Modellrechnung, in welcher eine gemessene und eine berechnete Batteriespannung über eine Rückkopplung abgeglichen werden, berechnet wird. Hierbei wird der erste Arbeitsbereich dann angenommen, wenn ein Batteriestrom größer ist als ein Mindestbatteriestrom. EP 1 266 237 B1 discloses a method for determining a state of charge of a motor vehicle starter battery, wherein in the presence of a first operating range of the battery, the state of charge is calculated based on a model calculation in which a measured and a calculated battery voltage are adjusted via feedback. In this case, the first work area is assumed when a battery current is greater than a minimum battery current.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers zu schaffen, das beziehungsweise die einen Beitrag leistet, den Energiespeicher zuverlässig zu betreiben.The object on which the invention is based is to provide a method and a device for operating an energy store which makes a contribution to operating the energy store reliably.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are characterized in the subclaims.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers. Während einer Betriebsphase des Energiespeichers werden in vorgegebenen Zeitschritten mittels einer Messeinheit eine Energiespeicherspannung und ein Energiespeicherstrom erfasst. Während der Betriebsphase wird in den vorgegebenen Zeitschritten abhängig von dem Energiespeicherstrom ein Ladezustand ermittelt. Des Weiteren wird abhängig von dem Energiespeicherstrom, dem Ladezustand und einer vorgegebenen Hysterese einer Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers eine Modellenergiespeicherspannung ermittelt. Abhängig von der Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung wird ein Korrekturwert ermittelt und abhängig von diesem Korrekturwert wird ein korrigierter Ladezustand ermittelt.The invention is characterized by a method and a corresponding device for operating an energy store. During an operating phase of the energy store, an energy storage voltage and an energy storage current are detected at predetermined time steps by means of a measuring unit. During the operating phase, a charging state is determined in the predetermined time steps depending on the energy storage current. Furthermore, depending on the energy storage current, the state of charge and a predetermined hysteresis of a quiescent voltage characteristic of the energy store, a model energy storage voltage is determined. Depending on the energy storage voltage and the model energy storage voltage, a correction value is determined and a corrected state of charge is determined depending on this correction value.

Das Ermitteln des Ladezustands erfolgt bereits während der Betriebsphase. Es müssen keine längeren Ruhephasen abgewartet werden und/oder eine Rekalibrierung des Energiespeichers durchgeführt werden, bevor der Ladezustand ermittelt werden kann. Das fortlaufende erfassen von Messgrößen, beispielsweise der Energiespeicherspannung und/oder des Energiespeicherstroms, hat den Vorteil, dass mögliche einzelne Messfehler und/oder Messrauschen einen geringen Einfluss beim Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers haben. Eine Berücksichtigung der Hysterese einer Ruhespannungscharakteristik leistet einen Beitrag, dass der Ladezustand des Energiespeichers sehr genau bestimmt werden kann, vorteilhafterweise auch wenn die Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers einen sehr flachen und/oder sehr steilen Verlauf aufweist. Eine Ruhespannungscharakteristik beschreibt einen Ruhespannungsverlauf des Energiespeichers abhängig von dem Ladezustand des Energiespeichers. Abhängig von einem Aufbau und den verwendeten Materialien des Energiespeichers kann der Energiespeicher eine Ruhespannungscharakteristik mit einer Hysterese aufweisen. Dies bedeutet, dass die Ruhespannung des Energiespeichers, die sich nach einer längeren Zeit während einer Ruhephase einstellt nach längeren Ladephasen größer ist als nach längeren Entladephasen. Beispielweise weisen Lithium-basierte Energiespeicher, die in modernen Batterie- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, solch eine Hysterese auf.The determination of the state of charge already takes place during the operating phase. There is no need to wait longer periods of rest and / or a recalibration of the energy storage are performed before the state of charge can be determined. The continuous acquisition of measured variables, for example the energy storage voltage and / or the energy storage current, has the advantage that possible individual measurement errors and / or measurement noise have a small influence when determining the state of charge of the energy storage device. A consideration of the hysteresis of a rest voltage characteristic makes a contribution that the state of charge of the energy storage can be determined very accurately, advantageously even if the rest voltage characteristic of the energy storage has a very shallow and / or very steep course. A quiescent voltage characteristic describes a quiescent voltage curve of the energy accumulator as a function of the state of charge of the energy accumulator. Depending on a structure and the materials used of the energy store, the energy store may have a quiescent voltage characteristic with a hysteresis. This means that the rest voltage of the energy storage, which sets after a long time during a rest period after longer charging periods is greater than after longer discharge phases. For example, lithium based energy storage devices used in modern battery and hybrid vehicles have such hysteresis.

Von Vorteil ist, wenn beim Ermitteln des Ladezustands zu Beginn der Betriebsphase ein Anfangswert für den Ladezustand vorgegeben und abhängig von dem Anfangswert der Ladezustand ermittelt wird. Beispielsweise repräsentiert der Anfangswert den Ladezustand des Energiespeichers am Ende einer vorangegangenen Betriebsphase, wobei die Betriebsphase und die vorangegangene Betriebsphase durch eine Ruhephase getrennt sind. Vorzugsweise sind die vorgegebenen Zeitabstände für das Erfassen der Messgrößen und das Ermitteln des Ladezustands jeweils gleich groß, so dass die entsprechenden Werte periodisch in konstanten Zeitabständen erfasst und/oder ermittelt werden.It is advantageous if, when determining the state of charge at the beginning of the operating phase, an initial value is specified for the state of charge and, depending on the initial value, the state of charge is determined. For example, the initial value represents the state of charge of the energy store at the end of a previous operating phase, the operating phase and the preceding operating phase being separated by a rest phase. Preferably, the predetermined time intervals for the detection of the measured quantities and the determination of the state of charge are each the same, so that the corresponding values are recorded periodically at constant time intervals and / or determined.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Energiespeichertemperatur erfasst und die Modellenergiespeicherspannung anhängig von der Energiespeichertemperatur ermittelt. Dies leistet einen Beitrag, Temperaturabhängigkeiten des Energiespeichers beim Ermitteln der Modellenergiespeicherspannung zu berücksichtigen und somit den Ladezustand des Energiespeichers temperaturabhängig zu ermitteln.According to an advantageous embodiment of the invention, an energy storage temperature is detected and the model energy storage voltage determined depending on the energy storage temperature. This makes a contribution to take into account temperature dependencies of the energy storage when determining the model energy storage voltage and thus to determine the state of charge of the energy storage temperature-dependent.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem erneuten Ermitteln des Ladezustands dieser abhängig von dem zuvor korrigierten Ladezustand ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass der Ladezustand sehr einfach berechnet werden kann. Das Ermitteln des korrigierten Ladezustands basiert dabei beispielsweise auf einem regelungstechnischen Modell. Ein Abgleich der erfassten Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung und einer damit verbundenen Korrektur des Ladezustands kann beispielsweise mit Hilfe eines Luenberger-Beobachters, eines Kalman-Filters oder eines Sliding-Mode-Beobachters oder einer Kombination mehrerer regelungstechnischer Modelle erfolgen.According to a further advantageous embodiment of the invention, when the state of charge is determined again, it is determined as a function of the previously corrected state of charge. This has the advantage that the state of charge can be calculated very easily. The determination of the corrected state of charge is based for example on a control engineering model. An adjustment of the detected energy storage voltage and the model energy storage voltage and an associated correction of the charge state, for example, with the help of a Luenberger observer, a Kalman filter or a sliding-mode observer or a combination of several control engineering models.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Korrekturwert abhängig von der Differenz der Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung. Vorteilhaft ist, wenn der so ermittelte Korrekturwert einen Proportionalitätsfaktor aufweist, der anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von einer Ausbildung des Energiespeichers. Der Proportionalitätsfaktor beeinflusst beim Ermitteln des Ladezustands ein mögliches Einschwingverhalten hinsichtlich einer Einschwingdauer und einer Einschwinggenauigkeit. Der Proportionalitätsfaktor weist einen Wert größer 0 auf.According to a further advantageous embodiment of the invention, the correction value is dependent on the difference of the energy storage voltage and the model energy storage voltage. It is advantageous if the correction value determined in this way has a proportionality factor which can be determined in an application-specific manner. The proportionality factor is dependent on a design of the energy storage. The proportionality factor influences a possible transient response with regard to a settling time and a transient accuracy when determining the state of charge. The proportionality factor has a value greater than 0.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Modellenergiespeicherspannung mittels eines Energiespeichermodells, das mehrere Teilmodelle aufweist, ermittelt. Mittels eines ersten Teilmodells wird eine erste Energiespeicherkenngröße ermittelt abhängig von dem Ladezustand. Zumindest mittels eines weiteren Teilmodells wird eine weitere Energiespeicherkenngröße ermittelt unabhängig von dem Ladezustand. Abhängig von der ersten Energiespeicherkenngröße und zumindest der weiteren Energiespeicherkenngröße wird die Modellenergiespeicherspannung ermittelt. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Energiespeichermodell mehrere Teilmodelle aufweist. Durch die Teilmodelle können Eigenschaften des Energiespeichers sehr genau beschrieben werden. Die Teilmodelle können einfach an energiespeicherspezifische Eigenschaften angepasst werden. Des Weiteren ist es einfach möglich, weitere Teilmodelle je nach Bedarf zu ergänzen. Die Teilmodelle sind vorteilhafterweise so ausgebildet, dass nur die mittels des ersten Teilmodells ermittelte erste Energiespeicherkenngröße abhängig ist von dem ermittelten Ladezustand. Dadurch weist das Energiespeichermodell für ein Angleichen der Modellenergiespeicherspannung und der Energiespeicherspannung nur den Ladezustand als Freiheitsgrad auf. Durch ein Minimieren der Abweichung zwischen der Modellenergiespeicherspannung und der Energiespeicherspannung kann somit der Ladezustand sehr einfach bestimmt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the model energy storage voltage is determined by means of an energy storage model which has a plurality of partial models. By means of a first partial model, a first energy storage parameter is determined as a function of the state of charge. At least by means of a further submodel, a further energy storage parameter is determined independently of the state of charge. Depending on the first energy storage parameter and at least the further energy storage parameter, the model energy storage voltage is determined. It is particularly advantageous if the energy storage model has several submodels. Due to the submodels properties of the energy storage can be described very accurately. The submodels can be easily adapted to energy storage specific properties. Furthermore, it is easily possible to supplement other submodels as needed. The submodels are advantageously designed such that only the first energy storage parameter determined by means of the first submodel is dependent on the determined state of charge. As a result, the energy storage model for equalizing the model energy storage voltage and the energy storage voltage has only the state of charge as a degree of freedom. Thus, by minimizing the deviation between the model energy storage voltage and the energy storage voltage, the state of charge can be determined very easily.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das weitere Teilmodell ein Hysteresemodell und wird mittels des Hysteresemodells ein Hysteresezustand abhängig von dem Energiespeicherstrom ermittelt. Der Hysteresezustand repräsentiert eine Gewichtung einer Lade-Ruhespannungscharakteristik und einer Entlade-Ruhespannungscharakteristik abhängig von einer vorausgegangenen Energiespeicherbelastung, wobei die Lade-Ruhespannungscharakteristik den Ruhespannungsverlauf nach einer längeren Ladephase des Energiespeichers repräsentiert und die Entlade-Ruhespannungscharakteristik den Ruhespannungsverlauf nach einer längeren Entladephase. Der Hysteresezustand ist abhängig von den spezifischen elektrischen Eigenschaften eines jeweiligen Energiespeichertyps.According to a further advantageous embodiment of the invention, the further submodel comprises a hysteresis model and, by means of the hysteresis model, a hysteresis state is determined as a function of the energy storage current. The hysteresis state represents a weighting of a charge-at-rest voltage characteristic and a discharge-open voltage characteristic as a function of a previous energy storage load, the charge-rest voltage characteristic representing the quiescent voltage curve after a longer charge phase of the energy store and the discharge rest voltage characteristic of the quiescent voltage curve after a longer discharge phase. The hysteresis state is dependent on the specific electrical properties of a respective energy storage type.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das weitere Teilmodell ein Impedanzmodell und wird mittels des Impedanzmodells abhängig von dem Energiespeicherstrom eine dynamische Energiespeicherspannung ermittelt. Die dynamische Energiespeicherspannung repräsentiert einen von dem Energiespeicherstrom verursachten Spannungsanteil der Energiespeicherspannung. Beispielsweise wird das Impedanzmodell, zum Beispiel ein elektrisches Ersatzschaltbild von Randles, für ein jeweiliges Energiespeicherverhalten während der vorgegebenen Zeitschritte jeweils erneut berechnet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the further submodel comprises an impedance model and a dynamic energy storage voltage is determined by means of the impedance model as a function of the energy storage current. The dynamic energy storage voltage represents a voltage fraction of the energy storage voltage caused by the energy storage current. For example, the impedance model, for example an electrical equivalent circuit of Randles, is recalculated for each energy storage behavior during the predetermined time steps.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Teilmodell ein Ruhespannungsmodell und wird mittels des Ruhespannungsmodells eine Ruhespannung ermittelt abhängig von dem Hysteresezustand und dem Ladezustand. Dies leistet einen Beitrag zum genauen Ermitteln der Ruhespannung, insbesondere auch wenn die Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers eine Hysterese und/oder in bestimmten Bereichen einen sehr flachen und/oder sehr steilen Verlauf aufweist. According to a further advantageous embodiment of the invention, the first part model comprises a quiescent voltage model and is determined by means of the quiescent voltage model, a rest voltage depending on the hysteresis state and the state of charge. This makes a contribution to the accurate determination of the quiescent voltage, in particular even if the quiescent voltage characteristic of the energy storage has a hysteresis and / or in certain areas a very flat and / or very steep course.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Hysteresezustand und/oder die dynamische Energiespeicherspannung und/oder die Ruhespannung abhängig von der Energiespeichertemperatur ermittelt. Dies leistet einen Beitrag, dass der Ladezustand abhängig von Temperatureinflüssen ermittelt werden kann.According to a further advantageous embodiment of the invention, the hysteresis state and / or the dynamic energy storage voltage and / or the quiescent voltage are determined as a function of the energy storage temperature. This makes a contribution that the state of charge can be determined depending on temperature influences.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Modellenergiespeicherspannung ermittelt abhängig von der Ruhespannung und der dynamischen Energiespeicherspannung. Die Modellenergiespeicherspannung weist somit statische als auch dynamische Spannungsanteile auf.According to a further advantageous embodiment of the invention, the model energy storage voltage is determined depending on the rest voltage and the dynamic energy storage voltage. The model energy storage voltage thus has static as well as dynamic voltage components.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Modellenergiespeicherspannung die Summe von der Ruhespannung und der dynamischen Energiespeicherspannung. Dies ermöglicht eine einfache Berechung der Modellenergiespeicherspannung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the model energy storage voltage is the sum of the rest voltage and the dynamic energy storage voltage. This allows a simple calculation of the model energy storage voltage.

Ausführungsbeispiele von Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 in Verbindung mit einer Messeinrichtung 200 und dem Energiespeicher 10. 1 a first embodiment of a device 100 to operate an energy storage 10 in connection with a measuring device 200 and the energy storage 10 ,

1 zeigt eine Messeinheit 200 und eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10. Die Messeinheit 200 ist beispielsweise ausgebildet, eine Energiespeicherspannung U_Batt und einen Energiespeicherstrom I_Batt in vorgegebenen Zeitschritten ts zu erfassen. Die Messeinheit 200 kann beispielsweise auch ausgebildet sein, weitere Betriebsgrößen, beispielsweise eine Energiespeichertemperatur T zu ermitteln. Es ist auch möglich, dass die Energiespeichertemperatur von einer anderen Messvorrichtung erfasst wird. 1 shows a measuring unit 200 and a device 100 to operate an energy storage 10 , The measuring unit 200 For example, it is designed to detect an energy storage voltage U_Batt and an energy storage current I_Batt in predetermined time steps ts. The measuring unit 200 For example, it may also be designed to determine further operating variables, for example an energy storage temperature T. It is also possible that the energy storage temperature is detected by another measuring device.

Die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 weist beispielsweise eine Ladezustandseinheit 130, eine Hystereseeinheit 140, eine Ruhespannungseinheit 150, eine Impedanzeinheit 160, eine Summationseinheit 170, eine Vergleichseinheit 180 und eine Korrektureinheit 190 auf.The device 100 to operate the energy storage 10 has, for example, a state of charge unit 130 , a hysteresis unit 140 , a rest voltage unit 150 , an impedance unit 160 , a summation unit 170 , a comparison unit 180 and a correction unit 190 on.

Die Ladezustandseinheit 130 ist beispielsweise gekoppelt mit der Messeinheit 200. Der Ladezustandseinheit 130 wird der Energiespeicherstrom I_Batt zugeführt. Die Ladezustandseinheit 130 ist ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt und einem vorangegangenen korrigierten Ladezustand SOC_cor einen Ladezustand SOC zu ermitteln. Beispielsweise kann der Ladezustand SOC gemäß Gl. 1 ermittelt werden, wobei C_Batt die Energiespeicherkapazität ist und k den k-ten Zeitschritt ts repräsentiert. SOCk = SOC cork-1 + (I_Battk·tsk)/C_Batt Gl. 1 The charge status unit 130 is for example coupled with the measuring unit 200 , The charge state unit 130 the energy storage current I_Batt is supplied. The charge status unit 130 is designed to determine a state of charge SOC as a function of the energy storage current I_Batt and a previous corrected state of charge SOC_cor. For example, the state of charge SOC according to Eq. 1, where C_Batt is the energy storage capacity and k represents the k-th time step ts. SOC k = SOC cor k-1 + (I_Batt k * ts k ) / C_Batt Eq. 1

Zu Beginn einer Betriebsphase wird beispielsweise ein Anfangswert SOC_0 für den Ladezustand SOC vorgegeben und abhängig von dem Anfangswert der Ladezustand ermittelt. Beispielsweise ist der Anfangswert SOC_0 der ermittelte Ladezustand SOC des Energiespeichers am Ende einer vorangegangenen Betriebsphase.At the beginning of an operating phase, for example, an initial value SOC_0 for the state of charge SOC is predetermined, and the state of charge is determined as a function of the initial value. For example, the initial value SOC_0 is the determined state of charge SOC of the energy store at the end of a preceding operating phase.

Es ist auch möglich, dass der Ladezustandseinheit 130 ergänzend zu dem Energiespeicherstrom I_Batt eine weitere Messgröße, beispielsweise die Energiespeicherspannung U_Batt zugeführt wird und der Ladezustand SOC auch abhängig von der Energiespeicherspannung U_Batt ermittelt wird.It is also possible that the state of charge unit 130 in addition to the energy storage current I_Batt a further measured variable, for example, the energy storage voltage U_Batt is supplied and the state of charge SOC is also determined depending on the energy storage voltage U_Batt.

Die Hystereseeinheit 140 ist gekoppelt mit der Messeinheit 200. Der Hystereseeinheit 140 wird beispielsweise der Energiespeicherstrom I_Batt zugeführt. Die Hystereseeinheit 140 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt einen Hysteresezustand λ zu ermitteln.The hysteresis unit 140 is coupled with the measuring unit 200 , The hysteresis unit 140 For example, the energy storage current I_Batt is supplied. The hysteresis unit 140 For example, it is designed to determine a hysteresis state λ depending on the energy storage current I_Batt.

Die Ruhespannungseinheit 150 ist gekoppelt mit der Messeinheit 200, der Ladezustandseinheit 130 und der Hystereseeinheit 140. Der Ruhespannungseinheit 150 werden beispielsweise der Ladezustand SOC, der Hysteresezustand λ, der Energiespeicherstrom I_Batt und die Energiespeichertemperatur T zugeführt. Die Ruhespannungseinheit 150 ist ausgebildet, abhängig von dem Ladezustand SOC, dem Hysteresezustand λ, dem Energiespeicherstrom I_Batt und der Energiespeichertemperatur T eine Ruhespannung OCV zu ermitteln.The rest voltage unit 150 is coupled with the measuring unit 200 , the charge status unit 130 and the hysteresis unit 140 , The rest voltage unit 150 For example, the state of charge SOC, the hysteresis state λ, the energy storage current I_Batt and the energy storage temperature T are supplied. The rest voltage unit 150 is formed, depending on the state of charge SOC, the hysteresis state λ, the energy storage current I_Batt and the energy storage temperature T to determine a rest voltage OCV.

Die Impedanzeinheit 160 ist mit der Messeinheit 200 gekoppelt. Der Impedanzeinheit 160 werden der Energiespeicherstrom I_Batt und beispielsweise die Energiespeichertemperatur T zugeführt. Die Impedanzeinheit 160 ist ausgebildet, abhängig von der Energiespeicherstrom I_Batt und beispielsweise der Energiespeichertemperatur T eine dynamische Energiespeicherspannung U_dyn zu ermitteln. hierzu wird beispielsweise ein Impedanzmodell, beispielsweise ein elektrisches Ersatzschaltbild von Randles, jeweils parallel zu den vorgegebenen Zeitschritten ts abhängig von einem jeweiligen Verhalten des Energiespeichers neu berechnet.The impedance unit 160 is with the measurement unit 200 coupled. The impedance unit 160 the energy storage current I_Batt and, for example, the energy storage temperature T are supplied. The impedance unit 160 is designed, depending on the energy storage current I_Batt and, for example, the energy storage temperature T to determine a dynamic energy storage voltage U_dyn. For this purpose, for example, an impedance model, for example an electrical equivalent circuit diagram of Randles, is respectively recalculated in parallel to the predetermined time steps ts as a function of a respective behavior of the energy store.

Die Summationseinheit 170 ist beispielsweise gekoppelt mit der Ruhespannungseinheit 150 und der Impedanzeinheit 160. Der Summationseinheit 150 werden so die ermittelte Ruhespannung OCV und die ermittelte dynamische Energiespeicherspannung U_dyn zu geführt und abhängig von diesen beiden Größen eine Modellenergiespeicherspannung U_Mod ermittelt. Die Energiespeicherspannung U_Mod kann beispielweise durch Addition der Ruhespannung OCV und der dynamischen Energiespeicherspannung U_dyn, wie in Gl. 2 dargestellt, ermittelt werden. Dabei repräsentiert k den k-ten Zeitschritt. U_Modk = OCVk + U_dynk Gl. 2 The summation unit 170 is for example coupled with the rest voltage unit 150 and the impedance unit 160 , The summation unit 150 Thus, the determined rest voltage OCV and the determined dynamic energy storage voltage U_dyn to be performed and depending on these two sizes, a model energy storage voltage U_Mod determined. The energy storage voltage U_Mod can be obtained, for example, by adding the quiescent voltage OCV and the dynamic energy storage voltage U_dyn, as described in Eq. 2, are determined. K represents the kth time step. U_Mod k = OCV k + U_dyn k Eq. 2

Die Vergleichseinheit 180 ist gekoppelt mit der Messeinheit 200 und der Summationseinheit 170. Der Vergleichseinheit 180 werden beispielsweise die Energiespeicherspannung U_Batt und die Modellenergiespeicherspannung U_Mod zugeführt. Die Vergleichseinheit 180 ist ausgebildet, abhängig von der Energiespeicherspannung U_Batt und der Modellenergiespeicherspannung U_Mod einen Korrekturwert ΔSOC zu ermitteln. Der Korrekturwert ΔSOC kann beispielsweise abhängig von der Differenz der Energiespeicherspannung U_Batt und der Modellenergiespeicherspannung U_Mod, wie in Gl. 3 dargestellt, ermittelt werden. ΔSOCk = g·(U_Battk – U_Modk) Gl. 3 The comparison unit 180 is coupled with the measuring unit 200 and the summation unit 170 , The comparison unit 180 For example, the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod are supplied. The comparison unit 180 is designed to determine a correction value .DELTA.SOC depending on the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod. The correction value .DELTA.SOC, for example, depending on the difference of the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod, as in Eq. 3, are determined. ΔSOC k = g * (U_Batt k - U_Mod k ) Eq. 3

g ist hierbei ein Proportionalitätsfaktor. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von einer Ausbildung des Energiespeichers und kann anwendungsspezifisch festgelegt werden. Der Proportionalitätsfaktor g weist einen Wert größer 0 auf. Mittels des Proportionalitätsfaktor g kann ein mögliches Einschwingverhalten beim Ermitteln des Ladezustands hinsichtlich einer Einschwingdauer und Einschwinggenauigkeit beeinflusst werden.Here g is a proportionality factor. The proportionality factor is dependent on a design of the energy storage and can be determined application-specific. The proportionality factor g has a value greater than 0. By means of the proportionality factor g, a possible transient response in determining the state of charge with regard to a settling time and transient accuracy can be influenced.

Die Korrektureinheit 190 ist gekoppelt mit der Ladezustandseinheit 130 und der Vergleichseinheit 180. Der Korrektureinheit 190 werden beispielsweise der Ladezustand SOC und der Korrekturwert ΔSOC zugeführt. Die Korrektureinheit 190 ist ausgebildet, einen korrigierten Ladezustand SOC_cor abhängig von dem Ladezustand SOC und dem Korrekturwert ΔSOC zu ermitteln. Beispielsweise kann der korrigierte Ladezustand durch einfache Addition des Ladezustands SOC und dem Korrekturwert ΔSOC ermittelt werden. Beispielsweise kann für den k-ten Zeitschritt der korrigierte Ladezustand SOC_cor gemäß Gl. 4 ermittelt werden: SOC_cork = SOCk + ΔSOCk Gl. 4 The correction unit 190 is coupled with the state of charge unit 130 and the comparison unit 180 , The correction unit 190 For example, the state of charge SOC and the correction value ΔSOC are supplied. The correction unit 190 is configured to determine a corrected state of charge SOC_cor depending on the state of charge SOC and the correction value ΔSOC. For example, the corrected state of charge can be determined by simply adding the state of charge SOC and the correction value ΔSOC. For example, for the k-th time step, the corrected state of charge SOC_cor according to Eq. 4 are determined: SOC_cor k = SOC k + .DELTA.SOC k Eq. 4

Der Ladezustand SOC für den darauffolgenden Zeitschritt k + 1 kann gemäß Gl. 1 ermittelt werden.The state of charge SOC for the subsequent time step k + 1 can, according to Eq. 1 are determined.

Das Ermitteln des Korrekturwerts ΔSOC sowie des korrigierten Ladezustands SOC_cor gemäß Gl. 3 und Gl. 4 sind mögliche Ausführungsbeispiele. Die angegebenen Gleichungen basieren auf einem linearen Zustandsbeobachtermodell. Es ist auch möglich, dass ein Abgleich der erfassten Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung und einer damit verbundenen Korrektur des Ladezustands beispielsweise mit Hilfe eines anderen regelungstechnischen Modells, beispielsweise eines Luenberger-Beobachters, eines Kalman-Filters oder eines Sliding-Mode-Beobachters oder einer Kombination mehrerer regelungstechnischer Modelle, erfolgt.Determining the correction value ΔSOC and the corrected state of charge SOC_cor according to Eq. 3 and Eq. 4 are possible embodiments. The equations given are based on a linear state observer model. It is also possible that a comparison of the detected energy storage voltage and the model energy storage voltage and an associated correction of the state of charge, for example, using another control technical model, such as a Luenberger observer, a Kalman filter or a sliding-mode observer or a combination of several control engineering models, takes place.

Die Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 kann beispielsweise als Recheneinheit mit einem Programm- und Datenspeicher ausgebildet sein.The device 100 to operate an energy storage 10 For example, it can be designed as a computer unit with a program and data memory.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Energiespeicherenergy storage
100100
Vorrichtung zum Betreiben eines EnergiespeichersDevice for operating an energy store
130130
LadezustandseinheitSOC unit
140140
Hystereseeinheithysteresis
150150
RuhespannungseinheitOpen circuit voltage unit
160160
Impedanzeinheitimpedance unit
170170
SummationseinheitSummation unit
180180
Vergleichseinheitcomparing unit
190190
Korrektureinheitcorrection unit
200200
Messeinheitmeasuring unit
I_BattI_Batt
EnergiespeicherstromEnergy storage power
OCVOCV
Ruhespannungopen circuit voltage
SOCSOC
LadezustandSOC
SOC_corSOC_cor
korrigierter Ladezustandcorrected state of charge
tt
RuhephasendauerDormancy period
TT
EnergiespeichertemperaturEnergy storage temperature
U_Battu_Batt
EnergiespeicherspannungEnergy storage voltage
U_dynU_dyn
dynamische Energiespeicherspannungdynamic energy storage voltage
U_ModU_Mod
ModellenergiespeicherspannungModel energy storage voltage
ΔSOC.DELTA.SOC
LadezustandsverlustSOC loss
λλ
Hysteresezustandhysteresis state

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3530985 C2 [0003] DE 3530985 C2 [0003]
  • EP 1266237 B1 [0004] EP 1266237 B1 [0004]

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (10), bei dem während einer Betriebsphase des Energiespeichers (10) in vorgegebenen Zeitschritten (ts) – mittels einer Messeinheit (200) eine Energiespeicherspannung (U_Batt) und ein Energiespeicherstrom (I_Batt) erfasst wird, – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) ein Ladezustand (SOC) ermittelt wird, – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt), dem Ladezustand (SOC) und einer vorgegebenen Hysterese einer Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers (10) eine Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ermittelt wird, – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ein Korrekturwert (ΔSOC) ermittelt wird und – abhängig von dem Korrekturwert (ΔSOC) ein korrigierter Ladezustand (SOC_cor) ermittelt wird.Method for operating an energy store ( 10 ), during which during an operating phase of the energy store ( 10 ) in predetermined time steps (ts) - by means of a measuring unit ( 200 ) an energy storage voltage (U_Batt) and an energy storage current (I_Batt) is detected, - depending on the energy storage current (I_Batt) a state of charge (SOC) is determined, - depending on the energy storage current (I_Batt), the state of charge (SOC) and a predetermined hysteresis one Open-circuit voltage characteristic of the energy store ( 10 ) a model energy storage voltage (U_Mod) is determined, - depending on the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod) a correction value (.DELTA.SOC) is determined and - depending on the correction value (.DELTA.SOC) a corrected state of charge (SOC_cor) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Energiespeichertemperatur (T) erfasst wird und die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) abhängig von der Energiespeichertemperatur (T) ermittelt wird.The method of claim 1, wherein an energy storage temperature (T) is detected and the model energy storage voltage (U_Mod) is determined depending on the energy storage temperature (T). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem bei einem erneuten Ermitteln des Ladezustands (SOC) dieser abhängig von dem zuvor korrigierten Ladezustand (SOC_cor) ermittelt wird.Method according to one of claims 1 or 2, wherein in a renewed determination of the state of charge (SOC), this is determined depending on the previously corrected state of charge (SOC_cor). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Korrekturwert (ΔSOC) abhängig ist von der Differenz der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod).Method according to one of the preceding claims, wherein the correction value (ΔSOC) is dependent on the difference of the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) mittels eines Energiespeichermodells, das mehrere Teilmodelle aufweist, ermittelt wird, wobei – mittels eines ersten Teilmodells eine erste Energiespeicherkenngröße ermittelt wird abhängig von dem Ladezustand (SOC), – zumindest mittels eines weiteren Teilmodells eine weitere Energiespeicherkenngröße ermittelt wird unabhängig von dem Ladezustand (SOC) und – abhängig von der ersten Energiespeicherkenngröße und zumindest der weiteren Energiespeicherkenngröße die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the model energy storage voltage (U_Mod) is determined by means of an energy storage model comprising a plurality of partial models, wherein A first energy storage parameter is determined by means of a first partial model depending on the state of charge (SOC), - At least by means of another submodel, a further energy storage parameter is determined regardless of the state of charge (SOC) and - Depending on the first energy storage parameter and at least the further energy storage parameter, the model energy storage voltage (U_Mod) is determined. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das weitere Teilmodell ein Hysteresemodell umfasst und mittels des Hysteresemodells ein Hysteresezustand (λ) abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) ermittelt wird.Method according to Claim 5, in which the further submodel comprises a hysteresis model and a hysteresis state (λ) is determined by means of the hysteresis model as a function of the energy storage current (I_Batt). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem das weitere Teilmodell ein Impedanzmodell umfasst und mittels des Impedanzmodells abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) eine dynamische Energiespeicherspannung (U_dyn) ermittelt wird.Method according to one of claims 5 or 6, wherein the further part model comprises an impedance model and by means of the impedance model depending on the energy storage current (I_Batt) a dynamic energy storage voltage (U_dyn) is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, bei dem das erste Teilmodell ein Ruhespannungsmodell umfasst und mittels des Ruhespannungsmodells eine Ruhespannung (OCV) ermittelt wird abhängig von dem Hysteresezustand (λ) und dem Ladezustand (SOC).Method according to one of the preceding claims 5 to 7, wherein the first sub-model comprises a quiescent voltage model and by means of the quiescent voltage model, a quiescent voltage (OCV) is determined depending on the hysteresis state (λ) and the state of charge (SOC). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Hysteresezustand (λ) und/oder die dynamische Energiespeicherspannung (U_dyn) und/oder die Ruhespannung (OCV) abhängig von der Energiespeichertemperatur (T) ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims 6 to 8, in which the hysteresis state (λ) and / or the dynamic energy storage voltage (U_dyn) and / or the quiescent voltage (OCV) are determined as a function of the energy storage temperature (T). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ermittelt wird abhängig von der Ruhespannung (OCV) und der dynamischen Energiespeicherspannung (U_dyn).Method according to one of the preceding claims 8 or 9, in which the model energy storage voltage (U_Mod) is determined as a function of the quiescent voltage (OCV) and the dynamic energy storage voltage (U_dyn). Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) die Summe ist von der Ruhespannung (OCV) und der dynamischen Energiespeicherspannung (U_dyn).The method of claim 10, wherein the model energy storage voltage (U_Mod) is the sum of the quiescent voltage (OCV) and the dynamic energy storage voltage (U_dyn). Vorrichtung (100) zum Betreiben eines Energiespeichers (10), der eine Messeinheit (200) zugeordnet ist, die ausgebildet ist, während einer Betriebsphase des Energiespeichers in vorgegebenen Zeitschritten (ts) eine Energiespeicherspannung (U_Batt) und ein Energiespeicherstrom (I_Batt) zu erfassen und die Vorrichtung (100) dazu ausgebildet ist, während der Betriebsphase des Energiespeichers in den vorgegebenen Zeitschritten (ts) – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) einen Ladezustand (SOC) zu ermitteln, – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt), dem Ladezustand (SOC) und einer vorgegebenen Hysterese einer Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers (10) eine Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) zu ermitteln, – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) einen Korrekturwert (ΔSOC) zu ermitteln und – abhängig von dem Korrekturwert (ΔSOC) einen korrigierter Ladezustand (SOC_cor) zu ermitteln.Contraption ( 100 ) for operating an energy store ( 10 ), which is a measuring unit ( 200 ), which is designed to detect an energy storage voltage (U_Batt) and an energy storage current (I_Batt) during predetermined periods of time (ts) during an operating phase of the energy store, and to detect the device ( 100 ) is designed to determine a state of charge (SOC) during the operating phase of the energy store in the predetermined time steps (ts) - depending on the energy storage current (I_Batt), - depending on the energy storage current (I_Batt), the state of charge (SOC) and a predetermined Hysteresis of a rest voltage characteristic of the energy store ( 10 ) to determine a model energy storage voltage (U_Mod), depending on the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod) to determine a correction value (.DELTA.SOC) and - depending on the correction value (.DELTA.SOC) to determine a corrected state of charge (SOC_cor).
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