DE102020200163A1 - Verfahren zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit beschrieben, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines Referenzmodells der elektrischen Energiespeichereinheit, welches einen Zusammenhang zwischen einem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit, einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einem ersten Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet;
b) Ermitteln der Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit;
c) Ermitteln des mindestens einen ersten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung von erfassten Strom- und/oder Spannungswerten der elektrischen Energiespeichereinheit;
d) Ermitteln des Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit mittels des Referenzmodells in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und des ermittelten mindestens einen Alterungskennwertes.
Weiterhin wird eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes elektrisches Energiespeichersystem, ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit.
  • Stand der Technik
  • Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere von Fahrzeugen, kommt elektrischen Energiespeichereinheiten eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen der Elektrifizierung. Es gibt beispielsweise rein elektrisch angetriebenen Fahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, bei denen ein Elektromotor den Antrieb des Fahrzeugs nur zeitweise übernimmt beziehungsweise den Verbrennungsmotor unterstützt. Diese unterschiedlichen Ausprägungen der Elektrifizierung weisen typischerweise unterschiedliche Spannungsniveaus und unterschiedliche Ausgestaltungen der verwendeten elektrischen Energiespeichereinheiten auf.
  • Bei zukünftigen batterie-elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere bei Baggern oder Radladern, ist neben einer ausreichenden Energie für den Fahrantrieb auch ausreichend Energie für den Arbeitsvorgang erforderlich. Dementsprechend genau sollte der Ladezustand der Batterie (SOC-Wert) bestimmt werden können, um ein Liegenbleiben der Arbeitsmaschine im unwegsamen Gelände bzw. ein abruptes Ende des Arbeitsvorgangs zu vermeiden. Auch E-Busse sollten aufgrund eines ungenauen SOC-Wertes und damit einer ungenauen Reichweitenbestimmung nicht auf der Fahrstrecke liegen bleiben. Daher ist es wichtig, den Ladezustand präzise zu bestimmen.
  • Ungenauigkeiten im Ladezustand schlagen sich in einer falschen Reichweite oder einer falschen Betriebsdauer nieder. Aus Sicherheitsgründen werden diese Zeiten beziehungsweise die Reichweite zu gering berechnet, da die Berechnungen nicht immer auf tatsächlich gemessenen Werten, sondern auch auf zum Teil geschätzten Werten aufbauen, um ein Liegenbleiben bzw. einen Arbeitsstopp zu vermeiden. Dadurch wird Reichweite beziehungsweise Arbeitszeit verschenkt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Offenbart wird ein Verfahren zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
  • Dazu wird ein Referenzmodell bereitgestellt, welches einen Zusammenhang zwischen einem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit, einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einem ersten Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet. Dies kann beispielsweise in Form einer sogenannte Lookup-Tabelle erfolgen oder auch in Form eines neuronalen Netzes, welches die entsprechenden Zusammenhänge aufweist. Es handelt sich somit beispielsweise um ein mathematisches Referenzmodell. Die entsprechenden Werte und/oder Parameter des Modells können beispielsweise durch im Labor durchgeführte Messung unter kontrollierten Bedingungen ermittelt werden.
  • Weiterhin werden die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens ein erster Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei das Ermitteln des mindestens einen ersten Alterungskennwertes mittels erfasster Strom- und/oder Spannungswerte der elektrischen Energiespeichereinheit erfolgt. Der Alterungskennwert kann eine absolute Größe, beispielsweise ein aktueller Widerstandswert, sein oder auch eine relative Größe, beispielsweise ein aktueller Widerstandswert bezogen auf einen Bezugswiderstandwert, sein.
  • In Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und des ermittelten mindestens einen ersten Alterungskennwertes wird der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit mittels des Referenzmodells ermittelt, welches genau die entsprechenden Zusammenhänge zwischen den genannten Größen abbildet.
  • Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da dadurch die Genauigkeit der Ladezustandsermittlung beziehungsweise des ermittelten Ladezustandes erhöht wird. Somit werden unerwartete, plötzliche Ausfälle beispielsweise von die elektrische Energiespeichereinheit einsetzenden Fahrzeugen vermieden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der Schritt des Ermittelns des mindestens einen ersten Alterungskennwertes ein Ermitteln mindestens eines elektrischen Widerstandswertes der elektrischen Energiespeichereinheit. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, da beide Werte aus den erfassten Strom- und/oder Spannungswerten der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden können und sich weiterhin einfach in dem Referenzmodell abbilden lassen. Dies ermöglicht eine einfache Umsetzung des Verfahrens.
  • Zweckmäßigerweise wird ein Korrekturfaktor für den ermittelten Ladezustand in Abhängigkeit einer Differenz des ermittelten ersten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit und eines aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird der zweite Alterungskennwert aus dem Referenzmodell in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustandes und der ermittelten Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Der ermittelte Ladezustand wird anschließend in Abhängigkeit des Korrekturfaktors angepasst, wobei der angepasste Ladezustand wiederum eine Änderung des aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Alterungskennwertes bedingt. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Genauigkeit der Ladezustandsbestimmung erhöht wird und diese Genauigkeit schneller erreicht wird. Dies bedeutet, dass ein genauerer Ladezustandswert schneller ermittelt wird. Auch kann ein bereits bestehendes Verfahren zur Ladezustandsermittlung einfach durch das beschriebene Verfahren erweitert werden, sodass eine einfache Umsetzung und Implementierung des offenbarten Verfahrens gegeben ist.
  • Zweckmäßigerweise wird der zweite Alterungskennwert mittels der regelungstechnischen Struktur eines Beobachters kontinuierlich angepasst. Dies ist vorteilhaft, da somit eine Konvergenz des ermittelten Ladezustands gegen den tatsächlichen Ladezustand erreicht wird.
  • Zweckmäßigerweise wird der ermittelte Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in einen nicht flüchtigen Speicher abgespeichert. Bei Bedarf wird der so abgespeicherte Ladezustand aus dem nicht flüchtigen Speicher wieder geladen und kann zur Initialisierung des beschriebenen Verfahrens verwendet werden. Dies ist vorteilhaft, da somit ein aktueller und sehr genauer Wert des Ladezustands nicht verloren geht, sondern bei Neustart des Verfahrens wieder zur Verfügung steht. Somit wird die Genauigkeit der Ladezustandsbestimmung erhöht.
  • Zweckmäßigerweise werden die offenbarten Verfahrensschritte fortlaufend ausgeführt. Dies ist vorteilhaft, da somit zum einen Konvergenz des ermittelten Ladezustandes gegen den „wahren“ Ladezustand erreicht wird und zum anderen immer ein aktueller und genauer Ladezustandswert vorliegt, welcher für darauf aufbauende Funktionen, beispielsweise eine Leistungsprädiktion, genutzt werden kann.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, wobei die Vorrichtung mindestens ein Mittel umfasst, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, wobei das Mittel eingerichtet ist, die offenbarten Schritte des Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit 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 die beschriebene Vorrichtung umfasst. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, die Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.
  • Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein.
  • 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 eine schematische Darstellung des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform; und
    • 4 eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei wird in einem ersten Schritt S11 ein, insbesondere mathematisches Referenzmodell der elektrischen Energiespeichereinheit bereitgestellt, welches einen Zusammenhang zwischen einem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit, einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einem ersten Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet. Das Referenzmodell kann dabei bereits vor dem Ablauf des offenbarten Verfahrens ermittelt worden sein.
  • In einem zweiten Schritt S12 wird eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, beispielsweise durch einen auf der elektrischen Energiespeichereinheit aufgebrachten Temperatursensor. Somit steht die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit zur Verfügung. Dabei spielt der Ort der Temperaturmessung eine untergeordnete Rolle, solange die Temperaturermittlung der elektrischen Energiespeichereinheit für das Referenzmodell und die soeben beschriebene Temperaturermittlung am gleichen Ort stattfinden, sei es an oder in der elektrischen Energiespeichereinheit. Möglicherweise ist bei unterschiedlichen Messorten auch eine Umrechnung möglich.
  • In einem dritten Schritt S13 wird mindestens ein erster Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung von erfassten Strom- und/oder Spannungswerten der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.
  • In einem vierten Schritt S14 wird anschließend der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit mittels des Referenzmodells in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und des ermittelten mindestens einen Alterungskennwertes ermittelt.
  • Die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte kann dabei auch anders gewählt werden. Beispielsweise kann zuerst der Alterungskennwert und dann die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten Verfahrens zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei ist das Verfahren anhand eines Schaubilds dargestellt, welches schematisch die Signalflüsse zwischen den einzelnen Verfahrensschritten abbildet.
  • Dabei ist ein Block 21 zweimal dargestellt, um die Vorgänge und Signalflüsse innerhalb des Blockes 21 zu verdeutlichen. Innerhalb des Blockes 22 wird ein mathematisches Referenzmodell der elektrischen Energiespeichereinheit bereitgestellt. Weiterhin wird in dem Block 22 aus den erfassten Strom- und Spannungswerten der elektrischen Energiespeichereinheit ein Innenwiderstandswert Ri_calc als Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Weiterhin wird in dem Block 22 aus einer Temperatur T der elektrischen Energiespeichereinheit und dem ermittelten Innenwiderstandswert Ri_calc mittels des Referenzmodells ein Ladezustandswert SOC_calc ermittelt, wobei die genannten Größen in den Block 21 eingehen. In dem Block 21 wird eine Differenz aus dem Innenwiderstandswert Ri_calc und einem weiteren ermittelten Innenwiderstandswert berechnet. Die Differenz wird in dem Block 23 dazu verwendet, einen Korrekturfaktor für den Ladezustand in Abhängigkeit der Differenz zu ermitteln. Weiterhin wird in dem Block 23 der ermittelte Ladezustand SOC_calc in Abhängigkeit des Korrekturfaktors angepasst und ergibt den angepassten Ladezustand SOC_SOH. Der angepasste Ladezustand SOC_SOH bedingt einen aus dem Referenzmodell ermittelten Alterungskennwert und kann zudem in weiteren Funktionen oder Verfahren verwendet werden, beispielsweise zur Leistungsprädiktion. Zudem wird der angepasste Ladezustand SOC_SOH in einem Block 24 dazu verwendet, unter Verwendung des Referenzmodells und der Temperatur T einen weiteren Innenwiderstandswert zu ermitteln, welcher dann in der vorgenannten Differenzberechnung Verwendung findet. Da in der Regel ständig neue Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte erfasst werden, werden die beschriebenen Schritte kontinuierlich ausgeführt.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Ladezustandsbestimmung gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 wird ein Referenzmodell einer elektrischen Energiespeichereinheit bereitgestellt, welches einen Zusammenhang zwischen einem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit, einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einem ersten Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet.
  • In einem zweiten Schritt S32 wird ein erster Widerstandswert als erster Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit mittels gemessener Strom- und Spannungswerte der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.
  • In einem dritten Schritt S33 wird die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit gemessen, beispielsweise durch einen auf der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Temperatursensor.
  • In einem vierten Schritt S34 wird der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung des Referenzmodells in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur und des ermittelten ersten Widerstandswertes ermittelt.
  • In einem fünften Schritt S35 wird ein Korrekturfaktor für den Ladezustand in Abhängigkeit einer Differenz des ermittelten ersten Widerstandswertes und eines aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Widerstandswertes ermittelt. Dabei wird der zweite Widerstandswert aus dem Referenzmodell in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustandes und der gemessenen Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Es findet somit eine Differenzbildung zwischen einem direkt über Messgröße ermittelten ersten Widerstandswert und einem indirekt über das Referenzmodell ermittelten zweiten Widerstandswert statt.
  • In einem sechsten Schritt S36 wird der in dem vierten Schritt S34 ermittelte Ladezustand in Abhängigkeit des Korrekturfaktors angepasst. Dabei bedingt der angepasste Ladezustand wiederum eine Änderung des aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Widerstandswerts.
  • Der in dem sechsten Schritt S36 angepasste Ladezustand kann anschließend zum Betreiben der elektrischen Energiespeichereinheit verwendet werden, beispielsweise im Rahmen der Ansteuerung eines leistungselektronischen Bauteils, beispielsweise eines Wechselrichters. Ebenso ist ein Einsatz bei einer Leistungsprädiktion innerhalb eines Batteriemanagementsteuergerätes denkbar.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 40 gemäß einer Ausführungsform. Eine Vorrichtung 42 zur Zustandsbestimmung, welche ein Mittel umfasst, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, ermittelt Strom- und/oder Spannungswerte einer elektrischen Energiespeichereinheit 41. Dabei kann die Vorrichtung 42 entsprechende Erfassungsmittel oder Sensoren selbst umfassen oder beispielsweise die entsprechende Messdaten übermittelt bekommen. Die Vorrichtung 42 kann mit dem im Rahmen des offenbarten Verfahrens ermittelten Ladezustand anschließend beispielsweise ein leistungselektronisches Bauteil 43 ansteuern, beispielsweise einen Wechselrichter.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Referenzmodells der elektrischen Energiespeichereinheit, welches einen Zusammenhang zwischen einem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit, einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einem ersten Alterungskennwert der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet; b) Ermitteln der Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit; c) Ermitteln des mindestens einen ersten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung von erfassten Strom- und/oder Spannungswerten der elektrischen Energiespeichereinheit; d) Ermitteln des Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit mittels des Referenzmodells in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und des ermittelten mindestens einen Alterungskennwertes.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt des Ermittelns des mindestens einen ersten Alterungskennwertes umfasst: e) Ermitteln mindestens eines elektrischen Widerstandswertes der elektrischen Energiespeichereinheit; und/oder f) Ermitteln mindestens eines Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: g) Ermitteln eines Korrekturfaktors für den Ladezustand in Abhängigkeit einer Differenz des ermittelten ersten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit und eines aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Alterungskennwertes der elektrischen Energiespeichereinheit, wobei der zweite Alterungskennwert aus dem Referenzmodell in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustandes und der ermittelten Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt wird; h) Anpassen des ermittelten Ladezustandes in Abhängigkeit des Korrekturfaktors, wobei der angepasste Ladezustand wiederum eine Änderung des aus dem Referenzmodell ermittelten zweiten Alterungskennwertes bedingt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der zweite Alterungskennwert mittels der regelungstechnischen Struktur eines Beobachters kontinuierlich angepasst wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: i) Abspeichern des ermittelten Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit in einem nicht flüchtigen Speicher; j) Laden des abgespeicherten Ladezustandes aus dem nicht flüchtigen Speicher.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte fortlaufend ausgeführt werden, um stets einen aktuellen Ladezustand zu ermitteln.
  7. Vorrichtung zur Ladezustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  8. Elektrisches Energiespeichersystem, umfassend mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7.
  9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
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