DE102017209659A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems, umfassend eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, mit den folgenden Schritten beschrieben. Es wird jeweils mindestens eine Alterungszustandsgröße, insbesondere ein elektrischer Widerstand, der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheitenermittelt. Weiterhin wird jeweils mindestens eine Ladezustandsgröße, insbesondere eine elektrische Spannung, der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Weiterhin wird eine weitere Ladezustandsgröße einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten zu einem von dem vorstehenden Schritt verschiedenen Zeitpunkt in Abhängigkeit der Ladezustandsgröße einer zweiten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, wobei die Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und die Alterungszustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit mindestens ein vordefiniertes Kriterium erfüllen. Weiterhin wird das elektrische Energiespeichersystem unter Verwendung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit betrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems, umfassend eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten.
  • Stand der Technik
  • Elektronische Steuergeräte werden im Automobilumfeld heutzutage in zunehmender Zahl eingesetzt. Beispielsweise ist für elektrisch angetriebenen Fahrzeuge die Entwicklung von Batterien mit einem zugehörigen Batteriemanagementsystem notwendig. Ein Batteriemanagementsystem gewährleistet dabei typischerweise die sichere und zuverlässige Funktion von zugeordneten Batteriezellen und daraus bestehender Batteriesysteme, indem es Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstände und gegebenenfalls weitere physikalische Größen der Batteriezellen beziehungsweise des gesamten Batteriesystems überwacht und steuert. Mithilfe der genannten Größen lassen sich Steuerungsfunktionen realisieren, die unter anderem Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriesystems steigern können.
  • Ein Batteriesystem ist üblicherweise in Module unterteilt, welche Batteriezellen enthalten und oftmals auch eine räumliche Einheit bilden. Beispielsweise kann ein Batteriesystem aus 8 Modulen bestehen, wobei je Modul 12 Batteriezellen verbaut sind. Um die elektrischen Spannungen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen, sind entsprechende Spannungssensoren vorgesehen. Dabei können die Spannungssensoren beispielsweise direkt mit einem zentralen Steuergerät elektrisch verbunden sein oder auch mit einem jeweiligen Modulsteuergerät elektrisch verbunden sein, welches die aufgezeichneten Daten beispielsweise in komprimierter Form an das zentrale Steuergerät weitergibt. Die Funktionsfähigkeit der in einem Batteriesystem verbauten Sensoren, beispielsweise der Spannungssensoren, ist somit von großer Bedeutung für den Betrieb des Batteriesystems. Ein Ausfall eines Spannungssensors, der beispielsweise mittels eines Selbsttests erkannt werden kann, kann beispielsweise dazu führen, dass aus Sicherheitsgründen dem Batteriesystem keine elektrische Energie mehr entnommen oder zugeführt werden kann.
  • Die Druckschrift US 2016/0082859 A1 beschreibt ein Verfahren für das Batteriemanagement eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen, wobei das Fahrzeug ein Steuergerät aufweist und eine Sortierreihenfolge für die Mehrzahl an Batteriemodulen berechnet wird. Ja nach Position in der Sortierreihenfolge werden die Batteriemodule aktiviert oder nicht.
  • Die Druckschrift DE 10 2013 203 174 A1 beschreibt ein Verfahren, um die verfügbare Kapazität in einem Batteriestrang mit mehreren Batteriezellen erhöhen. Dabei erfolgt ein Angleichen der Batteriezellen in Abhängigkeit der tatsächlich in den Batteriezellen vorhandenen elektrischen Ladungsmenge.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems, umfassend eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Dabei wird innerhalb des Verfahrens jeweils mindestens eine Alterungszustandsgröße der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Eine Alterungszustandsgröße kann dabei beispielsweise ein elektrischer Widerstand einer elektrischen Energiespeichereinheit sein.
  • Weiterhin wird jeweils mindestens eine Ladezustandsgröße der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Dabei kann die Ladezustandsgröße insbesondere eine elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit sein. Die beiden genannten Verfahrensschritte können auch in geänderter Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Anschließend wird in einem weiteren Schritt eine weitere Ladezustandsgröße einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der Ladezustandsgröße einer zweiten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, wobei die Ermittlung zu einem von dem vorgenannten Ermittlungsschritt verschiedenen Zeitpunkt erfolgt. Zusätzlich erfüllen die Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und die Alterungszustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit mindestens ein vordefiniertes Kriterium. Dies kann beispielsweise umfassen, dass sich Werte ihrer Innenwiderstände nur um einen vordefinierten Betrag unterscheiden oder dass die Alterungszustandsgrößen die geringste Differenz innerhalb der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten aufweisen. Dies lässt auf ein ähnliches Alterungsverhalten beziehungsweise auf ein ähnliches Verhalten unter elektrischer Belastung für die entsprechenden elektrischen Energiespeichereinheiten schließen. Somit kann beispielsweise bei Ausfall eines Spannungssensors der ersten elektrischen Energiespeichereinheit dennoch in vorteilhafter Weise für diese erste Energiespeichereinheit eine weitere Ladezustandsgröße ermittelt werden, wobei ein weiterer Vorteil daher rührt, dass diese Ermittlung auf dem vordefinierten Kriterium basiert, wodurch sich die elektrischen Energiespeichereinheiten beispielsweise in ihrem elektrischen Verhalten nur geringfügig unterscheiden.
  • In einem weiteren Schritt wird anschließend das elektrische Energiespeichersystem unter Verwendung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit betrieben. Somit kann das gesamte elektrische Energiespeichersystem auch bei Ausfall einzelner Spannungssensoren beziehungsweise allgemein dem Fehlen entsprechender Messwerte dennoch sicher weiter betrieben werden, beispielsweise um es, mit entsprechender Vorankündigung an einen Benutzer, in einen sicheren Zustand zu überführen. Auf eine unmittelbare schnelle Abschaltung mit entsprechenden nachteiligen Folgen für den Benutzer beziehungsweise einzelne Systemkomponenten kann somit verzichtet werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zweckmäßigerweise werden die Alterungszustandsgrößen der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten sortiert, beispielsweise in aufsteigender numerischer Reihenfolge, wobei das vordefinierte Kriterium die Sortierreihenfolge umfasst. Beispielsweise kann die Alterungszustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit in dieser Sortierung direkt benachbart zu der Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit sein und die zweite elektrische Energiespeichereinheit beziehungsweise die Ladezustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit somit zur Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit verwendet werden.
  • Zweckmäßigerweise wird die weitere Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. In vorteilhafter Weise wird somit die bekannte Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt, um eine zeitlich danach erfolgende Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße zu unterstützen. Zum einen können somit bereits bekannte Werte der Ladezustandsgröße verwendet werden, beispielsweise um zur Initialisierung eines mathematischen Modells zu dienen, und zum anderen erhöht sich durch die Verwendung der bereits bekannten Werte die Genauigkeit der Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße in vorteilhafter Weise. Das mathematische Modell kann beispielsweise Differentialgleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein.
  • Zweckmäßigerweise wird die Funktionsfähigkeit einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere umfassend eine Spannungserfassungsvorrichtung, überprüft, wobei bei eingeschränkter oder fehlender Funktionsfähigkeit der Vorrichtung zur Ermittlung einer Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit wie oben beschrieben die weitere Ladezustandsgröße ermittelt wird. Somit kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass verfälschte beziehungsweise falsche Werte der Vorrichtung zur Ermittlung einer Ladezustandsgröße in die Ermittlung der Ladezustandsgröße beziehungsweise in die Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße einfließen. Dadurch erhöht sich in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Energiespeichersystems.
  • Zweckmäßigerweise wird das elektrische Energiespeichersystem derart betrieben, dass ein erster Grenzwert der weiteren Ladezustandsgröße nicht überschritten wird und/oder ein zweiter Grenzwert der Ladezustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit nicht unterschritten wird. Somit kann in vorteilhafter Weise ein ausreichender Abstand zu möglicherweise die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems kompromittierenden Spannungsbereichen vorgegeben werden. Für den ersten Grenzwert kann beispielsweise ein Spannungswert von 4,2 V und für den zweiten Grenzwert ein Spannungswert von 3,0 V verwendet werden. Dadurch kann das elektrische Energiespeichersystem beispielsweise trotz fehlender Messdaten bezüglich der ersten elektrischen Energiespeichereinheit sicher betrieben werden. Beispielsweise kann auch vorgegeben werden, dass sich die weitere Ladezustandsgröße nur in einem Korridor des Ladezustands von 30 % bis 70 % bewegen darf. Der Ladezustand bewegt sich dabei typischerweise im Bereich zwischen 0 % und 100 % und kann als aktuell verfügbare Ladungsmenge angesehen werden.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das mindestens eine vordefinierte Kriterium eine maximale Differenz der Alterungszustandsgrößen. Somit ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass zur Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße elektrische Energiespeichereinheiten verwendet werden, die ein ähnliches Verhalten wie die erste elektrische Energiespeichereinheit aufweisen. Dies erhöht die Genauigkeit und Qualität der Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das elektrische Energiespeichersystem eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten und die weitere Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit wird basierend auf Ladezustandsgrößen einer weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Dabei erfüllen die Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und die Alterungszustandsgrößen der weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten das mindestens eine vordefinierte Kriterium. Weiterhin ist die zweite elektrische Energiespeichereinheit Teil der weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten. Somit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass Abweichungen zwischen den elektrischen Energiespeichereinheiten geringere Auswirkungen auf die Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit haben als bei einer Einzelbetrachtung. Somit wird die Robustheit des Verfahrens gesteigert.
  • Zweckmäßigerweise wird die weitere Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung einer Ladezustandsgröße ermittelt. Dies kann beispielsweise die zeitliche Änderung der Ladezustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit sein oder auch die zeitliche Änderung, welches sich aus einem Differenzwert zwischen einem Wert der Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und einem Wert der Ladezustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ergibt. Somit kann beispielsweise auch ein letzter als gültig angesehener Messwert der ersten elektrischen Energiespeichereinheit bei der zeitlichen Änderung berücksichtigt werden. Durch die Berücksichtigung der zeitlichen Änderung wird in vorteilhafter Weise die Genauigkeit des Verfahrens erhöht. Es werden somit nicht nur statische Informationen berücksichtigt, sondern zusätzlich die dynamische Information der zeitlichen Änderung. Diese Ausgestaltung ist auch bei der Ermittlung basierend auf der weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten möglich, indem beispielsweise eine durchschnittliche zeitliche Änderung für die weitere Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt wird.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das vordefinierte Kriterium bei der Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit eine jeweilige räumliche Position der elektrischen Energiespeichereinheiten dem elektrischen Energiespeichersystem. Somit wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass beispielsweise an der räumlichen Position der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit gleiche beziehungsweise sehr ähnliche thermische Bedingungen herrschen, was somit ein ähnliches Alterungsverhalten der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit bedingt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die elektrischen Energiespeichereinheit zu Untergruppen, beispielsweise zu Modulen, zusammengefasst sind und somit zur Ermittlung der weiteren Ladezustandsgröße eine entsprechende elektrische Energiespeichereinheit einer anderen Untergruppe herangezogen wird.
  • Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems, welche mindestens ein Mittel umfasst, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementgerät, das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einer der offenbarten Ausgestaltungen durchzuführen. Die vorgenannten Vorteile gelten entsprechend. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als elektronisches Batteriemanagementgerät, kann solch ein Mittel sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersystem, welches eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten und eine oben beschriebenen Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems umfasst. Die genannten Vorteile gelten entsprechend.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung die Verwendung des elektrischen Energiespeichersystems in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten. Die genannten Vorteile gelten entsprechend.
  • Figurenliste
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik;
    • 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
    • 5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;
    • 6 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufes einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Ladezustandsgröße; und
    • 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichersystems 1, genauer gesagt eines Batteriesystems 1, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei weist das Batteriesystem 1 ein Batteriemanagementsteuergerät 2 auf, welches über eine Datenleitung 6 mit drei Spannungserfassungsvorrichtungen 4 verbunden ist. Die Spannungserfassungsvorrichtungen 4 sind dabei jeweils räumlich einem sogenannten Modul 3 zugeordnet, welches mehrere Batteriezellen 7 räumlich zusammenfasst. Von jeder zu einem jeweiligen Modul 3 gehörenden Batteriezelle 7 sind entsprechende Messleitungen 5 zu der jeweiligen Spannungserfassungsvorrichtung 4 geführt. Über diese Messleitungen 5 wird somit die jeweilige Batteriezellspannung der jeweiligen Spannungserfassungsvorrichtung 4 zugeführt. Die jeweiligen Module sind dabei mittels entsprechender Modulverbinder 8 elektrisch leitend miteinander verbunden.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S11 wird für eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, die ein elektrisches Energiespeichersystem umfasst, jeweils ein sogenannter Gesundheitszustand, auch „State of Health“ (SOH) genannt, ermittelt, welcher als Alterungszustand angesehen werden kann. Dieser kann beispielsweise auf der aktuellen, maximal speicherbaren Ladungsmenge basieren - der sogenannten Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit-, welche auf einen Nominalwert bezogen wird. Weiterhin kann dazu beispielsweise ein mathematisches Modell der elektrischen Energiespeichereinheit und entsprechende regelungstechnische Strukturen wie ein Beobachter eingesetzt werden. So ergeben sich beispielsweise Gesundheitszustände im Bereich zwischen 80 % und 100 %.
  • In einem zweiten Schritt S12 wird anschließend jeweils eine elektrische Spannung der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, wobei die elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit als Indikator für deren Ladezustand angesehen werden kann. Weiterhin ist es insbesondere für die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems relevant, dass die das elektrische Energiespeichersystem konstituierenden elektrischen Energiespeichereinheiten eine gewisse Spannungsgrenze nicht überschreiten beziehungsweise nicht unterschreiten. In einem dritten Schritt S13 wird anschließend eine weitere elektrische Spannung einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, wobei dies zu einem von dem zweiten Schritt S12 verschiedenen Zeitpunkt und in Abhängigkeit der elektrischen Spannung einer zweiten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten geschieht. Weiterhin erfüllen der Gesundheitszustand der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und der Gesundheitszustand der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit in dem dritten Schritt S13 ein vordefiniertes Kriterium. Das vordefinierte Kriterium ist dabei, dass sich die Gesundheitszustände nur um einen vordefinierten Prozentsatz voneinander unterscheiden. In einem vierten Schritt S14 wird anschließend das elektrische Energiespeichersystem unter Verwendung der ermittelten weiteren elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit betrieben. Alternativ kann der erste Schritt S11 nach dem zweiten Schritt S12 erfolgen.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird für eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, die ein elektrisches Energiespeichersystem umfasst, jeweils eine elektrische Spannung, welche zwischen den typischerweise zwei Polanschlüssen einer elektrischen Energiespeichereinheit herrscht, ermittelt.
  • Anschließend wird in einem zweiten Schritt S22 für die Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten jeweils ein Gesundheitszustand basierend auf einem jeweiligen Innenwiderstandwert ermittelt. Durch den Bezug des jeweiligen Innenwiderstandswertes auf einen nominalen Innenwiderstandwert ergeben sich beispielsweise Gesundheitszustände im Bereich zwischen 100 % und 120 %, da der Innenwiderstand typischerweise mit zunehmendem Alter der elektrischen Energiespeichereinheit zunimmt. Somit kann der Gesundheitszustand als Alterungszustand angesehen werden.
  • Anschließend werden in einem dritten Schritt S23 die ermittelten Gesundheitszustandswerte der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten aufsteigend sortiert, wobei auch eine absteigende Sortierung möglich ist.
  • Die Sortierreihenfolge dient hierbei als vordefiniertes Kriterium, welches in einem vierten Schritt S24 bei der Ermittlung einer weiteren elektrischen Spannung einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten basierend auf einer elektrischen Spannung einer zweiten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten zu berücksichtigen ist. In der sich ergebenden Sortierreihenfolge folgen die erste elektrische Energiespeichereinheit und die zweite elektrische Energiespeichereinheit direkt aufeinander, was auf ein ähnliches Alterungsverhalten hindeutet. Weiterhin erfolgt die Ermittlung in dem ersten Schritt S21 und die Ermittlung in dem vierten Schritt S24 zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
  • Anschließend wird in einem fünften Schritt S25 das elektrische Energiespeichersystem unter Verwendung der ermittelten weiteren elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit betrieben.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Funktionsweise eines ersten Schrittes S31 entspricht dabei der des oben beschriebenen ersten Schrittes S11 und die Funktionsweise eines zweiten Schrittes S32 der des oben beschriebenen zweiten Schrittes S12.
  • In einem dritten Schritt S33 wird die Funktionsfähigkeit einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Spannung, welche eine oben beschriebene Spannungserfassungsvorrichtung umfasst, überprüft. Bei Feststellung einer eingeschränkten oder vollständig fehlenden Funktionsfähigkeit der Vorrichtung, welche beispielsweise von dem Bruch einer Messleitung herrühren kann, wird ein vierter Schritt S34 ausgeführt.
  • In dem vierten Schritt S34 wird eine zeitliche Änderung einer elektrischen Spannung ermittelt. Dies geschieht, indem aus einem letzten als gültig angesehenen ermittelten Wert der elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und einem aktuelleren ermittelten Wert der elektrischen Spannung der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ein Differenzwert gebildet wird, der zu einem entsprechenden zeitlichen Differenzwert der beiden Zeitpunkte der Ermittlung in Relation gesetzt wird.
  • Anschließend wird in einem fünften Schritt S35 eine weitere elektrische Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, indem der letzte als gültig angesehene ermittelte Wert der elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit als Startwert verwendet wird und eine entsprechende zeitliche Änderung der elektrischen Spannung aufgrund einer Energieeinspeicherung beziehungsweise -ausspeicherung über die ermittelte zeitliche Änderung der elektrischen Spannung abgebildet wird.
  • In einem sechsten Schritt S36 wird das elektrische Energiespeichersystem unter Verwendung der weiteren elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit dann derart betrieben, dass ein erster Grenzwert der weiteren elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit nicht überschritten wird und ein zweiter Grenzwert der elektrischen Spannung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit nicht unterschritten wird. Als erster Grenzwert kann beispielsweise ein Wert für die elektrische Spannung von 4,2 V verwendet werden und als zweiter Grenzwert ein Wert von 2,8 V.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform. Dabei weist das elektrische Energiespeichersystem eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten I bis IX auf, welche wie in 1 gezeigt in räumlich zusammengehörenden Modulen 3 angeordnet sind. In einem ersten Schritt S41 wird, wie oben bei dem ersten Schritt S11 beschrieben, für die elektrischen Energiespeichereinheiten I bis IX jeweils ein Alterungszustand basierend auf der Kapazität der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.
  • Anschließend wird in einem zweiten Schritt S42 jeweils der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheiten I bis IX ermittelt. Der Ladezustand bewegt sich dabei typischerweise im Bereich zwischen 0 % und 100 % und kann als aktuell verfügbare Ladungsmenge betrachtet werden.
  • In einem dritten Schritt S43 wird anschließend zu einem späteren Zeitpunkt als zu den beiden vorangegangenen Schritten der Ladezustand einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit I der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten I bis IX erneut ermittelt, wobei dies in Abhängigkeit der Ladezustände einer Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten VI, VIII erfolgt, welche sich in anderen Modulen als die erste elektrische Energiespeichereinheit I befinden. Weiterhin wurden die in dem ersten Schritt S41 ermittelten Alterungszustände der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten I bis IX modulweise sortiert. Innerhalb der Ermittlung in dem dritten Schritt S43 weist die Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten VI, VIII innerhalb der modulweisen Sortierreihenfolge den gleichen Rang als vordefiniertes Kriterium auf wie die erste elektrische Energiespeichereinheit I. Somit wird erreicht, dass die zur späteren Ermittlung herangezogenen elektrischen Energiespeichereinheiten VI, VIII ein ähnliches elektrisches Verhalten aufweisen wie die erste elektrische Energiespeichereinheit I. Dies ist in den nachstehenden beiden Tabellen nochmals beispielhaft verdeutlicht.
    Modul 1 2 3
    Elektrische Energiespeichereinheit I II III IV V VI VII VIII IX
    SOH [%] 95 93 94 92 93 94 94 95 91
  • Nach der modulweisen Sortierung ergibt sich folgendes:
    Modul 1 2 3
    Elektrische Energiespeichereinheit I II III VI V IV VIII VII IX
    SOH [%] 95 94 93 94 93 92 95 94 91
  • Wie zu sehen ist, werden in der Berechnung in dem dritten Schritt S43 die Ladezustände der elektrischen Energiespeichereinheiten VI, VIII herangezogen, da die elektrischen Energiespeichereinheiten VI, VIII innerhalb der modulweisen Sortierung den gleichen Rang aufweisen wie die elektrische Energiespeichereinheit I. Anschließend wird das elektrische Energiespeichersystem in einem vierten Schritt S44 unter Verwendung des erneut ermittelten Ladezustands betrieben.
  • 6 zeigt eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufes 64 einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Ladezustandsgröße. Dabei ist die Ladezustandsgröße eine elektrische Spannung, die zwischen den typischerweise zwei Polen einer elektrischen Energiespeichereinheit herrscht. Auf der Ordinatenachse ist die elektrische Spannung abgetragen und auf der Abszissenachse der zeitliche Verlauf. Zu einem Zeitpunkt 1 wird festgestellt, dass die Vorrichtung zur Spannungserfassung an einer elektrischen Energiespeichereinheit, deren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneter Verlauf 64 gestrichelt dargestellt ist, nicht mehr funktionsfähig ist. Der letzte als gültig bekannte Spannungswert dieser elektrischen Energiespeichereinheit beträgt 3,85 Volt. Weiterhin ist diese elektrische Energiespeichereinheit Bestandteil eines aus vier elektrischen Energiespeichereinheiten bestehenden elektrischen Energiespeichersystems. Zeitliche Verläufe 61, 62, 63 der elektrischen Spannungen der übrigen drei elektrischen Energiespeichereinheiten sind ebenfalls dargestellt. Weiterhin wurde ermittelt, dass der Alterungszustand basierend auf der Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit mit dem zeitlichen Verlauf 62 gleich dem Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit mit der nicht mehr funktionsfähigen Vorrichtung zur Spannungserfassung ist. Für Zeitpunkte nach dem Zeitpunkt 1 werden somit zur Ermittlung der elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit mit der nicht mehr funktionsfähigen Vorrichtung zur Spannungserfassung der letzte als gültig bekannte Messwert dieser elektrischen Energiespeichereinheit, also 3,85 V, und entsprechende später ermittelte Spannungswerte der elektrischen Energiespeichereinheit mit dem gleichen Alterungszustand verwendet. Somit ergibt sich der zeitliche Verlauf 64 der elektrischen Spannung, auch wenn aufgrund des Ausfalls der Vorrichtung zur Spannungserfassung keine aktuell erfassten Spannungswerte mehr vorliegen.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 72 zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems. Dabei werden entsprechende Messwerte, die innerhalb des auf der Vorrichtung auszuführenden erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, über entsprechende Sensoren 71 eingelesen. Entsprechende Steuerbefehle, welches sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, werden von der Vorrichtung 72 an entsprechende elektrische beziehungsweise elektronische Bauteile 73 ausgegeben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2016/0082859 A1 [0004]
    • DE 102013203174 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems (1), umfassend eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7), mit den folgenden Schritten: a) Ermitteln jeweils mindestens einer Alterungszustandsgröße, insbesondere eines elektrischen Widerstands, der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7); b) Ermitteln jeweils mindestens einer Ladezustandsgröße, insbesondere einer elektrischen Spannung, der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7); c) Ermitteln einer weiteren Ladezustandsgröße einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) zu einem von Schritt b) verschiedenen Zeitpunkt in Abhängigkeit der Ladezustandsgröße einer zweiten elektrischen Energiespeichereinheit (7) der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7), wobei die Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) und die Alterungszustandsgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit (7) mindestens ein vordefiniertes Kriterium erfüllen; d) Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems (1) unter Verwendung der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: e) Sortieren der Alterungszustandsgrößen der Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7), wobei das mindestens eine vordefinierte Kriterium die Sortierreihenfolge umfasst.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin im Schritt c) die weitere Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) in Abhängigkeit der in Schritt b) ermittelten Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) ermittelt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: f) Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7), insbesondere umfassend eine Spannungserfassungsvorrichtung (4), wobei bei eingeschränkter oder fehlender Funktionsfähigkeit Schritt c) ausgeführt wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt d) das elektrische Energiespeichersystem (1) derart betrieben wird, dass ein erster Grenzwert der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) nicht überschritten wird und/oder ein zweiter Grenzwert der Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) nicht unterschritten wird.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) das mindestens eine vordefinierte Kriterium eine maximale Differenz der Alterungszustandsgrößen umfasst.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Energiespeichersystem (1) eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) umfasst und in Schritt c) das Ermitteln der weiteren Ladezustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) basierend auf Ladezustandsgrößen einer weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) erfolgt, wobei die Alterungszustandsgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (7) und die Alterungszustandsgrößen der weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) das mindestens eine vordefinierte Kriterium erfüllen und die zweite elektrische Energiespeichereinheit (7) Teil der weiteren Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) ist.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) das Ermitteln in Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung einer Ladezustandsgröße erfolgt.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) das mindestens eine vordefinierte Kriterium eine jeweilige räumliche Position der elektrischen Energiespeichereinheiten (7) in dem elektrischen Energiespeichersystem (1) umfasst.
  10. Vorrichtung (2, 72) zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems (1), umfassend mindestens ein Mittel (2, 72), insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementgerät (72), das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
  11. Elektrisches Energiespeichersystem (1), umfassend eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (7) und eine Vorrichtung (2, 72) gemäß Anspruch 10.
  12. Verwendung eines elektrischen Energiespeichersystems (1) gemäß Anspruch 11 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.
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