DE102020201508A1

DE102020201508A1 - Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit

Info

Publication number: DE102020201508A1
Application number: DE102020201508.2A
Authority: DE
Inventors: Christel Sarfert; Ganesh Susmitha; Shashank Holavanahalli
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12
Also published as: US11454675B2; CN113253133A; US20210247452A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit beschrieben, welches die Schritte umfasst:a) Ermitteln eines ersten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem ersten mathematischen Modell zumindest basierend auf einer Einsatzzeit und/oder einem Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit;b) Ermitteln eines zweiten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem zweiten mathematischen Modell zumindest basierend auf einem zweiten Ladungsdurchsatzwert der elektrischen Energiespeichereinheit und einer Ladezustandsdifferenz, welche sich aus den Ladezuständen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ergibt;c) Ermitteln eines Korrekturfaktors für das Ermitteln eines Kapazitätswertes mit dem ersten mathematischen Modell basierend auf dem ermittelten ersten Kapazitätswert und dem ermittelten zweiten Kapazitätswert;d) Ermitteln eines dritten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeicher-einheit mit dem ersten mathematischen Modell zumindest basierend auf dem ermittelten Korrekturfaktor und der Einsatzzeit der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder einem dritten Ladungsdurchsatzwert der ersten elektrischen Energiespeichereinheit.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von von einem Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem unabhängigen Patentanspruch.
Stand der Technik
In Folge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere im Fahrzeug- bzw. Automobilbereich, werden zunehmend mobile elektrische Energiespeichersysteme eingesetzt. Insbesondere bei der vermehrt eingesetzten Lithiumionentechnologie ist eine Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten, beispielsweise Spannungs- und Ladezustandsgrenzwerten, erforderlich, um die Sicherheit und Lebensdauer des elektrischen Energiespeichersystems zu gewährleisten. Weiterhin ist insbesondere für Nutzer dieser elektrischen Energiespeichersysteme eine genaue Kenntnis der Kapazität, d.h. des Speichervermögens, der elektrischen Energiespeichereinheiten des entsprechenden elektrischen Energiespeichersystems relevant. Dazu werden in meist unregelmäßigen Abständen entsprechende Aktualisierungen der Kapazitätswerte der elektrischen Energiespeichereinheiten durch ein Batteriemanagementsystem durchgeführt. Mittels dieser Kapazitätswerte kann einem Nutzer beispielsweise eine verbleibende Restreichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angezeigt werden. Je häufiger dieses Aktualisierungen durchgeführt werden können, desto genauer kann dem Nutzer die Fahrzeugreichweite angezeigt werden. Weiterhin kann durch eine entsprechende Rückkopplung die Genauigkeit eines mathematischen Modells, welches zur Kapazitätsermittlung eingesetzt wird, verbessert werden.
Die Druckschrift CN108196200 beschreibt ein Verfahren zur Kapazitätsbestimmung einer Lithiumionenbatterie.
Die Druckschrift CN103399277 beschreibt ein Verfahren zur Kapazitätsbestimmung einer Batterie.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Offenbart wird ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
Das Verfahren zur Kapazitätsermittlung umfasst dabei die nachstehend beschriebenen Schritte.
Dabei wir ein erster Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem ersten mathematischen Modell ermittelt, wobei das erste Modell zumindest auf einer Einsatzzeit der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder einem Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit basiert. Dabei wird unter Einsatzzeit der elektrischen Energiespeichereinheit insbesondere die Zeit verstanden, die die elektrischen Energiespeichereinheit in einem elektrischen Energiespeichersystem verbaut ist. Der Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit lässt sich beispielsweise durch zeitliche Integration des in die und aus der elektrischen Energiespeichereinheit geflossenen Stromes ermitteln.
Das erste mathematische Modell ist dabei bevorzugt ein empirisches Modell, welches mittels Laborversuchen erstellt wird und beispielsweise die Abhängigkeit der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit von der Einsatzzeit und dem Ladungsdurchsatz angibt.
Weiterhin wird ein zweiter Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem zweiten mathematischen Modell ermittelt, wobei sich das erste matheamtische Modell und das zweite mathematische Modell unterscheiden. Dabei basiert das zweite Modell zumindest auf einem zweiten Ladungsdurchsatzwert der elektrischen Energiespeichereinheit und einer Ladezustandsdifferenz. Die Ladezustandsdifferenz wird dabei aus den Ladezustandswerten zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkt berechnet.
Das zweite mathematische Modell ist dabei bevorzugt ein mathematisches Modell, welches aktuelle Messwerte von Strom und Spannung zur Ermittlung der Kapazität einsetzt. Dabei ist zu beachten, dass es sich bei den Spannungsmesswerte bevorzugt um Werte der elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit im Ruhezustand handeln sollte.
Zur Korrektur der Ermittlung eines Kapazitätswertes mit dem ersten mathematischen Modell wird basierend auf dem ermittelten ersten Kapazitätswert und dem ermittelten zweiten Kapazitätswert ein Korrekturfaktor ermittelt, um die Kapazitätswertermittlung mit dem ersten mathematischen Modell zu verbessern.
Anschliessend wird ein dritter Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit dem ersten mathematischen Modell ermittelt, wobei die Ermittlung wiederum auf der Einsatzzeit und/oder dem Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit sowie dem ermittelten Korrekturfaktor zur Verbesserung des Ermittlungsergebnisses basiert.
Das Verfahren ist vorteilhaft, da genauere Werte der Kapazität ermittelt werden durch die Kombination zweier unterschiedlicher Verfahren zur Kapazitätsermittlung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn nach einmaliger Ermittlung des Korrekturfaktors für das erste mathematische Modell für eine gewisse Zeit nur noch dieses Modell zur Kapazitätsermittlung eingesetzt wird, da sich für das zweite Modell keine geeigneten Ruhespannungswerte ermitteln lassen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise werden zum Ermitteln der Ladezustände zu den unterschiedlichen Zeitpunkten Leerlaufspannungswerte einer modellierte Leerlaufspannungskennlinie verwendet. Dadurch kann die Ermittlung des zweiten Kapazitätswertes schneller erfolgen, da nicht erst ein stationärer Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit abgewartet werden muss beziehungsweise überhaupt erst die Ausführung der Ermittlung des zweiten Kapazitätswertes ermöglicht werden, da möglicherweise entsprechende Ruhespannungswerte nicht erreicht werden aufgrund der beständigen Nutzung der elektrischen Energiespeichereinheit.
Zweckmäßigerweise wird die modellierte Leerlaufspannungskennlinie in verschiedene Bereiche eingeteilt. Dabei gibt es erste Bereiche, deren Leerlaufspannungswerte zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden, und es gibt zweite Bereiche, deren Leerlaufspannungswerte nicht zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden. Bei diesen zweiten Bereichen werden stattdessen gemessene Werte der elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit zum Ermitteln der Ladezustände verwendet. Dies ist vorteilhaft, da somit erste Bereiche, in denen die Nachbildung der Leerlaufspannungskurve der elektrischen Energiespeichereinheit wenig fehlerbehaftet ist, zur Kapazitätsermittlung eingesetzt werden, wohingegen zweite Bereiche, in denen die Nachbildung stärker fehlerbehaftet ist, nicht dazu verwendet werden. Somit wird die Genauigkeit der Kapazitätsermittlung erhöht.
Zweckmäßigerweise umfassen die ersten Bereich den Leerlaufspannungsbereich von 4 Volt bis 3,8 Volt und von 3,7 Volt bis 3,6 Volt. In diesen Bereichen ist eine wenig fehlerbehaftete Nachbildung der Leerlaufspannungskennlinie möglich, sodass eine genaue Ermittlung der Kapazitätswerte möglich ist.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren kontinuierlich ausgeführt, um die Kapazitätsermittlung kontinuierlich zu verbessern und so in jedem Wiederholungsvorgang ein genaueres Ergebnis zu erzielen. Dies ist insbesondere bei einer langen Betriebsdauer bzw. Einsatzdauer der elektrischen Energiespeichereinheit relevant, um immer aktuelle und genaue Kapazitätswerte zur Verfügung zu haben.
Das Verfahren kann beispielsweise computerimplementiert umgesetzt werden.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des oben bechriebenen Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit, welche mindestens ein Mittel umfasst, welches eingerichtet ist, alle Schritte des oben bechriebenen Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden. Das mindestens eine Mittel kann insbesondere eine elektronische Steuereinheit sein.
Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. 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 eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersystem, welches eine elektrische Energiespeichereinheit und die beschriebene Vorrichtung umfasst. 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-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 Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung einer modellierten Leerlaufspannungskennlinie mit zwei ersten Bereichen und drei zweiten Bereichen;
3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem ersten mathematischen Modell samt Korrekturfaktor; 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 Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer Ausführungsform.
Dabei wird in einem ersten Schritt S11 ein erster Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem ersten mathematischen Modell zumindest basierend auf einer Einsatzzeit und/oder einem Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.
Das erste mathematische Modell kann dabei die folgende Form haben: $C (t) = \frac{C 2 - C 1}{t 2 - t 1} t + C 2$
Hierbei wird angenommen, dass die Kapazität C(t) der elektrischen Energiespeichereinheit linear von der Einsatzzeit t abhängt. Mit zunehmender Einsatzzeit nimmt die Kapazität somit linear ab. C2 und C1 sind dabei Kapazitätswerte und t2 und t1 die entsprechenden Einsatzzeiten, zu denen diese Kapazitätswerte aufgenommen wurden, wobei t2 einen späteren Zeitpunkt kennzeichnet als t1. Diese Modellbestimmung kann beispielsweise in Laborversuchen erfolgen. Somit kann mittles des ersten mathematischen ein erster Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden.
In einem zweiten Schritt S12 wird ein zweiter Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit einem zweiten mathematischen Modell zumindest basierend auf einem zweiten Ladungsdurchsatzwert der elektrischen Energiespeichereinheit und einer Ladezustandsdifferenz ermittelt. Dabei ergibt sich die Ladezustandsdifferenz aus den Ladezuständen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten.
Das zweite mathematische Modell kann dabei beispielsweise die folgende Form haben: $Q_{c e l l} = \frac{\frac{1}{36} \cdot \int_{t 3}^{t 4} I d t}{S O C {(O C V z)}_{t 4} - S O C {(O C V z)}_{t 3}}$
Dabei ist Qcell der durch das zweite mathematische Modell ermittelte Kapazitätswert und die Zeitpunkte t3 und t4 sind die zwei unterschiedlichen Zeitpunkte. Zur Bestimmung der netto geflossenen Ladungsmenge wird der elektrische Strom über die Zeit zwischen den zwei Zeitpunkten t3 und t4 integriert. Der zweite Kapazitätswert ergibt sich dann mittels Division durch die Ladezustandsdifferenz zwischen den zwei Zeitpunkten t3 und t4.
In einem dritten Schritt S13 wird anschließend ein Korrekturfaktor für das Ermitteln eines Kapazitätswertes mit dem ersten mathematischen Modell basierend auf dem ermittelten ersten Kapazitätswert und dem ermittelten zweiten Kapazitätswert ermittelt. Dies ist auch in 3 veranschaulicht.
In einem vierten Schritt S14 wird ein dritter Kapazitätswert der elektrischen Energiespeichereinheit mit dem ersten mathematischen Modell ermittelt, wobei dies basierend auf dem ermittelten Korrekturfaktor für das erste mathematische Modell und der Einsatzzeit und/oder einem dritten Ladungsdurchsatzwert der ersten elektrischen Energiespeichereinheit erfolgt.
Der so ermittelte dritte Kapazitätswert kann beispielsweise in einer elektronischen Steuereinheit zur verbesserten Lebensdauer- und/oder Reichweitenprognose eingesetzt werden sowie die Vorhersage der verfügbaren Leistung verbessern, wodurch die elektrische Energiespeichereinheit in einer verbesserten Weise betrieben werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer modellierten Leerlaufspannungskennlinie 21 mit zwei ersten Bereichen Δ1, Δ2, deren Leerlaufspannungswerte zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden, und drei zweiten Bereichen, deren Leerlaufspannungswerte nicht zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden. Auf der Ordinatenachse OCV sind die Werte der Leerlaufspannung abgetragen und auf der Abszissenachse SOC die Ladezustandswerte, woraus sich die Leerlaufspannungskennlinie 21 ergibt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kapazitätsverlaufs 31 einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem ersten mathematischen Modell samt Korrekturfaktoren 32, wobei die Korrekturfaktoren zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t1 und t2 ermittelt werden. Auf der Ordinatenachse CAP sind die Werte der Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit abgetragen, wie sie sich aus dem ersten mathematischen Modell ergeben, und auf der Abszissenachse t die Einsatzzeit der elektrischen Energiespeichereinheit, woraus sich der Kapazitätsverlauf 31 ergibt.
Mit Korrekturfaktor hat das oben eingeführte beispielshafte Modell folgende Form: $C (t) = \frac{C 2 + Δ C k o r r - C 1}{t 2 - t 1} t + C 2$
Dabei kennzeichnet ΔCkorr den entsprechenden Korrekturfaktor. Für 3 bedeutet dies, dass ΔCkorr ein positive Wert ist, da das erste mathematische Modell den Kapazitätsverlust mit der Zeit überschätzt hat. Durch das offenbarte Verfahren kann das Modell verbessert werden, was in genaueren Kapazitätswerten resultiert.
4 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 40 gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Energiespeichersystem 40 weist eine elektrische Energiespeichereinheit 41 sowie eine Vorrichtung 42 zur Ermittlung der Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit auf. Dabei umfasst die Vorrichtung 42 ein Mittel 44, das eingerichtet ist, die Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Die Vorrichtung 44 wiederum steuert ein leistungselektronisches Bauteil 43 an, welches beispielsweise die Energiezufuhr zu einem Elektromotor regelt.
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

CN 108196200 [0003]
CN 103399277 [0004]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit (41), umfassend die Schritte: a) Ermitteln eines ersten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit (41) mit einem ersten mathematischen Modell zumindest basierend auf einer Einsatzzeit und/oder einem Ladungsdurchsatz der elektrischen Energiespeichereinheit (41); b) Ermitteln eines zweiten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit (41) mit einem zweiten mathematischen Modell zumindest basierend auf einem zweiten Ladungsdurchsatzwert der elektrischen Energiespeichereinheit (41) und einer Ladezustandsdifferenz, welche sich aus den Ladezuständen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ergibt; c) Ermitteln eines Korrekturfaktors (32) für das Ermitteln eines Kapazitätswertes mit dem ersten mathematischen Modell basierend auf dem ermittelten ersten Kapazitätswert und dem ermittelten zweiten Kapazitätswert; d) Ermitteln eines dritten Kapazitätswertes der elektrischen Energiespeichereinheit (41) mit dem ersten mathematischen Modell zumindest basierend auf dem ermittelten Korrekturfaktor (32) und der Einsatzzeit der elektrischen Energiespeichereinheit (41) und/oder einem dritten Ladungsdurchsatzwert der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (41).
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Schritt b) zum Ermitteln der Ladezustände Leerlaufspannungswerte einer modellierten Leerlaufspannungskennlinie (21) verwendet werden.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die modellierte Leerlaufspannungskennlinie (21) in verschiedene Bereiche eingeteilt ist, wobei es mindestens einen ersten Bereich (Δ1, Δ2) gibt, dessen Leerlaufspannungswerte zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden, und wobei es mindestens einen zweiten Bereich gibt, dessen Leerlaufspannungswerte nicht zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden, sondern stattdessen gemessene Werte der elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit (41) zum Ermitteln der Ladezustände verwendet werden.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine erste Bereich (Δ1, Δ2) den Leerlaufspannungsbereich von 4 Volt bis 3,8 Volt und den Leerlaufspannungsbereich von 3,7 Volt bis 3,6 Volt umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren kontinuierlich ausgeführt wird, um die Kapazitätsermittlung zu verbessern.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
Vorrichtung (42) zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit (41), umfassend mindestens ein Mittel (44), insbesondere eine elektronische Steuereinheit, das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Elektrisches Energiespeichersystem (40), umfassend eine elektrische Energiespeichereinheit (41) und eine Vorrichtung (42) gemäß Anspruch 8.