DE102019007509A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands mittels eines hinterlegten Ladezustandsmodells in Abhängigkeit eines Anodenüberhangeffekts, sowie elektronische Recheneinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands (14) eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10), bei welchem mittels eines hinterlegten Ladezustandsmodells (12) für den Ladezustand (14) eine Vielzahl von Leerlaufspannungskurven (16) des elektrischen Energiespeichers erzeugt wird und die Vielzahl von Leerlaufspanungskurven (16) zur Bestimmung des Ladezustands (14) ausgewertet wird, wobei ein aktueller Anodenüberhangeffekt (18) einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird und der aktuelle Anodenüberhangeffekt (18) bei der Bestimmung des Ladezustands (14) durch das hinterlegte Ladezustandsmodell (16) berücksichtigt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung (10).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung.
• Die derzeit bei Elektroautos üblichen Energiespeicher beruhen meist auf der Li-lonen-Technologie. Zur Erhöhung der Energiedichte und optimalen Bauraumausnutzung werden oft großformatige Pouch- oder Hardcasezellen eingesetzt. Als Anode werden unter Anderem graphitbeschichtete Kupferfolien verwendet. Eine kapazitive Überdimensionierung der Anode ist nötig, um beim Laden der Zelle Plating zu vermeiden und die Ladezeiten zu minimieren. Die Überdimensionierung wird durch Parameter wie Schichtdicke, Aktivmaterialanteil und Porosität der Elektrode bestimmt. Aber auch an den Rändern der Elektrodenlagen wird die Anode in der Breite größer ausgelegt, um Fertigungstoleranzen beim Stapeln/Wickeln der Zelle mit zu berücksichtigen. In kommerziellen Zellen beträgt die charakteristische Länge des Überhangs bis zu mehreren Millimetern. Obwohl dieser Überhang keine direkt gegenüberliegende Kathodenlage besitzt und somit zu großen Teilen bei kurzen Beanspruchungszeiten quasi elektrochemisch inaktiv ist, finden Potential- und Konzentrationsausgleichsvorgänge zwischen Anodenüberhang und Anodenaktivfläche statt. Diese Prozesse besitzen Zeitkonstanten im Bereich von Stunden und Tagen. Somit hat der Überhang vor allem bei langen Standzeiten eines Fahrzeuges maßgeblichen Einfluss auf die nutzbare gespeicherte Ladungsmenge.
• Die Schätzung des State of Charge (SOC) im Fahrzeug beruht meist auf einer Spannungsmessung, welche nach einer langen Relaxationspause durchgeführt wird.
• Über den gemessenen Spannungswert wird mittels einer Lookup-Tabelle der Open Circuit Voltage (OCV), also die Leerlaufspannung, der aktuelle SOC bestimmt. Verwendet man jedoch eine statische SOC-OCV-Kurve, ergibt sich ein Fehler, wenn keine reversiblen und irreversiblen Verluste von aktivem Lithium mit berücksichtigt werden. Aufgrund der reversiblen Lithiumverluste im Überhang verschiebt sich das Balancing der Zelle und somit ist die tatsächliche OCV immer abhängig vom Ladezustand des Anodenüberhangs.
• Dies ist beispielsweise aus der wissenschaftlichen Arbeit „Quantification of aging mechanism and inhomogenity in cycled lithium-ion cells by differential voltage analysis“ von Fath et al., J. Energy Storage 25 (2019) 100813, chapter 3), bereits bekannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine elektronische Recheneinrichtung zu schaffen, mittels welchen verbessert der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bestimmt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine elektronische Recheneinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, bei welchem mittels eines hinterlegten Ladezustandsmodells für den Ladezustand eine Vielzahl von Leerlaufspannungskurven des elektrischen Energiespeichers erzeugt wird und die Vielzahl von Leerlaufspannungskurven zur Bestimmung des Ladezustands ausgewertet wird.
• Es ist vorgesehen, dass ein aktueller Anodenüberhangeffekt einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt wird und der aktuelle Anodenüberhangeffekt bei der Bestimmung des Ladezustands durch das hinterlegte Ladezustandsmodell berücksichtigt wird.
• Dadurch ist es ermöglicht, dass verbessert der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bestimmt werden kann. Insbesondere hat dies den Hintergrund darin, dass beispielsweise auch Kapazitätsfehler den Ladezustand und die Reichweitenschätzung mit beeinflussen. Dies kann zum Beispiel bei Hybriden zu höheren CO₂-Wertangaben führen und verursacht somit Kosten für Fahrzeughersteller. Des Weiteren sind gemäß dem Stand der Technik nur eine Leerlaufspannungskurve oder spezifisch gealterte Leerlaufspannungskurven als Look-up-Table hinterlegt. Insbesondere werden dabei keine reversiblen Effekte, insbesondere bezüglich eines Lithiumverlustes auf Basis des Anodenüberhangeffekts, mit berücksichtigt. Ferner findet keine Leerlaufspannungskurvenanpassung durch Anpassung des Halbzellenbalancings aufgrund reversibler Lithiumverluste statt. Es erfolgt ferner ein systematischer Fehler bei der Ladezustandsschätzung durch unpassende Leerlaufspannungskurven, welcher erfindungsgemäß nun berücksichtigt wird. Ferner verhindert das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Anpassung der Leerlaufspannungskurve durch Messpunkte nur über sehr lange Zeit möglich ist, da eine Vielzahl von Rekalibrierungspunkten benötigt wird. Ferner berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Anodenüberhangeffekte schon im Bereich von Stunden relevant sind.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die Bestimmung des Ladezustands mittels einer auf dem Kraftfahrzeug implementierten elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt.
• Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine parameterabhängige Anodenüberhangeffekttabelle kraftfahrzeugextern erzeugt wird und die Anodenüberhangeffekttabelle auf einer Speichereinrichtung des Kraftfahrzeugs abgespeichert wird und auf Basis der erzeugten und abgespeicherten Anodenüberhangeffekttabelle der Ladezustand bestimmt wird.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird eine Standzeit des Kraftfahrzeugs bei der Bestimmung des Ladezustands, insbesondere bei der Bestimmung des aktuellen Anodenüberhangeffekts, mit berücksichtigt.
• Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der Ladezustand und/oder der aktuelle Anodenüberhangeffekt bei einem Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers berücksichtigt werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Recheneinrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem hinterlegten Ladezustandsmodell, wobei die elektronische Recheneinrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt.
• Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer elektronischen Recheneinrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet. Ferner ist das Kraftfahrzeug insbesondere als zumindest teilweise elektrisch betriebenes, insbesondere als vollelektrisch betriebenes, Kraftfahrzeug ausgebildet.
• Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der elektronischen Recheneinrichtung sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Die elektronische Recheneinrichtung sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer elektronischen Recheneinrichtung; und
• 2 eine weitere schematische Ansicht einer Ausführungsform einer weiteren elektronischen Recheneinrichtung.
• In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform einer elektronischen Recheneinrichtung 10. Die elektronische Recheneinrichtung 10 weist zumindest ein hinterlegtes Ladezustandsmodell 12 auf. Die elektronische Recheneinrichtung 10 ist insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere für ein vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, ausgebildet. Das Kraftfahrzeug ist vorliegend nicht dargestellt.
• Beim Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands 14 eines nicht gezeigten elektrischen Energiespeichers des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 wird mittels des hinterlegten Ladezustandsmodells 12 für den Ladezustand 14 eine Vielzahl von Leerlaufspannungskurven 16 des elektrischen Energiespeichers erzeugt und die Vielzahl von Leerlaufspannungskurven 16 zur Bestimmung des Ladezustands 14 ausgewertet.
• Es ist vorgesehen, dass ein aktueller Anodenüberhangeffekt 18 einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 bestimmt wird und der aktuelle Anodenüberhangeffekt 18 bei der Bestimmung des Ladezustands 14 durch das hinterlegte Ladezustandsmodell 12 berücksichtigt wird.
• Insbesondere weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das hinterlegte Ladezustandsmodell 14 weitere Look-up-Tables sowie Stoffwerte auf. Des Weiteren berücksichtigt der aktuelle Anodenüberhangeffekt 18 Kapazitätswerte 20 des elektrischen Energiespeichers. Insbesondere ist vorgesehen, dass auf Basis des aktuellen Anodenüberhangeffekts 18 ein neues Halbzellenbalancing 22 für den elektrischen Energiespeicher durchgeführt wird.
• Insbesondere zeigt die 1, dass die Bestimmung des Ladezustands 14 mittels einer auf dem Kraftfahrzeug implementierten elektronischen Recheneinrichtung 10 durchgeführt wird. Insbesondere zeigt die 1 somit, dass die Anpassung der Leerlaufspannungskurven 16 in Abhängigkeit des Anodenüberhangeffekts 18 durch Bestimmung eines neuen Balancings auf der elektronischen Recheneinrichtung 10 eines insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichers im Kraftfahrzeug mithilfe des Ladezustandsmodells 12 durchgeführt wird.
• Es erfolgt eine Berechnung des Ladezustands 14 im Überhang ausgehend von einem vereinfachten Anodenüberhangmodell. Dieses ist basierend auf Massenbilanzen von aktiven Lithium und einer Zeitkonstante, welche den Ausgleich der Potentiale und Konzentrationen in der Anode beschreibt. Daraus ergeben sich die zeitabhängigen Lithiummengen in den aktiven Elektrodenbereichen N_act,cat(t) und N_act,an(t).
• Es erfolgt eine Ablage der Referenzparameter im Speicher der elektronischen Recheneinrichtung 10, welche auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet werden kann. Das Halbzellenpotential U_an der Anode über Lithiierungsgrad [V vs. Li/Li+], mit PAT-Cells von EL-Cell und Lithiumreferenzelektrode wird gemessen. Das Halbzellenpotential U_cat der Kathode über Lithiierungsgrad [V vs. Li/Li+]+], mit PAT-Cells von EL-Cell und Lithiumreferenzelektrode wird gemessen. Die Volumenanteile ε_s,αn des Aktivmaterials Anode in poröser Elektrode werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Volumenanteile ε_s,cαt des Aktivmaterials Kathode in poröser Elektrode werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Maximale Lithiumkonzentrationen in Anodenaktivmaterial c_s,max,an wird durch Herstellerangaben oder Literatur ermittelt. Die Maximale Lithiumkonzentrationen in Kathodenaktivmaterial c_s,max,cαt wird durch Herstellerangaben oder Literatur ermittelt. Die Schichtdicken l_an und l_cat der porösen Elektroden werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Abmessungen/Flächen der Anodenlagen A_an werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Abmessungen/Flächen der Kathodenlagen Acat werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Anzahl der Elektrodenlagen werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Die Initialen Lithiierungsgrade ${\xi }_{\text{cat}}^{0\%},{\xi }_{\text{an}}^{0\%},{\xi }_{\text{cat}}^{100\%}\text{ und }{\xi }_{\text{an}}^{100\%}$

  

  in Anode und Kathode bei SOC=0% und SOC=100% werden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt aus OCV-Fitting für den Referenzzustand. Die Spannungsgrenzen U_min und U_max werden nach Herstellerangaben ermittelt.
• Es erfolgt ein Ableiten eines effektiven, reversiblen Lithiumverlusts LLrev(t) relativ zu einer einmalig vorgegebenen Referenz-SOC-OCV Kurve, welche mit definiert geladenem Anodenüberhang erstellt wurde. Da die zeitabhängigen Parameter N(act,cat) und N(act,an) laufend neu berechnet werden, wurde zu „LLrev“ noch „(t)“ hinzugefügt. Die Werte für die initialen Lithiummengen N_act,cat,ref, N_act,an,ref und N_oh,an,ref können aus den hinterlegten Referenzparamtern abgeleitet werden. Alle zeitabhängigen Parameter N_act,cat(t) und N_act,an(t) werden durch das Modell berechnet.
• Es erfolgt ein Update des Halbzellenpotential-Balancings für die zeitabhängig berechneten reversiblen Lithiumverluste LLrev(t). Das Update erfolgt mit Hilfe der hinterlegten Halbzellenpotentiale und den Spannungsgrenzen. Der SOC wird anhand der minimalen und maximalen Zellspannungen im Betriebsfenster definiert. An den Randpunkten für SOC=0% und SOC=100% müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: $$U_{min}=U_{cat}\left({\xi }_{\text{cat}}^{0\%}\right)-U_{an}\left({\xi }_{\text{an}}^{0\%}\right)$$

  

  $$U_{max}=U_{cat}\left({\xi }_{\text{cat}}^{100\%}\right)-U_{an}\left({\xi }_{\text{an}}^{100\%}\right)$$

  

  Daraus ergeben sich die Randpunkte ${\xi }_{\text{cat}}^{0\%},{\xi }_{\text{an}}^{0\%},{\xi }_{\text{cat}}^{100\%}\text{ und }{\xi }_{\text{an}}^{100\%}$

  

  auf den jeweiligen Halbzellenpotentialkurven für einen vorgegebenen verfügbaren Lithiumgehalt bzw. dem reversiblen Lithiumverlust LLrev(t).
• Es erfolgt ein Erstellen einer upgedateten SOC-OCV-Kurve der betrachteten Zelle aus der Differenz der beiden Halbzellenpotentiale von Kathode und Anode unter Berücksichtigung des neuen Alignments durch LLrev(t). Die SOCs werden berechnet, durch Umrechnung der Lithiierungsgrade der einzelnen Elektroden auf die Zell-SOCs: Es erfolgt eine Erstellung über den gesamten SOC-Bereich SOC_act innerhalb der ermittelten Grenzen der jeweiligen Elektroden-Lithiierungsrade ξ, mit der entsprechenden Abtastung welche vom BMS (Battery Management System) benötigt wird: $$\begin{array}{c}{N}_{total}=N_{act,cat}+N_{act,an}+N_{oh,an};\\ L{L}_{rev}\left(t\right)=\frac{\left(N_{act,\text{cat},ref}+N_{act,\text{an},ref}\right)-\left(N_{act,cat}\left(t\right)+N_{act,\text{an}}\left(t\right)\right)}{\left(N_{act,\text{cat},ref}+N_{act,\text{an},ref}\right)}\cdot 100\%;\\ {\text{U}}_{\text{OCV}}=U_{cat}\left({\xi }_{\text{cat}}^{act}\right)-U_{an}\left({\xi }_{\text{an}}^{act}\right);\\ SO{C}_{act}=\frac{{\xi }_{\text{an}}^{act}-{\xi }_{\text{an}}^{0\%}}{{\xi }_{\text{an}}^{100\%}-{\xi }_{\text{an}}^{0\%}}\cdot 100\%=\frac{{\xi }_{\text{cat}}^{act}-{\xi }_{\text{cat}}^{0\%}}{{\xi }_{\text{cat}}^{100\%}-{\xi }_{\text{cat}}^{0\%}}\cdot 100\%;\end{array}$$

  

  Die Abhängigkeit des LLrev von t kommt daher, dass die LLrev-Bestimmung regelmäßig wiederholt wird, z.B. alle 10 Sekunden. N(act,cat) (t) und N(act,an) (t) werden laufend angepasst.
• Mit:

N

Stoffmenge an zyklisierbarem interkaliertem Li/Li⁺ [mol]

LL

Lithiumverlust [%]

t

Zeit [d]

ξ

Lithiierungsgrad [-]

SOC

Ladungszustand

U

Spannung/Potential

• Indizes:

total

Total, Gesamtmenge

act

aktive Zellfläche

oh

Überhangfläche

cat

Kathodenregion

an

Anodenregion

ref

Referenzzustand mit bekanntem Balancing und Überhangladezustand reversibel

min

minimal, untere Grenzerev

max

maximal, obere Grenze

OCV

Gleichgewichtspannung (Zelle)

• 2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine weitere Ausführungsform der elektronischen Recheneinrichtung 10. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere ein Flussdiagramm zur Berechnung des aktuellen Ladezustands 14 unter Berücksichtigung des Anodenüberhangeffekts 18 gezeigt. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass eine parameterabhängige Anodenüberhangeffekttabelle 24 kraftfahrzeugextern erzeugt wird und die Anodenüberhangeffekttabelle 24 auf einer Speichereinrichtung des Kraftfahrzeugs, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere mit dem hinterlegten Ladezustandsmodell 12 ausgebildet ist, abgespeichert wird und auf Basis der erzeugten abgespeicherten Anodenüberhangeffekttabelle 24 der Ladezustand bestimmt wird.
• Ferner zeigt die 2 insbesondere, dass eine Standzeit des Kraftfahrzeugs bei der Bestimmung des Ladezustands 14, insbesondere bei der Bestimmung des aktuellen Anodenüberhangeffekts 24, mit berücksichtigt wird.
• Insbesondere zeigt die 2 ferner, dass insbesondere über entsprechende Erfassungseinrichtungen 26, beispielsweise eine Temperatur, eine Zeit beziehungsweise der Ladezustand 14 zur Bestimmung des Anodenüberhangeffekts 18 berücksichtigt wird. Ferner werden insbesondere die Standzeiten 28 des Kraftfahrzeugs mit berücksichtigt. Insbesondere wird beim Anodenüberhangeffekt 18 somit eine Look-up-Tabelle erzeugt, welche den reversiblen Lithiumverlust beschreibt. In einer zweiten Look-up-Tabelle wird insbesondere eine ladezustandsabhängige Leerlaufspannungskurve 30, und auf Basis deren dann wiederum der Ladezustand 14 bestimmt.
• Insbesondere erfolgt somit eine Berechnung des Ladezustandes 14 im Überhang ausgehend von einem vereinfachten Anodenüberhangmodell, basierend auf Massenbilanzen von aktivem Lithium und einer Zeitkonstante, welche den Ausgleich der Potentiale und Konzentrationen in der Anode beschreibt.
• Es erfolgte eine Ablage der Referenzparameter im Speicher des BMS. Es werden Halbzellenpotential U_an der Anode über Lithiierungsgrad [V vs. Li/Li+], mit PAT-Cells von EL-Cell und Lithiumreferenzelektrode gemessen. Es werden Halbzellenpotential U_cat der Kathode über Lithiierungsgrad [V vs. Li/Li+]+], mit PAT-Cells von EL-Cell und Lithiumreferenzelektrode gemessen. Es werden Volumenanteile ε_s,an des Aktivmaterials Anode in poröser Elektrode durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es werden Volumenanteile ε_s,cat des Aktivmaterials Kathode in poröser Elektrode durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es werden Maximale Lithiumkonzentrationen in Anodenaktivmaterial c_s,max,an Herstellerangaben oder Literatur ermittelt. Es werden Maximale Lithiumkonzentrationen in Kathodenaktivmaterial c_s,max,cat durch Herstellerangaben oder Literatur ermittelt. Es werden Schichtdicken l_an und l_cat der porösen Elektroden durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es werden Abmessungen/Flächen der Anodenlagen A_an durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es werden Abmessungen/Flächen der Kathodenlagen A_cat durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es wird die Anzahl der Elektrodenlagen durch Herstellerangaben oder experimentell ermittelt. Es werden Initiale Lithiierungsgrade ${\xi }_{\text{cat}}^{0\%},{\xi }_{\text{an}}^{0\%},{\xi }_{\text{cat}}^{100\%}\text{ und }{\xi }_{\text{an}}^{100\%}$

  

  in Anode und Kathode bei SOC=0% und SOC=100% durch Herstellerangaben oder experimentell aus OCV-Fitting für den Referenzzustand ermittelt. Es werden Spannungsgrenzen U_min und U_max durch Herstellerangaben ermittelt.
• Es erfolgt ein Ableiten eines effektiven, reversiblen Lithiumverlusts LLrev(t) relativ zu einer einmalig vorgegebenen Referenz-SOC-OCV Kurve, welche mit definiert geladenem Anodenüberhang erstellt wurde. Die Werte für die initialen Lithiummengen N_act,cat,ref, N_act,an,ref und N_oh,an,ref können aus den hinterlegten Referenzparametern abgeleitet werden. Alle zeitabhängigen Parameter N_act,cat(t) und N_act,an(t) werden durch das Modell berechnet.
  Es erfolgt eine kraftfahrzeugexterne (offboard) Berechnung der möglichen SOC-OCV-Kurven für unterschiedliche reversible Lithium-Verluste zur Bedatung des BMS. Dies wird nicht auf dem Steuergerät, sondern einmalig zur Bedatung auf einer herkömmlichen Work-Station durchgeführt. Dies reduziert den späteren Rechenaufwand für den Prozessor im Fahrzeug. Aus den simulierten SOC-OCV-Kurven werden Lookup-Tabellen erstellt und vor der Auslieferung an den Kunden im Speicher des Fahrzeuges zur Verwendung durch die SOC-OCV-Bestimmungsalgorithmen hinterlegt. Die kraftfahrzeugexterne Berechnung bietet den Vorteil, dass kraftfahrzeuginterne (onboard) Rechenleistung eingespart werden kann, durch vorab Berechnen und im Speicher ablegen. Außerdem sind die Algorithmen stabiler, da fehlerhaft berechnete Werte durch eine Lookup-Table unterbunden werden können. Berechnung und Bedatung der Lookup-Tables erfolgt während der Entwicklungsphase und wird zusammen mit allen anderen nötigen Werten vor Auslieferung an Kunden im Speicher des Steuergerätes hinterlegt.
• Ferner kann für die Berücksichtigung von Standzeiten ein kraftfahrzeugexternes Erstellen einer Lookup-Table für LL_rev durchgeführt werden. Vorab simulierte oder gemessene Werte für reversible Lithiumverluste werden abhängig von Zeit, SOC und Temperatur einmalig vor der Auslieferung an den Kunden im Speicher hinterlegt. Die Besonderheit ist, dass in diesem Falle das Modell nicht mehr on-board gerechnet werden muss und damit Rechenkapazitäten im Fahrzeug eingespart werden. In regelmäßigen Zeit-Intervallen im Bereich von Minuten bis hin zu mehreren Tagen wird der reversible Lithiumverlust anhand von Messwerten für Temperatur und dem mittleren SOC in diesem Zeitintervall abgeschätzt und über Interpolation mit der Lookup-Table abgeschätzt.
• Mehrdimensionale Lookup-Table, die wahlweise mit simulierten oder gemessenen Werten für den Lithiumverlust bedatet wird, können erstellt werden. Sämtliche SOC-/Temperatur- und Zeitabhängigkeiten werden einmalig bestimmt. Das Modell muss nicht mehr onboard mit dem Prozessor im Fahrzeug berechnet werden. Stattdessen wird eine Näherungslösung mit Hilfe der Lookup-Tabelle 1 bestimmt.
• Dies reduziert den späteren Rechenaufwand für den Prozessor im Fahrzeug. Aus den simulierten SOC-OCV-Kurven wird eine weitere Lookup-Tabelle erstellt und vor der Auslieferung an den Kunden im Speicher des Fahrzeuges zur Verwendung durch die SOC-OCV-Bestimmungsalgorithmen hinterlegt. Während des Betriebes werden in regelmäßigen Abständen von ca. 10 Minuten die SOC-OCV-Kurven entsprechend der aktuellen Überhanglithiierung angepasst. Nach Standzeiten wird vom letzten vorhandenen Wert entsprechend bis zum aktuellen Zeitpunkt der Verlust ausgewertet und die ermittelte OCV-Kurve für die Bestimmung des aktuellen SOCs zum Startzeitpunkt verwendet. Initiale Lithiierungsgrade (die sich aus den hinterlegten Referenzparametern ergeben und mittels Massenbilanzen für beliebige Gleichgewichtszustände berechnet werden können) des Anodenüberhangs zur Rekalibrierung werden nach ausreichend langen Standzeiten unter Berücksichtigung der Massenerhaltung mit Hilfe der Referenzparameter bestimmt, sodass gilt: SOC_oh ≈ SOC_act.
• Insgesamt zeigt die Erfindung eine Leerlaufspannungskurvenanpassung durch Anodenüberhangeffekt 18.
• Bezugszeichenliste

10

elektronische Recheneinrichtung

12

hinterlegtes Ladezustandsmodell

14

Ladezustand

16

Leerlaufspannungskurve

18

Anodenüberhangeffekt

20

Kapazitätswerte

22

neues Halbzellenbalancing

24

Anodenüberhangeffekttabelle

26

Erfassungseinrichtung

28

Standzeit

30

Ladezustands-Leerlaufspannungskurventabelle

• 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 Nicht-Patentliteratur
• Fath et al., J. Energy Storage 25 (2019) 100813, chapter 3) [0005]

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands (14) eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10), bei welchem mittels eines hinterlegten Ladezustandsmodells (12) für den Ladezustand (14) eine Vielzahl von Leerlaufspannungskurven (16) des elektrischen Energiespeichers erzeugt wird und die Vielzahl von Leerlaufspanungskurven (16) zur Bestimmung des Ladezustands (14) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Anodenüberhangeffekt (18) einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird und der aktuelle Anodenüberhangeffekt (18) bei der Bestimmung des Ladezustands (14) durch das hinterlegte Ladezustandsmodell (16) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Ladezustands (14) mittels einer auf dem Kraftfahrzeug implementierten elektronischen Recheneinrichtung (10) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine parameterabhängige Anodenüberhangeffekttabelle (24) kraftfahrzeugextern erzeugt wird und die Anodenüberhangeffekttabelle (24) auf einer Speichereinrichtung des Kraftfahrzeugs abgespeichert wird und auf Basis der erzeugten und abgespeicherten Anodenüberhangeffekttabelle (24) der Ladezustand (14) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standzeit (26) des Kraftfahrzeugs bei der Bestimmung des Ladezustands (14), insbesondere bei der Bestimmung des aktuellen Anodenüberhangeffekts (18), mit berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand (14) und/oder der aktuelle Anodenüberhangeffekt (18) bei einem Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers berücksichtigt werden.
6. Elektronische Recheneinrichtung (10) zum Bestimmen eines Ladezustands (14) eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem hinterlegten Ladezustandsmodell (12), wobei die elektronische Recheneinrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.

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