DE102018201032A1 - Method for operating an electrical energy store - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers, wobei ein Entladevorgang (L1, L2, L3, L4) durchgeführt wird, bei welchem der elektrische Energiespeicher mit einem definierten Entladestrom entladen wird; eine dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs (L1, L2, L3, L4) entnommene Energie (E1, E2, E3, E4) ermittelt wird; die ermittelte entnommene Energie (E1, E2, E3, E4) mit einem Grenzwert (G1, G2, G3, G4) verglichen wird; und eine Meldung generiert wird, wenn die ermittelte entnommene Energie (E1, E2, E3, E4) kleiner ist als der Grenzwert (G1, G2, G3, G4).The invention relates to a method for operating an electrical energy store, wherein a discharging process (L1, L2, L3, L4) is carried out in which the electrical energy store is discharged with a defined discharge current; an energy (E1, E2, E3, E4) removed from the electrical energy store during the discharging process (L1, L2, L3, L4) is determined; the determined extracted energy (E1, E2, E3, E4) is compared with a limit value (G1, G2, G3, G4); and a message is generated when the detected extracted energy (E1, E2, E3, E4) is less than the limit value (G1, G2, G3, G4).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers. Das erfindungsgemäße Verfahren dient unter anderem zur Diagnose des elektrischen Energiespeichers, welcher insbesondere einen hybriden Superkondensator umfasst, und welcher in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.The invention relates to a method for operating an electrical energy store. The method according to the invention is used inter alia for the diagnosis of the electrical energy store, which in particular comprises a hybrid supercapacitor, and which is used in a motor vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Ein Kraftfahrzeug weist einen elektrischen Energiespeicher auf. Bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor dient der elektrische Energiespeicher unter anderem als Starterbatterie sowie zum Betreiben eines elektromechanischen Bremssystems. Als elektrische Energiespeicher kommen beispielsweise konventionelle Bleiakkumulatoren, beziehungsweise Blei-Säure-Batterien, aber auch Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Batteriesysteme in Kraftfahrzeugen sind dabei derart auszulegen, dass sie den Anforderungen der Automobilhersteller hinsichtlich verfügbarer Energie und abrufbarer Leistung gerecht werden.A motor vehicle has an electrical energy store. In a motor vehicle with an internal combustion engine, the electrical energy store is used inter alia as a starter battery and for operating an electromechanical brake system. As electrical energy storage, for example, conventional lead-acid batteries, or lead-acid batteries, but also lithium-ion batteries are used. Battery systems in motor vehicles are to be designed in such a way that they meet the requirements of automobile manufacturers with regard to available energy and retrievable power.
Neben den allgemein bekannten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen elektrochemische Kondensatoren, auch Superkondensatoren (SC) genannt, eine immer größer werdende Rolle. Bereits auf dem Markt erhältliche Superkondensatoren werden sowohl für automobile Anwendungen als auch für stationäre Systemen verwendet. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich anhand ihrer Energie- und Leistungsdichte charakterisieren. Generell weisen Superkondensatoren eine höhere Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Somit werden Lithium-Ionen-Batterien für energieintensive Anwendungen und Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen bevorzugt.In addition to the well-known lithium-ion batteries (LIB) play electrochemical capacitors, also called supercapacitors (SC), an increasingly important role. Supercapacitors already available on the market are used both for automotive applications and for stationary systems. Electrochemical energy stores can be characterized by their energy and power density. In general, supercapacitors have a higher power density and a lower energy density than lithium-ion batteries. Thus, lithium ion batteries are preferred for energy intensive applications and supercapacitors for high power applications.
Generell unterteilen sich Superkondensatoren in „Electric Double Layer Capacitors“ (EDLC), „Pseudocapacitors“ und hybride Superkondensatoren (HSC). „Electric Double Layer Capacitors“ sowie „Pseudocapacitors“ weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte, aber eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Hybride Superkondensatoren hingegen besitzen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und eine verhältnismäßig hohe Energiedichtedichte. Hybride Superkondensatoren weisen somit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und von Superkondensatoren auf.In general, supercapacitors are divided into "Electric Double Layer Capacitors" (EDLC), "Pseudocapacitors" and hybrid supercapacitors (HSC). "Electric Double Layer Capacitors" and "Pseudocapacitors" have a relatively high power density, but a relatively low energy density. By contrast, hybrid supercapacitors have a relatively high power density and a relatively high energy density. Hybrid supercapacitors thus have properties of lithium-ion batteries and supercapacitors.
Unter anderem beim Betreiben von elektromechanischen Bremssystemen sind insbesondere hybride Superkondensatoren vorteilhaft als zusätzlicher elektrischer Energiespeicher einsetzbar. Bei Ausfall des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist in dem hybriden Superkondensator noch genügend Energie gespeichert um mindestens einen Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs durchzuführen. Hybride Superkondensatoren haben eine begrenzte Lebensdauer, die von verschiedenen Parametern abhängt. Eine genaue Vorhersage der Lebensdauer ist schwierig. Bei einer sicherheitsrelevanten Anwendung ist es jedoch erforderlich, einen Ausfall des Energiespeichers vorherzusagen und rechtzeitig einen Austausch durchzuführen.Among other things, in the operation of electromechanical brake systems in particular hybrid supercapacitors are advantageously used as additional electrical energy storage. In case of failure of the vehicle electrical system of the motor vehicle enough energy is stored in the hybrid supercapacitor to perform at least one braking operation of the motor vehicle. Hybrid supercapacitors have a limited lifetime, depending on various parameters. Accurate life prediction is difficult. In a safety-relevant application, however, it is necessary to predict a failure of the energy storage and to carry out an exchange in good time.
Aus der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers vorgeschlagen. Der elektrische Energiespeicher dient beispielsweise zum Betreiben eines elektromechanischen Bremssystems in einem Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem Ausfall des übrigen elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs.A method for operating an electrical energy store is proposed. The electrical energy store is used for example for operating an electromechanical brake system in a motor vehicle, in particular after a failure of the rest of the electrical system of the motor vehicle.
Erfindungsgemäß wird ein Entladevorgang durchgeführt, bei welchem der elektrische Energiespeicher mit einem definierten Entladestrom entladen wird. Ein solcher kontrollierter Entladevorgang kann beispielsweise nach jedem Abstellen des Kraftfahrzeugs, beziehungsweise nach jedem Abschalten des Motors des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.According to the invention, a discharging process is carried out in which the electrical energy store is discharged with a defined discharge current. Such a controlled discharge process can be performed, for example, after each shutdown of the motor vehicle, or after each shutdown of the engine of the motor vehicle.
Während des Entladevorgangs wird dabei eine dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie ermittelt. Die dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie entspricht dabei einer Energie, die nach einem Ausfall des übrigen elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs zum Betreiben des elektromechanischen Bremssystems des Kraftfahrzeugs verfügbar wäre.During the discharging process, an energy taken from the electrical energy store is determined. The energy taken from the electrical energy storage corresponds to an energy that after a failure of the rest of the electrical system of the motor vehicle would be available to operate the electromechanical braking system of the motor vehicle.
Die so ermittelte, dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie wird dann mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert entspricht beispielsweise einer Energie, die nach einem Ausfall des übrigen elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs zum Betreiben des elektromechanischen Bremssystems erforderlich wäre.The thus determined, the electrical energy storage removed energy is then compared with a limit. The limit value corresponds for example to energy that would be required to operate the electromechanical brake system after a failure of the rest of the electrical system of the motor vehicle.
Wenn die ermittelte, dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie kleiner ist als der Grenzwert, so wird eine entsprechende Meldung generiert. Die besagte Meldung ist beispielsweise eine optische und/oder akustische Anzeige durch ein Infotainment-System des Kraftfahrzeugs, durch eine Warnlampe und/oder durch eine externe dritte Einheit wie beispielsweise ein Smartphone und dient zur Information des Fahrers.If the determined energy taken from the electrical energy store is smaller than the limit value, a corresponding message is generated. Said message is for example an optical and / or acoustic display by an infotainment system of the motor vehicle, by a warning lamp and / or by an external third unit such as a smartphone and is used to inform the driver.
Wenn die dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie kleiner ist als der besagte Grenzwert, so weist der elektrische Energiespeicher nicht mehr ausreichend Energie auf, um nach einem Ausfall des übrigen elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs das elektromechanische Bremssystem zu betreiben. In diesem Fall ist von einem baldigen Ausfall des elektrischen Energiespeichers auszugehen und es sollte rechtzeitig ein Austausch durchgeführt werden, um einen weiteren sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.If the energy taken from the electrical energy store is less than the said limit value, then the electrical energy store no longer has sufficient energy to operate the electromechanical brake system after a failure of the rest of the electrical system of the motor vehicle. In this case, it is to be assumed that the electrical energy store will soon fail, and replacement should be carried out in good time in order to ensure further safe operation of the motor vehicle.
Die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers ist beispielsweise von einer Betriebstemperatur, einem regelmäßig genutzten Ladezustand sowie einem Spannungsniveau abhängig. Aber auch eine regelmäßige Ladegeschwindigkeit sowie Entladegeschwindigkeit und eine Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen hat Einfluss auf die Lebensdauer.The life of the electrical energy storage device depends, for example, on an operating temperature, a regularly used state of charge and a voltage level. But even a regular charging speed and discharge speed and a number of charge-discharge cycles has an impact on the life.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bleibt der Entladestrom während des Entladevorgangs konstant. Es hat sich gezeigt, dass mit einem konstanten Entladestrom eine Betätigung des elektromechanischen Bremssystems des Kraftfahrzeugs verhältnismäßig gut nachgebildet werden kann. Ferner ist der Rechenaufwand zur Bestimmung der dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie vereinfacht, wenn der Entladestrom während des Entladevorgangs konstant bleibt.According to an advantageous embodiment of the invention, the discharge current remains constant during the discharge process. It has been found that with a constant discharge current, an actuation of the electromechanical brake system of the motor vehicle can be simulated relatively well. Furthermore, the calculation effort for determining the energy taken from the electrical energy store is simplified if the discharge current remains constant during the discharge process.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Entladevorgänge des elektrischen Energiespeichers zeitlich unmittelbar nacheinander durchgeführt, beispielsweise nach dem Abschalten des Motors des Kraftfahrzeugs und vor einem erneuten Starten des Motors des Kraftfahrzeugs. Dabei wird nach einem zuvor durchgeführten Entladevorgang der elektrische Energiespeicher wieder aufgeladen, und ein weiterer Entladevorgang wird durchgeführt, bei welchem der elektrische Energiespeicher wieder mit einem definierten Entladestrom entladen wird.According to an advantageous development of the invention, a plurality of discharging operations of the electrical energy store are carried out chronologically immediately after each other, for example after switching off the engine of the motor vehicle and before restarting the engine of the motor vehicle. In this case, the electrical energy storage is recharged after a previously carried out discharge, and a further discharge is performed, in which the electrical energy storage is discharged again with a defined discharge current.
Dabei wird eine dem elektrischen Energiespeicher während des weiteren Entladevorgangs entnommene Energie ermittelt, und die ermittelte, dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie wird mit einem Grenzwert verglichen. Es wird auch eine entsprechende Meldung generiert, wenn die ermittelte, dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie kleiner ist als dieser Grenzwert. Der Entladestrom bei dem weiteren Entladevorgang ist dabei von dem Entladestrom bei dem zuvor durchgeführten Entladevorgang verschieden.In this case, an energy taken from the electrical energy store during the further discharge process is determined, and the determined energy removed from the electrical energy store is compared with a limit value. A corresponding message is also generated if the determined energy removed from the electrical energy store is smaller than this limit value. The discharge current during the further discharge process is different from the discharge current during the previously performed discharge process.
Vorteilhaft wird während des Entladevorgangs eine Zeitspanne gemessen, bis zu welcher der elektrische Energiespeicher entladen ist. Die dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs entnommene Energie wird dann aus dem definierten Entladestrom und der gemessenen Zeitspanne ermittelt. Für die dem elektrischen Energiespeicher entnommene Energie gilt:
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auch eine von dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs erbrachte Leistung ermittelt. Die dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs entnommene Energie und die von dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs erbrachte Leistung können dabei vorteilhaft in einem Ragone-Diagramm dargestellt werden. Aus dem Ragone-Diagramm kann eine verbleibende Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers abgelesen und somit gegebenenfalls ein baldiger Ausfall des elektrischen Energiespeichers vorhergesagt werden.According to a preferred embodiment of the invention, a power provided by the electrical energy store during the discharging process is also determined. The energy taken from the electrical energy store during the discharging process and the power delivered by the electrical energy store during the discharging process can advantageously be represented in a ragone diagram. From the ragone diagram can be read a remaining life of the electrical energy storage and thus possibly a rapid failure of the electrical energy storage can be predicted.
Dazu wird vorzugsweise während des Entladevorgangs eine an dem elektrischen Energiespeicher anliegende Spannung gemessen, und die von dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs erbrachte Leistung wird aus dem definierten Entladestrom und der gemessenen Spannung ermittelt. Für die von dem elektrischen Energiespeicher erbrachte Leistung gilt:
Zusätzlich kann aus der von dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs erbrachten Leistung und einem Gewicht des elektrischen Energiespeichers eine Leistungsdichte des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden. Für die Leistungsdichte des elektrischen Energiespeichers gilt:
Ebenso kann zusätzlich aus der dem elektrischen Energiespeicher während des Entladevorgangs entnommenen Energie und einem Gewicht des elektrischen Energiespeichers eine Energiedichte des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden. Für die Energiedichte des elektrischen Energiespeichers gilt:
Auch die ermittelte Energiedichte des elektrischen Energiespeichers und die ermittelte Leistungsdichte des elektrischen Energiespeichers können vorteilhaft in einem Ragone-Diagramm dargestellt werden. Auch aus diesem Ragone-Diagramm kann eine verbleibende Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers abgelesen und somit gegebenenfalls ein baldiger Ausfall des elektrischen Energiespeichers vorhergesagt werden.Also, the determined energy density of the electrical energy storage and the determined power density of the electrical energy storage can be advantageously represented in a ragone diagram. Also from this Ragone diagram can read a remaining life of the electrical energy storage and thus possibly a speedy failure of the electrical energy storage can be predicted.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft anwendbar, wenn der elektrische Energiespeicher mindestens einen hybriden Superkondensator umfasst.The method according to the invention can be used particularly advantageously if the electrical energy store comprises at least one hybrid supercapacitor.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhaft Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor.The inventive method is advantageously used in a motor vehicle, in particular in a motor vehicle with an internal combustion engine.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine verhältnismäßig genaue Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer sowie eines baldigen Ausfalls des elektrischen Energiespeichers. Somit kann der elektrische Energiespeicher rechtzeitig ausgetauscht werden, wenn der elektrische Energiespeicher nicht mehr ausreichend Energie aufweist, um nach einem Ausfall des übrigen elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs das elektromechanische Bremssystem zu betreiben. Der Entladevorgang kann vorteilhaft durchgeführt werden, wenn das Kraftfahrzeug abgestellt ist, beziehungsweise wenn der Motor des Kraftfahrzeugs abgeschaltet ist. Der Entladevorgang kann also in einer Zeit durchgeführt werden, wenn das elektromechanische Bremssystem nicht benötigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei auch verhältnismäßig einfach durchführbar. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist keine hohe Rechenleistung erforderlich.The inventive method allows a relatively accurate prediction of the remaining life and a rapid failure of the electrical energy storage. Thus, the electrical energy storage can be replaced in time if the electrical energy storage no longer has sufficient energy to operate after a failure of the rest of the electrical system of the motor vehicle, the electromechanical braking system. The discharging process can advantageously be carried out when the motor vehicle is switched off, or when the motor of the motor vehicle is switched off. The discharge process can therefore be carried out in a time when the electromechanical brake system is not needed. The inventive method is also relatively easy to carry out. For performing the method according to the invention no high computing power is required.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs und -
2 ein beispielhaftes Ragone-Diagramm über mehrere Entladevorgänge eines elektrischen Energiespeichers.
-
1 a schematic representation of a vehicle electrical system of a motor vehicle and -
2 an exemplary Ragone diagram over several discharges of an electrical energy storage.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
Das Bordnetz
Das Bordnetz
Ein hybrider Superkondensator des elektrischen Energiespeichers
Der hybride Superkondensator umfasst beispielsweise einen viskosen Elektrolyt. Bei dem viskosen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um ein Carbonat, eine ionische Flüssigkeit oder einen Gel-Elektrolyt. Ein hybrider Superkondensator kann auch einen festen Elektrolyt umfassen. Bei dem festen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um einen Polymer-Elektrolyt. Der Separator des hybriden Superkondensators ist aus einem isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethen und Polyvinylidenfluorid. Ferner kann der Separator keramische Materialien umfassen.The hybrid supercapacitor includes, for example, a viscous electrolyte. The viscous electrolyte is, for example, a carbonate, an ionic liquid or a gel electrolyte. A hybrid supercapacitor may also comprise a solid electrolyte. The solid electrolyte is, for example, a polymer electrolyte. The separator of the hybrid supercapacitor is formed of an insulating material having a porous structure. Suitable materials are in particular polymers, such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethene and polyvinylidene fluoride. Furthermore, the separator may comprise ceramic materials.
Das Bordnetz
Zur Diagnose des elektrischen Energiespeichers
Die dem elektrischen Energiespeicher
Zunächst wird mittels der Entladeeinheit
Während des ersten Entladevorgangs
Ferner wird aus dem definierten Entladestrom
Anschließend wird der elektrische Energiespeicher
Dann wird der elektrische Energiespeicher
Auch wird der elektrische Energiespeicher
Die Entladeströme
In dem Ragone-Diagramm sind ferner Datenpaare dargestellt, welche einem ersten Referenz-Entladevorgang
Der Entladestrom
Die dem Referenz-Energiespeicher
Die dem elektrischen Energiespeicher
In dem Ragone-Diagramm sind ferner Datenpaare dargestellt, welche einem ersten Neu-Entladevorgang
Der Entladestrom
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2014/0129163 A1 [0006]US 2014/0129163 A1 [0006]
- US 2012310565 A1 [0007]US 2012310565 A1 [0007]
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