DE102010031102A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Der Energiespeicher (10) weist mehrere Energiespeichereinheiten (11) auf, die über ein jeweiliges Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind. Während einer Betriebsphase des Energiespeichers (10) werden in vorgegebenen Zeitabschnitten mittels einer Messeinheit (200) eine Energiespeicherspannung (U_Batt), ein Energiespeicherstrom (I_Batt) und eine Spannung (U_cell) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (11) erfasst. Abhängig von den Spannungen (U_cell) der Energiespeichereinheiten (11) wird eine Summenspannung (U_sum) ermittelt. Des Weiteren wird abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt), der Summenspannung (U_sum) sowie dem Energiespeicherstrom (I_Batt) ein Verbindungselementwiderstand (R_c) ermittelt, der repräsentativ ist für einen Gesamtwiderstand der Verbindungselemente.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers, bei dem beziehungsweise bei der während einer Betriebsphase des Energiespeichers in vorgegebenen Zeitabschnitten ein Verbindungselementwiderstand ermittelt wird.
  • In modernen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit eines Energiespeichers besonders hoch. Insbesondere bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit vorwiegend elektrischem Antrieb spielt die Zuverlässigkeit des Energiespeichers, der beispielsweise als Lithium-Ionen Akkumulator oder Nickel-Metall-Hybrid-Akkumulator ausgebildet sein kann, eine wichtige Rolle.
  • DE 102 52 760 A1 offenbart ein Verfahren zur Vorhersage eines Innenwiderstandes einer Speicherbatterie bei angenommenen Umgebungs- und Batteriezustandsbedingungen. Es erfolgt ein Aufteilen des Innenwiderstandes in einen ersten Widerstandsanteil, der den elektrischen Widerstand der Speicherbatterie für den Bereich der Elektronenleitung repräsentiert, und einen zweiten Widerstandsanteil, der den elektrischen Widerstand der Speicherbatterie für den Bereich der Ionenleitung repräsentiert. In Abhängigkeit des vorhergesagten Innenwiderstandes erfolgt eine Vorhersage des Verschleißes, der Leistungs- oder der Funktionsfähigkeit der Speicherbatterie.
  • Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers zu schaffen, das beziehungsweise die einen zuverlässigen Betrieb des Energiespeichers ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers mit mehreren Energiespeichereinheiten, die über ein jeweiliges Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind. Während einer Betriebsphase des Energiespeichers werden in vorgegebenen Zeitabschnitten mittels einer Messeinheit eine Energiespeicherspannung, ein Energiespeicherstrom und eine Spannung der jeweiligen Energiespeichereinheiten erfasst. Abhängig von den Spannungen der Energiespeichereinheiten wird eine Summenspannung ermittelt. Des Weiteren wird abhängig von der Energiespeicherspannung, der Summenspannung sowie dem Energiespeicherstrom ein Verbindungselementwiderstand ermittelt, der repräsentativ ist für einen Gesamtwiderstand der Verbindungselemente.
  • Hochvoltenergiespeichersysteme für Anwendungen in modernen Hochleistungssystemen umfassen überwiegend eine Vielzahl von Einzelspeicherzellen. Die Einzelspeicherzellen werden in Reihe und/oder parallel geschaltet, um eine systemseitig geforderte Spannung und/oder Leistung bereitstellen zu können. Überwiegend werden mehrere Einzelspeicherzellen zunächst elektrisch verschaltet und bilden ein Speichermodul. Ein Hochvoltenergiespeichersystem umfasst beispielsweise mehrere, meist baugleiche, Speichermodule, die mittels Stromverbinder elektrisch gekoppelt sind. Solch ein Stromverbinder kann beispielsweise als geschweißter und/oder geschraubter Kontakt ausgebildet sein. Im Zuge der Lebensdauer des Hochvoltenergiespeichersystems kann es infolge einer thermischen und/oder mechanischen Belastung eines oder mehrerer Stromverbinder zu einer Erhöhung eines elektrischen Verbindungswiderstandes zwischen den Speichermodulen kommen.
  • Die Energiespeichereinheiten können beispielsweise Speichermodule und/oder Einzelspeicherzellen umfassen. Die Energiespeichereinheiten sind über jeweilige Verbindungselemente, die verschieden ausgebildet sein können und/oder verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen können, elektrisch gekoppelt. Beispielsweise kann das jeweilige Verbindungselement einen oder mehrere Stromverbinder aufweisen. Der Verbindungselementwiderstand ist repräsentativ für den Gesamtwiderstand der Widerstände der Verbindungselemente. Beispielsweise können die Energiespeichereinheiten in Reihe geschaltet sein, wobei die Energiespeichereinheiten jeweils über das jeweilige Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind. In diesem Fall repräsentiert der Gesamtwiderstand beispielsweise die Summe der Widerstände der Verbindungselemente.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht ein Ermitteln des Verbindungselementwiderstandes abhängig von der Energiespeicherspannung, der Summenspannung sowie dem Energiespeicherstrom eine Erhöhung des Verbindungselementwiderstandes zu ermitteln. Es ist somit möglich, eine Erhöhung eines oder mehrerer Verbindungswiderstände zwischen den Speichermodulen und/oder den Energiespeicherzellen zu ermitteln beziehungsweise zu detektieren. Eine Erhöhung des Verbindungselementwiderstandes kann in diesem Fall direkt ermittelt werden unabhängig von einer Auswertung eines thermischen Effekts, der aufgrund einer Erhöhung des Verbindungselementwiderstandes und/oder eines oder mehrerer Verbindungswiderstände entstehen kann.
  • Die Energiespeicherspannung kann eine Energiespeichergesamtspannung repräsentieren und korrespondierend dazu die Spannung der Energiespeichereinheit eine Energiespeichermodulspannung oder eine Zellspannung. Alternativ kann die Energiespeicherspannung eine Energiespeichermodulspannung repräsentieren und korrespondierend hierzu kann die Spannung der Energiespeichereinheit eine Zellspannung repräsentieren. Vorzugsweise werden die Energiespeicherspannung, der Energiespeicherstrom und die Spannungen der jeweiligen Energiespeichereinheiten in regelmäßigen Abtastschritten erfasst.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Verbindungselementwiderstand abhängig von zumindest einem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass der Verbindungselementwiderstand rekursiv mit einfachen Rechenoperationen, beispielsweise mittels Addition und Multiplikation, ermittelt werden kann. Eine Division kann bei der Berechnung des Verbindungselementwiderstandes vermieden werden. Eine Berechnung des Verbindungselementwiderstandes ist daher auch bei einem sehr kleinen Energiespeicherstrom oder einem Energiespeicherstrom gleich Null einfach und genau möglich.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Verbindungselementspannung ermittelt abhängig von einer Differenz zwischen der Energiespeicherspannung und der Summenspannung. Ferner wird eine erste Fehlergröße ermittelt abhängig von einer Differenz zwischen der Verbindungselementspannung und einer geschätzten Verbindungselementspannung, wobei die geschätzte Verbindungselementspannung ein Produkt des Energiespeicherstroms und dem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand repräsentiert. Der Verbindungselementwiderstand wird abhängig von der ersten Fehlergröße ermittelt. Ein Ermitteln des Verbindungselementwiderstandes basiert hierbei auf einem regelungstechnischen Modell. Ein Abgleich der erfassten Verbindungselementspannung und der geschätzten Verbindungselementspannung und einer damit verbundenen Korrektur des Verbindungselementwiderstandes kann beispielsweise mit Hilfe eines Beobachters, eines Kalman-Filters oder mittels der Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares) oder der Methode der kleinsten Quadrate (Recursive Least Squares) oder einer Kombination mehrerer regelungstechnischer Modelle erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine erste gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von dem Energiespeicherstrom und der ersten Fehlergröße. Der Verbindungselementwiderstand wird abhängig von der ersten gewichteten Fehlergröße ermittelt. Dies ermöglicht zum einen, dass eine Stromrichtung des Energiespeicherstroms bei der Ermittlung des Verbindungselementwiderstandes berücksichtigt werden kann. Zum anderen kann die Fehlergröße, die als Korrekturgröße des Verbindungselementwiderstandes genutzt werden kann, betriebsabhängig verstärkt werden. Fließt ein großer Energiespeicherstrom, ist die Korrekturgröße größer als in einem Fall bei dem ein kleiner Energiespeicherstrom fließt. Vorzugsweise weist die gewichtete Fehlergröße einen konstanten Proportionalitätsfaktor auf, der anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Der Proportionalitätsfaktor beeinflusst ein zeitliches Einschwingverhalten des regelungstechnischen Modells. Der Proportionalitätsfaktor kann vorzugsweise abhängig von einer Abtastrate, mit der die Energiespeicherspannung und/oder der Energiespeicherstrom und/oder die Spannungen der Energiespeichereinheiten erfasst werden, und/oder abhängig von einem zulässigen Stromaussteuerungsbereich des Energiespeichers festgelegt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von einem Produkt des Energiespeicherstroms und der ersten Fehlergröße.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von einem Produkt einer Signumfunktion des Energiespeicherstroms und der ersten Fehlergröße.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von der ersten Fehlergröße multipliziert mit dem Quadrat des Energiespeicherstroms und der Signumfunktion des Energiespeicherstroms. Die gewichtete Fehlergröße kann auch abhängig von anderen Funktionen des Energiespeicherstroms erfolgen, beispielsweise abhängig von einer Potenzfunktion des Energiespeicherstromes, wobei vorzugsweise eine vorzeichenrichtige Rückführung des Energiespeicherstromes zu berücksichtigen ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Offset-Spannung ermittelt abhängig von dem zumindest einen zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand und zumindest einer zuvor ermittelten Offset-Spannung und wird der Verbindungselementwiderstand ermittelt abhängig von der zumindest einen zuvor ermittelten Offset-Spannung. Aufgrund einer Temperaturschwankung und/oder einer fertigungsbedingten Bauteilstreuung kann sich eine Abweichung zwischen der erfassten Energiespeichespannung und der Summenspannung, die sich aus der Summe der Spannungen der Energiespeichereinheiten ergibt, ergeben. Diese Abweichung repräsentiert eine Offset-Spannung, die zeitlich in etwa konstant angenommen werden kann. Eine Berücksichtigung der Offset-Spannung bei der Ermittlung des Verbindungselementwiderstandes kann einen Beitrag leisten dazu, dass der Verbindungselementwiderstand sehr genau ermittelt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Verbindungselementspannung ermittelt abhängig von einer Differenz zwischen der Energiespeicherspannung und der Summenspannung. Ferner wird eine zweite Fehlergröße ermittelt abhängig von einer Differenz zwischen der Verbindungselementspannung und einer zweiten geschätzten Verbindungselementspannung, die eine Differenz zwischen einer ersten Größe und der Offset-Spannung repräsentiert, wobei die erste Größe das Produkt des Energiespeicherstroms und dem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand repräsentiert. Der Verbindungselementwiderstand und die Offset-Spannung werden abhängig von der zweiten Fehlergröße ermittelt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine zweite gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von dem Energiespeicherstrom und der zweiten Fehlergröße. Der Verbindungselementwiderstand wird abhängig von der zweiten gewichteten Fehlergröße ermittelt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von einem Produkt des Energiespeicherstroms und der zweiten Fehlergröße.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von einem Produkt einer Signumfunktion des Energiespeicherstroms und der zweiten Fehlergröße.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite gewichtete Fehlergröße ermittelt abhängig von der zweiten Fehlergröße multipliziert mit dem Quadrat des Energiespeicherstroms und der Signumfunktion des Energiespeicherstroms.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird detektiert, ob der Verbindungselementwiderstand zumindest einen vorgegebenen ersten Kontrollwert überschreitet. Wenn erkannt wird, dass der Verbindungselementwiderstand den vorgegebenen ersten Kontrollwert überschreitet, wird ein Warnsignal und/oder ein Fehlersignal erzeugt und/oder eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet. Die Sicherheitsmaßnahme kann beispielsweise eine Reduzierung einer Leistungsabgabe des Energiespeichers und/oder ein Abschalten des Energiespeichers umfassen. Das Warn- und/oder Fehlersignal kann beispielsweise optisch und/oder akustisch und/oder haptisch signalisiert werden. Dies kann einen Beitrag leisten dazu, dass eine Wahrscheinlichkeit eines thermischen Ereignisses des Energiespeichers sehr gering gehalten werden kann und/oder eine Schädigung der Energiespeichereinheiten vermieden werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird detektiert, ob die Offset-Spannung zumindest einen vorgegebenen weiteren ersten Kontrollwert überschreitet. Wenn erkannt wird, dass die Offset-Spannung den vorgegebenen weiteren ersten Kontrollwert überschreitet, wird ein weiteres Warnsignal und/oder ein weiteres Fehlersignal erzeugt und/oder eine weitere Sicherheitsmaßnahme eingeleitet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 in Verbindung mit einer Messeinheit 200 und dem Energiespeicher 10 und
  • 2 ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Erzeugen von Warn- und/oder Fehlersignalen und/oder zum Einleiten von Sicherheitsmaßnahmen.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Messeinheit 200 und eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 mit mehreren Energiespeichermodulen 11, die über ein jeweiliges Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind. Die Messeinheit 200 ist beispielsweise ausgebildet, eine Energiespeicherspannung U_Batt, eine Spannung U_cell der jeweiligen Energiespeichereinheiten 11 und einen Energiespeicherstrom I_Batt in vorgegebenen Zeitabschnitten ts zu erfassen. Die Messeinheit 200 kann beispielsweise auch ausgebildet sein, weitere Betriebsgrößen, beispielsweise eine Energiespeichertemperatur, zu ermitteln.
  • Die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 weist beispielsweise eine Spannungseinheit 160, eine Schätzeinheit 130, eine Gewichtungseinheit 150, eine Vergleichseinheit 180 und eine Widerstandseinheit 120 auf.
  • Die Spannungseinheit 160 ist beispielsweise gekoppelt mit der Messeinheit 200. Der Spannungseinheit 160 wird die erfasste Energiespeicherspannung U_Batt und die Spannungen U_cell der jeweiligen Energiespeichereinheiten 11 zugeführt. Die Spannungseinheit 160 ist beispielsweise ausgebildet abhängig von den Spannungen U_cell der Energiespeichereinheiten 11 eine Summenspannung U_sum zu ermitteln. Beispielsweise repräsentiert die Summenspannung U_sum die Summe aller Spannungen U_cell der Energiespeichereinheiten 11, die der Energiespeicher 10 aufweist. Des Weiteren kann die Spannungseinheit 160 ausgebildet sein, eine Verbindungselementspannung U_c zu ermitteln gemäß Gl. 1: U_ck = U_Battk – U_sumk G1. 1
  • Dabei repräsentiert k den k-ten Zeitabschnitt ts.
  • Die Schätzeinheit 130 ist beispielsweise gekoppelt mit der Messeinheit 200 und der Widerstandseinheit 120. Der Schätzeinheit 130 wird so der Energiespeicherstrom I_Batt und ein Verbindungselementwiderstand R_c zugeführt. Die Schätzeinheit 130 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt und abhängig von zumindest einem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand eine geschätzte Verbindungselementspannung Uc_schätz zu ermitteln. Die geschätzte Verbindungselementspannung Uc_schätz kann beispielsweise gemäß G1. 2 erfolgen: Uc_schätzk = I_Battk·R_ck-1 G1.2
  • Die Vergleichseinheit 180 ist gekoppelt mit der Spannungseinheit 160 und der Schätzeinheit 130. Der Vergleichseinheit 180 werden beispielsweise die Verbindungselementspannung Uc und die geschätzte Verbindungselementspannung Uc_schätz zugeführt. Die Vergleichseinheit 180 ist ausgebildet, abhängig von der Verbindungselementspannung Uc und der geschätzten Verbindungselementspannung Uc_schätz eine erste Fehlergröße Err1 zu ermitteln. Die erste Fehlergröße Err1 kann beispielsweise abhängig von einer Differenz zwischen der Verbindungselementspannung Uc und der geschätzten Verbindungselementspannung Uc_schätz, wie in G1.3 dargestellt, ermittelt werden: Err1k = Uck – Uc_schätzk Gl. 3
  • Die Gewichtungseinheit 150 ist beispielsweise gekoppelt mit der Vergleichseinheit 180 und der Messeinheit 200. Der Gewichtungseinheit 150 werden so die erste Fehlergröße Err1 und der Energiespeicherstrom I_Batt zugeführt. Die Gewichtungseinheit 150 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt und der ersten Fehlergröße Err1 eine erste gewichtete Fehlergröße Err1_w zu ermitteln. Die erste gewichtete Fehlergröße Err1_w kann beispielsweise gemäß Gl. 4 erfolgen: Err1_wk = g1·I_Battk·Err1k Gl. 4
  • Altnernativ ist auch möglich, dass die erste gewichtete Fehlergröße Err1_w gemäß Gl. 5 Err1_wk = g2·signum(I_Battk)·Err1k Gl. 5 oder gemäß Gl. 6 ermittelt wird: Err1_wk = g3·signum(I_Battk)·(I_Battk)2·Err1k Gl. 6 Die erste gewichtete Fehlergröße Err1 w kann alternativ auch abhängig von anderen Funktionen des Energiespeicherstroms I_Batt, beispielsweise einer Potenzfunktion des Energiespeicherstromes I_Batt höheren Grades erfolgen, wobei vorzugsweise eine vorzeichenrichtige Rückführung des Energiespeicherstromes I_Batt zu berücksichtigen ist.
  • Vorzugsweise weist die erste gewichtete Fehlergröße Err1_w einen konstanten Proportionalitätsfaktor g1, g2, g3 auf, der anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Der Proportionalitätsfaktor g1, g2, g3 beeinflusst ein zeitliches Einschwingverhalten des regelungstechnischen Modells. Der Proportionalitätsfaktor g1, g2, g3 kann vorzugsweise abhängig von einer Abtastrate, mit der die Energiespeicherspannung U_Batt und/oder der Energiespeicherstrom I_Batt und/oder die Summenspannung erfasst werden, und/oder abhängig von einem zulässigen Stromaussteuerungsbereich des Energiespeichers 10 festgelegt werden. Der jeweilige Proportionalitätsfaktor g1, g2, g3 weist einen Wert größer Null auf.
  • Die Widerstandseinheit 120 ist gekoppelt mit der Gewichtungseinheit 150. Der Widerstandseinheit 120 wird beispielsweise die erste gewichtete Fehlergröße Err1_w zugeführt. Die Widerstandseinheit 120 ist ausgebildet, den Verbindungselementwiderstand R_c abhängig von der ersten gewichten Fehlergröße Err1_w zu ermitteln. Beispielsweise kann für den k-ten Zeitabschnitt der Verbindungselementwiderstand R_c gemäß Gl. 7 ermittelt werden: R_ck = R_ck-1 + Err1_wk Gl. 7
  • Wird beispielsweise die erste gewichtet Fehlergröße Err1_w gemäß Gl. 5 ermittelt, kann Gl. 7 wie folgt dargestellt werden: R_ck = R_ck-1 + g1·I_Battk·((U_Battk – U_sumk) – I_Battk·R_ck-1) Gl. 7a
  • Wird beispielsweise die erste gewichtet Fehlergröße Err1_w gemäß Gl. 6 ermittelt, kann Gl. 7 wie folgt dargestellt werden: R_ck = R_ck-1 + g2·signum(I_Battk)·((U_Battk – U_sumk) – I_Battk·R_ck-1) Gl. 7b
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bei einem Ermitteln des Verbindungselementwiderstands R_c eine mögliche Offset-Spannung U_d berücksichtigt. Die Vorrichtung 100 ist beispielsweise ausgebildet, eine Offset-Spannung U_d zu ermitteln abhängig von dem zumindest einen zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand und zumindest einer zuvor ermittelten Offset-Spannung sowie den Verbindungselementwiderstand R_c zu ermitteln abhängig von der zuvor ermittelten Offset-Spannung U_d und dem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand. Der Verbindungselementwiderstand R_c kann analog zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ermittelt werden mit dem Unterschied, dass die Offset-Spannung U_d bei einer Schätzung der Verbindungselementspannung berücksichtigt wird.
  • Eine zweite geschätzte Verbindungselementspannung Uc2_schätz kann somit gemäß Gl. 8 ermittelt werden: Uc2_schätzk = I_Battk·R_ck-1 + U_dk-1 Gl. 8
  • Der Verbindungselementwiderstand R_c kann so beispielsweise gemäß Gl. 9 oder Gl. 10 ermittelt werden: R_ck = R_ck-1 + g1·I_Battk·((U_Battk – U_sumk) – (I_Battk·R_ck-1 – U_dk-1)) Gl. 9 R_ck = R_ck-1 + g2·signum(I_Battk)·((U_Battk – U_sumk) – (I_Battk·R_ck-1 – U_dk-1)) Gl. 10
  • Die Offset-Spannung U_d kann beispielsweise gemäß Gl. 11 ermittelt werden: U_dk = U_dk-1 + v·((U_Battk – U_sumk) – (I_Battk·R_ck-1 – U_dk-1)) Gl. 11 v repräsentiert einen weiteren Proportionalitätsfaktor, der unabhängig von dem Proportionalitätsfaktor g1, g2, g3 anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Das Ermitteln der Offset-Spannung U_d basiert ebenfalls auf einem regelungstechnischen Modell. Ein Abgleich der erfassten Verbindungselementspannung Uc und der zweiten geschätzten Verbindungselementspannung Uc2_schätz und einer damit verbundenen Korrektur der Offset-Spannung U_d kann beispielsweise mit Hilfe eines Beobachters, eines Kalman-Filters oder mittels der Recursive Least Squares Methode oder der Least Squares Methode oder einer Kombination mehrerer regelungstechnischer Modelle erfolgen.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Erzeugen von Warn- und/oder Fehlersignalen und/oder zum Einleiten von Sicherheitsmaßnahmen. In einem Schritt S1 wird geprüft, ob der Verbindungselementwiderstand R_c einen vorgegebenen ersten Kontrollwert K1 überschreitet. Wenn erkannt wird, dass der Verbindungselementwiderstand R_c den vorgegebenen ersten Kontrollwert K1 überschreitet, wird in einem Schritt S2 beispielsweise ein Warnsignal W erzeugt, das mittels einer Ausgabeeinheit optisch, akustisch und/oder haptisch signalisiert werden kann. Des Weiteren wird in einem Schritt S3 geprüft, ob der Verbindungselementwiderstand R_c einen vorgegebenen zweiten Kontrollwert K2 überschreitet. Wenn in dem Schritt S3 erkannt wird, dass der Verbindungselementwiderstand R_c den vorgegebenen zweiten Kontrollwert K2 überschreitet, wird in einem Schritt S4 beispielsweise eine Leistung reduziert, die der Energiespeicher 10 abgeben kann. Ferner wird in einem Schritt S5 geprüft, ob der Verbindungselementwiderstand R_c einen vorgegebenen dritten Kontrollwert K3 überschreitet. Wenn in dem Schritt S5 erkannt wird, dass der Verbindungselementwiderstand R_c den vorgegebenen dritten Kontrollwert K3 überschreitet, wird in einem Schritt 56 beispielsweise der Energiespeicher 10 abgeschaltet.
  • Die ermittelte Offset-Spannung U_d kann ebenfalls zu einer Fehleranalyse eingesetzt werden, beispielsweise analog dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei anstatt des Verbindungselementwiderstandes R_c die Offset-Spannung U_d ausgewertet wird. Überschreitet die Offset-Spannung U_d beispielsweise einen vorgegebenen Toleranzwert, der zum Beispiel eine Summe einer Messtoleranz der Energiespeicherspannung U_Batt und der Summenspannung U_sum repräsentiert, kann dies ein Indiz dafür sein, dass beispielsweise ein Messfehler vorliegt, wodurch beispielsweise eine Überwachungsfunktion eines Energiespeicher-Management-Systems eingeschränkt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Energiespeicher
    11
    Energiespeichereinheit
    100
    Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers
    120
    Widerstandseinheit
    130
    Schätzeinheit
    150
    Gewichtungseinheit
    160
    Spannungseinheit
    180
    Vergleichseinheit
    200
    Messeinheit
    Err1
    erste Fehlergröße
    Err2
    zweite Fehlergröße
    Err1_w
    erste gewichtete Fehlergröße
    Err2_w
    Zweite gewichtet Fehlergröße
    g1, g2, g3
    Proportionalitätsfaktor
    K1, K1_b, K2, K3
    Kontrollwert
    R_c
    Verbindungselementwiderstand
    t_s
    Zeitabschnitt
    U_Batt
    Energiespeicherspannung
    U_cell
    Spannung einer Energiespeichereinheit
    U_d
    Offset-Spannung
    Uc
    Verbindungselementspannung
    Uc_schätz
    geschätzte Verbindungselementspannung
    Uc2_schätz
    zweite geschätzte Verbindungselementspannung
    v
    weiterer Proportionalitätsfaktor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10252760 A1 [0003]

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (10) mit mehreren Energiespeichereinheiten (11), die über ein jeweiliges Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind, bei dem während einer Betriebsphase des Energiespeichers (10) in vorgegebenen Zeitabschnitten (ts) – mittels einer Messeinheit (200) eine Energiespeicherspannung (U_Batt), ein Energiespeicherstrom (I_Batt) und eine Spannung (U_cell) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (11) erfasst wird, – abhängig von den Spannungen (U_cell) der Energiespeichereinheiten (11) eine Summenspannung (U_sum) ermittelt wird und – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt), der Summenspannung (U_sum) sowie dem Energiespeicherstrom (I_Batt) ein Verbindungselementwiderstand (R_c) ermittelt wird, der repräsentativ ist für einen Gesamtwiderstand der Verbindungselemente.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungselementwiderstand (R_c) abhängig von zumindest einem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem – eine Verbindungselementspannung (Uc) ermittelt wird abhängig von einer Differenz zwischen der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Summenspannung (U_sum), – eine erste Fehlergröße (Err1) ermittelt wird abhängig von einer Differenz zwischen der Verbindungselementspannung (Uc) und einer geschätzten Verbindungselementspannung (Uc_schätz), wobei die geschätzte Verbindungselementspannung (Uc_schätz) ein Produkt des Energiespeicherstroms (I_Batt) und dem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand repräsentiert, und – der Verbindungselementwiderstand (R_c) abhängig von der ersten Fehlergröße (Err1) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem – eine erste gewichtete Fehlergröße (Err1_w) ermittelt wird abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) und der ersten Fehlergröße (Err1) und – der Verbindungselementwiderstand (R_c) abhängig von der ersten gewichteten Fehlergröße (Err1_w) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die erste gewichtete Fehlergröße (Err1_w) ermittelt wird abhängig von einem Produkt des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der ersten Fehlergröße (Err1).
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die erste gewichtete Fehlergröße (Err1_w) ermittelt wird abhängig von einem Produkt einer Signumfunktion des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der ersten Fehlergröße (Err1).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die erste gewichtete Fehlergröße (Err1_w) ermittelt wird abhängig von der ersten Fehlergröße (Err1) multipliziert mit dem Quadrat des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der Signumfunktion des Energiespeicherstroms (I_Batt).
  8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem – eine Offset-Spannung (U_d) ermittelt wird abhängig von dem zumindest einen zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand und zumindest einer zuvor ermittelten Offset-Spannung und – der Verbindungselementwiderstand (R_c) ermittelt wird abhängig von der zumindest einen zuvor ermittelten Offset-Spannung.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – eine Verbindungselementspannung (U_c) ermittelt wird abhängig von einer Differenz zwischen der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Summenspannung (U_sum), – eine zweite Fehlergröße (Err2) ermittelt wird abhängig von einer Differenz zwischen der Verbindungselementspannung (U_c) und einer zweiten geschätzten Verbindungselementspannung (Uc2_schätz), die eine Differenz zwischen einer ersten Größe und der Offset-Spannung (U_d) repräsentiert, wobei die erste Größe das Produkt des Energiespeicherstroms (I_Batt) und dem zuvor ermittelten Verbindungselementwiderstand repräsentiert, und – der Verbindungselementwiderstand (R_c) und die Offset-Spannung (U_d) abhängig von der zweiten Fehlergröße (Err2) ermittelt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem – eine zweite gewichtete Fehlergröße (Err2_w) ermittelt wird abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) und der zweiten Fehlergröße (Err2) und – der Verbindungselementwiderstand (R_c) abhängig von der zweiten gewichteten Fehlergröße (Err2_w) ermittelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die zweite gewichtete Fehlergröße (Err2_w) ermittelt wird abhängig von einem Produkt des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der zweiten Fehlergröße (Err2).
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die zweite gewichtete Fehlergröße (Err2_w) ermittelt wird abhängig von einem Produkt einer Signumfunktion des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der zweiten Fehlergröße (Err2).
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die zweite gewichtete Fehlergröße (Err2_w) ermittelt wird abhängig von der zweiten Fehlergröße (Err2) multipliziert mit dem Quadrat des Energiespeicherstroms (I_Batt) und der Signumfunktion des Energiespeicherstroms (I_Batt).
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem – detektiert wird, ob der Verbindungselementwiderstand (R_c) zumindest einen vorgegebenen ersten Kontrollwert (K1) überschreitet, und – wenn erkannt wird, dass der Verbindungselementwiderstand (R_c) den vorgegebenen ersten Kontrollwert (K1) überschreitet, ein Warnsignal und/oder ein Fehlersignal erzeugt und/oder eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 14, bei dem – detektiert wird, ob die Offset-Spannung (U_d) zumindest einen vorgegebenen weiteren ersten Kontrollwert (K1_b) überschreitet, und – wenn erkannt wird, dass die Offset-Spannung (U_d) den vorgegebenen weiteren ersten Kontrollwert (K1_b) überschreitet, ein weiteres Warnsignal und/oder ein weiteres Fehlersignal erzeugt und/oder eine weitere Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird.
  16. Vorrichtung (100) zum Betreiben eines Energiespeichers (10) mit mehreren Energiespeichereinheiten (11), die über ein jeweiliges Verbindungselement elektrisch gekoppelt sind, wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, während einer Betriebsphase des Energiespeichers (10) in vorgegebenen Zeitabschnitten (ts) – mittels einer Messeinheit (200) eine Energiespeicherspannung (U_Batt), einen Energiespeicherstrom (I_Batt) und eine Spannung (U_cell) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (11) zu erfassen, – abhängig von den Spannungen (U_cell) der Energiespeichereinheiten (11) eine Summenspannung (U_sum) zu ermitteln und – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt), der Summenspannung (U_sum) sowie dem Energiespeicherstrom (I_Batt) einen Verbindungselementwiderstand (R_c) zu ermitteln, der repräsentativ ist für einen Gesamtwiderstand der Verbindungselemente.
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