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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage der durch einen elektrochemischen Energiespeicher an einen Verbraucher abgebbaren Leistung.
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Bei einigen Anwendungen elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, spielt die verfügbare Leistung, welche ein elektrochemischer Energiespeicher über eine bestimmte Zeit abgeben kann, eine wichtige Rolle. Beispielsweise muss sich der Fahrer eines Elektrofahrzeugs vor dem Einleiten eines Überholvorgangs darauf verlassen können, dass die Fahrzeugantriebsbatterien in ihrem jeweiligen Zustand in der Lage sind, die Leistung bereitzustellen und an das Antriebsaggregat abzugeben, die benötigt wird, um das Fahrzeug in der erforderlichen Weise zu beschleunigen, und so den Überholvorgang gefahrlos durchführen zu können.
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Die
DE 10 107 583 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Speicherbatterie durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls bei einer Hochstrombelastung. Dabei wird aus der Spannungsantwort der Speicherbatterie nach dem Einschalten einer Hochstrombelastung ein Spannungswert ausgewählt und es wird aus dem Spannungswert sowie aus der Batterietemperatur und dem Ladezustand durch eine funktionelle Verknüpfung ein Zustandswert gebildet. Dieser Zustandswert wird mit einem Vorgabewert verglichen, der zumindest von der zugehörigen Batterietemperatur und dem zugehörigen Ladezustand der Speicherbatterie abhängt.
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Die
DE 102 03 810 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands und/oder der Leistungsfähigkeit eines Ladungsspeichers auf der Grundlage von Abschätzungen, wobei Abschätzungen und Informationen, die aus wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebspunkten oder Betriebsbedingungen des Energiespeichers gewonnen werden, berücksichtigt werden. Diese Abschätzungen erfolgen hinsichtlich eines aktuellen und/oder künftigen Ladezustands und/oder einer aktuellen und/oder einer künftigen Leistungsfähigkeit des Ladungsspeichers.
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Die
DE 10 2005 050 563 A1 offenbart ein Verfahren zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher. Bei diesem Verfahren und den zugehörigen Vorrichtungen zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit eines elektrochemischen Energiespeichers werden mit Hilfe eines mathematischen Modells für den Energiespeicher dessen Zustandsgröße und Parameter kontinuierlich adaptiert und damit eine Lade- und Entladeleistungsfähigkeit abgesetzt und vorhergesagt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technische Lehre zur Vorhersage der durch einen elektrochemischen Energiespeicher an einen Verbraucher abgebbaren Leistung anzugeben, mit der Nachteile oder Beschränkungen bekannter Verfahren nach Möglichkeit überwunden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Vorhersage der durch einen elektrochemischen Energiespeicher an einen Verbraucher abgebbaren Leistung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht dabei ein Verfahren zur Vorhersage der durch einen elektrochemischen Energiespeicher insbesondere an einen Verbraucher abgebbaren Leistung vor, bei dem vorzugsweise durch eine Prozessoreinrichtung wenigstens eine Messung aus einer Mehrzahl von an einem elektrochemischen Energiespeicher gleicher Bauweise bei einer Mehrzahl von Entladungen des elektrochemischen Energiespeichers mit zeitlich konstanter Leistungsabgabe vorab durchgeführten und vorzugsweise in einer digitalen Speichereinrichtung gespeicherten Messungen der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit informationstechnisch verarbeitet wird. Vorzugsweise werden also durch eine Prozessoreinrichtung eine oder mehrere Messungen informationstechnisch verarbeitet, wobei diese Messung(en) aus einer Mehrzahl von an einem elektrochemischen Energiespeicher gleicher Bauweise stammen, die bei einer Mehrzahl von Entladungen des elektrochemischen Energiespeichers mit zeitlich konstanter Leistungsabgabe vorab erhoben und gespeichert wurden und wobei diese Messungen die Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit betreffen.
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Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll dabei unter einer Vorhersage der durch einen elektrochemischen Energiespeicher an einen Verbraucher abgebbaren Leistung die Generierung einer Information verstanden werden, die sich auf die Möglichkeit der Abgabe einer Leistung durch den elektrochemischen Energiespeicher in einem Zeitraum bezieht, der sich zeitlich an den Zeitpunkt der Vorhersage anschließt.
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Die Vorhersage wird dabei vorzugsweise als Antwort auf eine Anfrage eines informationsverarbeitenden Systems zur Verfügung gestellt, welches vorzugsweise Bestandteil einer Steuereinrichtung des Verbrauchers ist, an den die Leistung abzugeben ist. Die Anfrage enthält dabei vorzugsweise eine vorgegebene Leistung und die Angabe eines Zeitintervalls, über welches die vorgegebene Leistung abgegeben werden soll.
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In diesem Zusammenhang ist unter einem elektrochemischen Energiespeicher eine Einrichtung zu verstehen, die Energie in chemischer Form speichern und in elektrischer Form abgeben kann. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine galvanische Zelle oder um einen Verbund mehrerer, parallel und/oder in Reihe geschalteter galvanischer Zellen, oder bspw. um eine Brennstoffzelle. Besonders bevorzugte Beispiele elektrochemischer Energiespeicher sind so genannte Sekundärzellen, welche Energie nicht nur abgeben können, sondern welche auch Energie in elektrischer Form aufnehmen und in chemischer Form speichern können. Wichtige Beispiele für solche Sekundärzellen sind Lithiumlonen-Zellen.
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In diesem Zusammenhang soll unter der an einen Verbraucher abgebbaren Leistung der Energiestrom, d. h. die Energie pro Zeiteinheit, verstanden werden, welche der elektrochemische Energiespeicher an den Verbraucher abgeben kann. Der Verbraucher ist dabei vorzugsweise ein Elektromotor oder weist vorzugsweise einen solchen Elektromotor auf, der die an ihn abgegebene Leistung an ein mechanisches System, vorzugsweise an das Fahrwerk eines Fahrzeugs, abgibt und diesem System zur Verfügung stellt.
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Unter einer Prozessoreinrichtung soll in diesem Zusammenhang jede Einrichtung verstanden werden, die zur informationstechnischen Verarbeitung von Daten in der Lage ist. Dieser Begriff ist daher nicht auf Prozessoren im engeren Sinne beschränkt, sondern schließt insbesondere jede Art von elektronischer Schaltung, insbesondere jede Logikschaltung, Speicherschaltung und/oder Kombination solcher Schaltungen, wie z. B. einen Adressdecoder, einen Halbleiterspeicher oder ähnliche Schaltungen ein, mit deren Hilfe eine informationstechnische Verarbeitung wenigstens einer Messung möglich ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Vorhersage der Leistungsabgabe als Antwort auf eine Anfrage eines informationstechnischen Systems erfolgt. Wird diese Anfrage beispielsweise in der Form gestellt, dass eine benötigte Leistung und ein Zeitintervall, in dem diese Leistung benötigt wird, angegeben werden, so könnte die Prozessoreinrichtung beispielsweise eine Logikschaltung sein, welche aus dieser Anfrage eine Speicheradresse oder mehrere Speicheradressen generiert, mit deren Hilfe aus einer digitalen Speichereinrichtung die Vorhersage über die abzugebende Leistung oder andere Größen abgerufen werden können, aus denen die Vorhersage über die abzugebende Leistung ermittelt werden kann. Andere Ausführungsformen der Erfindung, sehen eine Interpolation vor, für deren Durchführung die Prozessoreinrichtung vorzugsweise einen Prozessor im engeren Sinne, insbesondere einen für numerische Berechungen geeigneten Prozessor aufweist, mit dessen technischen Einrichtungen die Interpolation vorteilhaft durchgeführt werden kann. Die konkrete Ausgestaltung der Prozessoreinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt von der jeweils genutzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ab.
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Unter einer informationstechnischen Verarbeitung ist in diesem Zusammenhang jede für die Erzeugung einer Vorhersage über die abgebbare Leistung mit Hilfe einer Prozessoreinrichtung im genannten Sinne geeignete Verarbeitung von Daten zu verstehen. Die informationstechnische Verarbeitung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei die Rechenoperationen im numerischen Sinne aufweisen; dies ist jedoch nicht notwendig der Fall. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann sich die informationstechnische Verarbeitung auch auf einfache Logikoperationen beschränken.
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Unter einem elektrochemischen Energiespeicher gleicher Bauweise ist im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein elektrochemischer Energiespeicher zu verstehen, dessen einschlägigen physikalischen Eigenschaften dem elektrochemischen Energiespeicher im Wesentlichen gleichen, dessen abgebbare Leistung vorherzusagen ist. Gemäß der Erfindung werden die Messungen an einem elektrochemischen Energiespeicher gleicher Bauart durchgeführt, und diese Messungen werden verwendet, um eine Vorhersage über die abgebbare Leistung eines elektrochemischen Energiespeichers zu generieren.
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Der für die Durchführung der Messungen verwendete elektrochemische Energiespeicher kann vorzugsweise auch mit dem elektrochemischen Energiespeicher, dessen Leistungsvermögen vorhergesagt werden soll, identisch sein.
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Bei einer entsprechenden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte in besonderen Betriebsphasen erhoben werden, in denen der elektrochemische Energiespeicher nicht produktiv genutzt wird, und in denen er somit zur Durchführung solcher Messungen, bei denen die Leistungsabgabe konstant ist, zur Verfügung steht. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messungen während produktiver Betriebsphasen durchgeführt werden, bei denen die Leistungsabgabe im Wesentlichen konstant gehalten werden kann oder im Wesentlichen konstant bleibt.
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Dazu wird vorzugsweise der Verlauf der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Mehrzahl von Entladungsvorgängen des für die Messung verwendeten elektrochemischen Energiespeichers gemessen. Bei diesen Messungen wird die Leistungsabgabe während der Messzeit konstant gehalten. Auf diese Weise wird eine Schar von Messkurven gewonnen, wobei jeder dieser Kurven eine konstante Leistungsabgabe mit einem bestimmten Wert entspricht, und wobei jede dieser Kurven das Verhalten der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Entladungsvorgang mit dieser jeweiligen Leistung darstellt.
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Diese Messungen werden an den elektrochemischen Energiespeicher gleicher Bauart vorab durchgeführt und vorzugsweise in einer digitalen Speichereinrichtung gespeichert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Messungen der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit nach Betriebstemperaturen des elektrochemischen Energiespeichers parametrisiert. Dies bedeutet, dass die Messungen der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit separat für eine Reihe von unterschiedlichen Betriebstemperaturen des elektrochemischen Energiespeichers durchgeführt wurden und dass für jede dieser Temperaturen ein Satz von Messdaten abgespeichert wurde. Auf diese Weise ist es möglich, das unterschiedliche physikalische Verhalten des elektrochemischen Energiespeichers bei unterschiedlichen Temperaturen in angemessener Weise bei der Vorhersage der verfügbaren Leistung zu berücksichtigen.
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Bei der späteren Vorhersage einer bestimmten Leistung wird dann vorzugsweise die Abfrage nicht nur die abzugebende Leistung und vorzugsweise auch das Zeitintervall enthalten, während dem die Leistung abzugeben ist, sondern auch die aktuelle Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, der diese Leistung abgeben soll. Die Prozessoreinrichtung, die diese Abfrage informationstechnisch verarbeitet, um eine entsprechende Vorhersage zu generieren, wertet in diesem Fall die abgespeicherten Messdaten zu dieser in der Anfrage enthaltenen aktuellen Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers aus. Auf diese Weise entspricht die Vorhersage der tatsächlich herrschenden Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers im Zeitpunkt der Erstellung der Vorhersage.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die Vorhersage der abgebbaren Leistung des elektrochemischen Energiespeichers eine Antwort auf eine informationstechnische Anfrage des Verbrauchers oder einer Steuereinrichtung des Verbrauchers an eine Prozessoreinrichtung des elektrochemischen Energiespeichers, die sich auf eine abzugebende Leistung und ein Zeitintervall bezieht, über welches diese abzugebende Leistung durch den elektrochemischen Energiespeicher an den Verbraucher abzugeben wäre. Die Abfrage kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung noch weitere Informationen, wie beispielsweise die Betriebstemperatur oder andere physikalische Größen oder Einflussfaktoren umfassen, die Einfluss auf die Verfügbarkeit einer bestimmten Leistung haben können. Der Verbraucher oder seine Steuereinrichtung bedienen sich zur Generierung und Übermittlung der Anfrage an die Prozessoreinrichtung, die die Anfrage beantworten soll, vorzugsweise üblicher Kommunikationstechniken, wie beispielsweise der Verwendung eines Datenbusses oder ähnlicher üblicher Einrichtungen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem, falls die abzugebende Leistung nicht mit einem der Leistungswerte übereinstimmt, für welche die Messungen durchgeführt wurden, die Vorhersage durch eine Interpolation zwischen Messungen für Leistungswerte gewonnen wird, die der abzugebenden Leistung benachbart sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird also eine Vorhersage der abgebbaren Leistung erwartet, also vorzugsweise abgefragt, für die keine Messkurven in der digitalen Speichereinrichtung gespeichert sind, weil für diese Leistungswerte oder diesen Leistungswert keine Messungen durchgeführt wurden. Um trotzdem eine Vorhersage der abgebbaren Leistung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zu ermöglichen, sieht die Erfindung bei diesen Ausführungsformen vor, dass die abgebbare Leistung durch eine Interpolation ermittelt wird, welche auf Messdaten zurückgreift, die für Leistungswerte erhoben wurden, die nahe bei dem Leistungswert liegen, für den die Vorhersage benötigt wird.
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Bei einer ersten derartigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, eine interpolierte Messkurve oder eine Mehrzahl von interpolierten Messkurven, beispielsweise für unterschiedliche Parameter wie zum Beispiel die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers, durch Interpolation aus Messkurven zu benachbarten Leistungswerten zu ermitteln und anschließend mit der so durch Interpolation ermittelten Messkurve in gleicher Weise zu verfahren, als wenn die durch Interpolation ermittelte Messkurve auf einer tatsächlichen Messreihe beruhen würde. Die Interpolation von Messkurven wird dabei vorzugsweise durch eine arithmetische Mittelwertbildung aus den Messwerten der Messkurven zu benachbarten Leistungswerten ermittelt. Bei dieser arithmetischen Mittelwertbildung werden die zu mittelnden Messwerte vorzugsweise mit Gewichtungsfaktoren gewichtet, die der Differenz, also der Entfernung zwischen der der Vorhersage zugrunde zu legenden Leistung und den Leistungswerten entsprechen, für die Messungen durchgeführt wurden, die der Interpolation zugrunde gelegt werden.
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Eine zweite Ausführungsform zur Interpolation sieht vor, die Vorhersagewerte, also beispielsweise die Wahrscheinlichkeiten, mit denen eine geforderte Leistung abgegeben werden kann, durch Interpolation aus den Vorhersagewerten zu benachbarten Leistungswerten zu ermitteln. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zeitintervall der Vorhersage durch Interpolation aus den Zeitintervallen ermittelt wird, über welche ein dem abgefragten Leistungswert benachbarter Leistungswert an den Verbraucher abgegeben werden könnte. Weitere numerische und nicht-numerische Verfahren zur Interpolation, wie zum Beispiel so genannte Fuzzy-Verfahren kann der Fachmann leicht mit Hilfe seiner allgemeinen Fachkenntnis auffinden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Antwort auf eine Anfrage, ob eine abzugebende Leistung P über ein Zeitintervall Δt an den Verbraucher abgegeben werden kann, in Form einer Wahrscheinlichkeitsangabe erfolgt. Bei dieser Wahrscheinlichkeitsangabe kann es sich vorzugsweise um eine quantitative Wahrscheinlichkeitsangabe in Form einer reellen Zahl zwischen 0 und 1 handeln. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass eine Wahrscheinlichkeitsangabe in Form einer qualitativen Angabe erfolgt, vorzugsweise in Form einer Auswahl einer Formularantwort aus einer Mehrzahl möglicher Formularantworten, von denen jede für eine Wahrscheinlichkeit, für eine Zuverlässigkeit oder für die Sicherheit steht, mit der die abzugebende Leistung P über das Zeitintervall Δt an den Verbraucher abgegeben werden kann.
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Zur Vorhersage der abgegebenen Leistung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dabei vorzugsweise folgende Schritte durchgeführt:
- a) Es wird ein erster Messpunkt MP1 auf einer Messkurve MK(P) zu der abzugebenden Leistung P ermittelt, dessen Zellenspannung U1 möglichst nahe bei der aktuellen Zellenspannung des elektrochemischen Energiespeichers liegt;
- b) Es wird die Zellenspannung U2 ermittelt, die zu dem zweiten Messpunkt MP2 auf der Messkurve MK(P) zu der abzugebenden Leistung P gehört, dessen Zeitkoordinate t2 = t1 + Δt von der Zeitkoordinate t1 des ersten Messpunktes MP1 um das das Zeitintervall Δt verschoben ist; und
- c) Die Antwort wird in Abhängigkeit von der Zellenspannung U2 ermittelt.
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Dabei fällt die Antwort umso zurückhaltender aus, je geringer der Abstand zwischen der Zellspannung U2 am Ende des Entladungsvorgangs zu der minimalen Zellspannung Umin ist, welche nicht unterschritten werden darf, ohne bleibende Schäden an dem elektrochemischen Energiespeicher zu erzeugen. Liegt U2 unter Umin, dann ist die Antwort ablehnend oder wenigstens mit einer Warnung ausgestattet, dass die angeforderte Leistung allenfalls im Notfall zur Verfügung stehen darf. Solange U2 über Umin liegt, ist die Antwort vorzugsweise umso zurückhaltender, je geringer die Differenz zwischen der Zellspannung U2 am Ende des Entladungsvorgangs zu der minimalen Zellspannung Umin ist.
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Die Antwort fällt auch umso zurückhaltender aus, je näher der Zeitpunkt tmax, bei dem die Zellspannung gleich Umin ist, dem Zeitpunkt t2 benachbart liegt. Ist tmax kleiner als t2, dann ist die Antwort ablehnend oder wenigstens mit einer Warnung ausgestattet, dass die angeforderte Leistung allenfalls im Notfall zur Verfügung stehen darf.
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Eine Antwort oder Vorhersage ist dabei umso zurückhaltender, je geringer die bei der Antwort oder Vorhersage angegebene Wahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit oder Sicherheit ist, mit der die angeforderte Leistung erbracht, also an den Verbraucher abgegeben werden kann, oder je kürzer das für die Leistungsabgabe maßgebliche Zeitintervall ist, das mit der Antwort oder Vorhersage an das anfragende informationstechnische System zurückgegeben wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die ermittelten Zellspannung U2 vor der Erzeugung oder Berechnung der Antwort noch um einen Betrag ΔU korrigiert, der eine mögliche oder tatsächliche Änderung des Innenwiderstands des elektrochemischen Energiespeichers ab seiner Inbetriebnahme, insbesondere durch Alterung des elektrochemischen Energiespeichers, berücksichtigen soll. Der Korrekturwert ΔU wird dabei vorzugsweise einer Tabelle von Korrekturwerten entnommen, die vorzugsweise in einem digitalen Speichermedium gespeichert ist, und die an gleichartigen elektrochemischen Energiespeichern gemessene Korrekturwerte in Abhängigkeit von deren Alterung, d. h. insbesondere in Abhängigkeit von deren Vorgeschichte im Hinblick auf eine Belastung dieser elektrochemischen Energiespeicher durch eine Leistungsentnahme enthält. Vorzugsweise wird zur Berechnung eines Korrekturwertes ΔU aber auch ein numerisches, beispielsweise in Form parametrisierter Kurven hinterlegtes Batteriemodell verwendet, das die Berechnung der Korrekturwerte anhand von messbaren Batterieparametern ermöglicht.
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Vorzugsweise wird dabei die abzugebende Leistung als Zusatzleistung der gesamten Batterie, die aus einer Mehrzahl von Zellen bestehen kann, zu einer aktuell geforderten Grundbelastung aufgefasst. Vorzugsweise wird dabei die Belastung jeder einzelnen Zelle berechnet. Hierdurch ist es möglich, Beschränkungen beim Leistungsvermögen der Gesamtbatterie zu berücksichtigen, die beispielsweise durch eine starke Temperaturabhängigkeit der Innenwiderstände an unterschiedlichen Zellen entstehen, wobei die Zellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, sodass bei einzelnen Zellen die minimale Zellenspannung früher unterschritten würde, als bei anderen Zellen.
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Vorzugsweise wird dabei ein Kriterium verwendet, bei dem das Produkt aus der abzugebenden Leistung und dem Zeitintervall, über welches die Leistung abzugeben ist kleiner oder gleich dem Zeitintegral des Produkts aus Zellspannung und Zellenstrom sein muss. Diese Bedingung lässt sich zur Vorhersage auf numerischem Wege verwenden, wenn das zeitliche Verhalten der Zellspannungen und der bei der Leistungsabgabe fließenden Ströme bekannt ist. Solche Daten können vorzugsweise durch Messungen an gleichartigen elektrochemischen Energiespeichern vorab erhoben und in digitalen Speichern abgespeichert werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Zusage einer angefragten Leistung P für ein Zeitintervall Δt umso eher gegeben wird, je größer die gesetzte Differenz zwischen der Zellspannung nach der Abgabe der angefragten Leistung und der kleinsten zulässigen Zellspannung ist.
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Die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können auch vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 in schematischer Weise eine Schar von Messkurven, wobei jede Messkurve dem zeitlichen Verlauf der Zellspannung bei einem Entladungsvorgang des elektrochemischen Energiespeichers bei einer bestimmten Leistung entspricht;
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2 in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels bei einer ersten Leistung;
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3 in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels bei einer zweiten Leistung; und
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4 in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels bei einer dritten Leistung.
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Die in 1 gezeigten Messkurven stellen typische, an elektrochemischen Energiespeichern bei verschiedenen Leistungen P1, P2 oder P3 gemessene Verläufe der Zellspannung U in Abhängigkeit von der Zeit t dar. Alle vier gezeigten Messkurven beginnen im Koordinatenursprung der Zeitkoordinate bei im Wesentlichen der gleichen Zellspannung, die der maximalen Ladung des elektrochemischen Energiespeichers entspricht. Je größer die während des Entladungsvorgangs konstant abgegebene Leistung P1, P2 oder P3 ist, desto steiler ist im Allgemeinen der Abfall der Zellspannung U mit der Zeit t. So weist die zur Leistung P3 gehörige Kurve einen flacheren Verlauf auf als alle anderen Messkurven, die offenbar zu größeren Leistungswerten gehören. Insbesondere die zur Leistung P1 gehörige Messkurve fällt steiler ab als die zur Leistung P3 gehörige Messkurve, verläuft jedoch flacher als die zur Leistung P1 gehörige Messkurve. Dabei gilt, dass die Spannung U im Allgemeinen umso früher gleich der minimalen tolerierbaren Zellspannung Umin ist, je steiler die entsprechende Messkurve abfällt.
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Obwohl die in 1 gezeigten Messkurven kontinuierlich verlaufen, werden die tatsächlich erhobenen Messkurven vorzugsweise nur für diskrete Zeitwerte abgespeichert, sodass in der Praxis anstelle eines Kontinuums von Spannungswerten zu einem Kontinuum an Zeitpunkten nur ein endlicher Satz von Messwerten für die Vorhersage der Leistungsfähigkeit zur Verfügung stehen wird. Vorzugsweise wird aus dieser endlichen Zahl von Messwerten durch Anpassung geeigneter Kurvenverläufe ein Kontinuum von Messwerten verfügbar gemacht, indem aus den angepassten Kurvenverläufen zu beliebigen Zeitpunkten t zugehörige Spannungswerte U(t) berechnet werden können, die jedoch tatsächlich nicht gemessen wurden.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Leistungsvorhersage geht von einer vorgegebenen, beispielsweise einer Abfrage zugrunde liegenden Leistung P1 aus, deren zugehörige Messkurve U(t; P1) in der 2 hervorgehobenen dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass im Zeitpunkt der Leistungsvorhersage, also der Vorhersage der Verfügbarkeit der abzugebenden Leistung, die Zelle, deren Leistung vorherzusagen ist, die Spannung U1 aufweist. Die zur Leistung P1 gehörige Messkurve nimmt den Spannungswert U1 zur Zeit t1 an. Es sei ferner angenommen, dass die Leistung P1 für ein Zeitintervall Δt benötigt wird. Aus der in der 2 gezeigten Messkurve kann entnommen werden, dass die Zellspannung zur Zeit t2 = t1 + Δt bei Abgabe der konstanten Leistung P1 den Wert U2 annehmen wird. Aus der 2 geht ferner hervor, dass der Spannungswert U2 noch deutlich über dem minimalen Zellspannungswert Umin liegt. Außerdem liegt die Zeit tmax, zu der die Messkurve U(t; P1) den Spannungswert Umin annimmt, einigermaßen weit von der Zeit t2, zu der Entladungsvorgang beendet sein wird, entfernt.
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Aufgrund der Betrachtung des Messkurvenverlaufs, der in 2 gezeigt wird, kann daher gesagt werden, dass eine elektrochemische Zelle, deren elektrochemische Eigenschaften durch den Verlauf der Messkurve U(t; P1) in der 2 repräsentiert wird, und die zu Beginn des fraglichen Entladungsvorgangs die Spannung U1 aufweist, mit einiger Wahrscheinlichkeit nach dem Entladevorgang bei der Leistung P1 den Spannungswert U2 annehmen wird, der ausreichend weit von dem minimalen Zellspannungswert Umin entfernt liegt, sodass mit ausreichender Wahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit oder Sicherheit davon ausgegangen werden kann, dass der betreffende elektrochemische Energiespeicher in der Lage sein wird, die geforderte Leistung P1 über das geforderte Zeitintervall Δt abzugeben.
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Sofern also eine qualitative Antwort auf die Frage benötigt wird, ob der elektrochemische Energiespeicher die Leistung P1 über den Zeitraum Δt abgeben können wird, kann die Antwort auf diese Frage qualitativ ”ja” oder ”ausreichend wahrscheinlich” oder ähnlich lauten. Um eine quantitative Antwort, beispielsweise in Form einer zahlenmäßigen Wahrscheinlichkeit geben zu können, wären Messreihen erforderlich, die an dem betreffenden elektrochemischen Energiespeicher oder an gleichartigen elektrochemischen Energiespeichern durchzuführen wären, und bei denen die fragliche Situation mehrfach hintereinander durchgeführt wird.
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Hierbei könnte vorzugsweise das Alter des elektrochemischen Energiespeichers, dessen Temperatur oder dessen Vorgeschichte Berücksichtigung finden, beispielsweise die Zahl der bereits erfolgten Tiefentladungen, d. h. der Unterschreitungen der minimalen Zellspannung Umin. Vorzugsweise könnten auch Modellwahrscheinlichkeitsverteilungen zugrunde gelegt werden, die die Wahrscheinlichkeit der Gültigkeit der Vorhersage in Abhängigkeit von der Differenz zwischen U2 und Umin und/oder der Differenz zwischen t2 und tmax berücksichtigen. Die freien Parameter solcher Modellwahrscheinlichkeitsverteilungen würden dabei vorzugsweise in Messreihen ermittelt.
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Das in 3 gezeigte Beispiel bezieht sich auf einen Fall, bei dem die Leistung P2 benötigt wird, wiederum für ein Zeitintervall Δt. Die momentane Zellspannung U1 des elektrochemischen Energiespeichers gehört auf der zu der Leistung P2 gehörigen Messkurve in 3 zu dem Zeitpunkt t1. Zu dem Zeitpunkt t2 = t1 + Δt ist die Zellspannung bei einem Entladevorgang mit der Leistung P2 auf die Spannung U2 abgefallen, die deutlich unter der minimalen Zellspannung Umin liegt. Ein Entladevorgang mit dieser Leistung P2 wäre daher nicht oder nur unter Inkaufnahme von Schädigungen oder wenigstens erheblichen Alterungsprozessen der betreffenden Zelle möglich. Die Vorhersage über die Verfügbarkeit der Leistung P2 für das Zeitintervall Δt müsste daher ablehnend ausfallen oder zumindest mit einer Warnung versehen sein, dass diese Leistung über dieses Zeitintervall nur unter Inkaufnahme von Schäden an der Zelle entnommen werden kann. Eine weitere mögliche Antwort auf eine Abfrage wäre auch, die Leistung P2 für die Zeit tmax – t1 vorherzusagen, die doch kleiner ist als die vorgegebene Zeit Δt.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt 4, bei dem die Zeit tmax, zu der die Zellspannung bei der Entnahme der Leistung P3 auf den Wert Umin abgefallen ist, deutlich entfernt liegt von der Zeit t2 = t1 + Δ1, wobei die Zeit t1 wieder der Zeit entspricht, bei der die Messkurve, die zur Leistung P3 gehört, den Spannungswert U1 annimmt, der dem momentanen zellspannungselektrochemischen Energiespeichers entspricht. In dieser Situation kann die abgefragte Leistung P3 für den abgefragten Zeitraum Δt mit großer Wahrscheinlichkeit, Sicherheit oder Zuverlässigkeit zugesagt werden. Die entsprechende Vorhersage fällt daher entsprechend affirmativ aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10107583 A1 [0003]
- DE 10203810 A1 [0004]
- DE 102005050563 A1 [0005]
