-
Die Erfindung betrifft ein Betriebsstrategie-Managementsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines zumindest eine Speichereinheit aufweisenden elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterie. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
-
Ein Batterie-Managementsystem mit darin abgelegten Betriebsstrategien für eine wiederaufladbare Batterie ist aus der Druckschrift
DE 10 2013 011 101 A1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein Batterie-System mit einer Batterie, einem Temperatursensor zum Ermitteln von Temperaturdaten, einem Datenlogger zum Speichern dieser Daten und dem besagten Batterie-Managementsystem. Bei diesem Batterie-System kann die Betriebsstrategie über das Batterie-Managementsystem in Abhängigkeit von den Temperaturdaten angepasst werden.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Betriebsstrategie-Managementsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, bei denen die Betriebsstrategie besser an den Zustand des elektrischen Energiespeichers angepasst werden kann/angepasst wird.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Das erfindungsgemäße Betriebsstrategie-Managementsystem weist die folgenden Komponenten auf: mindestens eine Diagnostikeinheit zum Bestimmen von physikalischen Größen (zum Beispiel Strom I, Spannung U und/oder Temperatur T) der Speichereinheit und ein Alterungsprädikationsmodul (i) zum modellbasierten Ermitteln zumindest einer den jeweiligen Alterungs- und/oder Funktionszustand der Speichereinheit beschreibenden Zustandsgröße sowie für eine auf besagtem Modell basierende Prädiktion des zukünftigen Verlaufs dieser Zustandsgröße über zumindest eine der physikalischen Größen und (ii) zur Wahl einer die Betriebsweise der jeweiligen Speichereinheit vorgebenden Betriebsstrategie in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand dieser zumindest einen Speichereinheit. Dieser Betriebsstrategie entsprechende Steuersignale werden dann erstellt und an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers ausgegeben. Dabei kann der Energiespeicher über die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Beispiel derart betrieben werden, dass er mit zunehmender Alterung seiner Speichereinheiten immer weiter geschont wird, also besonders belastende Betriebssituationen für diese Einheiten möglichst vermieden werden. Ferner kann der Energiespeicher auch so betrieben werden, dass dieser nach einer vorgegebenen Zeit einen bestimmten Alterungszustand aufweist. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist bevorzugt ein Management-System des elektrischen Energiespeichers. Die den jeweiligen Alterungs- und/oder Funktionszustand der Speichereinheit beschreibenden Zustandsgröße ist der state-of-health (SOH) oder die state-of-function (SOF).
-
Das Alterungsprädikationsmodul ist bevorzugt ein Modul zum Ermitteln mindestens einer weiteren Zustandsgröße der Speichereinheiten.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Alterungsprädikationsmodul eingerichtet, die den jeweiligen Alterungs- und/oder Funktionszustand der Speichereinheiten beschreibenden Zustandsgröße SOH, SOF mittels eines numerischen Modells des Energiespeichers oder zumindest der einzelnen Speichereinheiten zu ermitteln. Die Druckschrift
DE 10 2010 038 646 A1 zeigt eine der Möglichkeiten zur Realisierung einer modellbasierten Zustandserkennung bezüglich des Alterungszustandes SOH.
-
Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass das numerische Modell des Energiespeichers ein adaptives physikalisch begründetes Modell ist. Die Ausgangsgrößen des Modells zur Steuerung des Speichers werden dabei bevorzugt dem ermittelten Alterungszustand sowie der Historie der von der Diagnostikeinheit erfassten Werte (wie z.B. Temperaturverlauf) angepasst.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Alterungsprädikationsmodul zur Ausgabe von zumindest einem Signal an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers eingerichtet, welches zumindest eine von der gewählten Betriebsstrategie abhängige Information enthält. Über diese Information vermittelt das Signal der Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers, welche Betriebsstrategie durchgeführt werden soll. Die in der Regel in einem Managementsystem des Energiespeichers, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem BMS, vorhandene Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann die Information im Signal zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers entsprechend der gewählten Betriebsstrategie nutzen.
-
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Alterungsprädikationsmodul eingerichtet, -im Rahmen der gewählten Betriebsstrategie- in Abhängigkeit von der den jeweiligen Alterungs- und/oder Funktionszustand der Speichereinheiten beschreibenden Zustandsgröße SOH, SOF eine Ladestrategie für den Energiespeicher zu wählen.
-
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Ladestrategie beziehungsweise zumindest eine der Ladestrategien die Durchführung von Refresh-Ladevorgängen (refresh: auffrischen) umfasst. In Abhängigkeit von der den jeweiligen Alterungszustand der Speichereinheiten beschreibenden Zustandsgröße SOH und vorrausschauende SOF wird insbesondere die Entscheidungen über die Parameter der Standardladeverfahren und das Einsetzen der sogenannten Refresh-Ladeverfahren initiiert. Stand der Technik für Letzteres ist das regelmäßige Standard-Überladen mit erhöhter Ladespannung einmalig pro gegebene Zeiteinheit oder pro vorgegebenen Ladungsumsatz. Diese einfachen Entscheidungszweige werden mit Hilfe der entsprechenden Alterungsmodelle optimiert. Das Ziel ist die genaue Bestimmung des Zeitpunktes, an dem die Refresh-Ladung stattfinden soll, abhängig von dem tatsächlichen Alterungszustand des Speichers beziehungsweise seiner Speichereinheiten. Dazu werden die Parameter der Refresh-Ladung wie der maximale Ladestrom und die Spannung auf die detektierte Alterung angepasst.
-
Ein elektrischer Energiespeicher setzt sich in der Regel aus einer Schaltungsanordnung mit mehreren seriell und/oder parallel verschalteten Speicherzellen zusammen. Eine Speichereinheit des elektrischen Energiespeichers ist eine Teil-Einheit dieser Schaltungsanordnung mit einer oder mehrere Speicherzellen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Diagnostikeinheit oder zumindest eine der Diagnostikeinheiten als eine Einheit zum Bestimmen von physikalischen Größen von als je ein Zellstrang mit mehreren (im Strang seriell verschalteten) Speicherzellen ausgebildeten Speichereinheiten ausgebildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Betriebsstrategie-Managementsystem ein Managementsystem zum Betreiben eines stationären elektrischen Energiespeichers. Bei einem stationären elektrischen Energiespeicher ergeben sich für stationäre Anwendungen typische Betriebs- und Ladestrategien.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Speicherpack mit einem elektrischen Energiespeicher, der zumindest eine Speichereinheit aufweist und mit einem vorstehend genannten Betriebsstrategie-Managementsystem.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines eine Mehrzahl von Speichereinheiten aufweisenden elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterie, ergeben sich die folgenden Schritte:
- (i) Bestimmen von physikalischen Größen der Speichereinheiten,
- (ii) modellbasiertes Ermitteln einer den jeweiligen Alterungszustand der Speichereinheiten beschreibenden Zustandsgröße und Prädiktion des zukünftigen Verlaufs dieser Zustandsgröße mittels zumindest einer der physikalischen Größen und
- (iii) Betreiben des elektrischen Energiespeichers gemäß einer Betriebsstrategie, die in Abhängigkeit von der den jeweiligen Alterungszustand und/oder Funktionszustand der Speichereinheiten beschreibenden Zustandsgröße SOH, SOF der Speichereinheiten gewählt wird. Das Verfahren wird insbesondere mittels des vorstehend genannten Betriebsstrategie-Managementsystems durchgeführt.
-
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Programmteile, die in einem Computer geladen zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet sind.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1 ein Speicherpack mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Betriebsstrategie-Managementsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
Die 1 zeigt ein stationäres Speicherpack 10 mit einem als wiederaufladbare Batterie 12 ausgebildeten elektrischen Energiespeicher 14 und einem Betriebsstrategie-Managementsystem (BSMS) 16 zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers 14. Der gezeigte Speicherpack 10 ist somit als Batteriepack ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher 14 weist eine Mehrzahl von gleichartigen Speichereinheiten 18 auf, wobei jede Speichereinheit 18 von einem Speicherzellenstrang 20, also einer Serienschaltung von Speicherzellen 22 des Energiespeichers 14 gebildet wird. Die von den Speicherzellsträngen 20 gebildeten Speichereinheiten 18 sind ihrerseits in einer Parallelschaltung zum elektrischen Energiespeicher 14 verschaltet. Neben seiner internen Verschaltung weist der elektrische Energiespeichers 14 weiterhin noch zwei Kontakte 24, 26, nämlich einen Pluspol 24 und einen Minuspol 26 auf.
-
Das Betriebsstrategie-Managementsystem 16 weist eine Mehrzahl von Diagnostikeinheiten 28 zum Bestimmen von physikalischen Größen (zum Beispiel Strom I, Spannung U und/oder Temperatur T) der einzelnen Speichereinheiten 18 im Betrieb auf. Weiterhin weist das Betriebsstrategie-Managementsystem 16 ein computerbasiertes Alterungsprädiktionsmodul 30 auf, das über Signal-/Datenleitungen 32 beziehungsweise einen Datenbus mit den Diagnostikeinheiten signaltechnisch verbunden ist. Der entsprechende Computer weist einen Prozessor, Datenspeicher und eine entsprechende Peripherie auf (nicht gezeigt). In dem Alterungsprädiktionsmodul 30 ist zum einen eine Zustandserkennung zum modellbasierten Ermitteln einer den jeweiligen Alterungszustand und/oder Funktionszustand der Speichereinheiten 18 beschreibenden Zustandsgröße (SOH: State of health - Alterungszustandsgröße, SOF state of function für die spezifische Anwendung) über zumindest eine der physikalischen Größen I, U, T und zum anderen eine Betriebsstrategiewahl entsprechend der Zustandsgröße realisiert. Das Alterungsprädikationsmodul 30 gibt über eine Schnittstelle 34 zumindest ein Signal an eine (nicht gezeigte) Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers 14 aus, wobei dieses Steuersignal zumindest eine von der gewählten Betriebsstrategie abhängige Information enthält. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist Teil eines Batteriemanagementsystems BMS der Batterie und nutzt die Information im Signal zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers entsprechend der gewählten Betriebsstrategie. Mit anderen Worten wird das Alterungsprädikationsmodul 30 zusammen mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers 14 in Abhängigkeit von der den jeweiligen Alterungszustand der Speichereinheiten 18 beschreibenden Zustandsgröße, also der Alterungszustandsgröße SOH, genutzt. Die zumindest eine Schnittstelle 34 ist im gezeigten Beispiel eine Luftschnittstelle. Das Betriebsstrategie-Managementsystem (BSMS) 16 ist ein intelligentes Betriebsführungssystem für stationäre Energiespeicher 14 (insbesondere Batteriespeicher), welches mit Hilfe von modellbasierten und hardwarekompatiblen Algorithmen die alterungsoptimale Steuerung für elektrische Energiespeicher 14 in multi-use Anwendungen vornimmt.
-
Die jeweilige Diagnostikeinheit 28 überwacht jeweils einen Strang des Speicherpacks 10 und übernimmt erste diagnostische Aufgaben. Die Diagnostikeinheit 28 gewährleistet im seriellen Verbund der Speicherzellen 22 zunächst eine auf statistischer Wahrscheinlichkeit basierenden Einzelzellenüberwachung. Sämtliche Messungen werden mit einer hohen Genauigkeit (wenige mV, < 100mA und 1°C Abweichung) durchgeführt.
-
Aus den gemessenen Daten werden gezielt Informationen extrahiert, welche für die spätere Diagnostik genutzt werden. Dazu zählt das Impedanzverhalten bei verschiedenen Frequenzen, welches Aufschluss über den Zustand des Energiespeichers 14, also hier der Batterie 12, gibt. Eine derartige Impedanzanalyse kann passiv, auf Basis von bereits vorhandenen Stromrippeln, oder aktiv, mithilfe von künstlich erzeugten Stromrippeln durchgeführt werden. Die maximale Messgeschwindigkeit der elektrischen Größen, muss entsprechend der zu vermessenen Frequenzen ausgelegt werden.
-
Auf dem Alterungsprädiktionsmodul 30 befinden sich eine Software mit Speicher-Zustand-Erkennungs(BZE: Batterie-Zustand-Erkennungs)-Algorithmen und Betriebsoptimierungsmechanismen. Das System ist echtzeitfähig und kann auf die Daten der (Strang-) Diagnostikeinheit 28 zugreifen.
-
Die Speicher-Zustand-Erkennungs-Modelle dienen der genauen Bestimmung des Ladezustands, der möglichst exakten Einschätzung des Alterungsfortschrittes und der Prädiktion der Kapazitätsabgabe bzw. Kapazitätsaufnahme. Durch diese Einheit 30 ist gewährleistet, dass in einer multi-use Anwendung die verschiedenen Anfragen an den elektrischen Energiespeicher 14 bewertet, priorisiert und entsprechend bedient werden. Das im Betrieb gemessene Speicherverhalten dient als einzige Informationsquelle für die Zustand-Erkennungs(BZE)-Lösungen, die sich auch regelmäßig automatisch nachadaptieren. Die Bestimmung der notwendigen Parameter für diesen Prozess erfolgt im Regelfall ohne zusätzlichen Kapazität-Tests oder anderen zusätzliche Last bedingende Prüfungen, damit die Betriebsbereitschaft der Anlage maximiert wird.
-
Die Adaptierung ist notwendig, da sich das Verhalten des elektrischen Energiespeichers 14 mit fortschreitender Alterung ändert und die für einen (fabrik)neuen Speicher 14 bestimmten Parameter keine Gültigkeit über die gesamte Lebensdauer des Speichers 14 besitzen. Durch dieses Vorgehen kann eine hohe Genauigkeit des Alterungsprädikationsmoduls 30 während der ganzen Lebensdauer erzielt werden.
-
Für die Zustandserkennung (BZE) kann auf verschiedene für den jeweiligen Speichertyp charakteristische Merkmale zurückgegriffen werden; bei Bleibatterien beispielsweise der Gasungsstrom im Vollladezustand oder die Änderung des dynamischen Verhaltens sowohl während des Ladens als auch Entladens. Die Alterung des elektrischen Energiespeichers 14 wirkt sich auf dieses messbare Verhalten aus und kann durch bestimmbare Zusammenhänge detektiert werden.
-
Mit Hilfe der Information der zu entwickelnden Zustandserkennung-(BZE)-Algorithmen werden die Betriebsoptimierungsmechanismen gesteuert, die notwendige Maßnahmen ergreifen, um den Betrieb selbst und die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers 14 weiter zu optimieren. Hierrüber wird insbesondere die Entscheidungen über die Parameter der Standardladeverfahren und das Einsetzen der sogenannten Refresh-Ladeverfahren initiiert. Stand der Technik für Letzteres ist das Standard-Überladen mit erhöhter Ladespannung einmalig pro gegebene Zeiteinheit (Beispiel einmal pro Monat) oder bestimmter Ladungsumsatz (zum Beispiel sechs Nennkapazitätsumsätze). Diese einfachen Entscheidungszweige werden mit Hilfe der entsprechenden Alterungsmodelle optimiert und damit dem Speicher 14 mit seinen vielfältigen Varianzen gerechter. Das Ziel ist die genaue Bestimmung des Zeitpunktes, an dem die Refresh-Ladung stattfinden soll, abhängig von dem tatsächlichen Alterungszustand des Speichers 14. Dazu werden die Parameter der Refresh-Ladung wie der maximale Ladestrom und die Spannung auf die detektierte Alterung angepasst. Die Betriebsoptimierungsalgorithmen sollen auch das aktuelle Ausmaß der Säureschichtung, sofern technologiebedingt solche auftreten kann, beobachten, um entsprechende Ladeverfahren oder sogar Umwälzeinheiten aktivieren zu können.
-
Im Folgenden sollen die wesentlichen Merkmale der beschriebenen Ausführungsform noch einmal mit anderen Worten beschrieben und zusammengefasst werden:
-
Das hier gezeigte Betriebsstrategie-Managementsystem (BSMS) 16 beinhaltet eine Hard- und Softwareentwicklung für die intelligente Steuerung von stationären Speichern mit Mehrstrang-Topologie. Dazu wird ein mehrstufiges System 16 verwendet. Ein Segment bildet die Diagnostikeinheit (genauer SDE: Strang-Diagnostik-Einheit) 28, die an die einzelnen Batteriestränge 20 angebracht wird. Diese misst Zustandsgrößen wie beispielsweise Zellspannungen, Temperaturen und fließende Ströme eines jeden Batteriestranges. Als Diagnostikeinheit 28 wird hier ein Messsystem verstanden, welches sich durch verschiedene Sensoren und aktive Messalgorithmen auszeichnet. Die SDE 28 ist der Baustein, der den aktuellen Zustand seines Stranges an den Knotenpunkt aller Informationen, das Alterungsprädikationsmodul (insbesondere AAPM Adaptive-Alterung-Prädiktion-Modul) 30, weitergibt. Im Alterungsprädiktionsmodul 30 sind die Algorithmen hinterlegt, die eine Entscheidung entsprechend der von den einzelnen Diagnostikeinheit SDE 28 übermittelten Daten ermöglichen. In dem Alterungsprädikationsmodul 30 wird weiterhin anhand von Modellberechnungen der Alterungsfortschritt jedes Strangs 20 bestimmt und entsprechende Betriebsweisen eingeleitet, die je nach Strangzustand unterschiedlich ausfallen können. Die hinterlegten Modelle sind für verschiedene Batterietypen adaptierbar. Das Alterungsprädikationsmodul 30 kann außerdem mit einer telekommunikativen Einheit, wie etwa der Luftschnittstelle 34, ausgestattet werden, um so eine virtuelle Einbindung in Erzeugerportfolios zu ermöglichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Speicherpack
- 12
- Batterie, wiederaufladbar
- 14
- Energiespeicher, elektrischer
- 16
- Betriebsstrategie-Managementsystem
- 18
- Speichereinheit
- 20
- Speicherzellenstrang
- 22
- Speicherzelle
- 24
- Kontakt
- 26
- Kontakt
- 28
- Diagnostikeinheit
- 30
- Alterungsprädiktionsmodul
- 32
- Datenleitung
- 34
- Schnittstelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013011101 A1 [0002]
- DE 102010038646 A1 [0007]
