DE102019216439A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems sowie Vorrichtung, elektrisches Energiespeichersystem, Computerprogramm und maschinenlesbares Speichermedium - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems beschrieben, wobei das elektrische Energiespeichersystem mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit umfasst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
a) Mehrmaliges Ermitteln eines Alterungskennwertes der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten;
b) Vergleichen eines ermittelten Alterungskennwertes der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit mit einer vordefinierten Alterungskennwertkennlinie;
c) In Abhängigkeit des Vergleichs Ermitteln mindestens eines ersten Kennwertes des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte;
d) Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder des ersten Kennwertes.
Weiterhin wird eine entsprechende Vorrichtung, elektrisches Energiespeichersystem, Computerprogramm und maschinenlesbares Speichermedium beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energiespeichereinheiten, insbesondere Batterien bzw. Batteriezellen, von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind neben ihren Anforderungen an unter anderem Energie und Leistung auch hinsichtlich ihrer Lebensdauer auszulegen. Hierbei spielt der Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheiten, beispielsweise ausgedrückt durch einen Alterungskennwert - auch SoH-Wert (State-of-Health) genannt - eine entscheidende Rolle. Unterhalb eines SoH-Wertes von ca. 80% erreicht beispielsweise ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nicht mehr seine üblicherweise garantierte Reichweite. In diesem Fall ist ein Austausch der elektrischen Energiespeichereinheiten anzustreben.
  • Insbesondere bei Shuttlefahrzeugen, welche täglich die gleichen Routen zurücklegen, ist das Fahr- und Ladeverhalten bestens bekannt. Hiernach lässt sich eine passende elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere Batterie, optimal auslegen. Wird einmal pro Tag ein Ladevorgang vorgesehen und weiterhin gefordert, dass die elektrische Energiespeichereinheit nach einer geforderten Mindestlebensdauer ihren 80%-SoH-Wert erreicht, so kann ein Shuttlebetreiber die Anschaffung neuer Flottenfahrzeuge oder einen Tausch der elektrischen Energiespeichereinheit bestens planen. Altert die elektrische Energiespeichereinheitschneller als üblich, z.B. fehlerbedingt, durch extreme Belastungen, durch häufiges Schnellladen o.ä., so wird schon nach relativ kurzer Lebensdauer ein Austausch erforderlich sein.
  • Ein frühzeitiges Erkennen eines beschleunigten und nicht vorhergesehenen Alterungsprozesses, verbunden mit einer Langzeitprognose für die Restlebensdauer und Maßnahmen, um der Alterung entgegenzuwirken, ist deshalb erforderlich.
  • In der Druckschrift US 2017/0352203 ist ein Verfahren offenbart, welches die Alterung einer elektrischen Komponente bei deren Betrieb berücksichtigt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit.
  • Dabei wird ein Alterungskennwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit mehrmals und dabei zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt. Dabei kann zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten eine vordefinierte Zeitspanne liegen, um eine Änderung des Alterungskennwertes besser ermitteln zu können. Der Alterungskennwert kann beispielsweise auf einem Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit oder einem entsprechenden Widerstandswert basieren.
  • Ein ermittelter, insbesondere der jüngste, d.h. neueste Alterungskennwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit wird mit einer vordefinierten Alterungskennwertkennlinie verglichen und in Abhängigkeit des Vergleichs, insbesondere bei Unterschreiten der Alterungskennwertkennlinie, wird mindestens ein erster Kennwert des zeitlichen Verlaufs ermittelt. Der zeitliche Verlauf ergibt sich dabei aus der Mehrzahl an ermittelten Alterungskennwerten. Die Alterungskennwertkennlinie kann dabei in einem Datenspeicher abgelegt sein.
  • Das elektrische Energiespeichersystem wird in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder des ersten Kennwertes betrieben. Dies ist vorteilhaft, da somit die frühzeitige Erkennung einer beschleunigten und/oder nicht vorgesehenen Alterung erkannt wird und das elektrische Energiespeichersystem dann entsprechend betrieben wird, um die Alterung zu verzögern bzw. ihr entgegenzuwirken. Somit kann die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichersystems erhöht und ein vorzeitiger Ausfall verhindert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der mindestens eine erste Kennwert eine erste zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder eine zweite zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte. Beispielsweise kann die erste zeitliche Ableitung durch numerisches Differenzieren bestimmt werden. Dies ist in analoger Weise für die zweite zeitliche Ableitung möglich. Dies ist vorteilhaft, da die genannten Größen einen besonders effektiven und sicheren Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems ermöglichen und somit eine effektive Nutzung der gespeicherten Energie ermöglichen. Mögliche negative Entwicklungen des Alterungskennwertes können durch die erste zeitliche Ableitung und/oder die zweite zeitliche Ableitung frühzeitig, insbesondere früher als durch die reine Betrachtung des zeitlichen Verlaufs des Alterungskennwertes, erkannt werden, was das rechtzeitige Einleiten von Gegenmaßnahmen ermöglicht. Insbesondere kann durch die zweite zeitliche Ableitung, also die Änderungsgeschwindigkeit der ersten zeitlichen Ableitung, festgestellt werden, ob Gegegenmaßnahmen effektiv sind und die Alterung verlangsamen.
  • Zweckmäßigerweise wird der ermittelte mindestens eine erste Kennwerte und/oder sein Absolutwert mit einem vordefinierten Kennwertgrenzwert verglichen. Der Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems erfolgt dabei in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses. Weist der erste Kennwert, der beispielsweise eine erste zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs des ermittelten Alterungskennwertes umfasst, beziehungsweise sein Absolutwert einen Wert über dem Kennwertgrenzwert auf, das heißt, altert die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit schneller als vorgesehen, so kann beispielsweise die elektrische Energiespeichereinheit beziehungsweise das elektrische Energiespeichersystem mit einem geringeren Strom als bisher betrieben werden, um die Alterung zu verlangsamen.
  • Zweckmäßigerweise wird im Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems die zulässige elektrische Stromhöhe, mit der die elektrische Energiespeichereinheit geladen und/oder entladen wird, reduziert. Alternativ oder zusätzlich kann eine optimale Temperatur für die elektrische Energiespeichereinheit eingestellt werden, beispielsweise durch ein Kühlsystem des elektrischen Energiespeichersystems. Dabei liegt der Temperaturbereich bevorzugt im Bereich von 10 °C bis 30 °C. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Alterung der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit zumindest verlangsamt werden kann, was die Lebensdauer und somit die Nutzungsdauer des elektrischen Energiespeichersystems erhöht. Durch das Einstellen der optimalen Temperatur kann dies sogar ohne für einen Nutzer des elektrischen Energiespeichersystems wahrnehmbare Leistungseinbußen erreicht werden.
  • Zweckmäßigerweise wird eine Vorhersage der Entwicklung des Alterungskennwertes basierend auf dem zeitlichen Verlauf der ermittelten Alterungskennwerte und dem mindestens einen ersten Kennwert ermittelt. Dabei wird das elektrische Energiespeichersystem zusätzlich in Abhängigkeit der Vorhersage des Alterungskennwertes betrieben. Dies ist vorteilhaft, da somit gezielt die Entwicklung der Alterung der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit berücksichtigt werden kann und insbesondere durch eine Vorhersage der Alterung gezielt eine Wartung des elektrischen Energiespeichersystems ausgelöst werden kann, bevor es zu einem Systemausfall kommt.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens ein Mittel, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, wobei das Mittel eingerichtet ist, die Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Somit können die oben genannten Vorteile erzielt werden. Die Vorrichtung kann das elektrische Energiespeichersystem beispielsweise durch entsprechende Ansteuerbefehle betreiben, beispielsweise indem eine entsprechende Leistungselektronik und/oder Verbraucher angesteuert werden.
  • Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät umfassen, an das Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren sowie entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise ein Wechselrichter oder elektrische Verbraucher, angeschlossen sind. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein.
  • Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersystem, welches mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und mindestens eine offenbarte Vorrichtung umfasst. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die offenbarte Vorrichtung alle Schritte des offenbarten Verfahrens ausführt. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
  • Figurenliste
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform; und
    • 4 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei wird in einem ersten Schritt S11 ein Alterungskennwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Der Alterungskennwert kann beispielsweise auf einem Kapazitätswert oder einem Widerstandswert der elektrischen Energiespeichereinheit basieren, auch unter Bezugnahme auf einen Referenzwert.
  • In einem zweiten Schritt S12 wird überprüft, ob der Alterungskennwert bereits mehrmals zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wurde. Falls nicht, wird mit dem ersten Schritt S11 fortgefahren. Dabei kann der zeitliche Abstand der Ermittlungen und die Anzahl an erforderlichen Ermittlungen vorgegeben sein beziehungsweise werden. Somit kann je nach Anwendungsfall eine ausreichende Zahl an Ermittlungen festgelegt werden. Beispielsweise kann der zeitliche Abstand mehrere Stunden oder Tage betragen, da eine elektrische Energiespeichereinheit eher langsam altert. Beispielsweise kann eine zweimalige Ermittlung des Alterungskennwertes bereits ausreichend sein.
  • In einem dritten Schritt S13 wird ein ermittelter Alterungskennwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit mit einer vordefinierten Alterungskennwertkennlinie verglichen. Dabei können auch Toleranzbänder um die Alterungskennwertkennlinie berücksichtigt werden, um Faktoren wie eine unterschiedliche Betriebsweise und kalendarische Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit zu berücksichtigen. Wird die Alterungskennwertkennlinie unterschritten, d.h., liegt eine übermäßig starke Alterung vor, wird mit einem vierten Schritt S14 fortgefahren. Ansonsten schließt sich der erste Schritt S11 an.
  • In dem vierten Schritt S14 wird mindestens ein erster Kennwert des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte, der sich aus der mehrmaligen Ermittlung selbiger ergibt, ermittelt. Insbesondere wird eine erste zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs ermittelt.
  • In einem fünften Schritt S15 wird das elektrische Energiespeichersystem in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder des ersten Kennwertes betrieben. Dies bedeutet insbesondere, dass Maßnahmen ergriffen werden, um die Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit zu verlangsamen.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Schritte S21, S22, S23 und S24 entsprechen den bei 1 beschriebenen Schritte S11, S12, S13 und S14.
  • In einem fünften Schritt S25 wird der ermittelte mindestens eine erste Kennwert und/oder sein Absolutwert mit einem vordefinierten Kennwertgrenzwert verglichen, um mittels des ersten Kennwertes die Alterung besser beurteilen zu können. Umfasst der erste Kennwert beispielsweise eine erste zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte, kann anhand dessen die Geschwindigkeit der Alterung ermittelt werden. Überschreitet der erste Kennwert bzw. sein Absolutwert den vordefinierten Kennwertgrenzwert, werden in einem sechsten Schritt S26 entsprechende Maßnahmen im Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems ergriffen, um die Alterung entsprechend zu verlangsamen. Dabei kann der Effekt dieser Maßnahmen während des Betriebs überprüft werden, beispielsweise indem der erste Kennwert zu unterschiedlichen Zeitpunkten überprüft wird.
  • Wird der vordefinierte Kennwertgrenzwert nicht überschritten, wird mit dem ersten Schritt S11 fortgefahren.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Schritte S31, S32, S33 und S34 entsprechen den bei 1 beschriebenen Schritte S11, S12, S13 und S14.
  • In einem fünften Schritt S35 wird eine Vorhersage der Entwicklung des Alterungskennwertes basierend auf dem zeitlichen Verlauf der ermittelten Alterungskennwerte und dem mindestens einen Kennwert ermittelt. Somit kann beispielsweise vorhergesagt werden, wann eine Wartung des elektrischen Energiespeichersystems erforderlich sein wird.
  • In einem sechsten Schritt S36 wird anschließend das elektrische Energiespeichersystem derart betrieben, dass eine vordefinierte Lebensdauer realisiert wird. Dazu kann es erforderlich sein, die Vorhersage der Entwicklung des Alterungskennwertes erneut bzw. mehrmals durchzuführen.
  • Weiterhin ist es bei allen Ausführungsformen möglich, im Zuge des Betriebs des elektrischen Energiespeichersystems eine zweite Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte zu ermitteln, auch mehrmals, um festzustellen, ob der zeitliche Verlauf der Alterungskennwerte einen Wendepunkt aufweist. Dies ermöglicht es beispielsweise zu beurteilen, ob die eingeleiteten Maßnahmen zur Verlangsamung der Alterung effektiv sind. Alternativ oder zusätzlich kann die erste zeitlich Ableitung des Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte ermittelt werden, auch mehrmals, um festzustellen, ob die Alterung zumindest verlangsamt wurde. Falls ja, zeigen die getroffenen Maßnahme wie Reduzierung der zulässigen elektrischen Stromhöhe Wirkung. Falls nein, kann es sinnvoll sein, diese Maßnahme zu verstärken, das heißt beispielsweise die maximal zulässige Stromhöhe noch weiter zu verringern, sofern möglich.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 40 mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit 41 gemäß einer Ausführungsform. Dabei ist eine Vorrichtung 42 zum Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems 40 und zur Ausführung des offenbarten Verfahrens eingerichtet. Die Vorrichtung 42 kann dabei eingerichtet sein, ein leistungselektronisches Bauteil 43, beispielsweise einen Wechselrichter, in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs von ermittelten Alterungskennwerten und/oder eines ersten Kennwertes eines zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte anzusteuern, beispielsweise um die Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit zu verlangsamen.
  • 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 2017/0352203 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems (40), umfassend mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit (41), umfassend folgende Schritte: a) Mehrmaliges Ermitteln eines Alterungskennwertes der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit (41) zu unterschiedlichen Zeitpunkten; b) Vergleichen eines ermittelten Alterungskennwertes der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit (41) mit einer vordefinierten Alterungskennwertkennlinie; c) In Abhängigkeit des Vergleichs Ermitteln mindestens eines ersten Kennwertes des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte; d) Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems (40) in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder des ersten Kennwertes.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Kennwert eine erste zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte und/oder eine zweite zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Alterungskennwerte umfasst.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: e) Vergleichen des ermittelten mindestens einen ersten Kennwertes und/oder des Absolutwertes des ermittelten mindestens einen ersten Kennwertes mit einem vordefinierten Kennwertgrenzwert, wobei das Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems (40) in Abhängigkeit des Vergleichs erfolgt;
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems (40) mindestens einen der nachfolgenden Schritte umfasst: f) Reduzieren der zulässigen elektrischen Stromhöhe, mit der die elektrische Energiespeichereinheit (41) geladen und/oder entladen wird; g) Einstellen einer optimalen Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit (41), welche insbesondere im Bereich von 10°C bis 30°C liegt;
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: h) Ermitteln einer Vorhersage der Entwicklung des Alterungskennwertes basierend auf dem zeitlichen Verlauf der ermittelten Alterungskennwerte und dem mindestens einen ersten Kennwert, wobei das Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems (40) zusätzlich in Abhängigkeit der Vorhersage der Entwicklung des Alterungskennwertes erfolgt.
  6. Vorrichtung (42) zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichersystems (40) mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit (41), wobei die Vorrichtung mindestens ein Mittel, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, umfasst, wobei das Mittel eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
  7. Elektrisches Energiespeichersystem (40), umfassend mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit (41) und eine Vorrichtung (42) gemäß Anspruch 6.
  8. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung (42) nach Anspruch 6 alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
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