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Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands mindestens einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von einem erfassten Laststrom der mindestens einen Batteriezelle, einer dem Laststrom zugeordneten erfassten Spannung der mindestens einen Batteriezelle, und einer gespeicherten Kennlinie für die mindestens eine Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung zum Ermitteln eines Ladezustands, und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Messeinrichtung.
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Eine oft verwendete Methode zur Bestimmung des Ladezustands einer Batteriezelle ist es, die Ruhespannung der Batteriezelle in einer Ruhephase der Batteriezelle zu ermitteln und den Ladezustand abhängig von der ermittelten Ruhespannung in der Ruhephase basierend auf einer Kennlinie zu bestimmen. Eine solche Kennlinie wird auch als OCV (Open Circuit Voltage)-Kennlinie bezeichnet. Allerdings gibt es Batteriezellen, wie zum Beispiel Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen, die eine äußerst flache OCV-Kennlinie über weite Ladezustandsbereiche aufweisen. Mit anderen Worten ändert sich die Ruhespannung über verschiedene Ladezustandsbereiche kaum. Die Bestimmung des Ladezustands sowie die Ermittlung der Ruhespannung ist damit nur äußerst ungenau oder gar nicht möglich. Allerhöchstens kann der Ladezustand bei dieser Akku-Chemie nur bei ganz voller oder ganz leerer Batterie über die Ruhespannung ermittelt werden. Im Bereich dazwischen ist größtenteils keinerlei Aussage zum Ladezustand der Zelle über die gemessene Ruhespannung möglich.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Ladezustands besteht in der Stromintegration. Ist ein Ausgangsladezustand einer Batteriezelle zu einem Anfangszeitpunkt bekannt, zum Beispiel im ganz vollen oder ganz leeren Batteriezustand, so kann der aktuelle Ladezustand auch über die zeitliche Integration des Lade- und/oder Entladestroms ab diesem Anfangszeitpunkt ermittelt werden. Sowohl die Strommessung als auch deren zeitliche Integration über die Zeit unterliegen jedoch Messfehlern, die sich entsprechend über die Zeit auch aufsummieren. Entsprechend ist dieses Vorgehen ebenfalls stark fehlerbehaftet und dient daher bislang lediglich als Notlösung, z.B. wenn eine Ladezustandsermittlung auf Basis der OCV-Kennlinie nicht möglich ist.
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Weiterhin ist es auch denkbar, den Ladezustand in Abhängigkeit von einem erfassten Laststrom, einer Spannung und einer entsprechenden Kennlinie zu ermitteln. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2010 017 504 A1 ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie mittels einer Kombination aus Integration von der Batterie zu- und abgeführtem Strom, Ladezustandsbestimmung der Batterie über eine Batterie spezifische Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung der Batterie über Batterie spezifische Lastkennlinien, wobei jeweilige Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen zusammengeführt werden und daraus eine Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie abgeleitet wird. Insbesondere kann hierbei der Ladezustand der Starterbatterie während Belastungsphasen über die im Labor ermittelten Lastkennlinien ermittelt werden. Dieses Verfahren kommt nur dann zur Anwendung, wenn ein negativer Laststrom vorliegt und alle Bedingungen zur Ausführung erfüllt sind, welche insbesondere umfassen können, dass der Laststrom und die Batterietemperatur in einem bestimmten Bereich liegen, insbesondere für eine definierte Zeit.
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Aber auch diese Ermittlungsverfahren können unter Umständen sehr ungenau sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst genaue Ermittlung eines Ladezustands mindestens einer Batteriezelle auch bei sehr flach verlaufender OCV-Kennlinie erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands mindestens einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von einem erfassten Laststrom der mindestens einen Batteriezelle, einer dem Laststrom zugeordneten erfassten Spannung der mindestens einen Batteriezelle und einer gespeicherten Kennlinie für die mindestens eine Batteriezelle wird überprüft, ob der erfasste Laststrom für eine vorgegebene erste Mindestzeitdauer nach zumindest einem vorbestimmten Kriterium konstant ist, und nur für den Fall, dass der erfasste Laststrom für die vorgegebene erste Mindestzeitdauer nach dem zumindest einen vorbestimmten Kriterium konstant ist, wird der Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle in Abhängigkeit von dem erfassten Laststrom und der erfassten zugeordneten Spannung mittels der Kennlinie ermittelt.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, den Ladezustand auf Basis eines erfassten Laststroms besonders genau zu ermitteln, wenn der Laststrom dabei über einen bestimmten Zeitraum, der vorliegend als vorgegebene erste Mindestzeitdauer bezeichnet wird, konstant ist beziehungsweise nahezu konstant ist. Dies kann vorteilhafterweise erreicht werden, wenn alle transienten zellinternen Vorgänge ausreichend abgeklungen sind, damit die gemessene Spannung bei bekanntem, konstanten Strom mittels der Kennlinie direkt oder indirekt in einen Ladezustand umgerechnet werden kann. Gerade im Gegensatz zum Stand der Technik, wo höchstens gefordert wird, dass der Laststrom in einem bestimmten Bereich liegt, nicht jedoch dessen Konstanz innerhalb dieses Bereichs gefordert wird, lässt sich durch die Erfindung die Genauigkeit bei der Bestimmung des Ladezustands deutlich steigern. Zudem beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Spannungskurve bei gegebenem Laststrom in Abhängigkeit vom Ladezustand oftmals deutlich größere Steigungen aufweist als die OCV-Kennlinie, d.h. die Ruhespannungskurve ohne Laststrom in Abhängigkeit vom Ladezustand. Dies gilt vor allem Lithium-Eisenphosphat-Zellen, aber auch für anderen Batteriezellen mit flacher OCV-Kennlinie. Daher lässt sich unter Verwendung der Kennlinie, insbesondere einer Last-Spannungskennlinie, des Laststroms und der erfassten Spannung eine deutlich genauere Zuordnung zu dem aktuellen Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle bereitstellen. Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung besteht zudem darin, dass eine Ermittlung des Ladezustands dabei auch im Betrieb der Batterie beziehungsweise des Kraftfahrzeugs möglich ist und nicht nur in Ruhephasen der Batterie. Der Laststrom muss zwar die Anforderung der Konstanz nach dem zumindest einen vorbestimmten Kriterium erfüllen, allerdings für eine relativ kurze Mindestzeitdauer, zum Beispiel im Bereich 10 bis 30 Sekunden. Dies ist in sehr vielen Situationen erfüllt, zum Beispiel beim Laden der Batterie während eines Ladevorgangs oder auch im Stillstand des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel beim Halten an einer Ampel. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise der Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle sehr häufig auf sehr genaue Art und Weise ermitteln, selbst bei sehr flacher OCV-Kennlinie der mindestens einen Batteriezelle.
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Der Ladezustand wird typischerweise auch als State-of-Charge (SoC) bezeichnet. Die Batteriezelle stellt vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere eine Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle dar. Grundsätzlich lässt sich das beschriebene und nachfolgend noch näher beschriebene Verfahren bei jeder Art von Batteriezelle anwenden und ist vor allem bei Batteriezellen mit einer zumindest bereichsweise sehr flachen OCV-Kennlinie, zum Beispiel mit einer Steigung kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert, besonders vorteilhaft. Die Batterie für das Kraftfahrzeug stellt dabei vorzugsweise eine Hochvoltbatterie dar. Die Batterie kann darüber hinaus mehrere Batteriezellen aufweisen, die zueinander in einer Parallel- und/oder Serienschaltung miteinander verschaltet sein können. Diese können optional auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Weiterhin kann sich der Ladezustand, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausführungsformen ermittelt wird, auf eine einzelne Batteriezelle der Batterie beziehen oder auch auf die Batterie mit mehreren Batteriezellen insgesamt. Insbesondere kann der Ladezustand für jede einzelne Batteriezelle der Batterie oder Batteriezellengruppe ganz analog ermittelt werden. Der Laststrom einer Batteriezelle stellt dabei den Batteriestrom beziehungsweise Zellstrom in einem Lastzustand der Batterie dar. Dieser Lastzustand ist von einem Ruhezustand der Batterie verschieden, in welchem ein Ruhestrom der Batterie einen Wert unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts annimmt. Im Lastzustand überschreitet also der Laststrom diesen Grenzwert. Weiterhin kann dabei unter einem Laststrom sowohl ein der Batterie beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle zugeführter Strom als auch ein aus der Batterie beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle entnommener Strom verstanden werden. Mit anderen Worten ist das beschriebene Verfahren sowohl beim Laden als auch Entladen der mindestens einen Batteriezelle anwendbar. Bei der erfassten Spannung handelt es sich entweder um die Einzelspannung der mindestens einen Batteriezelle, das heißt der Zellspannung, wenn der Ladezustand für eine einzelne Batteriezelle oder eine Zellgruppe parallel verschalteter Batteriezellen ermittelt werden soll, oder der Batteriegesamtspannung, wenn der Ladezustand der Batterie als Ganzes bestimmt werden soll. Vorzugsweise wird das beschriebene Verfahren für jede Zelle beziehungsweise Zellgruppe aus parallel verschalteten Zellen einzeln ausgeführt, sodass es sich bei der genannten erfassten Spannung um die Einzelspannung der Batteriezelle beziehungsweise einer Zellgruppe parallel verschalteter Batteriezellen handelt. Der Laststrom kann beispielsweise in beiden Fällen als Gesamtbatteriestrom erfasst werden.
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Die vorgegebene erste Mindestzeitdauer ist vorzugsweise relativ kurz. Diese beträgt vorzugsweise maximal einige Minuten, und liegt insbesondere im einstelligen Minutenbereich. Besonders bevorzugt ist diese erste Mindestzeitdauer kleiner als eine Minute. Zur Erfassung des Laststroms und der Spannung kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein. Diese Messeinrichtung kann zudem einen Speicher aufweisen, in dem die Kennlinie für die mindestens eine Batteriezelle gespeichert ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das vorbestimmte Kriterium, dass der Laststrom während der vorbestimmten Mindestzeitdauer um weniger als ein vorbestimmter Schwellwert von einem Strom-Referenzwert, z.B. einem Strommittelwert während der vorbestimmten Mindestzeitdauer, abweicht, der insbesondere maximal 10% des Strom-Referenzwerts beträgt und vorzugsweise zwischen einschließlich 2% und einschließlich 3% des Strom-Referenzwert liegt. Mit anderen Worten sind vorzugsweise lediglich Abweichungen zulässig, die maximal um einen Prozentwert, der bevorzugt zwischen einschließlich 2% und einschließlich 3% liegt, von einem Strom-Referenzwert, z.B. dem Mittelwert des Laststroms während der Mindestzeitdauer, abweichen, damit der Laststrom als ausreichend konstant gilt. Dabei können Abweichung vom Mittelwert nach oben und nach unten in gleicher Weise zulässig sein. Ein solcher Schwellwert kann auch größer gewählt werden, wobei mit Zunahme des Schwellwerts auch mit einer zunehmenden Ungenauigkeit bezüglich der Bestimmung des Ladezustands zu rechnen ist. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Schwellwert zumindest 10% nicht überschreitet, um noch eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten. Gerade ein Schwellenwert zwischen 2% und 3% hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da dies einerseits eine sehr genaue Ermittlung des Ladezustands erlaubt, andererseits auch eine ausreichend häufige Ermittlung des Ladezustands, da es noch in genug Situationen zu einem solch konstanten Laststrom kommt. Als Strom-Referenzwert, in Bezug auf welchen die maximal erlaubte Abweichung des Laststroms definiert wird, muss dabei nicht notwendigerweise den Mittelwert während der Mindestzeitdauer darstellen, sondern kann beispielsweise auch einen Anfangsstromwert zu einem Anfangszeitpunkt, ab welchem die erste Mindestzeitdauer anfängt zu laufen, darstellen. Weicht ein nachfolgend ermittelter Laststromwert um mehr als den vorgegebenen Schwellwert von diesem Stromreferenzwert ab, so kann das Verfahren abgebrochen und von neuem gestartet werden. Mit anderen Worten kann die vorbestimmte Mindestzeitdauer dann erneut anfangen zu laufen. Erst wenn eine Phase ausreichend konstanten Laststroms detektiert wird, kann auf Basis dieses Laststroms sowie der zugeordneten erfassten Spannung und der Kennlinie der Ladezustand ermittelt werden. Dabei ist es zudem vorteilhaft, auch die aktuelle Temperatur der Batterie beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle zu ermitteln. Der Ladezustand wird dann zusätzlich in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt. Dies hat den Hintergrund, dass Spannungs-/Ladezustands-Kennlinien auch oftmals stark temperaturabhängig sind. Beispielsweise könne mehrere Kennlinien für verschiedene Temperaturbereiche gespeichert sein, und bei der Ermittlung des Ladezustands kann die der aktuellen Batterietemperatur entsprechende Kennlinie verwendet werden. Da Temperatursensoren üblicherweise ohnehin in einer Batterie verbaut sind, lässt sich die Temperatur auf einfache Weise bei der Ladezustandsermittlung berücksichtigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Spannung während der vorgegebenen Mindestzeitdauer ermittelt, insbesondere zu einem Endzeitpunkt, an welchem die Mindestzeitdauer abläuft. Mit anderen Worten kann die erfasste Spannung dem Laststrom dadurch zugeordnet sein, dass die Spannung zu einem Zeitpunkt erfasst wird, während welchem der ausreichend konstante Laststrom vorliegt. Dabei wird die Spannung vorzugsweise zum Endzeitpunkt erfasst, da dann zellinterne Vorgänge durch die Konstantstromphase ausreichend abgeklungen sind.
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Dabei stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kennlinie als Teil eines ersten Kennlinienfeldes bereitgestellt wird, das die Größen Spannung, Laststrom und Ladezustand, und insbesondere Batterietemperatur, miteinander verknüpft, wobei die Kennlinie dem erfassten Laststrom und der erfassten zugeordneten Spannung, insbesondere für einen bestimmten Temperaturbereich, den Ladezustand zuordnet. Es kann also ein Kennlinienfeld bereitgestellt sein, welches die Größen Spannung, Laststrom, Batterietemperatur und Ladezustand miteinander verknüpft. Sind entsprechend Laststrom, Spannung und Temperatur bekannt, so kann der aktuelle Ladezustand direkt aus diesem Kennlinienfeld abgelesen werden.
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Folglich können also vorteilhafterweise der Laststrom, die Batterietemperatur und die dem Laststrom zugeordnete Spannung gemessen werden und entsprechend auf Basis der betreffenden Kennlinie ganz einfach der Ladezustand bestimmt werden. In diesem Fall ist es sehr vorteilhaft, wenn die erfasste Spannung dabei am Ende der vorbestimmten ersten Mindestzeitdauer gemessen wird, da dies zu einem möglichst genauen Ergebnis zu führt. Hierzu kann also beispielsweise fortlaufend geprüft werden, ob der Strom für die vorgegebene erste Mindestzeitdauer hinreichend konstant ist, das heißt die Abweichung im Zeitfenster innerhalb eines vorbestimmten Grenzwertbereichs liegt. Ist dies der Fall, kann die Spannung gemessen werden und über den gemessenen Laststrom, die gemessene Spannung und die zugehörige Kennlinie direkt auf den Ladezustand zurückgerechnet werden.
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Ein solches Kennlinienfeld kann beispielsweise zuvor für eine Batteriezelle des gleichen Zelltyps wie die mindestens eine Batteriezelle der Batterie im Labor erstellt worden sein und dann in einem Speicher der Messeinrichtung abgelegt worden sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Ruhespannung der mindestens einen Batteriezelle in einer Ruhephase der mindestens einen Batteriezelle, die sich zeitlich vor oder nach der ersten Mindestzeitdauer an die erste Mindestzeitdauer anschließt, ermittelt, wobei der Ladezustand in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen der erfassten Spannung und der Ruhespannung ermittelt wird. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass gerade bei Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen oder im Allgemeinen Batteriezellen mit sehr flacher OCV-Kennlinie die Spannungsdifferenz der Batteriespannung bei konstantem Laststrom relativ zur Ruhespannung für gleiche Ladezustände in Abhängigkeit vom Ladezustand deutlich größere Steigungen aufweist, was zur genaueren Ermittlung des aktuellen Ladezustands genutzt werden kann. Zudem wird hierbei auch die Erkenntnis genutzt, dass erste aufgrund einer flachen OCV-Kennlinie der Spannungseinbruch zur Ruhespannung nach dem Ende eines Ladevorgangs oder Entladevorgangs ebenso zur Ladezustandsbestimmung herangezogen werden kann. Mit anderen Worten wird hierbei ausgenutzt, dass die Ruhespannung zum Beispiel bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen kaum vom Ladezustand abhängig ist, und somit der Spannungsabfall zur Ruhespannung hin nur vom Strom, der Temperatur und dem Ladezustand abhängig ist. Dieser Spannungseinbruch bzw. Spannungsabfall wird vorliegend auch als Spannungsdifferenz bezeichnet. Durch die Verwendung eines solchen Spannungseinbruchs in Ruhephasen anstelle der Ruhespannung selbst wie bei anderen Lithium-Technologien kann ferner die grundsätzliche und ausgereifte Algorithmik beibehalten werden. Nur der Angleich der Ruhespannung nach einer Wartezeit zur Ermittlung des genauen Ladezustands wird folglich durch einen Angleich über den Spannungsfall, das heißt der Spannungsdifferenz, ersetzt. Damit kann der Ruhespannungsangleich, der bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen aufgrund der flachen OCV-Kennlinie nicht möglich ist, durch ein neues Verfahren erfolgen, das ohne die Korrelation OCV-SoC auskommt, da diese bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen praktisch nicht gegeben ist. Außer zur oben genannten Differenzbildung wird die ermittelte Ruhespannung nicht zur Ladezustandsermittlung verwendet. Mit anderen Worten wird der Ladezustand nicht allein auf Basis der ermittelten Ruhespannung als solche ermittelt. Auch eine gewichtete Mittelung des ermittelten Ladezustands mit einem ausschließlich auf Basis der Ruhespannung ermittelten Ladezustand soll vorzugsweise nicht erfolgen.
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Nichtsdestoweniger kann aber eine gewichtete Mittelung mit einem zweiten ermittelten Ladezustand durchgeführt werden, der auf Basis einer Stromintegration bestimmt wurde. Die Stromintegration kann wie anfangs beschrieben für die Ladezustandsermittlung herangezogen werden. Mit anderen Worten kann die beschriebene Berechnung des Ladezustands über die Laststromkennlinien dabei mit der klassischen Berechnung zum Beispiel über die Stromintegration kombiniert werden. Sind beispielsweise die genannten Vorbedingungen für den Laststrom, insbesondere hinsichtlich dessen Konstanz, nicht erfüllt, kann also der Ladezustand zum Beispiel auch allein auf Basis der Stromintegration zu 100% verwendet werden. Kann der Ladezustand dagegen wieder über die Kennfelder bestimmt werden, zum Beispiel wenn der Laststrom ausreichend lange konstant ist, so kann der Ladezustand sowohl aus der Stromintegration als auch über die Kennfelder gewichtet ermittelt und zu einem Gesamtladezustand verrechnet werden. Hier kann man noch eine Anpassung der Ergebnisse der beiden Methoden in Erwägung ziehen, sodass ein durch die Kennlinien gefundener Ladezustand und der durch Integration ermittelte Ladezustand bei unterschiedlichen Ergebnissen nicht sprunghaft nach einer Methode korrigiert wird, sondern beispielsweise eine Anpassung nur zum Teil umgesetzt wird.
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Die Ruhespannung wird dabei vorzugsweise immer am Ende der Ruhephase gemessen. Dies gewährleistet, dass auch hier wiederum zellinterne transiente Vorgänge ausreichend abgeklungen sind. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Ruhephase dadurch definiert ist, dass der Ruhestrom der mindestens einen Batteriezelle für eine vorbestimmte zweite Mindestzeitdauer kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert, insbesondere wobei die Ruhespannung am Ende der Ruhephase ermittelt wird. Dies gilt sowohl dann, wenn die Ruhephase zeitlich vor der Lastphase liegt als auch wenn die Ruhephase zeitlich nach der Lastphase liegt. Schließt sich beispielsweise die Lastphase an die Ruhephase an, so wird als der dem Laststrom zugeordnete Spannungswert vorzugsweise derjenige Spannungswert zu Beginn der Mindestzeitdauer gewählt. Schließt sich stattdessen die Ruhephase an eine Lastphase mit konstantem Laststrom an, so wird als Last-Spannungswert die Spannung am Ende der ersten Mindestzeitdauer erfasst. Die vorbestimmte zweite Mindestzeitdauer, für welche die Ruhephase andauern soll, ist vorzugsweise länger als die erste Mindestzeitdauer, insbesondere um mindestens eine Größenordnung, und beträgt vorzugsweise mindestens 10 Minuten, besonders bevorzugt einige 10 Minuten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird die Kennlinie als Teil eines zweiten Kennlinienfeldes bereitgestellt, das die Größen Spannungsdifferenz, Laststrom und Ladezustand, und insbesondere Batterietemperatur, miteinander verknüpft, wobei die Kennlinie der ermittelten Spannungsdifferenz und dem zugeordneten erfassten Laststrom, insbesondere für einen bestimmten Temperaturbereich, den Ladezustand zuordnet. Auch ein solches zweites Kennlinienfeld kann ganz analog wie zum ersten Kennlinienfeld beschrieben bereitgestellt werden und in einem Speicher der Messeinrichtung abgelegt sein. Statt der erfassten Spannung, welche dem Laststrom zugeordnet ist, ordnet dieses zweite Kennlinienfeld nunmehr die Spannungsdifferenz zwischen der erfassten Spannung und der ermittelten Ruhespannung insbesondere für den gegebenen, gemessenen Laststrom und der gegebenen Temperatur dem Ladezustand zu. Dieses zweite Kennlinienfeld lässt sich aber auch einfach dadurch bereitstellen, in dem von den Kennlinien des beschriebenen ersten Kennlinienfeldes einfach die OCV-Kennlinie, insbesondere für korrespondierende Temperaturbereiche, subtrahiert wird. Mit anderen Worten muss für diese beschriebene zweite Variante nicht notwendigerweise ein separates zweites Kennlinienfeld bereitgestellt werden sondern es kann auch das erste Kennlinienfeld und zusätzlich die OCV-Kennlinie für verschiedene Temperaturbereiche gespeichert sein und verwendet werden..
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Alterungszustand der mindestens einen Batteriezelle ermittelt und die Kennlinie, insbesondere das erste und/oder zweite Kennlinienfeld, in Abhängigkeit vom ermittelten Alterungszustand aktualisiert. Dadurch kann auch im Laufe der Zeit immer eine besonders genaue Ermittlung des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Batteriezelle gewährleistet werden. Für die Ermittlung des Alterungszustands der mindestens einen Batteriezelle gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann eine Lage von charakteristischen Knickpunkten in der OCV-Kennlinie der mindestens einen Batteriezelle Aufschluss über den aktuellen Alterungszustand der mindestens einen Batteriezelle geben. Dieser Knickpunkt kann ermittelt werden, und es kann überprüft werden, ob dieser grundsätzlich noch im richtigen Bereich der Kennlinie liegt. Bei Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen liegt ein solcher charakteristischer Knickpunkt typischerweise im Bereich von 40 bis 50% Ladezustand. Dieser Knickpunkt bzw. charakteristischer Punkt separiert bei Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen einen Bereich niedrigerer Spannung von einem Bereich höherer Spannung, während die OCV-Spannung in den jeweiligen Bereichen aber nahezu konstant bleibt. Wird also z.B. die Ruhespannung wie oben beschreiben gemessen, lässt sich daraus nicht nur der Ladezustand wie beschrieben ermitteln sondern auch feststellen, in welchem Ladezustandsbereich, z.B. unter 40% oder über 40%, falls der charakteristische Punkt bei 40% liegt, man sich befindet. Dadurch kann zudem das Ergebnis der Ladezustandsbestimmung verifiziert werden. Umgekehrt kann hierdurch aber auch die Lage des charakteristischen Punkts bei 40% verifiziert werden und eventuell festgestellt werden, ob sich die Lage des charakteristischen Punkts verschoben hat, was auf eine Alterung schließen lässt. Dann können die Kennlinienfelder entsprechend der neuen Lage des charakteristischen Punkts korrigiert und angepasst werden. Wird also dieser Knickpunkt an anderer Stelle der OCV-Kennlinie festgestellt, so kann auf einen veränderten Alterungszustand geschlossen werden. Entsprechend können die Kennlinienfelder aktualisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Alterungszustand beispielsweise in Abhängigkeit von einem gemessenen Innenwiderstand der mindestens einen Batteriezelle ermittelt wird. Der Innenwiderstand kann dabei über ein Batteriedatenmodul oder über ΔU zu ΔI und bekannten Punkten bestimmt werden. Ein Nachführen der Kennfelder über die Alterung ist auch hier entsprechend möglich. Beispielsweise kann auch eine Adaption an bekannte Peaks im Innenwiderstand und bei voller beziehungsweise leere Zelle über die Spannung erfolgen. Die Ermittlung der Alterung in Abhängigkeit von einem ermittelten Innenwiderstand hat den großen Vorteil, dass sich der Innenwiderstand der mindestens einen Batteriezelle beispielsweise auch permanent während der Fahrt unter Verwendung von Stromrippeln ermitteln lässt. Hierzu kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Verfahren wie in der
DE 10 2017 221 248 A1 , z.B. in den Absätzen [0020] und [0021] und den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben verwendet werden. Demzufolge kann der aktuelle Innenwiderstandswert fortwährend wiederholt basierend auf einer fortwährenden Erfassung von Stromschwankungen eines gemessenen Batteriestroms der Batterie und von diesen Stromschwankungen zugeordneten Spannungsänderungen der Batteriespannung ermittelt werden, insbesondere als Quotient aus diesen Größen. Dies nutzt die Erkenntnis, dass kleine Stromschwankungen bedingt durch in der Regel ungewollte Schwankungen beziehungsweise Störungen des Bordnetzes vorteilhafterweise zur Innenwiderstandsbestimmung genutzt werden können. Derartige Störungen oder Schwankungen im Bordnetz führen zu Stromrippeln auf dem Batteriestrom, das heißt der Gleichstrom der Batterie wird von einem Wechselstrom überlagert. Durch eine entsprechende fortwährende Messung des Batteriestroms wie auch der Batteriespannung kann somit vorteilhafterweise aus den entsprechenden Stromschwankungen sowie aus diesen resultierenden Spannungsantworten fortwährend der Innenwiderstand der Batterie ermittelt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass zur Innenwiderstandsmessung keine spezielle Situation initiiert werden muss, wie beispielsweise das gezielte Hervorrufen einer bestimmten Strombelastung, was wiederum den normalen Betrieb der Batterie stören würde und zum Beispiel wiederum nur im Stillstand des Kraftfahrzeugs oder ähnliches durchgeführt werden könnte. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung lässt sich der Innenwiderstandswert der Batterie permanent ermitteln und überwachen, sodass sich letztendlich daraus auch eine permanente und kontinuierliche Überwachungsmöglichkeit des Alterungszustands der Batterie ergibt. Der Innenwiderstand lässt sich wieder über ein Kennlinienfeld einem Ladezustandswert zuordnen, wie ebenfalls in der
DE 10 2017 221 248 A1 beschrieben. An bestimmten charakteristischen Punkten, wie Extrema eines solchen Kennlinienfeldes, ist diese Zuordnung eindeutig. Verschieben sich solche charakteristischen Punkte, wie z.B. ein Extremum, so lässt dies auf eine Alterung schließen. Die Kennlinienfelder können dann wider entsprechend angepasst werden.
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Eine Anpassung der Kennlinienfelder in Abhängigkeit von einem Alterungszustand kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass für verschiedene Alterungszustände verschiedene jeweilige erste und/oder zweite Kennlinienfelder, zum Beispiel für verschiedene Innenwiderstände, abgelegt sind und entsprechend das jeweilige erste und/oder zweite Kennlinienfeld abhängig vom aktuell ermittelten Alterungszustand ausgewählt wird. Alternativ können die Kennlinien der Kennlinienfelder auch um einen Offset-Wert verschoben werden, der wiederum abhängig vom ermittelten Alterungszustand bestimmt beziehungsweise festgelegt werden kann. Da typischerweise der Innenwiderstand einer Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle über Alterung nur langsam steigt, ist auch nur eine langsame Nachführung der Kennfelder und gegebenenfalls eine Plausibilisierung ausreichend.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung zum Ermitteln eines Ladezustands mindestens einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von einem durch die Messanordnung erfassten Laststrom der mindestens einen Batteriezelle, einer dem Laststrom zugeordneten durch die Messanordnung erfassten Spannung der mindestens einen Batteriezelle und einer in der Messanordnung gespeicherten Kennlinie für die mindestens eine Batteriezelle. Dabei ist die die Messanordnung dazu ausgelegt zu überprüfen, ob der erfasste Laststrom für eine vorgegebene erste Mindestzeitdauer nach zumindest einem vorbestimmten Kriterium konstant ist, und nur für den Fall, dass der erfasste Laststrom für die vorgegebene erste Mindestzeitdauer nach dem zumindest einen vorbestimmten Kriterium konstant ist, den Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle in Abhängigkeit von dem erfassten Laststrom und der erfassten zugeordneten Spannung mittels der Kennlinie zu ermitteln.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Messeinrichtung.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung für die Messeinrichtung. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messeinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Messeinrichtung zum Ermitteln eines aktuellen Ladezustands mindestens einer Batteriezelle einer Batterie des Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und graphische Darstellung des Verlaufs der Zeitspanne einer Batteriezelle bei verschiedenen Lastströmen im Vergleich zur OCV-Kennlinie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufs einer Batteriezelle bei konstantem Laststrom und im Übergang zu einer Ruhephase der Batteriezelle zur Verwendung der Ladezustandsermittlung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Messanordnung 12 zur Ermittlung eines aktuellen Ladezustands SOC mindestens einer Batteriezelle 14 einer Batterie 16 des Kraftfahrzeugs 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 16 kann dabei zum Beispiel als Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet sein, welches insbesondere eine Elektro- und/oder Hybridfahrzeug darstellt. Die Hochvoltbatterie 16 fungiert dabei als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug 10. Die Hochvoltbatterie 16 kann mehrere Batteriezellen 14 umfassen. Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Ladezustandsermittlung kann, wenngleich dies exemplarisch für nur eine Batteriezelle 14 im Detail erläutert wird, analog auch für einen Zellverbund aus mehreren Batteriezellen 14, insbesondere für eine jeweilige Batteriezelle 14 der mehreren Batteriezellen 14 analog, umgesetzt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der mindestens einen Batteriezelle 14 um eine Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle.
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Lithium-Eisenphosphat-Zellen 14 weisen über einen weiten Ladezustandsbereich eine nahezu flache OCV-Kennlinie auf. Eine solche OCV-Kennlinie 18 einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle 14 ist exemplarisch auch in 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt dabei unter anderem ein Diagramm, in welchem der Verlauf der Spannung U, welche über der mindestens einen Batteriezelle 14 abgreifbar ist, in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC der mindestens einen Batteriezelle 14 aufgetragen ist. In einer Ruhephase der mindestens einen Batteriezelle 14 korrespondiert dieser Spannungsverlauf zur OCV-Kennlinie 18. In diesem Fall fließt kein Laststrom beziehungsweise der Batteriestrom I liegt unterhalb eines vorgebbaren Ruhestromschwellwerts.
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Aufgrund einer solch flachen OCV-Kennlinie kann bislang bei einer solchen Akku-Chemie nur bei sehr voller oder ganz leerer Batterie ausschließlich über die Ruhespannung auf den Ladezustand geschlossen werden. Im anderen Ladezustandsbereichen kann größtenteils keinerlei Aussage zum Ladezustand der Batteriezelle über die gemessene Ruhespannung OCV gemacht werden. Die Bestimmung des Ladezustands basiert daher bislang in großen Teilen auf einer Stromintegration mit einem angenommenen Startwert. Ohne die Zelle zyklisch total voll zu laden oder sie komplett zu entladen, ist bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen keine zuverlässige Ladezustandsbestimmung möglich, zumindest nicht bislang, da nur in diesen beiden extremen Bereichen der Fehler, der aus der Ladezustandsberechnung über die Stromintegration resultiert, korrigiert werden kann. Dieser Fehler ist durch unvermeidliche Fehler in der Strommessung bedingt, der zwangsweise im Laufe der Zeit bis zur nächsten Korrektur immer größer wird. Bei neuen Zellen und Systemen kann man darüber hinaus beim ersten Einsatz den Anfangsladezustand erstmal nur sehr grob raten, wie beispielsweise ganz voll, eher voll, eher leer, ganz leer. Für den Betrieb einer Batterie im Fahrzeug sin aber ein genauer Ladezustand und damit auch die Möglichkeit einer genauen Kapazitätsbestimmung der Zellen unumgänglich, um einen sicheren Betrieb der Batterie und Voraussagen über die Leistungsfähigkeit gerade im Hinblick auf funktionale sicherheitskritische Themen oder Reichweitenaussagen im Elektrofahrzeug nötig. Weiterhin ist es typischerweise nicht Teil der Betriebsstrategie, den Ladezustand in den Bereich einer bisher zuverlässigen Ladezustandsbestimmung zu bringen, da das die Nutzung einschränken kann. Diese Bereiche liegen nämlich typischerweise bei weniger als 10% Ladezustand oder mehr als 95% Ladezustand.
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Die Erfindung und ihre Ausführungsformen ermöglichen es nun vorteilhafterweise, den Ladezustand SOC bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen 14 und auch anderen Zellen 14 mit flacher OCV-Kennlinie 18 dennoch relativ zuverlässig zu ermitteln. Dabei wird die Idee ausgenutzt, dass solche Zellen 14 einen stark ladezustandsabhängigen Spannungsverlauf beim Laden oder Entladen bei gegebenem, insbesondere konstanten, Strom I und einer bestimmten Temperatur T aufweisen, sodass diese Spannung U unter bekannter Last I selber als eine Referenz für eine Ladezustandsbestimmung dienen kann. Außerdem kann aufgrund der flachen OCV-Kennlinie 18 der Spannungseinbruch ΔU (vgl. 3) zur OCV-Kennlinie 18 hin nach Ende des Lade- beziehungsweise Entladevorgangs ebenso zur Ladezustandsbestimmung herangezogen werden, wie dies nachfolgend noch erläutert wird.
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Zu diesem Zweck ist die Messeinrichtung 12 dazu ausgelegt, den Batteriestrom I, die Batterietemperatur T und die Spannung U und der mindestens einen Batteriezelle 14 zu erfassen. Eine solche Erfassung kann dabei fortwährend, das heißt quasi kontinuierlich, erfolgen und/oder zum Teil auch punktuell, das heißt getriggert bei bestimmten Auslöseereignissen. Beispielsweise kann der Strom I fortwährend erfasst werden und die Spannung U erst dann, wenn eine ausreichend lange Stromphase ausreichend konstanten Stroms erfasst wurde. Weiterhin kann die Messeinrichtung 12 auch einen Speicher 20 aufweisen, in welchem ein Kennlinienfeld abgelegt sein kann. In diesem Beispiel sind exemplarisch ein erstes Kennlinienfeld K1 und/oder ein zweites Kennlinienfeld K2 in diesem Speicher 20 abgelegt. Die durch die jeweiligen Kennlinienfelder K1, K2 verknüpften Größen werden nachfolgend noch näher erläutert. Bei der Ermittlung des Ladezustands SOC wird nun vorteilhafterweise ein Laststrom I der Batterie 16 verwendet. Mit anderen Worten wird der Ladezustand SOC in Abhängigkeit von einem von null verschiedenen Batteriestrom I, das heißt einem Laststrom I, ermittelt. Dies kann auf zweierlei Arten und Weisen erfolgen. Diese verschiedenen Möglichkeiten werden nun anhand von 2 und 3 näher erläutert.
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2 zeigt, wie bereits erwähnt, den Spannungsverlauf der Spannung U in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC für verschiedene, insbesondere ausreichend konstante Ströme I. Die Kurve 18 illustriert dabei die OCV-Kennlinie, das heißt den Spannungsverlauf der Spannung U abhängig vom Ladezustand SOC im Ruhezustand der mindestens einen Batteriezelle 14, das heißt wenn also der Batteriestrom I gleich null ist, zumindest innerhalb vorgebbarer Grenzen, wie zum Beispiel 500 mA. Unter einen Strom kann dabei im Allgemeinen sowohl ein Ladestrom zum Laden der Batterie 16 als auch ein Entladestrom, welcher der Batterie 16 entnommen wird, verstanden werden. Die anderen beiden in 2 dargestellten Kurven 22, 24 beziehen sich dabei auf einen konstanten Laststrom I. Insbesondere illustriert die Kurve 22 den Spannungsverlauf bei einem Laststrom I von 1C und die Kurve 24 den Spannungsverlauf der Batteriespannung beziehungsweise Zellspannung U bei einem Laststrom I von 2C. Ein Strom I von 1C korrespondiert dabei zu einem Ladestrom I, mit welchem eine vollständig entladene Batteriezelle 14 innerhalb einer Stunde vollständig geladen werden kann. Ein Ladestrom I von 2C korrespondiert dabei entsprechend zu einem Ladestrom, mit welchem eine vollständig entladene Batteriezelle 14 innerhalb einer halben Stunde vollständig geladen werden kann. Entsprechend korrespondiert ein Ladestrom I von XC zu einem Ladestrom I, mit welchem eine vollständig entladene Batteriezelle 14 innerhalb einer Zeitdauer von 1/X Stunden vollständig geladen werden kann. Weiterhin wird hierbei von einem annäherungsweise konstanten Laststrom I ausgegangen, der vorzugsweise um weniger als 2% bis 3% zeitlich variiert. Wie anhand von 2 zu erkennen ist, variiert die Spannung U gemäß der Kurven 22, 24 in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC deutlich stärker als dies für die OCV-Kennlinie 18 der Fall ist. Dadurch wird eine deutlich zuverlässigere und genauere Ermittlung des Ladezustands SOC auf Basis der gemessenen Spannung U bei konstantem Laststrom I ermöglicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann also beispielsweise fortwährend geprüft werden, ob der Batteriestrom I für eine bestimmte erste Mindestzeitdauer hinreichend konstant ist, das heißt die Abweichung im gewählten Zeitfenster innerhalb eines vorbestimmten Grenzwertbereichs liegt. Ist dies der Fall, kann direkt über den gemessenen Strom I, die gemessene Spannung U und die Kennfelder K1, insbesondere für die aktuelle Temperatur T, direkt auf den Ladezustand SOC zurückgerechnet werden. Beispielsweise lässt sich in diesem Fall die Kurve 22 als Kennlinie für einen Strom I von 1C für eine bestimmte Temperatur T interpretieren, die Teil des ersten Kennlinienfeldes K1 sein kann. Gleiches gilt für die dargestellte Kurve 24, die ebenfalls als solche Kennlinie des ersten Kennlinienfeldes K1 für einen Strom I von 2C interpretiert werden kann. Wird also am Ende der vorbestimmten Mindestzeitdauer die Spannung U gemessen, so kann für den betreffenden, gemessenen konstanten Laststrom I über die jeweilige Kennlinie 22, 24 eine direkte Zuordnung zum Ladezustand SOC erfolgen.
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3 zeigt eine graphische Darstellung zum einen wiederum der OCV-Kennlinie 18 und zum anderen des Spannungsverlaufs der Spannung U in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC in einer Situation, in welcher von einem zunächst konstanten Laststrom I, in diesem Beispiel von 2C, in einer Laststromphase 24a zu einer Ruhephase 26 übergegangen wird, in der kein Strom mehr fließt. Im vorliegenden Beispiel wird die mindestens eine Batteriezelle 14 dabei entladen. Dieses Entladen erfolgt vorliegend mit einem konstanten Entladestrom I von 2C. Entsprechend korrespondiert die entsprechende Spannungskurve insbesondere in der Lastphase 24a, zur Spannungskurve 24 aus 2. Die theoretische Fortsetzung dieser Spannungskurve 24 ist in 3 entsprechend gepunktet illustriert. Im vorliegenden Beispiel wird die mindestens eine Batteriezelle 14 jedoch nicht bis 0% entladen, sondern der Laststrom I wird zwischendurch abgeschaltet. Mit anderen Worten wechselt hierbei die mindestens eine Batteriezelle 14 in den Ruhezustand 26, in dem kein Batteriestrom I fließt. Entsprechend nähert sich dann die Spannung U der mindestens einen Batteriezelle 14 der Ruhespannung gemäß der OCV-Kennlinie 18 an. Nun kann vorteilhafterweise die Spannungsdifferenz ΔU zwischen dem zuletzt erfassten Spannungswert U unter Last und der Ruhespannung U0 ebenso vorteilhafterweise herangezogen werden, um über eine entsprechende Kennlinie den aktuellen Ladezustand SOC zu ermitteln. Der ermittelte Ladezustand SOC bezieht sich dann auf den letzten Zeitpunkt unter Last, zu welchem die Spannung U gemessen wurde. Auch hierbei ist es wiederum vorteilhaft, wenn der Laststrom I vor der Ruhephase 26 annähernd konstant war und zwar zumindest für eine vorbestimmte Mindestzeitdauer t1, die vorliegend ebenfalls in 3 schematisch illustriert ist. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn eine weitere zweite Mindestzeitdauer t2 vergangen ist, bevor die Ruhespannung U0 ermittelt wird. Wie anhand von 3 ebenfalls deutlich zu erkennen ist, ändert sich die Differenz ΔU zwischen dem Spannungsverlauf 24 und der OCV-Kennlinie 18 deutlich stärker in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC als die OCV-Kennlinie 18 selbst. Entsprechend kann auch über diese Differenz ΔU deutlich zuverlässiger der aktuelle Ladezustand SOC bestimmt werden.
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Gemäß dieser Variante kann also beispielsweise fortlaufend geprüft werden, ob der Strom I für mindestens t1 hinreichend konstant ist, das heißt die Abweichung im Zeitfenster t1 innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt. Ist dies der Fall, wird fortlaufend der letzte Messwert von Strom I, Spannung U und Temperatur T gespeichert. Dieser Speicherung findet dabei persistent statt, das heißt auch im Schlafmodus eines entsprechenden Steuergeräts. Ferner wird gewartet bis der Strom I für mindestens eine zweite Zeitdauer t2 dauerhaft bei 0 A ± einem vorbestimmten Schwellwert, zum Beispiel 500 mA liegt. Dies kann zum Beispiel bei offenen Trennelementen zum Trennen der Batterie 16 vom restlichen Bordnetz des Kraftfahrzeugs 10 oder auch im Schlafmodus der Fall sein. Gegebenenfalls kann hierbei das Steuergerät im Schlafmodus nach Ablauf dieser zweiten Zeitdauer t2 auch von selber aufwachen. Hier wird dann nochmals die Spannung U gemessen. Falls alle diese vorgenannten Vorbedingungen erfüllt sind, das heißt der Strom I vor dem Abschalten ist lange genug quasi konstant, die Wartezeit in der Ruhephase ist lange genug, dann wird das Spannungsdelta ΔU aus der letzten gemessenen Spannung U unter Last und der Spannung in Ruhe, d.h. die Ruhespannung U0, bestimmt. Aus der Ruhespannung U0 kann zudem auf den Bereich der Kennlinie geschlossen werden, in dem man sich aktuell befindet, was zur Plausibilisierung verwendet werden kann. Wie an der Kurve 18 ersichtlich ist weist die OCV-Kurve einen charakteristischen Punkt, in diesem Fall einen kleinen Bereich mit erhöhter Steigung, auf, der zwei Bereiche quasi-konstanter OCV-Spannung unterschiedlicher Höhe voneinander separiert. Durch die Erfassung der Ruhespannung U0 kann darauf geschlossen werden, ob man sich z.B. links oder rechts von diesem charakteristischen Punkt befindet.
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Aus dem Delta, das heißt der Spannungsdifferenz ΔU, dem gespeicherten letzten Strom I unter Last und der Temperatur T wird also letztendlich mit den bekannten Spannungskennlinien, die in der Messeinrichtung 12 gespeichert sind, insbesondere dem zweiten Kennfeld K2, auf den aktuellen Ladezustand SOC zurückgerechnet.
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Aus dem ermittelten Ladezustand SOC lässt sich zudem auch die Kapazität der Batterie 16 beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle 14 bestimmen. Kann lange genug ein Ladezustand SOC über die Kennfelder K1 und/oder K2 oder über den Spannungseinbruch ΔU bei Ruhe berechnet werden, so kann aus dem Unterschied zwischen diesen Ladezustandswerten und den geladenen oder entladenen Amperestunden aus der Stromintegration per Dreisatz einfach die aktuelle Kapazität der Batterie 16 beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle 14 zurückgerechnet werden. Auch hier kann man eine Anpassung, um Robustheit zu gewinnen, erstmal nur immer zum Teil korrigieren lassen. Weicht also beispielsweise der so bestimmte Ladezustand von einem aktuell angenommenen Ladezustand, zum Beispiel per Stromintegration bestimmten Ladezustand, ab, so wird nicht gleich der neu auf Basis der Kennlinien ermittelte Ladezustand gleich dem aktuellen Ladezustand gesetzt, sondern z.B. eine gewichtete Mittelung aus diesen unterschiedlichen Ladezuständen, um zu abrupte Sprünge zu vermeiden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Methode zur SoC-Bestimmung von Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen mit Strom- und Spannungskennlinien bereitgestellt werden kann, welche eine besonders genaue Ladezustandsermittlung unter Verwendung des Laststroms ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010017504 A1 [0004]
- DE 102017221248 A1 [0022]
