DE102013201346A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers, wobei die Leerlaufspannung des Energiespeichers durch Anlegen einer zusätzlichen Gleichspannung ermittelt wird. Durch Variationen der angelegten zusätzlichen Gleichspannung und gleichzeitiger Messung des Stromflusses der zusätzlichen Gleichspannung in Richtung des Energiespeichers kann auch bei belastetem Energiespeicher auf die Leerlaufspannung des Energiespeichers geschlossen werden, und somit der Ladezustand des Energiespeichers bestimmt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes eines Energiespeichers.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, den Ladezustand einer Batterie zu bestimmen und daraufhin gegebenenfalls weitere Schritte nur dann auszuführen, wenn der Ladezustand der Batterie mindestens einen vorbestimmten Ladezustand aufweist. Beispielsweise verfügen Elektrofahrzeuge meist über eine konventionelle 12 Volt Batterie zur Versorgung des Bordnetzes, sowie über eine weitere Hochspannungsbatterie zur Energieversorgung der elektrischen Antriebe. Bei einem ausreichend hohen Ladezustand der 12 Volt Batterie kann das Bordnetz dabei vollständig von dieser 12 Volt Batterie gespeist werden. Unterschreitet der Ladezustand dieser 12 Volt Batterie jedoch einen vorgegebenen Grenzwert, so kann über einen DC-DC-Wandler von der Hochspannungsbatterie zusätzliche Energie in das 12 Volt Bordnetz eingespeist werden.
  • In vielen Anwendungen zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie wird zunächst die Leerlaufspannung der Batterie bestimmt. Anschließend wird basierend auf der Leerlaufspannung auf dem Ladezustand der Batterie zurückgeschlossen. Ist die Batterie jedoch belastet, so kann die Leerlaufspannung nicht unmittelbar bestimmt werden. In diesem Fall stellt die Bestimmung der Leerlaufspannung und der damit korrespondierende Ladezustand der Batterie eine große Herausforderung dar. Dies kann in konventionellen Systemen nur mit einem aufwändigen und damit sehr teuren intelligenten Batteriesensor gelöst werden. Die Druckschrift EP 1 417 503 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer Batterie. Hierzu wird der Ladezustand basierend auf zwei unterschiedlichen Betriebspunkten der Batterie bestimmt, wobei ein Ruhespannungsverfahren und ein modellbasiertes Schätzverfahren implementiert werden.
  • Da über das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges insbesondere auch sicherheitsrelevante Komponenten betrieben werden, muss zu jedem Zeitpunkt eine zuverlässige Energieversorgung gewährleistet sein. Daher darf das Bordnetz von der zusätzlichen Hochspannungsbatterie nur dann entkoppelt werden, wenn der Ladezustand der 12 Volt Batterie eine ausreichende Energieversorgung gewährleistet. Daher ist eine zuverlässige Bestimmung des Ladezustandes der 12 Volt Batterie von großer Bedeutung.
  • Es besteht daher ein Bedarf, den Ladezustand des Energiespeichers, wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie, zuverlässig und kostengünstig zu ermitteln.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers mit einer Gleichspannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, eine einstellbare Gleichspannung an dem Energiespeicher bereitzustellen; einem Stromsensor, der dazu ausgelegt ist, einem Strom zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Energiespeicher zu messen; und einer Kontrolleinheit, die dazu ausgelegt ist, die Spannung der Gleichspannungsquelle so einzustellen, dass ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle zu dem Energiespeicher fließt, und basierend auf der an der Gleichspannungsquelle eingestellten Spannung den Ladezustand des Energiespeichers zu bestimmen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers mit den Schritten des Bereitstellens einer Gleichspannungsquelle; des Anlegens einer durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellten einstellbaren Gleichspannung an dem Energiespeicher; des Messens eines Stromes zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Energiespeicher; des Einstellens der Spannung an der Gleichspannungsquelle, so dass ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle zu dem Energiespeicher fließt; und des Bestimmens des Ladezustandes des Energiespeichers basierend auf der an der Gleichspannungsquelle eingestellten Spannung.
  • Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Belastung des Energiespeichers durch Anlegen einer weiteren Gleichspannung zu kompensieren. Dabei wird von einer variablen Gleichspannungsquelle eine Spannung bereitgestellt, die in ihrer Höhe so variiert wird, dass ein Strom von der Gleichspannungsquelle in Richtung des Energiespeichers fließt und dabei die Belastung des Energiespeichers kompensiert. Dieser Wert entspricht etwa der Leerlaufspannung des Energiespeichers und kann somit Ausgangsbasis für die Bestimmung des Ladezustandes verwendet werden.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass als Gleichspannungsquelle mit variabler Spannung beispielsweise eine bereits vorhandene Spannungsquelle verwendet werden kann. Dies kann beispielsweise eine zusätzliche Energieeinspeisung sein. Insbesondere kann bei den eingangs beschriebenen Elektrofahrzeugen, die über einen DC-DC-Wandler bereitgestellte Energie aus der Hochvoltbatterie als Spannungsquelle mit variabler Spannung verwendet werden. Somit kann die Leerlaufspannung des Energiespeichers besonders einfach und ohne aufwändige Komponenten ermittelt werden.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Leerlaufspannung und somit der Ladezustand des Energiespeichers unmittelbar während der Belastung des Energiespeichers ermittelt werden können. Es ist somit nicht erforderlich, den Energiespeicher von seiner Last zu trennen, um eine Leerlaufspannung zu messen und somit auf den Ladezustand schließen zu können.
  • Darüber hinaus erfordert der erfindungsgemäße Ansatz zur Ermittlung des Ladezustandes nur wenige einfache Komponenten. Somit wird auch die Fehleranfälligkeit des erfindungsgemäßen Systems reduziert.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur an dem Energiespeicher zu messen, wobei die Kontrolleinheit den Ladezustand des Energiespeichers basierend auf der gemessenen Temperatur und der an der Gleichspannungsquelle eingestellten Spannung bestimmt. Da der Ladezustand und die von dem Energiespeicher bereitgestellte Energie sehr stark von der Temperatur des Energiespeichers abhängen, kann durch Berücksichtigung der Betriebstemperatur des Energiespeichers eine präzise Bestimmung des Ladezustandes erzielt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Ruhezeit, die dazu ausgelegt ist, eine Zeitdauer zu bestimmen, in der sich der Energiespeicher in einem Ruhezustand befindet, wobei die Kontrolleinheit den Ladezustand des Energiespeichers nur dann bestimmt, wenn die Ruhezeit einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Nach dem Laden oder einer besonders starken Belastung kann es in dem Energiespeicher zu einem internen elektrochemischen Ungleichgewicht kommen. Bis zum Abklingen dieses Ungleichgewichts stellt die Leerlaufspannung eine unzuverlässige Ausgangsbasis für einen Rückschluss auf den Ladezustand des Energiespeichers dar. Daher ist nach einer entsprechenden Belastung des Energiespeichers zunächst eine vorgegebene Ruhezeit einzuhalten, bevor der Ladezustand genau ermittelt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erhöht die Kontrolleinheit die einstellbare Gleichspannung der Gleichspannungsquelle von einem vorgegebenen Startwert an, bis ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle zu dem Energiespeicher fließt. Durch dieses sukzessive Erhöhen der Gleichspannung von einem niedrigen Startwert an kann auf besonders einfache und präzise Weise der Spannungspunkt ermittelt werden, der der Leerlaufspannung des Energiespeichers entspricht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Speichervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, Zusammenhänge zwischen gemessener Temperatur, eingestellter Spannung und Ladezustand zu speichern, wobei die Kontrolleinheit den Ladezustand basierend auf den gespeicherten Zusammenhängen bestimmt. Durch das Abspeichern von zuvor ermittelten Beziehungen zwischen den ermittelten Parameter wird die Leerlaufspannung und gegebenenfalls Temperatur und dem Ladezustand kann im operationellen Betrieb der Ladezustand des Energiespeichers besonders schnell ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Energiespeicher ein Bleiakkumulator sein. Besonders bei Bleiakkumulatoren, wie sie vorzugsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden, kann auf die erfindungsgemäße Weise der Ladezustand sehr gut ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungsquelle einen DC-DC-Konverter. Durch einen solchen DC-DC-Konverter kann eine von einer weiteren Spannungsquelle bereitgestellte Spannung dazu verwendet werden, eine Spannung an dem Energiespeicher anzulegen und daraufhin die Leerlaufspannung des Energiespeichers zu ermitteln.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der DC-DC-Konverter von einer Hochvoltbatterie gespeist.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands eines Energiespeichers. Derartige Kraftfahrzeuge, bei denen sicherheitsrelevante Komponenten durch das Niederspannungs-Bordnetz gespeist werden, erfordern eine sichere und zuverlässige Energieversorgung der sicherheitsrelevanten Komponenten.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Ladezustandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Spannungs-Stromdiagramms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Ladezustandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 4: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Elektrische Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen zunächst alle Einrichtungen, die über einen vorgegebenen Zeitraum elektrische Energie speichern und über einen weiteren Zeitraum wieder abgeben können. Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen dabei insbesondere elektrochemische Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Akkumulatoren auf Basis von Blei, Zink, Natrium, Lithium, Magnesium, Schwefel oder anderen Metallen, Elementen oder Legierungen.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Ermittlung des Ladezustandes eines Energiespeichers 5. Der Energiespeicher 5, beispielsweise ein 12 Volt Blei-Akkumulator eines Kraftfahrzeuges, ist über ein Schaltelement 6 mit einem oder mehreren Verbrauchern 7 verbunden. Beispielsweise kann es sich bei dem Energiespeicher 5 um einen Blei-Akkumulator eines Kraftfahrzeuges handeln. Weiterhin ist der Energiespeicher 5 mit einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise dem Ausgang eines DC-DC-Konverters 2 verbunden. Zwischen DC-DC-Konverter und Energiespeicher 5 ist ein Stromsensor 3 angeordnet. Alternativ kann der Stromsensor auch innerhalb des DCDC-Wandlers angeordnet sein, um den DC-DC-Konverter gegen eine Überbelastung abzusichern. Der DC-DC-Konverter 2 wird auf der Eingangsseite von einer weiteren Energiequellen, beispielsweise eine Batterie 1 gespeist. Die Temperatur in der Umgebung des Energiespeichers 5 wird dabei über einen Temperatursensor 4 gemessen. Weiterhin kann eine Ruhezeit des Energiespeichers durhc eine weitere Zeitmessvorrichtung 10 bestimmt werden.
  • Beim Aktivieren des Kraftfahrzeuges wird das Schaltelement 6 geschlossen und somit alle angeschlossenen Verbraucher 7 mit Spannung versorgt. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um solche Verbraucher handeln, die über die sogenannte „Klemmen 15“ des Kraftfahrzeuges mit Energie versorgt werden. Durch Schließen des Schaltelements 6 wird der Energiespeicher 5 durch die Verbraucher 7 belastet und die Klemmenspannung an dem Energiespeicher 5 sinkt ab. Daher ist nach dem Schließen des Schalters 6 die Leerlaufspannung des Energiespeichers 5 nicht mehr verfügbar. Folglich kann auch bei dem belasteten Energiespeicher 5 der Ladezustand nicht mehr basierend auf der Klemmenspannung des Energiespeichers 5 bestimmt werden. Da andererseits auch die Steuerelektronik des Kraftfahrzeugs erst nach Schließen des Schaltelements 6 mit Energie versorgt wird, ist zuvor keine Bestimmung der Leerlaufspannung und des Ladezustandes des Energiespeichers 5 möglich.
  • Zusätzlich oder alternativ können die Verbraucher 7 des Bordnetzes auch über den DC-DC-Konverter 2 durch eine weitere Hochvoltbatterie 1 mit Energie versorgt werden. Hierdurch wird die Hochvoltbatterie 1, welche primär die Energie für den Antrieb des Fahrzeuges bereitstellt, zusätzlich belastet.
  • Zur Bestimmung des Ladezustandes des Energiespeichers 5 wird der DC-DC-Konverter 2 auf der Eingangsseite mit elektrischer Energie versorgt. Die Ausgangsseite des DC-DC-Konverters 2 ist auch dabei mit den Klemmen des Energiespeichers 5 verbunden. Der Stromfluss zwischen DC-DC-Konverter 2 und Energiespeicher 5 wird dabei über eine Strommessvorrichtung 3 gemessen und überwacht. Bei der Strommessvorrichtung 3 kann es sich beispielsweise auch um einen Spannungsmesser handeln, der den Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand ermittelt. Alternativ ist es auch möglich, den Stromfluss unmittelbar im DC-DC-Konverter 2 über die darin integrierte Elektronik zu ermitteln.
  • Der gemessene Wert des Stroms vom DC-DC-Konverter 2 zu dem Energiespeicher 5 wird an eine Kontrolleinheit 8 übertragen. Diese Kontrolleinheit 8 wertet den gemessenen Strom aus. Die Kontrolleinheit 8 passt daraufhin die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 so an, dass ein vorbestimmter Strom von dem DC-DC-Konverter 2 zu dem Energiespeicher 5 fließt. Liegt die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 unterhalb der Klemmspannung des belasteten Energiespeichers 5, so liefert ausschließlich der Energiespeicher 5 die Energie für die angeschlossenen Lasten 7. Der durch den Stromsensor 3 gemessene Strom ist dabei Null.
  • Liegt die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 oberhalb der Leerlaufspannung des Energiespeichers 5, so liefert ausschließlich der DC-DC-Konverter die Energie für die angeschlossenen Lasten 7. Der Stromsensor 3 misst dabei einen entsprechend großen Strom, der sich aus dem Strom über die Last und den Batterieladestrom zusammensetzt.
  • Liefert der DC-DC-Konverter 2 dagegen eine Ausgangsspannung zwischen der Klemmspannung der belasteten Energiequelle 5 und der Leerlaufspannung der Energiequelle 5, so kommt es zu einer Stromaufteilung. Dies bedeutet, der vom DC-DC-Konverter gesehene differentielle Widerstand erfährt eine deutliche Änderung. Der Stromsensor 3 misst in diesem Fall einen moderaten Stromfluss vom DC-DC-Konverter in Richtung Last 7.
  • Die Kontrolleinheit 8 steuert nun die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 so, dass die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 der Leerlaufspannung des Energiespeichers 5 entspricht. In diesem Punkt wechselt, wie oben beschrieben, der Stromfluss derart, dass im Punkt der Leerlaufspannung ein Zustand erreicht wird, in dem der Stromfluss vollständig von dem DC-DC-Konverter übernommen wird.
  • 2 zeigt ein Strom-Spanungs-Diagramm mit einer schematischen Darstellung der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 und dem Ausgangsstrom des DC-DC-Konverters 2. Bis zu der Spannung U1 werden die Lasten 7 vollständig durch den Energiespeicher 5 versorgt. Der DC-DC-Konverter 2 liefert bis zu diesem Spannungswert kein Beitrag zu der Energieversorgung der lasten 7. Zwischen den Spannungen U1 und ULL liefern sowohl der DC-DC-Konverter 2, als auch der Energiespeicher 5 einen Beitrag zur Energieversorgung der Lasten. In dem dargestellten Diagramm ist dies durch einen steilen Anstieg des Stromflusses über der Spannung zu erkennen. Überschreitet die Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2 die Leerlaufspannung des Energiespeichers 5, so wird die Energieversorgung der Lasten 7 vollständig durch den DC-DC-Konverter 2 übernommen. Ab diesem Zeitpunkt verläuft der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des DC-DC-Konverters 2 deutlich flacher.
  • Durch kontinuierliche Überwachung von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters kann somit der Knickpunkt K ermittelt werden, an dem der DC-DC-Konverter 2 die Energieversorgung der anschlossenen Lasten 7 vollständig übernimmt. Die Spannung an diesem Knickpunkt K entspricht, wie zuvor beschrieben, der Leerlaufspannung ULL des Energiespeichers 5. Somit kann basierend auf diesem Spannungswert der Ladezustand des Energiespeichers 5 ermittelt werden.
  • Die Kontrolleinheit 8 steuert nun den Spannungsverlauf der Ausgangsspannung des DC-DC-Konverters 2, während sie gleichzeitig den Stromfluss aus dem DC-DC-Konverter 2 in Richtung Energiespeicher 5 und Lasten 7 überwacht. Basierend auf dieser Auswertung kann die Kontrolleinheit 8 den Spannungswert ermitteln, an dem die Energieversorgung der Lasten vollständig durch den DC-DC-Konverter 2 übernommen wird. Da dieser Wert, wie zuvor beschrieben, der Leerlaufspannung ULL des Energiespeichers 5 entspricht, kann basierend auf diesem Spannungswert der Ladezustand des Energiespeichers 5 bestimmt werden.
  • Da die in dem Energiespeicher 5 verfügbare Energie auch sehr stark von der Betriebstemperatur des Energiespeichers 5 abhängt, wird durch den Temperatursensor 4 zusätzlich die Temperatur an dem Energiespeicher gemessen. Vorzugsweise wird hierzu eine Temperatur möglichst nahe an dem Energiespeicher 5 gemessen. Sind in einem Kraftfahrzeug beispielsweise bereits Temperatursensoren vorhanden, die die Umgebungstemperatur, insbesondere in der Nähe des Energiespeichers 5 ermitteln, so können diese Sensoren für die Bestimmung der Temperatur verwendet werden. Die von den Temperatursensoren 4 ermittelte Temperatur wird ebenfalls an die Kontrolleinheit 8 übertragen. Somit kann die Kontrolleinheit den Ladezustand des Energiespeichers 5 basierend auf sowohl der Leerlaufspannung, als auch der Temperatur des Energiespeichers bestimmen und somit einen präzisen Wert für den Ladezustand des Energiespeichers 5 ermitteln.
  • Da zwischen dem Ladezustand des Energiespeichers 5 und der Leerlaufspannung und gegebenenfalls der Temperatur des Energiespeichers ein fester Zusammenhang besteht, können diese Zusammenhänge bereits zuvor rechnerisch oder experimentell ermittelt werden. Die so ermittelten Zusammenhänge können in einer Speichervorrichtung 9 abgelegt werden und stehen daraufhin der Kontrolleinheit 8 für eine effiziente Auswertung zur Verfügung. Beispielsweise können die Zusammenhänge zwischen Temperatur, Leerlaufspannung und Ladezustand in einer geeigneten Tabelle abgespeichert werden. Die Kontrolleinheit 8 muss in diesem Fall einfach aus dem entsprechenden Tabelleneintrag den Ladezustand des Energiespeichers bestimmen.
  • Bei Energiespeichern, insbesondere bei Energiespeichern auf Basis von elektrochemischen Vorgängen, kann es während des Aufladens oder aber auch nach starken Belastungen zu einem elektrochemischen Ungleichgewicht innerhalb des Energiespeichers kommen. Zum Ausgleich dieses elektrochemischen Ungleichgewichts kann eine Wartezeit von mehreren Stunden erforderlich sein. Bei Blei-Akkumulatoren, wie sie in konventionellen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, kann diese Ruhezeit beispielsweise bis zu acht Stunden oder mehr betragen.
  • Solange in der Batterie ein solches elektrochemisches Ungleichgewicht herrscht, ist keine präzise Bestimmung der Leerlaufspannung und somit des Ladezustandes möglich. Daher ist der Energiespeicher 5 ferner mit einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Ruhezeit gekoppelt. Diese Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Ruhezeit überwacht die Zeitdauer, in der sich der Energiespeicher 5 nach seiner letzten stärkeren Belastung im Ruhezustand befindet. Solange dieser Ruhezustand noch nicht eine vorgegebene bestimmte Zeitdauer erreicht hat, kann keine zuverlässige Aussage über den Ladezustand des Energiespeichers getroffen werden. Die Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Ruhezeit gibt daher bei Unterschreiten einer vorgegebene Ruhezeit die Ermittlung des Ladezustandes nicht frei oder erzeugt zumindest ein Signal, welches darauf hinweist, dass der ermittelte Ladezustand ungültig ist.
  • In der Praxis ist bei einem realen Energiespeicher darüber hinaus der Ladewiderstand des Energiespeichers auch vom Ladestrom abhängig. Daher kann es zu einem Verschleifen des Übergangspunktes zwischen dem Bereich B, in dem der Strom zwischen DC-DC-Konverter 2 und Energiespeicher 5 aufgeteilt wird und in dem Bereich C, in dem der DC-DC-Konverter 2 den Stromfluss vollständig übernimmt, kommen. Die Kontrolleinheit 8 muss in diesem Fall die Kurvenverläufe der beiden Teilstücke als Geraden annähern und einen Schnittpunkt K der beiden Geraden rechnerisch ermitteln. Dieser Schnittpunkt K entspricht der Leerlaufspannung ULL des Energiespeichers 5, basierend auf dem der Ladezustand ermittelt werden kann.
  • 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 20 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes des Energiespeichers 5. Der Energiespeicher 5 dient in diesem Fall zur Energieversorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes, während die Hochvoltbatterie 1 vorzugsweise zur Energieversorgung des elektrischen Antriebes in dem Kraftfahrzeug 20 dient. Unterschreitet der Ladezustand des Energiespeichers 5 einen vorgegebenen Grenzwert, so kann das Bordnetz über einen geeigneten DC-DC-Konverter weiterhin mit Energie versorgt werden. Ist dagegen der Energiespeicher 5 ausreichend aufgeladen, so kann die Hochvoltbatterie 1 abgetrennt werden und wird somit weniger belastet. Es steht damit mehr Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeugs 20 zur Verfügung.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers 5. In einem Schritt 110 wird eine Gleichspannungsquelle bereitgestellt, die in Schritt 140 eine einstellbare Gleichspannung an dem Energiespeicher 5 bereitstellt. In Schritt 150 wird ein Strom zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Energiespeicher 5 gemessen. Schritt 160 stellt die Spannung der Gleichspannungsquelle so ein, dass ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle 2 zu dem Energiespeicher 5 fließt. In Schritt 170 wird daraufhin der Ladezustand des Energiespeichers basierend auf dem an der Gleichspannungsquelle eingestellten Spannung bestimmt.
  • Zur Kompensation von Temperatureinflüssen kann in einem weiteren Schritt 120 die Temperatur an dem Energiespeicher 5 gemessen werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Schritt 130 umfassen, der die Ruhezeit des Energiespeichers ermittelt. Unterscheidet die Ruhezeit des Energiespeichers einen vorgegebenen Schwellwert, so kann die Bestimmung des Ladezustandes verworfen, oder zumindest als ungültig gekennzeichnet werden.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers 5, wobei die Leerlaufspannung des Energiespeichers durch Anlegen einer zusätzlichen Gleichspannung ermittelt wird. Durch Variationen der angelegten zusätzlichen Gleichspannung und gleichzeitiger Messung des Stromflusses der zusätzlichen Gleichspannung in Richtung des Energiespeichers 5 kann auch bei belastetem Energiespeicher 5 auf die Leerlaufspannung des Energiespeichers 5 geschlossen werden, und somit der Ladezustand des Energiespeichers 5 bestimmt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1417503 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers (5), mit einer Gleichspannungsquelle (2), die dazu ausgelegt ist, eine einstellbare Spannung an dem Energiespeicher (5) bereitzustellen; einem Stromsensor (3), der dazu ausgelegt ist, einen Strom zwischen der Gleichspannungsquelle (2) und dem Energiespeicher (5) zu messen; einer Kontrolleinheit (8), die dazu ausgelegt ist, die Spannung der Gleichspannungsquelle (2) so einzustellen, dass ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle (2) zu dem Energiespeicher (5) fließt, und basierend auf der an der Gleichspannungsquelle (2) eingestellten Spannung den Ladezustand des Energiespeichers (5) zu bestimmen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Temperatursensor (4), der dazu ausgelegt ist, die Temperatur an dem Energiespeicher (5) zu messen; wobei die Kontrolleinheit (8) den Ladezustand des Energiespeichers (5) basierend auf der an der Gleichspannungsquelle (2) eingestellten Spannung und der gemessenen Temperatur bestimmt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Ruhezeit, die dazu ausgelegt ist, eine Zeitdauer zu bestimmen, in der sich der Energiespeicher (5) in einem Ruhezustand befindet, wobei die Kontrolleinheit (8) den Ladezustand des Energiespeichers (5) nur bestimmt, wenn die Ruhezeit einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontrolleinheit (8) die einstellbare Gleichspannung der Gleichspannungsquelle (2) von einem vordefinierten Startwert an erhöht, bis ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle (2) zu dem Energiespeicher (5) fließt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassen eine Speichervorrichtung (9), die dazu ausgelegt ist, Zusammenhänge zwischen gemessener Temperatur, eingestellter Spannung und Ladezustand zu speichern, wobei die Kontrolleinheit (8) den Ladezustand basierend auf den gespeicherten Zusammenhängen bestimmt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Energiespeicher (5) ein Bleiakkumulator ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleichspannungsquelle (2) einen DC-DC-Konverter umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der DC-DC-Konverter von einer Hochvoltbatterie (1) gespeist wird.
  9. Kraftfahrzeug (20) mit einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustandes eines Energiespeichers (5) nach einem der vorherigen Ansprüche.
  10. Verfahren (100) zur Ermittlung eines Ladezustandes eines Energiespeichers (5), mit den Schritten: Bereitstellen (110) einer Gleichspannungsquelle (2); Anlegen (140) einer durch die Gleichspannungsquelle (2) bereitgestellten einstellbaren Gleichspannung an dem Energiespeicher (5); Messen (150) eines Stromes zwischen der Gleichspannungsquelle (2) und dem Energiespeicher (5); Einstellen (160) der Spannung an der Gleichspannungsquelle (2), so dass ein vorbestimmter Strom von der Gleichspannungsquelle (2) zu dem Energiespeicher (5) fließt; und Bestimmen (170) des Ladezustandes des Energiespeichers (5) basierend auf der an der Gleichspannungsquelle (2) eingestellten Spannung.
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