DE102013100471B4 - Method for determining a state of charge of an energy store with at least one energy cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines Energiespeichers (10) mit wenigstens einer Energiezelle, wobei der Energiespeicher (10) durch eine Ladeeinheit (12) geladen wird, eine Ladung des Energiespeichers (10) durch einen Ladestrom erfolgt (30), eine Spannung des Energiespeichers (10) erfasst wird (32) und bei einem Erreichen einer definierten Spannung (34) ein Ladezustandswert zugewiesen (36) wird. The invention relates to a method for determining a state of charge of an energy store (10) having at least one energy cell, the energy store (10) being charged by a charging unit (12), a charge of the energy store (10) being effected by a charging current (30) Voltage of the energy store (10) is detected (32) and when a defined voltage (34) reaches a state of charge value assigned (36).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes eines aufladbaren Energiespeichers mit wenigstens einer Energiezelle, gemäß dem Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustandes eines aufladbaren Energiespeichers mit wenigstens einer Energiezelle, gemäß dem Patentanspruch 10.The invention relates to a method for determining a state of charge of a rechargeable energy store with at least one energy cell, according to
Es ist bekannt, dass ein Energiespeicher durch eine Ladeeinheit geladen wird. Zur Bestimmung eines Ladezustandes des Energiespeichers kann gemäß dem Stande der Technik mit einer Ah-Bilanzierung gearbeitet werden. Dabei kann als ein Kalibrierungspunkt ein Vollladezustand eines Energiespeichers genutzt werden. Mit Hilfe des Kalibrierungspunktes wird dann die aktuelle gespeicherte Energie, d.h. die vorhandene entnehmbare Kapazität des Energiespeichers, ermittelt. Ausgehend von dieser entnehmbaren Kapazität, welche in Ah angegeben wird, werden alle aus dem Energiespeicher gezogenen Ströme über die Zeit subtrahiert. Dabei werden regelmäßig definierte Vollladezustände zur Kalibrierung benötigt. Ausgehend eines Vollladezustandes eines Energiespeichers werden alle Ströme, die aus dem Energiespeicher entnommen werden aufgezeichnet. Dadurch kann also die entnehmbare Restkapazität des Energiespeichers durch eine einfache Subtraktion der entnommenen Ströme über die Zeit ermittelt werden. Nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass Energiespeicher z. B. in autarken Stromversorgungssystemen sowohl mit großen als auch kleinen Strömen beaufschlagt werden können, wodurch die Anforderungen an die Messwertaufnahme sehr anspruchsvoll sind. Es kann sein, dass die bei der Entladung auftretenden Ströme nicht mit gleicher Genauigkeit erfasst werden können. Weiterhin ist es oftmals nicht möglich, regelmäßig definierte Vollladezustände zur Kalibrierung zu erreichen, wodurch eine sichere Bestimmung des Ladezustandes des Energiespeichers leidet.
Üblicherweise wird die Kalibrierung über den Spannungsverlauf während einer Entladung bestimmt. Hinzu kommt, dass in der Regel keine Kurvenscharen bzgl. einer Entladespannung über einen Entladestrom zur Verfügung stehen. Diese müssten vor Inbetriebnahme des Energiespeichers aufwendig bestimmt werden. Zudem erfolgt eine Ah-Bilanzierung während der Entladung des Energiespeichers. Auch kann über einen längeren Zeitraum ein Vollladezustand während des Betriebes des Energiespeichers nicht erreicht werden, so dass eine zuverlässige Kalibrierung über den gesamten Zeitraum des Betriebes des Energiespeichers nicht gewährleistet werden kann.It is known that an energy store is charged by a charging unit. To determine a state of charge of the energy storage can be worked according to the prior art with an Ah-accounting. In this case, a full charge state of an energy store can be used as a calibration point. With the help of the calibration point then the current stored energy, ie the existing removable capacity of the energy storage, determined. Starting from this removable capacity, which is indicated in Ah, all currents drawn from the energy store are subtracted over time. Regularly defined full charge states are required for calibration. Starting from a full charge state of an energy storage, all currents that are taken from the energy storage are recorded. Thus, therefore, the removable residual capacity of the energy storage can be determined by a simple subtraction of the extracted currents over time. The disadvantage, however, has been found that energy storage z. B. in self-sufficient power supply systems can be acted upon with both large and small currents, making the requirements for the measurement recording are very demanding. It may be that the currents occurring during the discharge can not be detected with the same accuracy. Furthermore, it is often not possible to achieve regularly defined full charge states for calibration, whereby a reliable determination of the state of charge of the energy storage suffers.
Usually, the calibration is determined by the voltage during a discharge. In addition, as a rule, there are no families of curves with respect to a discharge voltage via a discharge current. These would have to be determined consuming before starting the energy storage. In addition, an Ah-balancing takes place during the discharge of the energy store. Also, a full charge state during operation of the energy storage can not be achieved over a longer period of time, so that a reliable calibration over the entire period of operation of the energy storage can not be guaranteed.
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Weiterhin ist in der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustandes eines Energiespeichers bereitzustellen, wobei das Verfahren einfach und zuverlässig ausgeführt bzw. die Vorrichtung einfach benutzt werden kann, insbesondere, dass ein Ladezustand einer Batterie unabhängig von einer Ah-Bilanzierung erfolgen kann.It is an object of the present invention to provide a method and a device for determining a state of charge of an energy store, wherein the method can be performed simply and reliably or the device can be easily used, in particular, that a state of charge of a battery regardless of an Ah-accounting done can.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein. Merkmale und Details die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt.To solve this problem, a method having the features of
Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes eines Energiespeichers mit wenigstens einer Energiezelle. Der Energiespeicher wird durch eine Ladeeinheit geladen. Dabei erfolgt die Ladung des Energiespeichers durch einen Ladestrom. Gleichzeitig wird eine Spannung des Energiespeichers erfasst. Bei einem Erreichen einer definierten Spannung wird ein Ladezustandswert zugewiesen, Die Zuweisung des Ladezustandswertes erfolgt dementsprechend bei der Ladung des Energiespeichers. Dabei wird dem Energiespeicher ein Ladezustandswert während der Ladung des Energiespeichers zugewiesen, wobei der zugewiesene Ladezustandwert einem Nutzer des Energiespeichers übermittelt werden kann. Eine aufwendige Ah-Bilanzierung ist nicht primär notwendig, da bei einem Erreichen einer definierten Spannung eine Zuweisung des Ladezustandswertes erfolgt. Dabei werden für verschiedene Strom und Spannungswerte Ladezustandswertkennlinien in einer Strom-Spannungstabelle hinterlegt. Anhand dieser Strom-Spannungstabelle kann dann durch die gemessene Spannung des Energiespeichers und des bekannten Ladestromes ein Ladezustandswert zugewiesen werden. Dabei, dass je niedriger die ermittelte Spannung des Energiespeichers ist, desto niedriger der zugewiesene Ladezustandswert ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass je höher die ermittelte Spannung des Energiespeichers ist, desto höher ist der zugewiesene Ladezustandswert. Der Ladezustandswert gibt dementsprechend einen SOC (State Of Charge) an, der einmal für den Energiespeicher für das Erreichen der definierten Spannung bei einem definierten Ladestrom festgelegt wird. Dadurch erhält man die Ladezustandskennlinien in Abhängigkeit von der Ladespannung und des Ladestromes, die für die Zuweisung des Ladezustandswertes benötigt werden. Natürlich können auch einzelne Ladezustandswerte als Wertepaare aus Strom und Spannung festgelegt werden, welche insbesondere in einer Datenbank gespeichert zum Einsatz kommen können. Durch eine Interpolation der Wertepaare kann dann eine Ladezustandkennlinie bestimmt werden. So kann z. B. bei einem Erreichen einer gemessenen definierten Spannung von 2,35 Volt an der Energieeinheit bei einem konstanten Ladestrom von 10 Ampere ein Ladezustandswert von z. B. 87% festgelegt werden. Je niedriger die definierte Spannung gewählt wird, desto öfter kann die definierte Spannung während des Betriebes des Energiespeichers erreicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt für ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher zum Einsatz. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auch für andere Energiespeicher wie z.B. Akkus, insbesondere Li-Polymer, NiMH oder Li-Ion-Akkus angewendet werden. Damit kann das Verfahren für jeden Energiespeicher zum Einsatz kommen, der elektrisch ladbar ist.The invention discloses a method for determining a state of charge of an energy store with at least one energy cell. The energy storage is charged by a charging unit. The charge of the energy storage is carried out by a charging current. At the same time a voltage of the energy storage is detected. When a defined voltage is reached, a charge state value is assigned. The charge state value is accordingly assigned when the energy store is charged. In this case, the energy store is assigned a state of charge value during the charging of the energy store, wherein the assigned state of charge value can be transmitted to a user of the energy store. A complex Ah-balancing is not primarily necessary, since an assignment of the state of charge value takes place when a defined voltage is reached. Charging state value characteristics are stored in a current-voltage table for different current and voltage values. Based on this current-voltage table can then be assigned a state of charge value by the measured voltage of the energy storage and the known charging current. In this case, the lower the determined energy storage voltage, the lower the charge state value assigned. Conversely, this means that the higher the calculated energy storage voltage, the higher the charge state value assigned. The state of charge value accordingly indicates an SOC (State Of Charge), which is once set for the energy store for reaching the defined voltage at a defined charging current. This gives the charge state characteristics as a function of the charging voltage and the charging current, which are required for the allocation of the state of charge value. Of course, individual state of charge values can also be defined as value pairs of current and voltage, which can be used in particular stored in a database. By interpolation of the value pairs, a charge state characteristic can then be determined. So z. B. when reaching a measured defined voltage of 2.35 volts on the power unit at a constant charging current of 10 amps a state of charge value of z. 87%. The lower the defined voltage is selected, the more often the defined voltage can be achieved during operation of the energy store. The method according to the invention is used for a motor vehicle with an energy store. The inventive method can also be used for other energy storage such. Batteries, in particular Li-polymer, NiMH or Li-ion batteries are used. Thus, the method can be used for any energy storage device that is electrically chargeable.
Es ist vorteilhaft, dass bei einem Erreichen der definierten Spannung eine Umschaltung in eine konstante Ladespannung erfolgt. An diesem Umschaltpunkt kann ebenfalls ein definierter Ladezustandswert angegeben werden, der einmal für einen bestimmten Energiespeicher zugewiesen wird. Dabei kann z. B. bei einem Erreichen einer gemessenen definierten Spannung von z.B. 2,4 Volt an der Energieeinheit bei einem konstanten Ladestrom von 10 Ampere ein Ladezustandswert von z. B. 96% festgelegt werden. Der Wert der Ladespannung von 2,4 Volt wird gehalten, so dass der Strom ausgehend von 10 A bis theoretisch auf ca. 0 A absinkt, bis ein Ladezustand von fast 100 % erreicht wird. Der ideale Ladezustandswert von 100% kann bei Bleisäure nur mit Überladung erreicht werden, da jeder Energiespeicher eine gewisse Selbstentladung hat. Deshalb wird über eine Erhaltungsladung versucht, einen Ladungszustandwert des Energiespeichers von nahezu 100 % zu erreichen. Dabei kann der Umschaltpunkt von dem konstanten Ladestrom auf die konstante Ladespannung als ein Kalibrierungspunkt dienen. Der Vorteil des Kalibrierungspunktes liegt darin, dass er häufig während des Teilladezustandbetriebes des Energiespeichers erreicht werden kann. Dies begünstigt eine genaue Ladezustandsbestimmung des Energiespeichers. Vorteilhaft ist dementsprechend dabei, dass man zur Kalibrierung nicht die Entladung, sondern die Ladung des Energiespeichers betrachtet.It is advantageous that, when the defined voltage is reached, a changeover to a constant charging voltage takes place. At this switching point can also be specified a defined state of charge value, which is assigned once for a particular energy storage. It can be z. Upon reaching a measured defined voltage of e.g. 2.4 volts on the power unit at a constant charging current of 10 amps a state of charge value of z. 96%. The value of the charging voltage of 2.4 volts is maintained, so that the current from 10 A to theoretically drops to about 0 A until a state of charge of almost 100% is reached. The ideal charge state value of 100% can only be achieved with lead acid with overcharging, since each energy store has a certain degree of self-discharge. Therefore, a trickle charge is attempted to achieve a charge state value of the energy storage of nearly 100%. In this case, the switching point from the constant charging current to the constant charging voltage can serve as a calibration point. The advantage of the calibration point is that it can often be reached during the partial charge state operation of the energy store. This favors a precise charge state determination of the energy storage. Accordingly, it is advantageous that the calibration is not considered the discharge but the charge of the energy store.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei einer Unterschreitung der Spannung des Energiespeichers während der Ladung des Energiespeichers unterhalb der definierten Spannung der Ladezustandswert gespeichert wird. Beim erneuten Erreichen der definierten Spannung erfolgt eine erneute Zuweisung des Ladezustandswertes. Während einer Nutzung des Energiespeichers wird die Spannung des Energiespeichers unter die definierte Spannung sinken, sodass der Ladezustandswert zurückgesetzt wird. Dadurch wird gewährleistet, dass bei einem Zurücksetzen des Ladezustandswertes der Nutzer des Energiespeichers informiert werden kann, dass der vorher bestimmte Ladezustand des Energiespeichers nicht mehr zur Verfügung steht. Im Falle, dass die definierte Spannung erreicht und dadurch der Ladezustandswert gesetzt worden ist, wird der Energiespeicher bei einer Nichtbelastung weitergeladen, sodass ein Ladezustandswert, d. h. ein SOC, von nahezu 100% über die weitere Zeit erfolgen kann. Dabei ist es denkbar, dass ab einer bestimmten Ladezeit, z.B. von 14 Stunden, definiert wird, dass ein Ladezustandswert des Energiespeichers von 100% erreicht wird. Dieser Ladezustandswert von 100% wird dann dem Energiespeicher zugewiesen. Dieser Ladezustandswert kann dem Nutzer des Energiespeichers als Information übermittelt werden.Furthermore, it is advantageous that, when the voltage of the energy store falls below the defined voltage, the charge state value is stored during charging of the energy store. When the defined voltage is reached again, the charge state value is reassigned. During use of the energy storage, the voltage of the energy storage will fall below the defined voltage, so that the state of charge value is reset. This ensures that when the charge state value is reset, the user of the energy store can be informed that the previously determined charge state of the energy store is no longer available. In the event that the defined voltage has been reached and the state of charge value has been set as a result, the energy store is recharged when it is not loaded so that a state of charge value, ie an SOC, of almost 100% can be generated over the further time. It is conceivable that from a certain charging time, for example of 14 hours, it is defined that a state of charge value of the energy storage of 100% is reached. This charge state value of 100% is then assigned to the energy store. This charge state value can be communicated to the user of the energy store as information.
Es ist vorteilhaft, dass der Energiespeicher eine Blei-Säure-Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle ist. Die Vorteile einer Blei-Säure-Batterie liegen in der einfachen Herstellung und einer ausgereiften und zuverlässigen Technologie. Die Blei-Säure-Batterien können dabei in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt werden, z. B. in einem Kraftfahrzeug als Starterbatterie. Auch der Einsatz als Antriebsbatterie für ein Elektrofahrzeug ist dabei denkbar. Blei-Säure-Batterien weisen weiterhin eine geringe Selbstentladung auf. So beträgt die Selbstentladung einer Blei-Säure-Batterie nur 2-3% pro Monat. Die zugeführte Energie während der Ladung der Blei-Säure-Batterie wird zu einem Grad von 0,8, dass heißt von 80%, nahezu vollständig in der Blei-Säure-Batterie als elektrische Energie gespeichert. Ab einem Ladezustandswert von ca. 0,8 wird allerdings die zugeführte Energie durch die Ladeeinheit nicht mehr zu 100% als elektrische Energie in der Blei-Säure-Batterie gespeichert. Ab dem Ladezustandswert von 80% wird immer mehr zugeführte Energie durch die Ladeeinheit in energieverbrauchenden Nebenreaktionen wie z. B. einer Wasserzersetzung und/oder einer Korrosion verbraucht. Dementsprechend würde eine Ah-Bilanzierung während der Ladung ab dem Ladezustandswert 80% immer weiter verfälscht, da nicht die gesamte elektrische Energie, welche durch die Ladeeinheit für die Blei-Säure-Batterie zur Verfügung gestellt wird, in elektrische Energie in der Blei-Säure-Batterie gespeichert wird. Eine Ladezustandsbestimmung, d. h. eine SOC-Bestimmung der Batterie würde dadurch zunehmend verfälscht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren in der Zuweisung eines Ladezustandswertes zu dem Zeitpunkt der Umschaltung von dem Ladestrom in eine konstante Ladespannung erfolgt die Bestimmung des Ladezustandes des Energiespeichers unabhängig von einer Ah-Bilanzierung. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren geradezu für Energiespeicher, wie z. B. der Blei-Säure-Batterie, die ab einem bestimmten Ladungszustandswert des Energiespeichers die zugeführte elektrische Energie nicht mehr zu nahezu 100% als elektrische Energie speichern können ideal. Natürlich kann dieses Verfahren auch für Energiespeicher zum Einsatz kommen, welche die zugeführte elektrische Energie zu 100% als elektrische Energie speichern können.It is advantageous that the energy store is a lead-acid battery with at least one battery cell. The advantages of a lead-acid battery are its ease of manufacture and mature and reliable technology. The lead-acid batteries can be used in different areas, eg. B. in a motor vehicle as a starter battery. The use as a drive battery for an electric vehicle is conceivable. Lead-acid batteries continue to show low self-discharge. For example, the self-discharge of a lead-acid battery is only 2-3% per month. The supplied energy during the charge of the lead-acid battery is stored to a degree of 0.8, that is, of 80%, almost completely in the lead-acid battery as electrical energy. From a state of charge value of about 0.8, however, the energy supplied by the charging unit is not 100% stored as electrical energy in the lead-acid battery. From the state of charge value of 80% more and more energy supplied by the charging unit in energy-consuming side reactions such. B. a water decomposition and / or corrosion consumed. Accordingly, an Ah-balancing during charging would be falsified more and more from the state of
Zudem ist es vorteilhaft, dass die definierte Spannung der Energiezelle in einem Bereich von 2,23 Volt bis 2,4 Volt liegt. Je niedriger die Spannung gewählt wird, desto niedriger fällt auch die Zuweisung des Ladezustandswertes aus. Gerade im Hinblick bei der Nutzung einer Blei-Säure-Batterie als Energiespeicher ergibt eine hohe Spannung, d. h. von über 2,4 Volt pro Energiezelle eine gute Batterieleistung. Eine tiefere Spannung ist dabei sicher beim Laden bei höheren Temperaturen.In addition, it is advantageous that the defined voltage of the energy cell is in a range of 2.23 volts to 2.4 volts. The lower the voltage is selected, the lower the charge state value allocation will be. Especially with regard to the use of a lead-acid battery as energy storage results in a high voltage, d. H. of over 2.4 volts per power cell, good battery performance. A lower voltage is safe when charging at higher temperatures.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Ladestrom in einem Bereich von 5 Ampere bis 20 Ampere pro 100 Ampere Stunden liegt. Je niedriger der Ladestrom ist, desto länger dauert eine Vollladung des Energiespeichers. Je höher der Ladestrom ist, desto schneller erfolgt die Vollladung des Energiespeichers. Je niedriger allerdings der Ladestrom gewählt wird desto weniger erwärmt sich der Energiespeicher, was vorteilhaft für die Lebensdauer des Energiespeichers ist.Furthermore, it is advantageous that the charging current is in a range of 5 amps to 20 amps per 100 amperes hours. The lower the charging current, the longer it takes to fully charge the energy storage device. The higher the charge current, the faster the full charge of the energy store. However, the lower the charging current is chosen, the less the energy store heats up, which is advantageous for the life of the energy store.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ladezustand visuell und/oder akustisch angezeigt wird. Da der Energiespeicher z. B. in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, ist es vorteilhaft, dass ab dem Zeitpunkt des zugewiesenen Ladezustandswertes z. B. durch eine Leuchteinheit, wie z.B. einer LED, in einem Innenraum des Kraftfahrzeuges angezeigt wird. Dadurch kann der Nutzer des Kraftfahrzeuges einfach und sicher den Ladezustandswert des Energiespeichers erfahren. Auch eine akustische Anzeige über ein Akustikelement, wie z. B. einem Piezolautsprecher, kann dem Nutzer des Energiespeichers anzeigen, dass ein bestimmter Ladezustandswert dem Energiespeicher zugewiesen wird. Dadurch erfährt der Nutzer des Energiespeichers automatisch die Zuweisung des Ladezustandswertes.According to the invention it is provided that the state of charge is displayed visually and / or acoustically. Since the energy storage z. B. can be used in a motor vehicle, it is advantageous that from the time of the assigned state of charge value z. By a lighting unit, e.g. an LED, is displayed in an interior of the motor vehicle. As a result, the user of the motor vehicle can easily and reliably experience the charge state value of the energy store. Also, an acoustic display of an acoustic element, such. B. a piezo loudspeaker, the user of the energy storage can indicate that a certain state of charge value is assigned to the energy storage. As a result, the user of the energy storage automatically learns the allocation of the charge state value.
Es kann ferner vorteilhaft sein, dass die Ladung des Energiespeichers durch einen variablen Ladestrom erfolgt. Damit kann ein tiefentladener Energiespeicher, insbesondere eine tiefentladene Blei-Säure-Batterie, schonend aufgeladen werden. So kann mit einem anfänglichen kleinen Ladestrom der Energiespeicher geladen werden, wobei über die Zeit größere Ladeströme zum Einsatz kommen können. Bei einer tiefentladenen Blei-Säure-Batterie kann mit einem anfänglichen kleinen Ladestrom über einen längeren Zeitraum eine Sulfatierung einer aktiven Masse der Blei-Säure-Batterie, entstehbar durch eine Tiefentladung der Blei-Säure-Batterie, wieder behoben werden. Auch kann eine Ladung des Energiespeichers mit einem konstanten Ladestrom erfolgen, wodurch die Nutzung einer Ladeeinheit ohne eine Regeleinheit zur Regelung des Ladestromes denkbar ist. Dadurch ist der Einsatz einer Ladeeinheit ohne Regeleinheit denkbar, wodurch die Herstellungskosten der Ladeeinheit reduziert werden können.
Erfindungsgemäß kann das Verfahren derart weitergebildet sein, dass der Ladezustandswert in Abhängigkeit der Ladespannung und des Ladestroms in einem Wertebereich von 5 bis 20 Ampere pro 100 Amperestunden abgebildet wird oder in einer Lookup-Tabelle zur Verfügung gestellt wird. Damit kann ein Ladezustandswert einfach und effektiv zugeordnet werden. Damit kann in Anwendungen mit einer häufigen Zyklisierung ein zuverlässiges Verfahren für eine Ladezustandsbestimmung ermöglicht werden. Das Verfahren kann in einer Rechnereinheit abgebildet sein, wobei die Rechnereinheit wenigstens einen Prozessor und einen Speicher aufweisen kann. Zur Schonung der Ressourcen der Rechnereinheit, insbesondere des Speichers, kann die Nutzung einer Lookup-Tabelle vorteilhaft sein. So kann ein Speicherverbrauch des Speichers der Rechnereinheit durch Nutzung der Lookup-Tabelle reduziert werden. Dies wirkt sich positiv bei einem Betrieb des Verfahrens auf einer Rechnereinheit als Vorrichtung aus, da dadurch die Vorrichtung kostengünstig aufgebaut werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Datenbank zum Einsatz kommt, wobei die Ladezustandswerte in der Datenbank speicherbar sind. Die Datenbank bietet den Vorteil, dass diese auf einer externen Rechnereinheit implementiert ist, wobei die externe Rechnereinheit mit der Rechnereinheit datentechnisch verbunden sein kann. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese externe Rechnereinheit im Internet integriert ist und datentechnisch von der Rechnereinheit angesprochen wird. Damit kann auf den Ladezustandswert durch die Rechnereinheit über das Internet zugegriffen werden. Weiterhin können weitere von der Rechnereinheit unabhängige Rechnereinheiten zum Einsatz kommen, die auf die gleiche Datenbank im Internet zugreifen können.It may also be advantageous that the charge of the energy storage is effected by a variable charging current. Thus, a deeply discharged energy storage, in particular a deeply discharged lead-acid battery, be gently charged. Thus, the energy storage can be charged with an initial small charging current, over time larger charging currents can be used. In the case of a deep-discharged lead-acid battery, an initial small charging current over a longer period of time can be used to remedy sulfation of an active mass of the lead-acid battery, which can be caused by a deep discharge of the lead-acid battery. Also, a charge of the energy storage can be done with a constant charging current, whereby the use of a charging unit without a control unit for controlling the charging current is conceivable. Thereby, the use of a charging unit without control unit is conceivable, whereby the manufacturing cost of the charging unit can be reduced.
According to the invention, the method can be developed such that the state of charge value is mapped as a function of the charging voltage and the charging current in a value range of 5 to 20 amperes per 100 ampere hours or is made available in a lookup table. Thus, a state of charge value can be assigned easily and effectively. This can be a reliable process in applications with frequent cyclization be enabled for a state of charge determination. The method can be imaged in a computer unit, wherein the computer unit can have at least one processor and one memory. To protect the resources of the computer unit, in particular the memory, the use of a lookup table can be advantageous. Thus, a memory consumption of the memory of the computer unit can be reduced by using the lookup table. This has a positive effect in an operation of the method on a computer unit as a device, since the device can be constructed inexpensively. According to the invention, it is provided that a database is used, wherein the state of charge values can be stored in the database. The database has the advantage that it is implemented on an external computer unit, wherein the external computer unit can be connected to the computer unit in terms of data technology. Thus, according to the invention, it is provided that this external computer unit is integrated in the Internet and is addressed by the computer unit in terms of data technology. Thus, the charge state value can be accessed by the computer unit via the Internet. Furthermore, further computer units independent of the computer unit can be used which can access the same database on the Internet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustandes eines Energiespeichers mit wenigstens einer Energiezelle, gemäß dem Patentanspruch 10. Der Energiespeicher ist durch eine Ladeeinheit ladbar. Eine Ladung des Energiespeichers erfolgt durch einen Ladestrom durch die Ladeeinheit. Eine Spannung des Energiespeichers ist dabei durch eine Messeinheit erfassbar. Bei einem Erreichen einer definierten Spannung wird ein Ladezustandswert zugewiesen. Dabei ist die Vorrichtung nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 betreibbar.The object according to the invention is also achieved by a device for determining a state of charge of an energy store having at least one energy cell, according to
Besonders vorteilhaft ist, dass die Ladeeinheit und/oder die Messeinheit im Batteriemanagementsystem integriert sind. Durch eine Integration der Ladeeinheit und/oder der Messeinheit in dem Batteriemanagementsystem erfolgt ein sehr einfacher Anschluss der einzelnen Komponenten durch die Integration in einer Komponente an den Energiespeicher. Zudem entfällt eine Verkabelung der Ladeeinheit und/oder der Messeinheit mit dem Batteriemanagementsystem. Damit kann ein kostengünstiger Aufbau erfolgen. Das Batteriemanagementsystem kann dabei in einem Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann vorteilhafterweise ebenfalls gegen Feuchtigkeit abgedichtet sein. Dies ermöglicht den Einsatz des Batteriemanagementsystems mit dem Gehäuse z. B. in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges. Dabei kann das Gehäuse in einer bestimmten IP-Schutzart nach DIN 40 050 Teil 9 bzw. DIN EN60529 ausgebildet sein. Die Zuweisung des Ladezustandswertes bei Erreichen der definierten Spannung kann durch das Batteriemanagementsystem erfolgen. Zudem kann das Batteriemanagementsystem bei einem Erreichen der definierten Spannung eine Umschaltung von dem definierten konstanten Ladestrom in eine konstante Ladespannung steuern. Der Ladezustandswert kann dabei in einem internen Speicher des Batteriemanagementsystems gespeichert werden.It is particularly advantageous that the charging unit and / or the measuring unit are integrated in the battery management system. By integrating the charging unit and / or the measuring unit in the battery management system, a very simple connection of the individual components takes place through integration in one component to the energy store. In addition, cabling of the charging unit and / or the measuring unit with the battery management system is eliminated. This can be done a cost-effective design. The battery management system can be arranged in a housing. The housing may advantageously also be sealed against moisture. This allows the use of the battery management system with the housing z. B. in an engine compartment of a motor vehicle. In this case, the housing may be formed in a specific IP protection according to
Es ist vorteilhaft, dass das Batteriemanagementsystem eine Rechnereinheit aufweist. Die Rechnereinheit kann dabei einen Speicher aufweisen. In dem Speicher können für verschiedene Spannungen, welche während der Ladung durch die Ladeeinheit mit einem Ladestrom erreicht werden können, verschiedene Ladezustandswerte zugewiesen werden. Da die Ladezustandswerte von dem eingeprägten konstanten Ladestrom abhängen, kann dementsprechend in dem Speicher ein dreidimensionales Kennlinienfeld gespeichert sein. Das dreidimensionale Kennlinienfeld weist dementsprechend zu jedem erreichten definierten Spannungswert und einem dazugehörigen Ladestrom ein Ladezustandswert auf.It is advantageous that the battery management system has a computer unit. The computer unit can have a memory. In the memory, different state of charge values can be assigned for different voltages which can be achieved during charging by the charging unit with a charging current. Since the state of charge values depend on the impressed constant charging current, a three-dimensional characteristic field can accordingly be stored in the memory. Accordingly, the three-dimensional characteristic field has a state of charge value for each defined voltage value achieved and an associated charging current.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Batteriemanagementsystem an einem Feldbus, insbesondere einem CAN-Bus, angeschlossen ist. Ein Feldbus kann dabei sämtliche Informationen über zwei Leitungen übertragen. Es ist denkbar, dass die Ladeeinheit und/oder die Messeinheit ebenfalls separat an dem Feldbus angeschlossen sind. Damit kann die Ladeeinheit und/oder die Messeinheit über den Feldbus gesteuert werden. Die einzelnen Komponenten die an dem Feldbus angeschlossen werden, weisen dabei ein Steuergerät auf, wobei das Steuergerät Daten von einer zentralen Rechnereinheit empfangen kann. Dadurch wird es ermöglicht, dass die zentrale Rechnereinheit über den Feldbus Daten zur Steuereinheit sendet, wobei die Steuereinheit je nach Information der empfangenen Daten die Komponenten steuert. Dies kann im einfachsten Falle ein Ein- und Ausschalten der Ladeeinheit sein. Auch ist es denkbar, dass der definierte konstante Ladestrom der Ladeeinheit durch Daten, welche über den Feldbus an die Steuereinheit der Ladeeinheit übermittelt werden geregelt wird. Durch Einsatz eines Feldbusses in einem Kraftfahrzeug kann der Verkabelungsaufwand innerhalb des Kraftfahrzeuges erheblich reduziert werden. Des Weiteren können weitere Steuergeräte an dem Feldbus angeschlossen werden, wobei alle Steuergeräte untereinander über den Feldbus Daten austauschen können. Bei einem Ausfall eines Steuergerätes ist dementsprechend nicht die Funktionalität der verbleibenden funktionstüchtigen Steuergeräte beeinträchtigt.Furthermore, it is advantageous that the battery management system is connected to a field bus, in particular a CAN bus. A fieldbus can transmit all information via two lines. It is conceivable that the charging unit and / or the measuring unit are also connected separately to the fieldbus. Thus, the charging unit and / or the measuring unit can be controlled via the fieldbus. The individual components which are connected to the field bus, in this case have a control unit, wherein the control unit can receive data from a central computer unit. This makes it possible for the central computer unit to send data to the control unit via the fieldbus, wherein the control unit controls the components depending on the information of the received data. In the simplest case, this can be a switching on and off of the charging unit. It is also conceivable that the defined constant charging current of the charging unit is regulated by data which are transmitted via the fieldbus to the control unit of the charging unit. By using a fieldbus in a motor vehicle, the wiring effort within the motor vehicle can be significantly reduced. Furthermore, further control devices can be connected to the fieldbus, with all control devices being able to exchange data with one another via the fieldbus. In the event of a failure of a control device, accordingly, the functionality of the remaining functional control devices is not impaired.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Batteriemanagementsystem über eine drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindung mit der Rechnereinheit verbunden ist. Die drahtgebundene Verbindung weist den Vorteil auf, dass eine Datenverbindung zwischen dem Batteriemanagementsystem und der Rechnereinheit unverzüglich zur Verfügung steht. Zudem kann über eine drahtgebundene Verbindung gleichzeitig eine Energiezufuhr für weitere elektrische Komponenten hergestellt werden. Eine drahtlose Datenverbindung weist dabei den Vorteil auf, dass ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand für die Datenübertragung z. B. in einem Kraftfahrzeug entfällt. Des Weiteren können natürlich auch andere Komponenten wie z. B. die Ladeeinheit und/oder Messeinheit drahtgebunden oder drahtlos mit der Rechnereinheit gekoppelt werden.Furthermore, it is advantageous that the battery management system via a wired or wireless data connection is connected to the computer unit. The wired connection has the advantage that a data connection between the battery management system and the computer unit is immediately available. In addition, a power connection for further electrical components can be produced simultaneously via a wired connection. A wireless data connection has the advantage that an additional cabling effort for data transmission z. B. deleted in a motor vehicle. Furthermore, of course, other components such. B. the charging unit and / or measuring unit are wired or wirelessly coupled to the computer unit.
Es ist vorteilhaft, dass die drahtlose Datenverbindung mit der Rechnereinheit über wenigstens eine der folgenden Technologien erfolgt: Bluetooth, Near Field Communination (NFC), Wireless Local Area Network (WLAN), WiMAX, Wireless USB, ZigBee (IEEE 802.15.4), Wibree, WPAN, GSM, GPRS, UMTS, HSCSD oder HSDPA, induktive Datenübertragung, kapazitive Datenübertragung, Infrared Data Association (IrDA), FSO (Free Space Optics), IrDA. Vorteilhafterweise erfolgt die Übertragung über ZigBee. ZigBee stellt einen Protokollstapel dar, der es ermöglicht eine energiesparende Datenübertragung, insbesondere in einem Bereich von zehn Meter bis 100 Meter zu ermöglichen. Dabei kann der Protokollstapel auf den IEEE 802.15.4 Standard aufgesetzt werden, der die unteren beiden Schichten des ISO/OSI-Models spezifiziert. ZigBee bietet im Gegensatz zu anderen Technologien wie z. B. Bluetooth den Vorteil, dass eine energietechnische Versorgung einer ZigBee-Einheit durch eine Energiezelle zwischen sechs Monaten und zwei Jahren erreicht werden kann.It is advantageous that the wireless data connection to the computer unit be via at least one of the following technologies: Bluetooth, Near Field Communication (NFC), Wireless Local Area Network (WLAN), WiMAX, Wireless USB, ZigBee (IEEE 802.15.4), Wibree , WPAN, GSM, GPRS, UMTS, HSCSD or HSDPA, inductive data transmission, capacitive data transmission, Infrared Data Association (IrDA), FSO (Free Space Optics), IrDA. Advantageously, the transmission takes place via ZigBee. ZigBee is a protocol stack that enables energy-efficient data transmission, especially in a range of ten meters to 100 meters. The protocol stack can be set to the IEEE 802.15.4 standard, which specifies the lower two layers of the ISO / OSI model. ZigBee offers unlike other technologies such. B. Bluetooth has the advantage that an energy supply of a ZigBee unit can be achieved by a power cell between six months and two years.
Vorteilhaft ist es, dass wenigstens ein Ladezustandswert in einer Datenbank gespeichert ist. Die Datenbank ist dabei vorteilhafterweise auf der Rechnereinheit installiert. Dabei bietet die Datenbank den Vorteil, dass schnell auf Ladezustandswerte für bestimmte Strom-Spannungskennlinien (IU-Kennlinien) zugegriffen werden kann. Auch eine Suche eines Ladezustandswertes zu einem definierten Spannungswert bei einem konstanten Ladestrom wird dadurch erleichtert. Die Datenbank, welche auf der Rechnereinheit installiert sein kann, kann dabei über das Internet aktualisiert werden, sodass ein manueller Eingriff zur Speicherung der Strom-Spannungskennlinien in die Datenbank nicht erfolgen muss. Dementsprechend können für verschiedene Energiespeicher als auch für verschiedene IU-Kennlinien Ladezustandswerte in der Datenbank abgelegt werden. Die Rechnereinheit mit der installierten Datenbank kann für ein Kraftfahrzeug zur Anwendung kommen. So ist es denkbar, dass das Kraftfahrzeug ein GSM-Modul aufweist. Über dieses GSM-Modul kann eine Datenkommunikation mit dem Internet aufgebaut werden, so dass die Daten der IU-Kennlinien drahtlos über einen erreichbaren Server im Internet aktualisiert werden können.It is advantageous that at least one state of charge value is stored in a database. The database is advantageously installed on the computer unit. The advantage of the database is that fast state of charge values for specific current-voltage characteristics (IU curves) can be accessed. Also, a search of a state of charge value to a defined voltage value at a constant charging current is facilitated. The database, which can be installed on the computer unit, can be updated via the Internet, so that a manual intervention for storing the current-voltage characteristics in the database does not have to be made. Accordingly, charge state values can be stored in the database for various energy stores as well as for various IU characteristics. The computer unit with the installed database can be used for a motor vehicle. Thus, it is conceivable that the motor vehicle has a GSM module. Via this GSM module, a data communication with the Internet can be established, so that the data of the IU characteristics can be updated wirelessly via an accessible server on the Internet.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Ladezustandswert auf einer Anzeigeeinheit angezeigt werden kann. Als Anzeigeeinheit kann dabei eine LED und/oder ein Display zum Einsatz kommen. Als Display kommt dabei jede Anzeigeeinheit in Betracht, welche auch für einen normalen Personal Computer zum Einsatz kommen kann. Weiterhin ist es denkbar, dass ein Fahrerinformationssystem (FIS) für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Hier kann der Nutzer eines Kraftfahrzeuges direkt die Informationen des Ladezustandswertes des Energiespeichers über das FIS, welches in dem Kraftfahrzeug verbaut sein kann, ablesen. Allerdings reicht auch schon der Einsatz einer einfachen Leuchtdiode, die an dieser Stelle für einen bestimmten Ladezustandswert steht und aufleuchtet, wenn die definierte Spannung erreicht und damit eine Ladezustandswert zugewiesen worden ist.Furthermore, it is advantageous that the state of charge value can be displayed on a display unit. In this case, an LED and / or a display can be used as the display unit. As a display, every display unit comes into consideration, which can also be used for a normal personal computer. Furthermore, it is conceivable that a driver information system (FIS) can be used for a motor vehicle. Here, the user of a motor vehicle can directly read the information of the state of charge value of the energy store via the FIS, which can be installed in the motor vehicle. However, the use of a simple light-emitting diode, which stands for a specific state of charge value at this point and illuminates when the defined voltage has been reached, and thus has been assigned a state of charge value, is sufficient.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
3 ein Diagramm, welches eine Ladezustandswertkennlinie eines Energiespeichers mit folgenden Ladeparametern darstellt: Bei einem Erreichen einer definierten Spannung von U=2,4 Volt erfolgt eine Zuweisung eines SOC von 96% und eine Umschaltung von einem konstanten Ladestrom von I=10 Ampere in eine konstante Ladespannung zu einem Zeitpunkt t=7,6 h bei einem Entladezustand (DOD, depth of discharge)von 80%, -
4 ein Diagramm, welches eine Ladezustandskennlinie eines Energiespeichers mit folgenden Ladeparametern darstellt: Bei einem Erreichen einer definierten Spannung von U=2,4 Volt erfolgt eine Zuweisung eines SOC von 96% und eine Umschaltung von einem konstanten Ladestrom von I=10 Ampere in eine konstante Ladespannung zu einem Zeitpunkt t=3,6 h beieinem Entladezustand von 40%, -
5 ein Diagramm, welches eine Ladezustandskennlinie eines Energiespeichers mit folgenden Ladeparametern darstellt: Bei einem Erreichen einer definierten Spannung von U=2,35 Volt erfolgt eine Zuweisung eines SOC von 87% und eine Umschaltung von einem konstanten Ladestrom von I=10 Ampere in eine konstante Ladespannung zu einem Zeitpunkt t=6,7 h beieinem Entladezustand von 80%, -
6 ein Diagramm, welches eine Ladezustandskennlinie eines Energiespeichers mit folgenden Ladeparametern darstellt: Bei einem Erreichen einer definierten Spannung von U=2,35 Volt erfolgt eine Zuweisung eines SOC von 87% und eine Umschaltung von einem konstanten Ladestrom von I=10 Ampere in eine konstante Ladespannung zu einem Zeitpunkt t=2,7 h beieinem Entladeszustand von 40%.
-
1 a schematic view of the method according to the invention, -
2 a schematic view of the device according to the invention, -
3 a diagram showing a state of charge value characteristic of an energy storage with the following charging parameters: In a Achieving a defined voltage of U = 2.4 volts, an allocation of an SOC of 96% and a switch from a constant charging current of I = 10 amps to a constant charging voltage at a time t = 7.6 h in a discharge state (DOD, depth of discharge) of 80%, -
4 a diagram showing a state of charge characteristic of an energy storage with the following charging parameters: When reaching a defined voltage of U = 2.4 volts, an allocation of an SOC of 96% and a switch from a constant charging current of I = 10 amps into a constant charging voltage at a time t = 3.6 h at a discharge state of 40%, -
5 a diagram showing a state of charge characteristic of an energy store with the following charging parameters: When reaching a defined voltage of U = 2.35 volts, an SOC of 87% and a constant charging current of I = 10 amps is converted into a constant charging voltage at a time t = 6.7 h at a discharge state of 80%, -
6 a diagram showing a state of charge characteristic of an energy store with the following charging parameters: When reaching a defined voltage of U = 2.35 volts, an SOC of 87% and a constant charging current of I = 10 amps is converted into a constant charging voltage at a time t = 2.7 h at a discharge state of 40%.
In
In
In
In
In
Über die Zeit erhöht sich der SOC und auch die Spannung der Energiezelle steigt. Der eingeprägte Strom bleibt allerdings über die gesamte Zeit bis zur Zuweisung eines Ladezustandswertes konstant. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bei einem Erreichen einer definierten Spannung eine Zuweisung eines Ladungszustandwertes, wobei der Ladezustandwert an einem Punkt
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Energiespeicherenergy storage
- 1212
- Ladeeinheitcharging unit
- 1414
- Messeinheitmeasuring unit
- 1616
- BatteriemanagementsystemBattery Management System
- 1818
- Rechnereinheitcomputer unit
- 2020
- Feldbusfieldbus
- 2222
- Anzeigeeinheitdisplay unit
- 3030
- Verfahrensschrittstep
- 3232
- Verfahrensschrittstep
- 3434
- Verfahrensschrittstep
- 3636
- Verfahrensschrittstep
- 3838
- Verfahrensschrittstep
- 4040
- Stromkurvecurrent curve
- 4242
- EnergiespeicherspannungEnergy storage voltage
- 4444
- LadezustandskennlinieState of charge characteristic
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-
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
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