DE102016224376A1 - Verfahren und Steuereinheit zum Betrieb eines Stationärspeichers - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Energiemenge beschrieben, die aus einem elektrischen Energiespeicher ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand entnommen werden kann. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand eines Speichermodells, einer unteren Grenz-Ruhespannung, bis zu der eine Wunschleistung aus dem Energiespeicher entnommen werden kann, ohne dass eine Anschlussspannung an dem Energiespeicher unter eine untere Grenz-Anschlussspannung fällt. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, anhand einer Ladezustands-Kennlinie des Energiespeichers, eines unteren Grenz-Ladezustands für die untere Grenz-Ruhespannung. Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln der entnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands und auf Basis des unteren Grenz-Ladezustands. Des Weiteren wird ein entsprechendes Verfahren für die Aufnahme von elektrischer Energie beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zum Betrieb eines Stationärspeichers, insbesondere einer als Stationärspeicher genutzten Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs.
  • Fahrzeuge werden vermehrt mit elektrischen Energiespeichern ausgestattet, um elektrische Energie für den Betrieb von elektrischen Antriebsmaschinen der Fahrzeuge bereitzustellen. Ein elektrischer Energiespeicher, z.B. ein Lithium-Ionen basierter Energiespeicher, ist typischerweise einer Alterung ausgesetzt, so dass der Energiespeicher mit der Zeit eine sinkende Kapazität aufweist. Beispielsweise kann ein Energiespeicher nach einer bestimmten Betriebszeit nur noch einen Bruchteil der ursprünglichen Kapazität aufweisen.
  • Eine reduzierte Kapazität des Energiespeichers führt zu einer reduzierten Reichweite eines Fahrzeugs. Als Folge daraus ist eine Wiederverwendung von gebrauchten elektrischen Energiespeichern in einem Fahrzeug typischerweise nicht sinnvoll. Andererseits können die gebrauchten Energiespeicher aus Fahrzeugen weiterhin für stationäre Anwendungen (z.B. zur Speicherung von Solarenergie in einem Haushalt) verwendet werden.
  • Im stationären Betrieb ist es wünschenswert, dass in präziser Weise ermittelt werden kann, welche Gesamtenergie einem elektrischen Energiespeicher entnommen oder zugeführt werden kann. Dabei können im stationären Betrieb (anders als im mobilen Betrieb innerhalb eines Fahrzeugs) typischerweise relativ genaue Angaben in Bezug auf die Leistung gemacht werden, die einem Energiespeicher entnommen bzw. dem Energiespeicher zugeführt werden soll.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren und eine Steuereinheit bereitzustellen, die es ermöglichen, den Energieinhalt eines elektrischen Energiespeichers für eine vorgegebene Leistungsentnahme bzw. Leistungsaufnahme in präziser Weise zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Energiemenge beschrieben, die aus einem elektrischen Energiespeicher ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand entnommen werden kann. Der Energiespeicher kann dabei insbesondere stationär betrieben werden. Des Weiteren kann der Energiespeicher einen (ehemaligen) Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug (insbesondere für ein Straßenkraftfahrzeug, wie z.B. einen Personenkraftwagen) umfassen. Der Energiespeicher kann z.B. ein oder mehrere Lithium Ionen basierte Speicherzellen umfassen. Das Verfahren kann durch eine Steuereinheit des Energiespeichers bzw. durch eine Batteriesteuerung ausgeführt werden.
  • Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand eines Speichermodells, einer unteren Grenz-Ruhespannung, bis zu der, insbesondere an Anschlüssen (z.B. Klemmen) des Energiespeichers, eine Wunschleistung aus dem Energiespeicher entnommen werden kann, ohne dass eine Anschlussspannung (insbesondere eine Klemmenspannung) an dem Energiespeicher (insbesondere an den Anschlüssen des Energiespeichers) unter eine untere Grenz-Anschlussspannung (insbesondere eine untere Grenz-Klemmenspannung) fällt bzw. bei der die Anschlussspannung der unteren Grenz-Anschlussspannung entspricht. Dabei können mehrere Einzel-Wunschleistungen „gemultiplext“ vorgegeben werden, um parallel mehrere Vergleichsergebnisse (d.h. mehrere Energiemengen für unterschiedliche Einzel-Wunschleistungen) zu erhalten. Die untere Grenz-Anschlussspannung zeigt typischerweise die Anschlussspannung an, die für einen sicheren Betrieb des Energiespeichers nicht unterschritten werden darf.
  • Das Speichermodell kann eingerichtet sein, ein elektrisches Verhalten des Energiespeichers zu modellieren bzw. zu beschreiben. Dazu kann das Speichermodell eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten, z.B. mindestens eine ideale Spannungsquelle, mindestens einen idealen elektrischen Widerstand, mindestens eine ideale Induktivität, mindestens eine ideale Kapazität und/oder mindestens eine Warburg-Impedanz, umfassen. Außerdem kann das Speichermodell ein oder mehrere mathematische Formeln umfassen.
  • Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, anhand einer Ladezustands-Kennlinie des Energiespeichers, eines unteren Grenz-Ladezustands für die untere Grenz-Ruhespannung. Die Ladezustands-Kennlinie kann dabei die Ruhespannung an den Anschlüssen (insbesondere an den Klemmen) des Energiespeichers als Funktion des Ladezustands des Energiespeichers anzeigen. Typischerweise wird die Ladezustands-Kennlinie eines Energiespeichers experimentell ermittelt.
  • Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln der entnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands und auf Basis des unteren Grenz-Ladezustands. So kann die bei einer bestimmten Wunschleistung zu entnehmende Energiemenge in präziser und effizienter Weise ermittelt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein komplementäres Verfahren zum Ermitteln einer Energiemenge beschrieben, die von einem elektrischen Energiespeicher ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand aufgenommen werden kann. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand eines Speichermodells, einer oberen Grenz-Ruhespannung, bis zu der, insbesondere an Anschlüssen des Energiespeichers, eine Wunschleistung von dem Energiespeicher aufgenommen werden kann, ohne dass die Anschlussspannung (insbesondere die Klemmenspannung) an dem Energiespeicher (insbesondere an den Anschlüssen des Energiespeichers) eine obere Grenz-Anschlussspannung (insbesondere eine obere Grenz-Klemmenspannung) überschreitet (bzw. bei der die Anschlussspannung die obere Grenz-Anschlussspannung erreicht). Die obere Grenz-Anschlussspannung zeigt typischerweise die Anschlussspannung an, die für einen sicheren Betrieb des Energiespeichers nicht überschritten werden darf.
  • Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, anhand einer Ladezustands-Kennlinie des Energiespeichers, eines oberen Grenz-Ladezustands für die obere Grenz-Ruhespannung. Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln der aufnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands und auf Basis des oberen Grenz-Ladezustands. So kann die bei einer bestimmten Wunschleistung aufzunehmende Energiemenge in präziser und effizienter Weise ermittelt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur Steuerung eines elektrischen Energiespeichers beschrieben, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 einen beispielhaften elektrischen Energiespeicher;
    • 2 eine beispielhafte Ladezustands-Kennlinie; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung einer Energiemenge für einen Energiespeicher.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen und effizienten Ermittlung der Energiemenge, die durch einen elektrischen Energiespeicher im Stationärbetrieb aufgenommen bzw. abgegeben werden kann. So kann ein Energiespeicher möglichst vollständig (ohne Vorhalten eines Sicherheitspuffers) genutzt werden.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Energiespeichers 100. Der Energiespeicher 100 umfasst typischerweise Anschlüsse (insbesondere Klemmen) 101, über die dem Energiespeicher elektrische Leistungen entnommen bzw. zugeführt werden kann. Der Energiespeicher 100 weist an den Anschlüssen 101 eine Anschlussspannung (auch als Klemmenspannung bezeichnet) UK 105 auf. Des Weiteren fließt an den Anschlüssen 101 ein Anschlussstrom (auch als Klemmenstrom bezeichnet) IK 107. Die Leistung PK an den Anschlüssen 101 des Energiespeichers 100 ergibt sich dann als PK=IK·UK.
  • Während des Betriebs des Energiespeichers 100 kann eine Wunschleistung PK angemeldet werden, die dem Energiespeicher 100 über einen bestimmten Zeitraum zugeführt bzw. entnommen werden kann. Insbesondere kann dabei ein zeitlicher Verlauf PK(t) der Wunschleistung angegeben werden. Bei der Wunschleistung PK(t) ergeben sich an den Anschlüssen 101 eine bestimmte Anschlussspannung UK(t) 105 und ein bestimmter Anschlussstrom IK(t) 107. Bei einem Entladevorgang (d.h. bei einer entnommenen Leistung) sinkt dabei die Anschlussspannung UK(t) 105 typischerweise mit der Zeit. Umgekehrt steigt die Anschlussspannung UK(t) 105 bei einem Ladevorgang (d.h. bei zugeführter Leistung) mit der Zeit.
  • Ein Energiespeicher 100 weist typischerweise eine untere Grenz-Anschlussspannung und eine obere Grenz-Anschlussspannung für die Anschlussspannung 105 auf, die während des Betriebs des Energiespeichers 100 an den Anschlüssen 101 nicht unter- bzw. überschritten werden dürfen. Der Energiespeicher 100 ermöglicht somit die Entnahme der Wunschleistung PK(t), bis die Anschlussspannung UK(t) 105 die untere Grenz-Anschlussspannung erreicht bzw. die Aufnahme der Wunschleistung PK(t), bis die Anschlussspannung UK(t) 105 die obere Grenz-Anschlussspannung erreicht.
  • Ein Energiespeicher 100 kann typischerweise durch ein Speichermodell 102 beschrieben werden. 1 veranschaulicht ein beispielhaftes (vereinfachtes) Speichermodell 102 mit einer idealen Spannungsquelle und einem idealen Innenwiderstand. Das Speichermodell 102 kann somit das Verhalten des Energiespeichers 100 durch eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten beschreiben. Beispielhafte elektronische Komponenten sind: eine ideale Spannungsquelle, ein idealer elektrischer Widerstand, eine ideale Induktivität, eine ideale Kapazität, eine Warburg-Impedanz, etc.. Alternativ oder ergänzend kann das Speichermodell 102 das Verhalten des Energiespeichers 100 durch ein oder mehrere mathematische Formeln beschreiben.
  • Das Speichermodell 102 des elektrischen Energiespeichers 100 kann eingerichtet sein, für eine bestimmte Leistung PK an den Anschlüssen 101 und für einen bestimmten Ausgangszustand des Energiespeichers 100 (insbesondere für einen bestimmten Ausgangs-Ladezustand bzw. State of Charge, SOC, des Energiespeichers 100) die Anschlussspannung 105 zu ermitteln, die sich bei der bestimmte Leistung PK an den Anschlüssen 101 einstellt. Insbesondere kann auf Basis des Ausgangs-Ladezustands des Energiespeichers 100 eine interne Spannung 106 ermittelt werden, die sich z.B. an der idealen Spannungsquelle des Speichermodells einstellt. Auf Basis des Speichermodells 102 kann dann für die geforderte Leistung PK an den Anschlüssen 101 die Anschlussspannung 105 (und der Anschlussstrom 107) ermittelt werden.
  • In analoger Weise kann auf Basis des Speichermodells 102 ermittelt werden, welche interne Spannung 106 vorliegen darf, damit bei der geforderten Leistung PK die Anschlussspannung 105 die untere Grenz-Anschlussspannung nicht unterschreitet bzw. die obere Grenz-Anschlussspannung nicht überschreitet. Es kann somit eine interne Grenz-Spannung 106 ermittelt werden.
  • Die interne Spannung 106 zeigt typischerweise die Ruhespannung des Energiespeichers 100 an, die an den Anschlüssen 101 anliegt, wenn kein Anschlussstrom 107 fließen würde. In diesem Dokument wird daher die Ruhespannung mit dem Referenzzeichen 106 identifiziert. Auf Basis des Speichermodells 102 kann somit eine Grenz-Ruhespannung des Energiespeichers 100 ermittelt werden, bis zu der die geforderte Leistung PK durch den Energiespeicher 100 aufgenommen bzw. abgegeben werden kann, ohne dass die die Anschlussspannung 105 die obere Grenz-Anschlussspannung überschreitet bzw. die untere Grenz-Anschlussspannung unterschreitet.
  • Die Grenz-Ruhespannung kann dann dazu verwendet werden, den Grenz-Ladezustand des Energiespeichers 100 zu ermitteln, der der Grenz-Ruhespannung entspricht. Insbesondere kann eine Ladezustands-Kennlinie 202 des Energiespeichers 101 verwendet werden, wobei die Ladezustands-Kennlinie 202 die Ruhespannung 106 des Energiespeichers 100 für unterschiedliche Ladezustände 201 anzeigt. Die Ladezustands-Kennlinie 202 kann typischerweise experimentell im Vorfeld für einen Energiespeicher 100 ermittelt werden. Die Ladezustands-Kennlinie 202 zeigt somit in direkter Weise den Grenz-Ladezustand 212, 214 für die ermittelte Grenz-Ruhespannung 211, 213 an. In 2 sind darüber hinaus der Ausgangs-Ladezustand 216 und die dabei vorliegende Ausgangs-Ruhespannung 215 dargestellt.
  • Es kann somit der Grenz-Ladezustand 212, 214 ermittelt werden, bis zu dem der Energiespeicher 100 bei Einhaltung einer vorgegebenen (oberen bzw. unteren) Grenz-Anschlussspannung mit einer bestimmten Leistung PK ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand 216 geladen bzw. entladen werden. Auf Basis des Ausgangs-Ladezustands 216 und des Grenz-Ladezustands 212, 214 kann dann die Energiemenge ermittelt werden, die dem Energiespeicher 100 zugeführt bzw. entnommen werden kann.
  • Es kann somit die entnehmbare bzw. zuführbare Energie bis zum Erreichen der unteren bzw. oberen Betriebsspannungsgrenze (d.h. Grenz-Anschlussspannung) eines Energiespeichers 100 prädiziert werden. Ein Betreiber des Stationärspeichers 100 kann bei der Batteriesteuerung des Energiespeichers 100 anmelden, welche Dauerleistung (z.B. in kilo Watt, kW) entnommen bzw. zugeführt werden soll. Der Betreiber kann dabei ggf. mehrere Dauerleistungen gleichzeitig über ein Multiplex-Verfahren anmelden (um für die unterschiedlichen Dauerleistungen Energiemengen zu ermitteln). Auf Basis der angemeldeten Dauerleistungsvorgaben kann dann die Batteriesteuerung die jeweils entnehmbaren bzw. zuführbaren Energiemengen (z.B. in kilo Watt Stunden, kWh) ermitteln. Dabei können ggf. statische Ladezustandsgrenzen des Energiespeichers 100 (die z.B. zur Einhaltung von Spannungsgrenzen bei einem Ladevorgang bzw. einem Entladevorgang vorgegeben werden können) unberücksichtigt bleiben.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Ermitteln einer Energiemenge, die aus bzw. von einem elektrischen Energiespeicher 100 ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand 216 entnommen bzw. aufgenommen werden kann. Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301, anhand eines Speichermodells 102, einer unteren bzw. oberen Grenz-Ruhespannung 211, 213 bis zu der an den Anschlüssen 101 des Energiespeichers 100 eine Wunschleistung entnommen bzw. aufgenommen werden kann, ohne dass die Anschlussspannung 105 an den Anschlüssen 101 die untere Grenz-Anschlussspannung unterschreitet bzw. die obere Grenz-Anschlussspannung überschreitet.
  • Das Verfahren 300 umfasst weiter das Ermitteln 302, anhand einer Ladezustands-Kennlinie 202 des Energiespeichers 100, eines unteren bzw. oberen Grenz-Ladezustands 212, 214 für die untere bzw. obere Grenz-Ruhespannung 211, 213. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Ermitteln 303 der entnehmbaren bzw. aufnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands 216 und auf Basis des unteren bzw. oberen Grenz-Ladezustands 212, 214.
  • Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es, den Ausnutzungsgrad eines elektrischen Energiespeichers 100 im stationären Betrieb zu erhöhen. So können die Kosten für den Betrieb eines Energiespeichers 100 reduziert werden.
  • Das Verfahren 300 kann in iterativer Weise wiederholt werden, um die Energiemenge eines Energiespeichers 100 für einen zeitlichen Verlauf der Wunschleistung PK(t) zu ermitteln. Dazu kann der zeitliche Verlauf der Wunschleistung in eine Sequenz von direkten, konstanten Wunschleistungen an einer Sequenz von Zeitpunkten überführt werden. Es kann dann für die einzelnen Wunschleistungen der Sequenz von Wunschleistungen die Energiemenge des Energiespeichers 100 ermittelt werden. Dabei kann für die Sequenz von Wunschleistungen jeweils der Ausgangs-Ladezustand 216 an den entsprechenden Zeitpunkten der Sequenz von Zeitpunkten angepasst werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (7)

  1. Verfahren (300) zum Ermitteln einer Energiemenge, die aus einem elektrischen Energiespeicher (100) ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand (216) entnommen werden kann; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301), anhand eines Speichermodells (102), einer unteren Grenz-Ruhespannung (211) bis zu der eine Wunschleistung aus dem Energiespeicher (100) entnommen werden kann, ohne dass eine Anschlussspannung (105) an dem Energiespeicher (100) unter eine untere Grenz-Anschlussspannung fällt; - Ermitteln (302), anhand einer Ladezustands-Kennlinie (202) des Energiespeichers (100), eines unteren Grenz-Ladezustands (212) für die untere Grenz-Ruhespannung (211); und - Ermitteln (303) der entnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands (216) und auf Basis des unteren Grenz-Ladezustands (212).
  2. Verfahren (300) zum Ermitteln einer Energiemenge, die von einem elektrischen Energiespeicher (100) ausgehend von einem Ausgangs-Ladezustand (216) aufgenommen werden kann; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301), anhand eines Speichermodells (102), einer oberen Grenz-Ruhespannung (213) bis zu der eine Wunschleistung von dem Energiespeicher (100) aufgenommen werden kann, ohne dass eine Anschlussspannung (105) an dem Energiespeicher (100) eine obere Grenz-Anschlussspannung überschreitet; - Ermitteln (302), anhand einer Ladezustands-Kennlinie (202) des Energiespeichers (100), eines oberen Grenz-Ladezustands (214) für die obere Grenz-Ruhespannung (213); und - Ermitteln (303) der aufnehmbaren Energiemenge auf Basis des Ausgangs-Ladezustands (216) und auf Basis des oberen Grenz-Ladezustands (212).
  3. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speichermodell (102) - eingerichtet ist, ein elektrisches Verhalten des Energiespeichers (100) zu modellieren; - eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten, insbesondere eine ideale Spannungsquelle, einen idealen elektrischen Widerstand, eine ideale Induktivität, eine ideale Kapazität und/oder eine Warburg-Impedanz, umfasst; und/oder - ein oder mehrere mathematische Formeln umfasst.
  4. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladezustands-Kennlinie (202) - eine Ruhespannung (106) an den Anschlüssen (101) des Energiespeichers (100) als Funktion eines Ladezustands (201) des Energiespeichers (100) anzeigt; und/oder - experimentell ermittelt wurde.
  5. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (100) - stationär betrieben wird; und/oder - einen Energiespeicher (100) für ein Kraftfahrzeug umfasst.
  6. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grenz-Anschlussspannung eine Spannung anzeigt, die für einen sicheren Betrieb des Energiespeichers (100) nicht unter- bzw. überschritten werden darf.
  7. Steuereinheit zur Steuerung eines elektrischen Energiespeichers (100); wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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