DE102010003425A1 - Energy storage i.e. lithium-based energy storage, operation method for e.g. hybrid car, involves determining state of charge deviation of cell dependent of energy storage voltage, average state of charge and detected cell voltage of cell - Google Patents

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Abstract

The method involves detecting energy storage voltage (U-Batt) and energy storage current (I-Batt) by a measurement unit (200). Average charging state (SOC) of an energy storage (10) is determined depending upon the detected energy storage current. Charge deviation state (V) of an energy store cell is determined depending upon the energy storage voltage, the average charging state and a cell voltage (U-z) of the energy store cell, and charging or discharging operations of the cell is performed depending upon the time of charge deviation. An independent claim is also included for a device for operating an energy storage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers mit zumindest einer Energiespeicherzelle, bei dem beziehungsweise bei der ein mittlerer Ladezustand des Energiespeichers und eine Ladezustandsabweichung der jeweiligen Energiespeicherzellen ermittelt wird.The invention relates to a method and a device for operating an energy store with at least one energy storage cell, in which or in which a mean state of charge of the energy store and a state of charge deviation of the respective energy storage cells 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 Hochvoltbatterien für Hybrid- und Batteriefahrzeuge weisen eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen auf. Die Leistungsfähigkeit dieser Batterien mit mehreren in Serie geschalteten Energiespeicherzellen ergibt sich aus der Summe der Leistungsfähigkeit der einzelnen Energiespeicherzellen. Durch produktionsbedingte Herstellungstoleranzen der Energiespeicherzellen und/oder Temperaturunterschiede in dem Energiespeicher können die Energiespeicherzellen über die Zeit unterschiedliche Ladezustände aufweisen. In Folge dessen sinkt über die Zeit ein nutzbarer Energiehub und reduziert sich die Leistungsfähigkeit des Energiespeichersystems.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 high-voltage batteries for hybrid and battery vehicles have a large number of energy storage cells connected in series. The performance of these batteries with several series-connected energy storage cells results from the sum of the performance of the individual energy storage cells. Production-related manufacturing tolerances of the energy storage cells and / or temperature differences in the energy storage, the energy storage cells may have different states of charge over time. As a result, a usable energy swing decreases over time and reduces the performance of the energy storage system.

DE 101 50 376 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausgleich eines Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren. Die an den Akkumulatoren anliegende Spannung wird gemessen. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Differenz-Schwellenwertes erfolgt ein Ladungsaustausch über einen Kondensator, der über Schalter abwechselnd mit den einzelnen Akkumulatoren verbindbar ist. DE 101 50 376 A1 discloses a method for balancing a state of charge of serially connected accumulators. The voltage applied to the batteries is measured. When a predetermined difference threshold value is exceeded, a charge exchange takes place via a capacitor which can be connected alternately via switches to the individual accumulators.

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 mit zumindest einer Energiespeicherzelle. Während einer Betriebsphase des Energiespeichers werden in vorgegebenen Zeitschritten mittels einer Messeinheit eine Energiespeicherspannung und ein Energiespeicherstrom erfasst. Des Weiteren wird während einer Betriebsphase des Energiespeichers in vorgegebenen Zeitschritten zumindest abhängig von dem erfassten Energiespeicherstrom ein mittlerer Ladezustand des Energiespeichers ermittelt und abhängig von der Energiespeicherspannung, dem mittleren Ladezustand und einer erfassten Zellspannung der Energiespeicherzelle eine Ladezustandsabweichung der Energiespeicherzelle ermittelt.The invention is characterized by a method and a corresponding device for operating an energy store with at least one energy storage cell. 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. Furthermore, during an operating phase of the energy store, a mean state of charge of the energy store is determined in predetermined time steps at least as a function of the detected energy store current, and a charge state deviation of the energy store cell is determined as a function of the energy store voltage, the average state of charge and a detected cell voltage of the energy store cell.

Dies hat den Vorteil, dass die Ladezustandsabweichung bereits während einer Betriebsphase bekannt ist. Es müssen keine längeren Ruhephasen abgewartet werden, bevor die Ladezustandsabweichung ermittelt werden kann, wie dies beispielsweise erforderlich ist, wenn ein Ermitteln der Ladezustandsabweichung auf eine Ruhespannungsmessung basiert. 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 auf das Ermitteln des mittleren Ladezustands des Energiespeichers haben.This has the advantage that the charge state deviation is already known during an operating phase. There is no need to wait for longer periods of rest before the state of charge deviation can be determined, as is required, for example, when determining the state of charge deviation based on a resting voltage measurement. 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 on the determination of the average state of charge of the energy store.

Die Zellspannung kann beispielsweise mit einer dafür ausgebildeten Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit erfasst werden. Weist der Energiespeicher mehrere Energiespeicherzellen auf, ist es von Vorteil, wenn die Energiespeicherzellen jeweils einen sehr ähnlichen Aufbau hinsichtlich Abmessungen und Materialien aufweisen und damit näherungsweise gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Vorzugsweise werden die Energiespeicherspannung und der Energiespeicherstrom in konstanten zeitlichen Zeitabschnitten ermittelt und der mittlere Ladezustand sowie die jeweiligen Ladezustandsabweichungen der Energiespeicherzellen ebenfalls jeweils für diese Zeitabschnitte bestimmt. Die Zellspannung wird vorzugsweise während der Betriebsphase auch in konstanten Zeitabständen erfasst. Die Zeitabstände können jedoch größer gewählt werden als die Zeitabschnitte für die Erfassung der Energiespeicherspannung und des Energiespeicherstroms. Der mittlere Ladezustand des Energiespeichers kann beispielsweise abhängig von einer Integration des Energiespeicherstroms und einem vorgegebenen Anfangswert, beispielsweise dem mittleren Ladezustand des Energiespeichers am Ende einer vorangegangenen Betriebsphase, ermittelt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der mittlere Ladezustand des Energiespeichers mittels eines Zustandsschätzers abhängig von der Energiespeicherspannung und dem Energiespeicherstrom ermittelt wird. Ein Berücksichtigen sowohl der Energiespeicherspannung als auch des Energiespeicherstroms kann vorteilhafterweise ein Beitrag leisten, dass der mittlere Ladezustand genauer ermittelt werden kann. Der Zustandsschätzer kann beispielsweise ein Kalman-Filter umfassen. Beispielsweise kann der mittlere Ladezustand abhängig von der Energiespeicherspannung und/oder dem Energiespeicherstrom und abhängig von einer weiteren Energiespeichermessgröße, beispielsweise abhängig von einer Energiespeichertemperatur, ermittelt werden.The cell voltage can be detected, for example, with a cell voltage measuring and symmetrizing unit designed for this purpose. If the energy store has a plurality of energy storage cells, it is advantageous if the energy storage cells each have a very similar structure in terms of dimensions and materials and thus have approximately the same electrical properties. The energy storage voltage and the energy storage current are preferably determined at constant time intervals, and the mean state of charge and the respective state of charge deviations of the energy storage cells are likewise determined for each of these time segments. The cell voltage is preferably detected during the operating phase also at constant time intervals. However, the time intervals may be greater than the time periods for the detection of the energy storage voltage and the energy storage current. The mean state of charge of the energy store can be determined, for example, as a function of an integration of the energy storage current and a predetermined initial value, for example the mean state of charge of the energy store at the end of a preceding operating phase. It is also possible, for example, for the average state of charge of the energy store to be dependent on a state estimator is determined by the energy storage voltage and the energy storage current. Taking into account both the energy storage voltage and the energy storage current can advantageously make a contribution that the average state of charge can be determined more accurately. The state estimator may include, for example, a Kalman filter. For example, the mean state of charge can be determined as a function of the energy storage voltage and / or the energy storage current and depending on a further energy storage measurement variable, for example, depending on an energy storage temperature.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zu einem vorgegebenen Zeitpunkt abhängig von der Ladezustandsabweichung ein Laden oder Entladen der Energiespeicherzelle. Vorteilhafterweise können dadurch die Ladezustandsabweichungen minimiert werden und eine maximale Leistungsfähigkeit des Energiespeichers erreicht werden. Das Minimieren der Ladezustandsabweichungen hat im Vergleich zu einer Minimierung von Zellspannungsabweichungen, die während längerer Ruhephasen ermittelt werden, den Vorteil, dass ein Angleichen von Ladezuständen der Zellen auch dann näherungsweise fehlerfrei erfolgen kann, wenn einer während einer Ruhephase gemessenen Zellspannung kein spezifischer Zellladezustand zuordenbar ist. Dies ist beispielsweise bei Lithium-basierten Energiespeichern, die in modernen Hybrid- und Batteriefahrzeugen eingesetzt werden, der Fall. Abhängig von einem Aufbau und der verwendeten Materialien weisen die Energiespeicherzellen beispielsweise eine Ruhespannungscharakteristik auf mit einer Hysterese und/oder mit einem sehr flachen und/oder sehr steilen Verlauf. Die Ruhespannungscharakteristik beschreibt hierbei einen Verlauf einer Ruhespannung einer Energiespeicherzelle abhängig von einem Ladezustand der Energiespeicherzelle. In diesem Fall ist die Ruhespannung der Energiespeicherzelle, die sich nach einer längeren Zeit während der Ruhephase einstellt, beispielsweise nach längeren Ladephasen größer als nach längeren Entladephasen.According to an advantageous embodiment of the invention takes place at a predetermined time depending on the state of charge deviation charging or discharging the energy storage cell. Advantageously, thereby the state of charge deviations can be minimized and a maximum performance of the energy storage can be achieved. The minimization of the state of charge deviations has the advantage, as compared to minimizing cell voltage deviations, which are determined during longer periods of rest, that an equalization of charge states of the cells can take place approximately error-free even if no specific cell charge state can be assigned to a cell voltage measured during a rest phase. This is the case, for example, with lithium-based energy storage systems used in modern hybrid and battery vehicles. Depending on a structure and the materials used, the energy storage cells, for example, a rest voltage characteristic with a hysteresis and / or with a very shallow and / or very steep course. The rest voltage characteristic here describes a profile of a rest voltage of an energy storage cell depending on a state of charge of the energy storage cell. In this case, the quiescent voltage of the energy storage cell, which sets after a long time during the rest phase, for example, after longer charging periods greater than after longer discharge phases.

Gemäß einer weitern vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird abhängig von der Ladezustandsabweichung und dem mittleren Ladezustand ein Zellladezustand ermittelt. Der Zellladezustand der Energiespeicherzellen kann auf diese Weise einfach ermittelt werden. Vorteilhafterweise werden damit die Zellladezustände der Energiespeicherzellen für weitere Anwendungen zur Verfügung gestellt. Eine Information zu den Ladezustandsabweichungen kann für eine Abschätzung eines Energieinhalts und/oder einer Leistungsfähigkeit der Energiespeicherzelle eingesetzt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, a cell charge state is determined depending on the state of charge deviation and the average state of charge. The cell charge state of the energy storage cells can be easily determined in this way. Advantageously, the cell charging states of the energy storage cells are thus made available for further applications. Information on the state of charge deviations can be used for an estimation of an energy content and / or a performance of the energy storage cell.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ladezustandsabweichung ermittelt abhängig von einer vorgegebenen Ruhespannungscharakteristik der Energiespeicherzelle. Dies leistet einen Beitrag, dass die Ladezustandsabweichung sehr genau ermittelt werden kann.According to a further advantageous embodiment of the invention, the state of charge deviation is determined depending on a predetermined rest voltage characteristic of the energy storage cell. This makes a contribution that the charge state deviation can be determined very accurately.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ladezustandsabweichung ermittelt abhängig von einer Steilheit der Ruhespannungscharakteristik, die die Ruhespannungscharakteristik bei dem ermittelten mittleren Ladezustand aufweist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the state of charge deviation is determined depending on a slope of the rest voltage characteristic having the rest voltage characteristic at the determined average state of charge.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ladezustandsabweichung ermittelt abhängig von der erfassten Zellspannung und einer mittleren Zellspannung. Die mittlere Zellspannung der einzelnen Energiespeicherzellen ist beispielsweise die Energiespeicherspannung dividiert durch eine Anzahl von Energiespeicherzellen, die der Energiespeicher aufweist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the state of charge deviation is determined depending on the detected cell voltage and a mean cell voltage. The average cell voltage of the individual energy storage cells is, for example, the energy storage voltage divided by a number of energy storage cells, which has the energy storage.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Zellspreizung ermittelt abhängig von der Differenz von der Zellspannung und der mittleren Zellspannung und die Ladezustandsabweichung abhängig von der Zellspreizung ermittelt. Wird beispielsweise die Ladezustandsabweichung mittels eines regelungstechnischen Modells ermittelt, kann die Zellspreizung beispielsweise als Korrekturgröße genutzt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, a cell spread is determined as a function of the difference between the cell voltage and the average cell voltage and determines the state of charge deviation as a function of the cell spread. If, for example, the charge state deviation is determined by means of a control-technical model, the cell spread can be used, for example, as a correction variable.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ladezustandsabweichung mittels eines adaptiven Filters ermittelt und eine aktuelle Ladezustandsabweichung abhängig von einer vorangegangenen Ladezustandsabweichung ermittelt. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung der Ladezustandsabweichung. Vorteilhafterweise ermöglicht dies ein Unterdrücken von Messrauschen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the state of charge deviation is determined by means of an adaptive filter and a current charge state deviation is determined as a function of a previous state of charge deviation. This allows a simple determination of the charge state deviation. Advantageously, this allows suppression of measurement noise.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird abhängig von der Ladezustandsabweichung und einem vorgegebenen Ausgleichsstrom eine Ladedauer ermittelt und abhängig von dieser Ladedauer erfolgt ein Entladen oder Laden der Energiespeicherzelle. Dies ermöglicht mit geringem Rechenaufwand eine geeignete Steuergröße zu ermitteln, beispielsweise für eine Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit, mittels derer eine Zellladezustandssymmetrie herbeigeführt werden kann.According to a further advantageous embodiment of the invention, a charging duration is determined depending on the state of charge deviation and a predetermined compensation current and depending on this charging time is carried out a discharge or charging of the energy storage cell. This makes it possible with little computational effort to determine a suitable control variable, for example for a cell voltage measuring and balancing unit, by means of which a cell charge state symmetry can be brought about.

Beispielsweise kann der Ausgleichsstrom für alle Energiespeicherzellen gleich gewählt werden. For example, the equalizing current can be selected the same for all energy storage cells.

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, 1 a first embodiment of a device 100 to operate an energy storage 10 .

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10, 2 A second embodiment of the device 100 to operate the energy storage 10 .

3 ein Diagramm einer Ladezustandsabweichung V für mehrere Energiespeicherzellen des Energiespeichers 10 und 3 a diagram of a state of charge deviation V for several energy storage cells of the energy storage 10 and

4 ein Zellladezustands-Diagramm. 4 a cell charge state diagram.

1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 in Verbindung mit dem Energiespeicher 10, einer Messeinheit 200 und einer Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50. 1 shows a device 100 to operate an energy storage 10 in connection with the energy storage 10 , a measurement unit 200 and a cell voltage measuring and balancing unit 50 ,

Der Energiespeicher 10 weist beispielsweise n in Serie geschaltete Energiespeicherzellen auf, die näherungsweise gleich ausgebildet sind.The energy storage 10 has, for example, n series-connected energy storage cells, which are approximately the same.

Die Messeinheit 200 ist beispielsweise ausgebildet, eine Energiespeicherspannung U_Batt und einen Energiespeicherstrom I_Batt während einer Betriebsphase in vorgegebenen Zeitschritten ts zu erfassen. Die Messeinheit 200 kann beispielsweise auch ausgebildet sein, weitere Betriebsgrößen, beispielsweise eine Energiespeichertemperatur, zu ermitteln.The measuring unit 200 For example, it is designed to detect an energy storage voltage U_Batt and an energy storage current I_Batt during an operating phase 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.

Die Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50 ist gekoppelt mit dem Energiespeicher 10. Die Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50 ist beispielsweise ausgebildet, eine Zellspannung U_z der jeweiligen Energiespeicherzelle zu erfassen. Beispielsweise wird die Zellspannung U_z während der Betriebsphase in konstanten Zeitabständen von ein bis zwei Sekunden erfasst. Des Weiteren ist die Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50 ausgebildet, abhängig von einer Steuergröße, beispielsweise abhängig von einer ermittelten Ladedauer T, Ladezustandsabweichungen V der jeweiligen Energiespeicherzellen auszugleichen.The cell voltage measuring and balancing unit 50 is coupled with the energy storage 10 , The cell voltage measuring and balancing unit 50 For example, it is designed to detect a cell voltage U_z of the respective energy storage cell. For example, the cell voltage U_z is detected during the operating phase at constant time intervals of one to two seconds. Furthermore, the cell voltage measuring and balancing unit 50 designed to compensate, depending on a control variable, for example, depending on a calculated charging time T, state of charge deviations V of the respective energy storage cells.

Die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 weist beispielsweise eine Spannungseinheit 160, eine Ladezustandseinheit 130, eine Kennlinieneinheit 140, eine Filtereinheit 170 und eine erste Auswerteeinheit 180 sowie eine zweite Auswerteeinheit 190 auf.The device 100 to operate the energy storage 10 has, for example, a tension unit 160 , a state of charge unit 130 , a characteristic unit 140 , a filter unit 170 and a first evaluation unit 180 and a second evaluation unit 190 on.

Die Spannungseinheit 160 ist beispielsweise gekoppelt mit der Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50 und der Messeinheit 200. Der Spannungseinheit 160 werden so die erfassten Zellspannungen U_z und die Energiespeicherspannung U_Batt zugeführt. Die Spannungseinheit 160 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von der Energiespeicherspannung U_Batt und den Zellspannungen U_z eine jeweilige Zellspannungsspreizung D zu ermitteln. Die Zellspannungsspreizung D kann beispielsweise gemäß Gl. 1 ermittelt werden.The voltage unit 160 is for example coupled with the cell voltage measuring and balancing unit 50 and the measurement unit 200 , The tension unit 160 Thus, the detected cell voltages U_z and the energy storage voltage U_Batt are supplied. The voltage unit 160 For example, it is designed to determine a respective cell voltage spread D as a function of the energy storage voltage U_Batt and the cell voltages U_z. The cell voltage spread D can, for example, according to Eq. 1 are determined.

Figure 00090001
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Die Energiespeicherspannung U_Batt dividiert durch die Anzahl n der Energiespeicherzellen repräsentiert in diesem Fall eine mittlere Zellspannung U_m.The energy storage voltage U_Batt divided by the number n of the energy storage cells in this case represents a mean cell voltage U_m.

Die Ladezustandseinheit 130 ist beispielsweise gekoppelt mit der Messeinheit 200. Der Ladezustandseinheit 130 wird beispielsweise der Energiespeicherstrom I_Batt und die Energiespeicherspannung U_Batt zugeführt. Die Ladezustandseinheit 130 ist ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt und der Energiespeicherspannung U_Batt einen mittleren Ladezustand SOC des Energiespeichers zu ermitteln. Die Ladezustandseinheit 130 kann beispielsweise als Ladezustandsschätzer ausgebildet sein. Der Ladezustandschätzer kann beispielsweise ein Kalman-Filter umfassen. Es ist auch möglich, dass der mittlere Ladezustand SOC abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt, jedoch unabhängig von Energiespeicherspannung U_Batt, beispielsweise mittels einer Stromintegration ermittelt wird. Des Weiteren ist möglich, dass der mittlere Ladezustand SOC zusätzlich oder alternativ abhängig von einer weiteren Energiespeichermessgröße, beispielsweise abhängig von der Energiespeichertemperatur, ermittelt wird.The charge status unit 130 is for example coupled with the measuring unit 200 , The charge state unit 130 For example, the energy storage current I_Batt and the energy storage voltage U_Batt are supplied. The charge status unit 130 is designed to determine a mean state of charge SOC of the energy store depending on the energy storage current I_Batt and the energy storage voltage U_Batt. The charge status unit 130 For example, it can be designed as a state of charge estimator. The state of charge estimator may include, for example, a Kalman filter. It is also possible for the average state of charge SOC to be determined as a function of the energy storage current I_Batt, but independently of the energy storage voltage U_Batt, for example by means of current integration. Furthermore, it is possible that the average charge state SOC additionally or alternatively depending on a further energy storage measurement, for example, depending on the energy storage temperature, is determined.

Die Kennlinieneinheit 140 ist gekoppelt mit der Ladezustandseinheit 130. Der Kennlinieneinheit 140 wird so beispielsweise der mittlere Ladezustand SOC zugeführt. Die Kennlinieneinheit 140 ist ausgebildet, abhängig von dem mittleren Ladezustand SOC eine Steilheit ΔOCV/ΔSOC einer Ruhespannungscharakteristik der Energiespeicherzelle zu ermitteln, die die Ruhespannungscharakteristik bei dem ermittelten mittleren Ladezustand SOC aufweist. Die Kennlinieneinheit 140 weist beispielsweise eine Speichereinheit auf, in der Werte der Ruhespannungscharakteristik gespeichert sind. Die Kennlinieneinheit 140 ist beispielsweise ausgebildet, mittels einer Tabellenfunktion die Steilheit ΔOCV/ΔSOC der Ruhespannungscharakteristik in einem vorgegebenen Arbeitspunkt, beispielsweise für den ermittelten mittleren Ladezustand, zu ermitteln. Sind für die Energiespeicherzellen verschiedenen Ruhespannungscharakteristiken bekannt, kann die Steilheit spezifisch für die Energiespeicherzellen ermittelt werden.The characteristic unit 140 is coupled with the state of charge unit 130 , The characteristic unit 140 Thus, for example, the average state of charge SOC is supplied. The characteristic unit 140 is designed to determine, depending on the average state of charge SOC, a slope ΔOCV / ΔSOC of a quiescent voltage characteristic of the energy storage cell, which has the quiescent voltage characteristic in the determined mean state of charge SOC. The characteristic unit 140 has, for example, a memory unit in which values of the rest voltage characteristic are stored. The characteristic unit 140 For example, it is designed to determine the slope ΔOCV / ΔSOC of the quiescent voltage characteristic at a predetermined operating point, for example for the determined average state of charge, by means of a table function. If different rest voltage characteristics are known for the energy storage cells, the transconductance can be determined specifically for the energy storage cells.

Die Filtereinheit 170 ist beispielsweise mit der Spannungseinheit 160 und der Kennlinieneinheit 140 gekoppelt. Der Filtereinheit 170 werden die Zellspannungsspreizung D und die Steilheit ΔOCV/ΔSOC der Ruhespannungscharakteristik zugeführt. Die Filtereinheit 170 ist ausgebildet, abhängig von diesen Größen für die jeweiligen Energiespeicherzellen eine Ladezustandsabweichung V zu ermitteln. Beispielsweise kann die Ladezustandsabweichung gemäß Gl. 2 ermittelt werden, wobei k den k-ten Zeitschritt repräsentiert.The filter unit 170 is for example with the voltage unit 160 and the characteristic unit 140 coupled. The filter unit 170 the cell voltage spread D and the slope ΔOCV / ΔSOC are applied to the quiescent voltage characteristic. The filter unit 170 is designed to determine a state of charge deviation V as a function of these variables for the respective energy storage cells. For example, the charge state deviation according to Eq. 2, where k represents the k-th time step.

Figure 00100001
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g ist in diesem Fall ein vorgegebener Proportionalitätsfaktor, der anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Der Proportionalitätsfaktor g beeinflusst beim Ermitteln der Ladezustandsabweichung ein mögliches Einschwingverhalten hinsichtlich einer Einschwingdauer und einer Einschwinggenauigkeit.In this case, g is a given proportionality factor that can be determined application-specific. The proportionality factor g influences a possible transient response with regard to a settling time and a transient accuracy when determining the state of charge state deviation.

Die erste Auswerteeinheit 180 ist beispielsweise gekoppelt mit der Ladezustandseinheit 130 und der Filtereinheit 170. Der erste Auswerteeinheit 180 werden der mittlere Ladezustand SOC und die Ladezustandsabweichungen V der jeweiligen Energiespeicherzellen zugeführt. Abhängig von dem mittleren Ladezustand SOC und den Ladezustandsabweichungen V wird ein Zellladezustand für die jeweiligen Energiespeicherzellen ermittelt. Beispielsweise kann der jeweilige Zellladezustand für die Energiespeicherzellen für den k-ten Zeitschritt gemäß Gl. 3 ermittelt werden.The first evaluation unit 180 is for example coupled with the state of charge unit 130 and the filter unit 170 , The first evaluation unit 180 the average state of charge SOC and the state of charge deviations V of the respective energy storage cells are supplied. Depending on the mean state of charge SOC and the state of charge deviations V, a cell charge state for the respective energy storage cells is determined. For example, the respective cell charge state for the energy storage cells for the k th time step according to Eq. 3 are determined.

Figure 00110001
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Der Zellladezustand SOC_z kann beispielsweise genutzt werden, um eine Aussage über die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Energiespeicherzelle zu erhalten.The cell charge state SOC_z can be used, for example, to obtain information about the performance of the respective energy storage cell.

Die zweite Auswerteeinheit 190 ist mit der Filtereinheit 170 gekoppelt. Der zweiten Auswerteeinheit 190 wird beispielsweise die Ladezustandsabweichung V der jeweiligen Energiespeicherzelle zugeführt. Die zweite Auswerteinheit 190 ist ausgebildet, eine Ladedauer T zu ermitteln abhängig von der jeweiligen Ladezustandsabweichung, einem vorgegebenen Ausgleichsstrom I_a und einer vorgegebenen Nennkapazität der Energiespeicherzellen C. Die Nennkapazität ist durch einen Aufbau des Energiespeichers und der für den Energiespeicher verwendeten Materialien vorgegeben. Beispielsweise wird angenommen, dass die Energiespeicherzellen jeweils einen sehr ähnlichen Aufbau und daher näherungsweise gleiche Nennkapazitäten aufweisen. Die Ladedauer T für die jeweilige Energiespeicherzelle kann beispielsweise gemäß Gl. 4 ermittelt werden.The second evaluation unit 190 is with the filter unit 170 coupled. The second evaluation unit 190 For example, the charge state deviation V is supplied to the respective energy storage cell. The second evaluation unit 190 is designed to determine a charging time T depending on the respective state of charge deviation, a predetermined compensation current I_a and a predetermined nominal capacity of the energy storage cells C. The nominal capacity is predetermined by a structure of the energy storage and the materials used for the energy storage. For example, it is assumed that the energy storage cells each have a very similar structure and therefore approximately the same nominal capacities. The charging time T for the respective energy storage cell can, for example, according to Eq. 4 are determined.

Figure 00120001
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Die Ladedauer T der jeweiligen Energiespeicherzelle wird beispielsweise als Steuergröße für die Zellspannungsmess- und Symmetriereinheit 50 genutzt, die ausgebildet ist, abhängig von der für die jeweilige Energiespeicherzelle ermittelte Ladedauer T die Ladezustandsabweichungen V zu vorgegebenen Zeitpunkten durch Entladen oder Umladen mittels des Ausgleichsstroms I_a auszugleichen.The charging time T of the respective energy storage cell is used, for example, as a control variable for the cell voltage measuring and balancing unit 50 which is trained, depending on the one for each Energy storage cell determined charging time T to compensate for the state of charge deviations V at predetermined times by discharging or reloading by means of the compensation current I_a.

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.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 ohne die zweite Auswerteeinheit 190. Des Weiteren ist möglich, die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 mit der zweiten Auswerteeinheit 190, jedoch ohne die erste Auswerteeinheit 180, auszubilden. 2 shows an embodiment of the device 100 to operate an energy storage 10 without the second evaluation unit 190 , Furthermore, it is possible the device 100 to operate the energy storage 10 with the second evaluation unit 190 , but without the first evaluation unit 180 to train.

3 zeigt die Ladezustandsabweichung V der jeweiligen Energiespeicherzellen des Energiespeichers 10, der acht in Serie geschaltete Lithium-Eisenphosphat-Zellen aufweist, nach einem vorgegebenen Validierungstest. Sieben der acht Energiespeicherzellen wiesen vor dem Validierungstest einen Zellladezustand SOC_z von 60% auf. Eine dritte Energiespeicherzelle wies einen Zellladezustand SOC_3 von 65% auf. 3 shows the state of charge deviation V of the respective energy storage cells of the energy storage 10 containing eight serially connected lithium iron phosphate cells following a given validation test. Seven of the eight energy storage cells had a cell charge state SOC_z of 60% before the validation test. A third energy storage cell had a cell charge state SOC_3 of 65%.

4 zeigt die nach Beendigung des oben erwähnten Validierungstests ermittelten Zellladezustände SOC_z. 4 shows the cell charge states SOC_z determined after completion of the above-mentioned validation test.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Energiespeicherenergy storage
5050
Zellspannungsmess- und SymmetriereinheitCell voltage measuring and balancing unit
100100
Vorrichtung zum Betreiben eines EnergiespeichersDevice for operating an energy store
130130
LadezustandseinheitSOC unit
140140
KennlinieneinheitCharacteristic unit
150150
RuhespannungseinheitOpen circuit voltage unit
160160
Spannungseinheitvoltage unit
170170
Filtereinheitfilter unit
180180
erste Auswerteeinheitfirst evaluation unit
190190
zweite Auswerteeinheitsecond evaluation unit
200200
Messeinheitmeasuring unit
CC
Nennkapazitätrated capacity
DD
ZellspannungsspreizungCell voltage spread
gG
Proportionalitätsfaktorproportionality
I_ai_a
Ausgleichsstromtransient
I_BattI_Batt
EnergiespeicherstromEnergy storage power
nn
Anzahl EnergiespeicherzellenNumber of energy storage cells
OCVOCV
Ruhespannungopen circuit voltage
SOCSOC
mittlerer Ladezustandmedium state of charge
SOC_zSOC_z
ZellladezustandCell charge level
tsts
Zeitschritttime step
TT
Ladedauercharging time
U_Battu_Batt
EnergiespeicherspannungEnergy storage voltage
U_mAround
mittlere Zellspannungmean cell voltage
U_zU_z
erfasste Zellspannungrecorded cell voltage
VV
LadezustandsabweichungSOC deviation
ΔOCV/ΔSOCΔOCV / .DELTA.SOC
Steilheit einer RuhespannungscharakteristikSlope of a rest voltage characteristic

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10150376 A1 [0003] DE 10150376 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (10) mit zumindest einer Energiespeicherzelle, 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, – zumindest abhängig von dem erfassten Energiespeicherstrom (I_Batt) ein mittlerer Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (10) ermittelt wird und – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt), dem mittleren Ladezustand (SOC) und einer erfassten Zellspannung (U_z) der Energiespeicherzelle eine Ladezustandsabweichung (V) der Energiespeicherzelle ermittelt wird.Method for operating an energy store ( 10 ) with at least one energy storage cell, 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, at least as a function of the detected energy storage current (I_Batt), a mean state of charge (SOC) of the energy storage device ( 10 ) is determined and - depending on the energy storage voltage (U_Batt), the average state of charge (SOC) and a detected cell voltage (U_z) of the energy storage cell a state of charge deviation (V) of the energy storage cell is determined. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem abhängig von der Ladezustandsabweichung (V) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Laden oder Entladen der Energiespeicherzelle erfolgt.Method according to Claim 1, in which, depending on the state of charge deviation (V), charging or discharging of the energy storage cell takes place at a predetermined time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem abhängig von der Ladezustandsabweichung (V) und dem mittleren Ladezustand (SOC) ein Zellladezustand (SOC_z) ermittelt wird.Method according to one of Claims 1 or 2, in which a cell charge state (SOC_z) is determined as a function of the state of charge deviation (V) and the mean state of charge (SOC). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Ladezustandsabweichung (V) ermittelt wird abhängig von einer vorgegebenen Ruhespannungscharakteristik der Energiespeicherzelle.Method according to one of the preceding claims, in which the state of charge deviation (V) is determined as a function of a predetermined rest voltage characteristic of the energy storage cell. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Ladezustandsabweichung (V) ermittelt wird abhängig von einer Steilheit (ΔOCV/ΔSOC) der Ruhespannungscharakteristik, die die Ruhespannungscharakteristik bei dem ermittelten mittleren Ladezustand (SOC) aufweist.Method according to Claim 4, in which the state of charge deviation (V) is determined as a function of a slope (ΔOCV / ΔSOC) of the quiescent voltage characteristic which exhibits the quiescent voltage characteristic at the determined mean state of charge (SOC). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Ladezustandsabweichung (V) ermittelt wird abhängig von der erfassten Zellspannung (U_z) und einer mittleren Zellspannung (U_m).Method according to one of the preceding claims, in which the charge state deviation (V) is determined as a function of the detected cell voltage (U_z) and a mean cell voltage (U_m). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Spannungsspreizung D ermittelt wird abhängig von der Differenz von der Zellspannung (U_z) und der mittleren Zellspannung (U_m) und die Ladezustandsabweichung (V) ermittelt wird abhängig von der Spannungsspreizung (D).Method according to one of the preceding claims, in which a voltage spread D is determined as a function of the difference between the cell voltage (U_z) and the mean cell voltage (U_m) and the state of charge deviation (V) is determined as a function of the voltage spread (D). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Ladezustandsabweichung (V) mittels eines adaptiven Filters ermittelt wird und eine aktuelle Ladezustandsabweichung abhängig von einer vorangegangenen Ladezustandsabweichung ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the state of charge deviation (V) is determined by means of an adaptive filter and a current charge state deviation is determined as a function of a preceding state of charge deviation. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem abhängig von der Ladezustandsabweichung (V) und einem vorgegebenen Ausgleichsstrom I_a eine Ladedauer (T) ermittelt wird und abhängig von dieser Ladedauer (T) ein Entladen oder Laden der Energiespeicherzelle erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which, depending on the state of charge deviation (V) and a predetermined compensation current I_a, a charging duration (T) is determined and depending on this charging time (T), the energy storage cell is discharged or charged. Vorrichtung (100) zum Betreiben eines Energiespeichers (10) mit mindestens einer Energiespeicherzelle, 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, – zumindest abhängig von dem erfassten Energiespeicherstrom (I_Batt) einen mittlerer Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (10) zu ermitteln und – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt), dem mittleren Ladezustand (SOC) und einer erfassten Zellspannung (U_z) der Energiespeicherzelle eine Ladezustandsabweichung (V) der Energiespeicherzelle zu ermitteln.Contraption ( 100 ) for operating an energy store ( 10 ) with at least one energy storage cell having 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 - at least depending on the detected energy storage current (I_Batt) a mean state of charge (SOC) of the energy store ( 10 ) and - depending on the energy storage voltage (U_Batt), the average state of charge (SOC) and a detected cell voltage (U_z) of the energy storage cell to determine a state of charge deviation (V) of the energy storage cell.
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