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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriesystem mit einer Anzahl derartig betriebener Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Bordnetze in Kraftfahrzeugen dienen der Versorgung von elektrischen Verbrauchern und Geräten mit einer Betriebsspannung des Bordnetzes (Bordnetzspannung). Derartige Bordnetze werden in der Regel mittels Energiespeicher, beispielsweise in Form von elektrochemischen (Bordnetz-)Batterien versorgt. Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Batterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Batterien sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.
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Zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen und betriebssicheren Funktionalität des Bordnetzes ist es notwendig, einen Arbeitspunkt oder einen Arbeitspunktbereich, bei welchem die Batterie betrieben wird, möglichst genau zu bestimmen, sodass eine optimale Lade- und/oder Entladestrategie zum Betrieb der Batterie möglich ist. Somit wird eine besonders hohe Lebensdauer sowie eine effektive Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der Batterie gewährleistet.
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Eine den aktuellen Arbeitspunkt oder Arbeitspunktbereich kennzeichnende Zustandsgröße der Batterie ist beispielsweise deren Ladezustand. Der Ladezustand (state of charge, SoC) der Batterie bezeichnet die noch verfügbare Kapazität einer Batterie im Verhältnis zu deren Nominalwert. Der Ladezustand wird hierbei in der Regel in Prozent hinsichtlich eines voll aufgeladenen Zustands der Batterie angegeben. Mit anderen Worten bezeichnet ein Ladezustand von 100 % eine vollständig aufgeladene Batterie (Vollladezustand) und ein Ladezustand von 0 % eine vollständig entladene Batterie (Entladezustand).
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Während eines Ladevorgangs, bei welchem die gespeicherte chemische Energie der Batterie mittels einer Einspeisung einer elektrischen Energie erhöht wird, also der Ladezustand der Batterie vergrößert wird, ist es wünschenswert, den Ladezustand zuverlässig zu erfassen, um somit eine vollgeladene Batterie zuverlässig und betriebssicher vor einer Überladung zu schützen. Ebenso ist es bei einem Entladevorgang, bei welchem die gespeicherte chemische Energie der Batterie mittels einer Entnahme von elektrischer Energie erniedrigt wird, also der Ladezustand der Batterie reduziert wird, notwendig, dass die Batterie vor einer schädlichen Tiefentladung geschützt wird. Somit ist es wichtig, dass während des Betriebs der Batterie, insbesondere während einer Ladungszustandsänderung, also während eines Lade- oder Entladevorgangs, der Ladezustand möglichst zuverlässig und exakt erfasst oder bestimmt wird.
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Die Batterie ist hierbei häufig Teil eines Energiespeicher- oder Batteriesystems, wobei das Batteriesystem einen Controller als Batteriesteuergerät aufweist. Der Controller bestimmt hierbei typischerweise den aktuellen Arbeitspunkt und überwacht die Ladezustandsänderung der Batterie. Der Controller ist vorzugsweise dazu geeignet und eingerichtet die Ladezustandsänderung der Batterie in Abhängigkeit des bestimmten Arbeitspunkts derart zu steuern und/oder zu regeln, dass die Batterie in einem möglichst optimalen Arbeitspunktbereich betrieben wird.
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Zur Bestimmung des Ladezustands ist es beispielsweise möglich, die Spannung der Batterie (Batteriespannung) zu erfassen und zu überwachen. Insbesondere bei einem Lithium-System, wie beispielsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, sind im Zuge der Ladezustands- oder Arbeitspunktbestimmung Referenzwerte für den Spannungswert des Vollladezustands und des Entladezustands notwendig.
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Die Referenzwerte werden beispielsweise anhand von Erfahrungswerten oder Modellberechnungen bestimmt. Zur Berücksichtigung von beispielsweise Alterungsprozessen der Batterie ist es jedoch zweckmäßig, dass die Referenzwerte regelmäßig rekalibriert werden. Dies bedeutet, dass die Voll- und Entladezustände regelmäßig eingestellt und neu erfasst werden müssen. Dies ist jedoch bereits aus konzeptionellen Anforderungen unerwünscht, insbesondere werden Batterien zur Verbesserung deren Betriebs und Lebensdauer in Fahrzeugumgebungen vorzugsweise bei einem Ladezustand von etwa 70 % betrieben.
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Aus der
EP 1 941 288 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung des Arbeitspunktes einer elektrochemischen Batterie bekannt, bei welchem der Ladezustand der Batterie erfasst wird. Im Betrieb wird der aktuelle Arbeitspunkt der Batterie mittels eines zugehörigen, in Abhängigkeit einer Temperatur und/oder eines Alterungszustandes fortlaufend angepassten, Sollwerts für den Ladezustand eingestellt. Der aktuelle Ladezustand wird beispielsweise mittels Strommessungen des Batteriestroms (Lade- oder Entladestrom) und/oder mittels Spannungsmessungen der Batteriespannung und/oder mittels Temperaturmessungen der (Batterie-)Temperatur bestimmt.
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In der
DE 101 21 962 A1 ist ein Energiemanagementsystem für ein Kraftfahrzeugbordnetz, mit mindestens einer elektrochemischen Batterie und einer Vielzahl von Verbrauchern beschrieben, bei welchem die Energieverteilung unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der einzelnen an Stromerzeugung, Stromspeicherung und Stromverbrauch beteiligten Komponenten gesteuert wird. Hierzu bestimmt das Energiemanagementsystem im Betrieb den aktuellen Ladezustand, die Batterietemperatur sowie die absolute Größe der Batterieströme und stellt einen möglichst optimalen Arbeitspunkt der Batterie ein.
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Die
DE 10 2005 046 342 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Ladezustand und eine Temperatur einer Batterie bestimmt werden und der Ladezustand unter Berücksichtigung der Batterietemperatur mit einem von der Batterietemperatur abhängigen Ladezustand-Schwellwert verglichen wird. In Abhängigkeit eines Schwellwertvergleichs des Ladezustands mit dem Ladezustand-Schwellwert wird die Ausgangsspannung des Generators durch Regelung der Lade- oder Entladeströme der Batterie geregelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem derartig betriebenen Energiespeicher, sowie ein mit einem solchen Batteriesystem ausgestattetes Kraftfahrzeug anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriesystems mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie hinsichtlich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines Energiespeichers geeignet und ausgestaltet. Das Verfahren ist grundsätzlich für Energiespeicher in unterschiedlichen Anwendungen, wie beispielsweise in einem Laptop oder in einem Mobiltelefon oder in einer Taschenlampe geeignet und ausgestaltet. Bevorzugterweise wird das Verfahren insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Der Energiespeicher dient hierbei beispielsweise der elektrischen Energieversorgung eines angeschlossenen Verbrauchers oder Geräts des Kraftfahrzeugs. Der Energiespeicher ist zweckmäßigerweise insbesondere Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass ein Spannungswert einer Energiespeicherspannung des Energiespeichers bestimmt wird. Der Spannungswert ist hierbei vorzugsweise die absolute Größe der Energiespeicherspannung, also der Absolutwert der Energiespeicherspannung, welche beispielsweise mittels einer Spannungsmessung an den elektrischen Anschlüssen (Pluspol, Minuspol) des Energiespeichers erfasst wird.
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Im Zuge einer Ladungszustandsänderung des Energiespeichers, bei welcher der Energiespeicher bei einem Lade- oder Entladevorgang seinen Ladezustand ändert, wird eine Änderungsgeschwindigkeit des Spannungswerts beziehungsweise der Energiespeicherspannung erfasst. Unter der Änderungsgeschwindigkeit ist hierbei insbesondere die zeitliche Änderung des Spannungswerts im Zuge eines Lade- oder Entladevorgangs, also die Lade- oder Entladegeschwindigkeit des Energiespeichers, zu verstehen. Die Änderungsgeschwindigkeit entspricht somit etwa der Steilheit oder der Steigung einer Spannungsflanke im (zeitlichen) Verlauf des Spannungswerts im Zuge einer Ladungszustandsänderung, also einer Anstiegs- oder Abfallsgeschwindigkeit der Energiespeicherspannung beziehungsweise deren Spannungswerts.
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Verfahrensgemäß wird anhand der erfassten Änderungsgeschwindigkeit der Ladezustand des Energiespeichers als Maß für dessen aktuellen Arbeitspunkt bestimmt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs realisiert.
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Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass bestimmte Arbeitspunkte oder Arbeitspunktbereiche beziehungsweise Ladezustände oder Ladezustandsbereiche eines Energiespeichers unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten der Energiespeicherspannung aufweisen. Mit anderen Worten ist die Änderungsgeschwindigkeit eine den Ladezustand beziehungsweise den Arbeitspunkt bestimmende Zustandsgröße des Energiespeichers.
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Dies bedeutet, dass bei einem Energiespeicher sowohl bei einer Ladung als auch bei einer Entladung erkennbar ist, dass in bestimmten Ladezustandsbereichen (SoC-Bereichen) jeweils eine unterschiedliche Anstiegs- beziehungsweise Abfallsgeschwindigkeit bei der Energiespeicherspannung existiert. Somit ist es durch eine Auswertung der Änderungsgeschwindigkeit in einfacher Art und Weise möglich, besonders zuverlässig einen Wert für den Ladezustand, und somit den aktuellen Arbeitspunkt des Energiespeichers, zu bestimmen oder zumindest mit hoher Wahrscheinlichkeit zu bestimmen.
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So ist es beispielsweise im Zuge eines (Auf-)Ladevorgangs möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Energiespeicherspannung über der Ladezustandszunahme (SoC-Zunahme) auszuwerten, und somit zu bestimmen, ob ein gewünschter Arbeitspunkt des Energiespeichers erreicht ist. Insbesondere ist es somit möglich, auch durch eine Bewertung eines absoluten Spannungswerts der Energiespeicherspannung, beziehungsweise dessen zeitlichen Verlaufs, den jeweils aktuellen Arbeitspunkt des Energiespeichers zu bestimmen.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Ladezustand oder der Arbeitspunkt des Energiespeichers somit im Wesentlichen mittels einer einfachen und aufwandsarmen Spannungsmessung bestimmt. Dadurch ist es möglich, den Arbeitspunkt der Batterie im Wesentlichen unabhängig zu bestimmen. Insbesondere ist es somit möglich, den Arbeitspunkt im Betrieb der Batterie ohne eine Rekalibrierung zu bestimmen. Dadurch ist ein besonders aufwand- und bauteilreduziertes, und somit besonders kostengünstiges, Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Batterie realisiert.
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Des Weiteren ist es beispielsweise möglich, mittels einer Erkennung einer Veränderung des Arbeitspunktes und unter Verwendung eines Temperaturmodells zusätzlich die Alterung des Energiespeichers zu ermitteln oder zumindest zu schätzen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Energiespeicher eine elektrochemische Batterie verwendet. Unter einer elektrochemischen Batterie ist insbesondere ein sekundärer, wiederaufladbarer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Akkumulator, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator, zu verstehen. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und zweckmäßige Ausführung des Verfahrens realisiert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Ladungszustandsänderung des Energiespeichers oder der Batterie anhand des bestimmten Ladezustands gesteuert und/oder geregelt. Mit anderen Worten wird der Lade- oder Entladevorgang des Energiespeichers anhand des aktuellen Ladezustands oder Arbeitspunkts eingestellt und/oder geregelt. Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, einen gewünschten, insbesondere hinsichtlich einer Effizienz und Lebensdauer möglichst optimalen, Arbeitspunkt des Energiespeichers einzustellen. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb des Energiespeichers realisiert.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird der bestimmte Ladezustand mit einem hinterlegten Sollwert verglichen und die Ladezustandsänderung des Energiespeichers beendet, wenn der Ladezustand den Sollwert erreicht. Dadurch wird auf einfache Art und Weise gewährleistet, dass der Energiespeicher stets an einem möglichst optimalen Arbeitspunkt beziehungsweise in einem möglichst optimalen Arbeitspunktbereich betrieben wird. Der Sollwert für den optimalen Arbeitspunkt ist hierbei insbesondere hinsichtlich der Technologie und/oder Chemie des verwendeten Energiespeichers gewählt. Bei einer elektrochemischen Batterie, insbesondere bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator eines Kraftfahrzeugs, ist der Sollwert beispielsweise gleich einem Ladezustand von etwa 70 %.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform ist es beispielsweise denkbar, dass der bestimmte Ladezustand mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen wird, wobei die Ladezustandsänderung anhand eines jeweiligen Schwellwertvergleichs gesteuert und/oder geregelt wird. Die Schwellwerte sind hierbei insbesondere hinsichtlich einer Vermeidung einer Tiefentladung und/oder einer Überladung gewählt. So ist es beispielsweise denkbar einen ersten, vergleichsweise niedrigen Schwellwert als Tiefentladungs-Schwellwert, beispielsweise bei einem Ladezustand von 30 %, und einen zweiten, vergleichsweise hohen Schwellwert als Überladungs-Schwellwert, beispielsweise bei einem Ladezustand von 90 %, vorzugeben. Zweckmäßigerweise wird die Ladezustandsänderung beendet, wenn der bestimmte aktuelle Ladezustand des Energiespeichers den Tiefentladungs-Schwellwert erreicht oder unterschreitet, oder wenn der bestimmte aktuelle Ladezustand des Energiespeichers den Überladungs-Schwellwert erreicht oder überschreitet. Dadurch wird ein besonders zuverlässiger und betriebssicherer Betrieb des Energiespeichers gewährleistet. Insbesondere wird durch den Betrieb im optimalen Arbeitspunkt oder Arbeitspunktbereich des Energiespeichers die Effektivität und Lebensdauer des Energiespeichers vorteilhaft erhöht.
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Zum Zwecke einer besonders zuverlässigen und betriebssicheren Bestimmung des Ladezustands ist es in einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der Spannungswert beziehungsweise die Änderungsgeschwindigkeit der Energiespeicherspannung während einer Ladungszustandsänderung des Energiespeichers kontinuierlich erfasst wird. Mit anderen Worten wird der Spannungswert beziehungsweise die Energiespeicherspannung kontinuierlich, also im Wesentlichen unterbrechungsfrei, während eines Lade- oder Entladevorgangs des Energiespeichers überwacht.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens einen Energiespeicher, beispielsweise eine elektrochemische Batterie, auf. Das Batteriesystem ist insbesondere für die elektrische Versorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Das Bordnetz ist beispielsweise ein 12 V-Bordnetz, wobei das Batteriesystem beispielsweise lediglich einen Energiespeicher aufweist. Ebenso denkbar ist auch ein Batteriesystem für ein 48 V-Bordnetz oder für ein Bordnetz höherer Bordnetzspannung, wobei hierbei zweckmäßigerweise eine Anzahl von einzelnen Energiespeichern oder elektrochemischen Batterien miteinander elektrisch gekoppelt sind.
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Das Batteriesystem weist weiterhin einen Controller, also ein Batterie- oder Energiespeichersteuergerät, auf, welcher/s zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet ist. Durch die Bestimmung des oder jedes Ladezustands anhand der Änderungsgeschwindigkeit der Energiespeicherspannung des Energiespeichers ist ein für automobile Anwendungen besonders geeignetes Batteriesystem gebildet, welches hinsichtlich der Leistung, der Lebenszeit, der Reichweite sowie der Sicherheitseigenschaften verbessert ist.
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Der Controller ist hierbei allgemein programm- und/oder schaltungstechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Spannungswert der Energiespeicherspannung des Energiespeichers zu bestimmen und im Zuge einer Ladungszustandsänderung anhand der Änderungsgeschwindigkeit des Spannungswerts den aktuellen Ladezustand des Energiespeichers zu bestimmen. Dadurch ist ein Maß für den oder jeden aktuellen Arbeitspunkt oder Arbeitspunktbereich des Energiespeichers und somit des Batteriesystems in einfacher Art und Weise bestimmbar.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Microcontroller mit einem Prozessor und mit einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, sodass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Kraftfahrzeugnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Microcontroller automatisch durchgeführt wird.
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Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht die Verwendung eines solchen Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug vor. Dadurch ist eine besonders geeignete Energieversorgung von batterie- oder energiespeicherbetriebenen Verbrauchern und Geräten des Kraftfahrzeugs realisiert. Dies überträgt sich in der Folge insbesondere vorteilhaft auf den Benutzerkomfort des Kraftfahrzeugs. Dadurch ist ein besonders geeignetes Kraftfahrzeug realisiert.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz umfassend ein Batteriesystem als Energiespeicher, und
- 2 ein Ladezustand- und Zeit-Spannungswert-Diagramm einer Batterie des Batteriesystems.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung ein Kraftfahrzeug 2, welches beispielsweise als ein Hybridfahrzeug ausgeführt ist. Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Bordnetz 4, 6 auf, welches in ein Niedrigspannungsnetz 4 mit einer vergleichsweise niedrigen Bordnetzspannung und in ein Hochspannungsnetz 6 mit einer vergleichsweisen hohen Bordnetzspannung unterteilt ist. Das Niedrigspannungsnetz 4 und das Hochspannungsnetz 6 sind hierbei mittels eines DC-DC-Wandlers 8 elektrisch miteinander gekoppelt. Der DC-DC-Wandler 8 ist hierbei mittels eines Controllers 10 als Energiemanagement-Steuergerät gesteuert und/oder geregelt.
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Das Niedrigspannungsnetz 4 weist ein Batteriesystem 12 mit einer elektrochemischen Batterie 14 als Energiespeicher auf. Die Batterie 14 ist beispielsweise als ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Nennspannung von etwa 12 V ausgeführt. Der Batterie 14 ist ein Controller 16 als Batteriesteuergerät des Batteriesystems 12 zugeordnet. Der Controller 16 ist mit einem Spannungsmesser 18 ausgeführt, welcher einen absoluten Spannungswert UMess der Batteriespannung oder Energiespeicherspannung der Batterie 14 erfasst.
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Das Niedrigspannungsnetz 4 weist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weiterhin einen lediglich beispielhaft dargestellten elektrischen Verbraucher 20 des Kraftfahrzeugs 2 sowie einen Startergenerator 22 zum Starten eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs 2 auf.
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Das Hochspannungsnetz 6 weist beispielsweise eine Bordnetzspannung von etwa 300 V auf, welches zum Betrieb eines nicht näher dargestellten elektromotorischen Antriebs des Kraftfahrzeugs 2 geeignet und eingerichtet ist. Der DC-DC-Wandler 8 dient hierbei der Anpassung der unterschiedlichen Spannungsniveaus der Bordnetze 4, 6 und ist zweckdienlicherweise als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgeführt. Somit ist durch den DC-DC-Wandler 8 ein elektrischer Leistungstransport von dem Niedrigspannungsnetz 4 zum Hochspannungsnetz 6 und umgekehrt möglich. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass im Zuge eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs des elektromotorischen Antriebs elektrische Energie aus dem Hochspannungsnetz 6 in das Niedrigspannungsnetz 4 und somit in das Batteriesystem 12 beziehungsweise die Batterie 14 eingespeist wird.
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Nachfolgend ist anhand der 2 ein Verfahren zum Betrieb der Batterie 14 des Batteriesystems 12 beschrieben.
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Die 2 zeigt ein kombiniertes Ladezustand- beziehungsweise Zeit-Spannungswert-Diagramm, wobei entlang einer ersten horizontalen Abszissenachse (x-Achse) ein Ladezustand LZ der Batterie 14 in Prozent und entlang einer zweiten horizontalen Abszissenachse eine Zeit t aufgetragen ist. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) ist der Spannungswert UMess als absolute Größe der Energiespeicherspannung oder der Batteriespannung der Batterie 14 in Volt gezeigt. In dem Diagramm der 2 ist eine Kurve 24 dargestellt, welche den Verlauf des Spannungswerts UMess der Batteriespannung für unterschiedliche Ladezustände LZ bzw. Zeitpunkte t der Batterie 14 schematisch darstellt.
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In dem Beispiel der 2 ist mittels vertikaler strichlinierter Linien ein gewünschter Arbeitsbereich oder Arbeitspunktbereich B der Batterie 14 gezeigt, in welchem die Batterie 14 besonders effektiv betreibbar ist. Der Arbeitspunktbereich B entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einem Ladezustandsbereich zwischen einem Ladezustand LZ von etwa 65 % und einem Ladezustand LZ von etwa 75 %. Der (optimale) Arbeitspunktbereich B variiert hierbei in Abhängigkeit der verwendeten Technologie und Chemie des Energiespeichers oder der Batterie 14.
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Im Betrieb des Batteriesystems 12 beziehungsweise im Betrieb der Batterie 14 findet funktionsgemäß eine Ladungszustandsänderung der Batterie 14 statt, bei welcher sich im Zuge eines Lade- oder Entladevorgangs der Ladezustand LZ der Batterie 14 ändert. Mit anderen Worten ist der Ladezustand LZ der Batterie 14 im Betrieb eine zeitlich veränderliche Größe.
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Wie in der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist die Batterie 14 bei bestimmten Arbeitspunkten oder Arbeitspunktbereichen beziehungsweise Ladezuständen oder Ladezustandsbereichen unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten der Batteriespannung beziehungsweise des Spannungswerts UMess auf. Unter der Änderungsgeschwindigkeit ist hierbei insbesondere die zeitliche oder ladezustandsabhängige Änderung des Spannungswerts UMess im Zuge eines Lade- oder Entladevorgangs, also die Lade- oder Entladegeschwindigkeit der Batterie, zu verstehen.
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Die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt, also das Verhältnis einer (Spannungswert-)Änderung ΔU des Spannungswerts UMess über einem Zeitintervall Δt, entspricht im Wesentlichen einer Änderungsgeschwindigkeit ΔU/ΔLZ, also dem Verhältnis der Spannungswertänderung ΔU über einer (Ladezustands-)Änderung ΔLZ. Die Änderungsgeschwindigkeiten ΔU/Δt beziehungsweise ΔU/ΔLZ sind in der 2 beispielhaft für den Arbeitspunktberiech B gezeigt.
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Im Betrieb des Batteriesystems 12 wird der Spannungswert UMess der Batteriespannung der Batterie 14 im Wesentlichen kontinuierlich mittels des Spannungsmessers 18 erfasst und von dem Controller 16 ausgewertet. Der Controller 16 erfasst und überwacht somit den zeitlichen Verlauf des Spannungswerts UMess der Batterie 14. Dies bedeutet, dass der Controller 16 im Zuge einer Ladezustandsänderung ΔLZ die (zeitliche) Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt auswertet. Der Controller 16 ist dafür geeignet und eingerichtet anhand der Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt ein Maß für den aktuellen Ladezustand LZ der Batterie 14 und somit ein Maß für den aktuellen Arbeitspunkt zu bestimmen. Hierzu ist beispielsweise der Verlauf der Kurve 24 in einem Speicher des Controllers 16 hinterlegt.
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Im Speicher des Controllers 16 ist vorzugsweise der gewünschte Arbeitspunktbereich B oder ein einzelner Arbeitspunkt P, beispielsweise bei einem Ladezustand LZ von 70 %, als Sollwert hinterlegt. Der Controller 16 bestimmt anhand der erfassten Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt den jeweils aktuellen Ladezustand LZ oder Arbeitspunkt und vergleicht diesen mit dem gewünschten Arbeitspunkt P oder Arbeitspunktbereich B. Ein resultierendes Vergleichsergebnis 26 wird von dem Controller 16 an den Controller 10 übermittelt. Der Controller 10 generiert anhand des Vergleichsergebnisses 26 ein Steuer- und/oder Regelsignal 28 für den DC-DC-Wandler 8.
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Bei einem Ladevorgang wird der Ladezustand LZ sowie der Spannungswert UMess der Batteriespannung der Batterie 14 kontinuierlich erhöht, beispielsweise im Zuge eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs des elektromotorischen Antriebs des Hochspannungsnetzes 6. Erfasst der Controller 16 hierbei eine Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt, welche der Änderungsgeschwindigkeit ΔU/ΔLZ in dem gewünschten Arbeitspunktbereich B entspricht, so wird dies mittels des Vergleichsergebnisses 26 an den Controller 10 übermittelt. Daraufhin steuert der Controller 10 den DC-DC-Wandler 8 insbesondere derart an, dass der Ladevorgang der Batterie 14 beendet wird.
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Entsprechend wird beispielsweise bei einem Entladevorgang, bei welchem Energie aus der Batterie 14 in das Hochspannungsnetz 6 eingespeist wird, der Entladevorgang von dem Controller 10 beendet, wenn der Controller 16 eine Änderungsgeschwindigkeit ΔU/Δt erfasst, welche der Änderungsgeschwindigkeit ΔU/ΔLZ in dem gewünschten Arbeitspunktbereich B entspricht.
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Durch die Steuerung und/oder Regelung seitens des Controllers 10 und/oder des Controllers 16 wird sichergestellt, dass das Batteriesystem 12 beziehungsweise dessen Batterie 14 auf den Arbeitspunktbereich B oder einen einzelnen Arbeitspunkt P als Sollwert eingestellt und/oder geregelt wird. Entspricht der bestimmte aktuelle Ladezustand LZ dem Sollwert P oder dem gewünschten Arbeitspunktbereich B so wird die Ladezustandsänderung ΔLZ beendet.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1941288 B1 [0009]
- DE 10121962 A1 [0010]
- DE 102005046342 A1 [0011]
