DE102018221666A1

DE102018221666A1 - Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung eines elektrochemischen Energiespeichersystems

Info

Publication number: DE102018221666A1
Application number: DE102018221666.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Becker; Florian Stief; Christoph KROENER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US11349160B2; CN111326808A; US20200259221A1

Abstract

Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung eines elektrochemischen Energiespeichersystems mittels eines Abkühlverhaltens mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung eines elektrochemischen Energiespeichersystems, einem elektrochemischen Energiespeichersystem sowie einer Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die Druckschrift US 5 955 869 offenbart ein Verfahren zum Überwachen der verbleibenden Kapazität eines Akkupacks. Bei dieser Methode werden zwei verschiedene Verfahren verwendet, um die verbleibende Kapazität zu schätzen. In einem ersten Verfahren werden die auf dem Akkupack erzeugten Daten verwendet, um die verbleibende Akkukapazität zu schätzen; und in der zweiten Prozedur werden Daten, die von einem Host-Gerät an das Batteriepaket übertragen werden, verwendet, um die verbleibende Batteriekapazität zu schätzen. Der Akku wechselt zwischen diesen beiden Verfahren unter definierten Bedingungen. und bei der bevorzugten Ausführungsform, die in der vorliegenden Beschreibung ausführlich beschrieben wird, wechselt der Batterieblock von der ersten Prozedur zu der zweiten Prozedur, wenn der Batteriestrom einen Schwellenwert unterschreitet.
Die Druckschrift US 2018/183252 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Batteriezustands einer elektronischen Vorrichtung bereitgestellt. Die elektronische Vorrichtung umfasst eine Batterie, eine Ladeschaltung zum Laden der Batterie, eine Messschaltung zum Prüfen eines Zustands der Batterie und einen Prozessor, der zum Laden der Batterie unter Verwendung der Ladeschaltung konfiguriert ist, um festzustellen, ob der Ladevorgang eine voreingestellte Bedingung erfüllt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Plausibilisieren mittels eines Abkühlverhaltens mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers erfolgt, umfassend folgende Schritte:

a) Erfassen einer Umgebungstemperatur T_Env des elektrochemischen Energiespeichers;
b) Erfassen einer Temperatur T_t0 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers;
c) Erfassen einer Temperatur T_t1 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn einer Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers;
d) Berechnen einer Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Formel $t_{o f f} = - τ * ln (\frac{T_{t 1} - T_{E n v}}{T_{t 0} - T_{E n v}}),$
wobei τ eine Systemkonstante ist, welche Materialeigenschaften des elektrochemischen Energiespeichers gemäß $τ = \frac{m * c_{p}}{α * A}$
umfasst, wobei m eine Masse, A eine Kontaktfläche, α eine thermische Leitfähigkeit und c_p eine spezifische Wärmekapazität des elektrochemischen Energiespeichers ist;
e) Bestimmen eines Gesamtfehlers der Berechnung der Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Formel $Δ t_{o f f}^{e r r} = Δ t_{1} + Δ t_{2} + Δ t_{3},$
wobei Δt₁ einen Temperaturmessfehler bei der Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers, Δt₂ einen Temperaturmessfehler zu Beginn der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers und Δt₃ einen Temperaturmessfehler der Umgebungstemperatur umfasst;
f) Plausibilisieren der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung durch Vergleich einer durch die elektronische Schaltung zur Zeitmessung gemessenen Dauer $t_{o f f}^{C l o c k}$
der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers mit der berechneten Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers;
g) Erkennen eines Fehlers der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung, wenn $Δ t_{o f f}^{e r r} < | t_{o f f}^{C l o c k} - t_{o f f} |$
ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung umfasst ferner umfassend folgenden Schritt:

h) Erzeugen eines elektrischen, optischen, akustischen und/oder haptischen Signals, wenn ein Fehler der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung erkannt wird.

Dadurch kann beispielsweise bei Erkennen eines Fehler der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung ein Benutzer des elektrochemischen Energiespeichersystems gewarnt und/oder der Fehler für Servicezwecke gespeichert werden.
Ein elektrochemisches Energiespeichersystem umfasst vorteilhafterweise mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder einer Umgebungstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, eine elektronische Schaltung zur Zeitmessung sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Vorteilhafterweise umfasst ein Computerprogramm Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät dieses veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Das Computerprogramm ist vorteilhafterweise auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Vorteilhafterweise findet ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Energiespeichersystem Verwendung für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung; und
2 eine schematische Darstellung einer temperaturabhängigen Dauer der Nichtbenutzung eines elektrochemischen Energiespeichers.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung. Eine Wärmeentwicklung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Hochvolt- oder Niedervolt-Systems, kann mittels folgender Differenzialgleichung beschrieben werden: $m * c_{p} * \frac{d T_{c e l l}}{d t} = {\dot{Q}}_{h e a t} + α * A * (T_{E n v} - T_{c e l l})$
Bei einer Benutzung, beispielsweise einem Lade- oder Entladevorgang, des elektrochemischen Energiespeichers wird aufgrund eines Innenwiderstands des elektrochemischen Energiespeichers eine Verlustleistung Q̇_heat erzeugt und der elektrochemische Energiespeichers nimmt eine etwas höhere Temperatur als die Umgebung T_Env ein. Während einer Nichtbenutzung beträgt die Verlustleistung Q̇_heat im Wesentlichen Null und ein Temperaturverlauf ist von einem Wärmeaustausch mit einer Umgebung des elektrochemischen Energiespeichers und von einem mechanischen Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers mit spezifischen Materialeigenschaften, beispielsweise einer Masse m, einer Kontaktfläche A, einer thermischen Leitfähigkeit α und einer spezifischen Wärmekapazität c_p des elektrochemischen Energiespeichers, abhängig.
Eine Dauer einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers kann mittels einem Abkühlverhalten des elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung berechnet werden.
1 zeigt einen Temperaturverlauf eines elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise eines 48 Volt Batteriepacks. Der elektrochemische Energiespeicher wurde bei einer Umgebungstemperatur T_Env von 20°C durch Benutzung, beispielsweise durch einen Entladevorgang, auf eine Temperatur T_t0 von 50°C erhitzt. Zu einem Zeitpunkt to beginnt eine Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers. Der dargestellte Temperaturverlauf entspricht einer Abkühlkurve während der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers bis zu einem Zeitpunkt t₁ , an dem der elektrochemische Energiespeicher wieder in Betrieb genommen wird. Der elektrochemische Energiespeicher ist zu dem Zeitpunkt t₁ auf eine Temperatur T_t1 von 30°C abgekühlt.
Die Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers kann gemäß der Formel $t_{o f f} = - τ * ln (\frac{T_{t 1} - T_{E n v}}{T_{t 0} - T_{E n v}})$
berechnet werden, wobei τ eine Systemkonstante ist, welche die Materialeigenschaften des elektrochemischen Energiespeichers gemäß $τ = \frac{m * c_{p}}{α * A}$
umfasst. Die Systemkonstante τ kann beispielsweise analytisch oder experimentell bestimmt werden. So kann bei der experimentellen Bestimmung der elektrochemische Energiespeicher bei einer gegebenen Umgebungstemperatur T_Env auf eine höhere Temperatur gebracht werden. Mittels einer Beobachtung und Messung eines Temperaturverlaufs an mehreren Zeitpunkten während einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers kann die Systemkonstante τ mit einem Standardverfahren, beispielsweise Least Square, ermittelt werden. Idealerweise wird die experimentelle Parameterbestimmung nach Einbau des elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise in ein Fahrzeug, durchgeführt. Dadurch können Mess- und Modellungenauigkeiten minimiert werden.
Eine Genauigkeit der ermittelten Dauer t_off der Nichtbenutzung kann mittels Methoden zur Fehlerfortpflanzung ermittelt werden. Ein erster Teilfehler $Δ t_{1} = | \frac{- τ}{T_{t 0} - T_{E n v}} | * Δ T_{t 1}$
wird durch einen Temperaturmessfehler bei Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers hervorgerufen, ein zweiter Teilfehler $Δ t_{2} = | \frac{τ}{T_{t 0} - T_{E n v}} | * Δ T_{t 0}$
wird durch einen Temperaturmessfehler zu Beginn einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers hervorgerufen und ein dritter Teilfehler $Δ t_{3} = | \frac{- τ * (T_{t 1} - T_{t 0})}{(T_{t 1} - T_{E n v}) * (T_{t 0} - T_{E n v})} | * Δ T_{E n v}$
wird durch einen Temperaturmessfehler einer Umgebungstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers hervorgerufen. Ein Gesamtfehler $Δ t_{o f f}^{e r r}$
der Berechnung der Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers ergibt sich aus einer Summe aller Teilfehler t_off = Δt₁ + Δt₂ + Δt₃.
Die Ungenauigkeiten der einzelnen Eingangsgrößen ΔT_t1 , ΔT_t0 , ΔT_Env können experimentell, beispielsweise in einem Fahrzeug, bestimmt werden, da die Messungenauigkeit einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers steigt, wenn in einem kurzen Zeitraum, üblicherweise wenige Minuten, keine Verlustleistung in dem elektrochemischen Energiespeicher erzeugt wird und eine homogene Temperaturverteilung im elektrochemischen Energiespeicher angenommen werden kann.
Ein Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung eines elektrochemischen Energiespeichersystems mittels eines Abkühlverhaltens mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers erfolgt in einer vorteilhaften Ausführungsform mittels Vergleich einer durch die elektronische Schaltung gemessenen Dauer $t_{o f f}^{C l o c k}$
der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers mit der berechneten Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers.
Ein Unterschied zwischen der gemessenen Dauer $t_{o f f}^{C l o c k}$
und der berechneten Dauer t_off muss sich innerhalb eines Toleranzbandes des Gesamtfehlers $t_{o f f}^{e r r}$
befinden, sonst weist die elektronische Schaltung zur Zeitmessung einen Fehler auf.

- Elektronische Schaltung zur Zeitmessung funktioniert fehlerfrei: $Δ t_{o f f}^{e r r} \geq | t_{o f f}^{C l o c k} - t_{o f f} |$
- Elektronische Schaltung zur Zeitmessung ist fehlerhaft: $Δ t_{o f f}^{e r r} < | t_{o f f}^{C l o c k} - t_{o f f} |$

2 zeigt eine schematische Darstellung einer temperaturabhängigen Dauer der Nichtbenutzung eines elektrochemischen Energiespeichers. Auf der Abszisse ist eine Differenz T_t1 - T_Env zwischen einer Temperatur T_t1 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn einer Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers und einer Umgebungstemperatur T_Env des elektrochemischen Energiespeichers aufgetragen. Auf der Ordinate ist eine Differenz T_t0 - T_Env zwischen einer Temperatur T_t0 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers und einer Umgebungstemperatur T_Env des elektrochemischen Energiespeichers aufgetragen. Für die Darstellung der erfindungsgemäß berechneten Dauer der Nichtbenutzung werden als Werte für die Systemkonstante τ beispielsweise 4 Stunden sowie für die Temperaturmessgenauigkeiten ΔT_t1 = 3 Kelvin, ΔT_t2 = 6 Kelvin und ΔT_Env = 1,5 Kelvin angenommen.
In einem ersten Beispiel beträgt eine Temperaturdifferenz T_t0 - T_Env 40 Kelvin zu einem Zeitpunkt einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers. Bei Wiederinbetriebnahme beträgt eine Temperaturdifferenz T_t1 - T_Env 10 Kelvin. Eine temperaturabhängige Dauer 201 der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers beträgt ungefähr 5 Stunden.
In einem zweiten Beispiel beträgt eine Temperaturdifferenz T_t0 - T_Env 30 Kelvin zu einem Zeitpunkt einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers. Bei Wiederinbetriebnahme beträgt eine Temperaturdifferenz T_t1 - T_Env 20 Kelvin. Eine temperaturabhängige Dauer 202 der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers beträgt ungefähr 3 Stunden.
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

US 5955869 [0002]
US 2018183252 [0003]

Claims

Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung eines elektrochemischen Energiespeichersystems mittels eines Abkühlverhaltens mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers umfassend folgende Schritte: a) Erfassen einer Umgebungstemperatur T_Env des elektrochemischen Energiespeichers; b) Erfassen einer Temperatur T_t0 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers; c) Erfassen einer Temperatur T_t1 des elektrochemischen Energiespeichers zu Beginn einer Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers; d) Berechnen einer Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Formel $t_{o f f} = - τ * ln (\frac{T_{t 1} - T_{E n v}}{T_{t 0} - T_{E n v}}),$
wobei τ eine Systemkonstante ist, welche Materialeigenschaften des elektrochemischen Energiespeichers gemäß $τ = \frac{m * c_{p}}{α * A}$
umfasst, wobei m eine Masse, A eine Kontaktfläche, α eine thermische Leitfähigkeit und c_p eine spezifische Wärmekapazität des elektrochemischen Energiespeichers ist; e) Bestimmen eines Gesamtfehlers der Berechnung der Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Formel $Δ t_{o f f}^{e r r} = Δ t_{1} + Δ t_{2} + Δ t_{3},$
wobei Δt₁ einen Temperaturmessfehler bei der Wiederinbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers, Δt₂ einen Temperaturmessfehler zu Beginn der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers und Δt₃ einen Temperaturmessfehler der Umgebungstemperatur umfasst; f) Plausibilisieren der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung durch Vergleich einer durch die elektronische Schaltung zur Zeitmessung gemessenen Dauer $t_{o f f}^{C l o c k}$
der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers mit der berechneten Dauer t_off der Nichtbenutzung des elektrochemischen Energiespeichers; g) Erkennen eines Fehlers der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung, wenn $Δ t_{o f f}^{e r r} < | t_{o f f}^{C l o c k} - t_{o f f} |$
ist.
Verfahren zum Plausibilisieren einer elektronischen Schaltung zur Zeitmessung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: h) Erzeugen eines elektrischen, optischen, akustischen und/oder haptischen Signals, wenn ein Fehler der elektronischen Schaltung zur Zeitmessung erkannt wird.
Elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder einer Umgebungstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, eine elektronische Schaltung zur Zeitmessung sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 durchzuführen.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät dieses veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 4 gespeichert ist.
Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems gemäß Anspruch 3 für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.