DE102022108778A1

DE102022108778A1 - Verfahren zum Steuern eines Ladezustandsbereichs eines Energiespeichers und Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102022108778A1
Application number: DE102022108778.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Barke; Michael Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (16), wobei der Energiespeicher (12) eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich (14) zugeordnet ist, der als Bereichsparameter eine obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2), eine untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) und eine Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) aufweist, die als Differenz zwischen der oberen und unteren Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2) definiert ist, wobei der Energiespeicher (12) derart betrieben wird, dass die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) nicht überschritten wird. Dabei ist der Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) mindestens ein von einer Temperatur verschiedener Steuerparameter (S, S1, S2) zugeordnet und mindestens einer der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) wird in Abhängigkeit von dem mindestens einen Steuerparameter (S, S1, S2) gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher eine Energiespeichereinheit aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich zugeordnet ist, der als Bereichsparameter eine obere Bereichsgrenze, eine untere Bereichsgrenze und eine Bereichsgröße aufweist, die als Differenz zwischen der oberen und unteren Bereichsgrenze definiert ist. Dabei wird der Energiespeicher derart betrieben, dass die untere Bereichsgrenze nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze nicht überschritten wird, wobei der Energiespeichereinheit mindestens ein Steuerparameter zugeordnet ist, und wobei mindestens einer der Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von dem mindestens einen Steuerparameter gesteuert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung.
Ein Energiespeicher, insbesondere eine Energiespeichereinheit, zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie für ein Elektrofahrzeug, weist bekanntlich eine Kapazität auf, die spezifiziert, wie viel Energie maximal vom Energiespeicher beziehungsweise der Energiespeichereinheit aufnehmbar ist und entsprechend auch wieder abgebbar ist. Die aktuelle im Energiespeicher aufgenommene Ladungsmenge wird anhand des Ladezustands des Energiespeichers charakterisiert. Typischerweise wird der Ladezustand dabei in Prozent angegeben. Null Prozent bedeutet also, dass der Energiespeicher vollständig entladen ist, und 100 Prozent, dass der Energiespeicher vollständig geladen ist. Der maximale Ladezustandsbereich beträgt also 100 Prozent. Dieser maximale Ladezustandsbereich ist dabei typischerweise gegenüber dem physikalisch möglichen Ladezustandsbereich bereits etwas reduziert, was durch Verschieben der unteren Grenze nach ober und der oberen Grenze nach unten, z.B. jeweils um 5%, erfolgen kann. Dadurch kann ein komplettes Entladen des Energiespeichers und ein komplettes Vollladen verhindert werden, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Lässt man diese Begrenzung außer Acht, so kann der tatsächlich nutzbare Ladezustandsbereich dennoch vom oben genannten maximalen Ladezustandsbereich abweichen. Beispielsweise kann ein solcher tatsächlicher Ladezustandsbereich zwischen 10 Prozent und 90 Prozent Ladezustand beziehungsweise SOC (State of Charge) des maximalen Ladezustandsbereichs definiert sein. Um für ein Elektrofahrzeug günstige Einstiegsvarianten anbieten zu können, werden zum Beispiel Varianten mit weniger nutzbarer Energie angeboten, die dann entsprechend eine kleinere Reichweite haben. Um Entwicklungskosten zu sparen, kann es aber sinnvoll sein, nur eine Hochvolt-Batterie zu entwickeln, d.h. gleichartige Hochvolt-Batterien mit gleicher Kapazität, und den genutzten beziehungsweise nutzbaren Energiebereich per Software einzuschränken. Dadurch ergibt sich am oberen oder unteren Ende des SOC-Bereichs ein (zusätzlich) ungenutzter Bereich. Die Lage des genutzten SOC-Fensters innerhalb des gesamten Bereichs ist üblicherweise fest vorgegeben.
Die DE 10 2012 001 820 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Fahrzeugbatterie, etwa einer Hochspannungsbatterie, so dass der SOC innerhalb eines gewünschten SOC-Bereichs gehalten wird, der temperaturabhängig ist. Beispielsweise kann eine Batterietemperaturvorhersage genutzt werden, um einen gewünschten SOC-Bereich zu bestimmen. Die Ladungsmenge in der Fahrzeugbatterie kann dann so gesteuert werden, dass der SOC innerhalb des gewünschten SOC-Bereichs gehalten wird. Wenn die Batterietemperaturvorhersage nach unten geht, das heißt, wenn es kälter wird, kann es sein, dass der gewünschte SOC-Bereich nach oben verstellt oder verschoben werden muss, um den erhöhten Batterieinnenwiderstand zu berücksichtigen und um sicherzustellen, dass die Fahrzeugbatterie über genügend Leistung zum Starten des Fahrzeugs verfügt. Auf ähnliche Weise kann es sein, dass wenn die Batterietemperaturvorhersage nach oben geht, das heißt, wenn es wärmer wird, der gewünschte SOC-Bereich nach unten verstellt oder verschoben werden muss, um Verschlechterungseffekte zu verringern und die Batterielebensdauer zu verbessern.
Durch die Verschiebung des SOC-Bereichs in Abhängigkeit von der Temperatur wird es zwar vorteilhafterweise ermöglicht, auf gewisse Umstände, insbesondere Umgebungstemperaturen oder die Batterietemperatur, zu reagieren, nichts desto weniger bleibt auch weiterhin das Bestreben bestehen, noch bessere oder flexiblere Anpassungsmöglichkeiten bereitzustellen, um den Betrieb eines Energiespeichers noch effizienter gestalten zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung bereitzustellen, die einen möglichst effizienten Betrieb eines Energiespeichers durch Steuerung eines Ladezustandsbereichs ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, der eine Energiespeichereinheit aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich zugeordnet ist, der als Bereichsparameter eine obere Bereichsgrenze, eine untere Bereichsgrenze und eine Bereichsgröße aufweist, die als Differenz zwischen der oberen und der unteren Bereichsgrenze definiert ist, wird der Energiespeicher derart betrieben, dass die untere Bereichsgrenze nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze nicht überschritten wird, wobei der Energiespeichereinheit mindestens ein Steuerparameter zugeordnet ist, und wobei mindestens einer der Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von dem mindestens einem Steuerparameter gesteuert wird. Dabei wird der mindestens eine Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von mindestens einem ermittelten, von einer Temperatur verschiedenen Steuerparameter als der mindestens eine Steuerparameter gesteuert.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es vielzählige weitere Steuerparameter gibt, die eine noch bessere und angepasstere Steuerung von Bereichsparametern eines nutzbaren Ladezustandsbereichs erlauben. Insbesondere beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass der Ladezustandsbereich, in welchem der Energiespeicher betrieben wird, zum Beispiel auch maßgeblich Einfluss auf die Alterung des Energiespeichers hat. Dabei ist es für den Energiespeicher schonender, wenn dieser in einem niedrigen Ladungszustandsbereich betrieben wird. Ist die Alterung eines Energiespeichers beispielsweise schon stark fortgeschritten, so ist es z. B. für diesen Energiespeicher besser, tendenziell in einem niedrigeren Ladezustandsbereich betrieben zu werden als in einem hohen, selbst bei niedrigen Batterietemperaturen. Umgekehrt kann durch den Energiespeicher, wenn dieser in einem höheren Ladezustandsbereich betrieben wird, mehr Leistung bereitgestellt werden. Somit kann zum Beispiel der Ladezustandsbereich, insbesondere mindestens eine seiner Bereichsparameter, so gewählt beziehungsweise gesteuert werden, dass Alterungseffekte minimiert werden oder möglichst viel Leistung durch den Energiespeicher bereitstellbar ist, zum Beispiel je nach Priorisierung dieser Zielsetzungen. Der Alterungszustand des Energiespeichers beeinflusst darüber hinaus wiederum weitere Parameter des Energiespeichers, wie dessen Kapazität oder dessen Innenwiderstand, die sich im Laufe der Zeit ebenfalls verändern. Ist der Innenwiderstand beispielsweise aufgrund der Alterung des Energiespeichers sehr groß, so besteht bei sehr niedrigem Ladezustand des Energiespeichers und gleichzeitig hohem Leistungsabruf die Gefahr eines Spannungseinbruchs in kritische untere Spannungsbereiche des Energiespeichers, die den Energiespeicher schädigen können. Auch dies kann durch geeignete Anpassung beziehungsweise Wahl des mindestens einen Bereichsparameters des Ladezustandsbereichs verhindert werden. Damit sind neben der Temperatur vielzählige weitere mögliche Steuerparameter bereitgestellt, deren Berücksichtigung bei der Steuerung von Ladebereichsparametern des nutzbaren Ladezustandsbereichs des Energiespeichers beziehungsweise der Energiespeichereinheit einen deutlich effizienteren Betrieb eines solchen Energiespeicher erlauben. Zudem ist es dabei nicht nur möglich, den nutzbaren Ladezustandsbereich unter Beibehaltung seiner Bereichsgröße als Ganzes zu verschieben, sondern es können auch die obere und untere Bereichsgrenze unabhängig angepasst werden, was noch bessere Anpassungsmöglichkeiten erlaubt, und es auch besser ermöglicht, unterschiedlichen Zielsetzungen wie Minimierung der Alterung und Bereitstellung großer Leistungen in Einklang zu bringen.
Beim Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung ist jedoch ebenso vorteilhaft bei Verwendung bei einem stationären Energiespeicher. Weiterhin kann der Energiespeicher mehrere Batteriezellen umfassen. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Energiespeichereinheit kann dabei die Gesamtheit aller vom Energiespeicher umfassten Batteriezellen darstellen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wie dies später näher erläutert wird, wenn die Energiespeichereinheit nur einen Teil aller vom Energiespeicher umfassten Batteriezellen darstellt, zum Beispiel ein Batteriemodul oder eine Zellgruppe oder sogar auch nur eine einzelne Batteriezelle. Dies beruht nämlich auf der Erkenntnis, dass eine Anpassung des Ladezustandsbereichs nicht nur für die gesamte Hochvolt-Batterie als Ganzes möglich ist, sondern prinzipiell für jede einzelne Batteriezelle beziehungsweise für jede einzelne Zellgruppe aus parallel geschalteten Batteriezellen ebenso. Dies erlaubt noch deutlich bessere Anpassungsmöglichkeiten, zum Beispiel an alterungsbedingte Unterschiede der einzelnen Batteriezellen. So können beispielsweise alterungsbedingte Unterschiede zwischen den Batteriezellen deutlich besser ausgeglichen werden und so die Lebensdauer des Energiespeichers insgesamt erhöht werden.
Unter einem Ladezustandsbereich wird im Allgemeinen ein SOC-Bereich beziehungsweise SOC-Fenster verstanden. Dieser Ladezustandsbereich liegt also zwischen 0 Prozent und 100 Prozent der maximal von der Energiespeichereinheit aufnehmbaren Energiemenge. Der Ladezustandsbereich ist dabei durch die drei bereits genannten Bereichsparameter charakterisiert, nämlich die obere Bereichsgrenze, die untere Bereichsgrenze und die Bereichsgröße, wobei die Festlegung der unteren und oberen Bereichsgrenze gleichzeitig auch die Bereichsgröße festlegt. Liegt also die untere Bereichsgrenze zum Beispiel bei 15 Prozent und die obere Bereichsgrenze bei 70 Prozent, so liegt die Bereichsgröße des Ladezustandsbereichs bei 55 Prozent. Wird beispielsweise einem Benutzer des Fahrzeugs der aktuelle Ladezustand angezeigt, so kann im Falle eines angepassten Ladezustandsbereichs, der hinsichtlich seiner Bereichsgröße verändert wurde und z.B. nicht mit dem ursprünglichen maximal möglichen Ladezustandsbereich übereinstimmt, eine entsprechende Umskalierung vorgenommen werden, so dass bezogen auf das vorhergehende Beispiel die untere Bereichsgrenze von 15 Prozent entsprechend als Ladezustand von 0 Prozent angezeigt werden würde und ein Ladezustand, der an der oberen Bereichsgrenze von 70 Prozent liegt, dem Benutzer entsprechend als ein Ladezustand von 100 Prozent angezeigt werden würde.
Die Bereichsgröße wird darüber hinaus auch als Ladungshub bezeichnet. Sie stellt also die in dem Energiespeicher maximal zu entnehmende Energiemenge beziehungsweise Ladung dar, sofern die Bereichsgrenzen festgelegt sind. Bei der Steuerung des zumindest einen Bereichsparameters ist es vorteilhaft, den Ladezustandsbereich so zu steuern beziehungsweise dessen Bereichsparameter, dass die Bereichsgröße gleich bleibt. Mit anderen Worten kann der Ladezustandsbereich nach oben oder unten unter Beibehaltung seiner Bereichsgröße verschoben werden. Dies hat den Vorteil, dass keine Umskalierung vorgenommen werden muss. Allerdings gibt es auch Situationen, in denen eine Veränderung der Bereichsgröße von Vorteil ist, wie dies später näher erläutert wird. Daher ist es sehr vorteilhaft, wenn nicht nur der Ladezustandsbereich als Ganzes verschoben werden kann, sondern beispielsweise auch die obere oder untere Bereichsgrenze an sich, das heißt, unabhängig voneinander. Dies erlaubt noch deutlich mehr Anpassungsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, für eine sehr stark gealterte Energiespeichereinheit den Ladezustandsbereich, insbesondere dessen obere Bereichsgrenze, nach unten zu verschieben, was schonender für die Energiespeichereinheit ist, gleichzeitig kann aber, um zum Beispiel einen erhöhten Innenwiderstand aufgrund der Alterung zu berücksichtigen, die untere Bereichsgrenze nach oben verschoben werden, um zu starke Spannungseinbrüche beim Leistungsabruf zu vermeiden.
Dass der Ladezustandsbereich beziehungsweise zumindest einer seiner Bereichsparameter in Abhängigkeit von mindestens einem von der Temperatur verschiedenen Steuerparameter gesteuert wird, schließt jedoch nicht aus, dass ein zusätzlicher weiterer Steuerparameter zur Steuerung des mindestens eines Bereichsparameters die Temperatur darstellt. So kann die Temperatur, insbesondere eine Temperatur des Energiespeichers oder einer Energiespeichereinheit oder eine Umgebungstemperatur, insbesondere auch eine für einen längeren Zeitraum prognostizierte Umgebungstemperatur, bei der Ansteuerung des Bereichsparameters Berücksichtigung finden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch vor allem, Alterungseffekte bei einer Steuerung des Bereichsparameters zu berücksichtigen.
Daher stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der mindestens eine Steuerparameter mindestens einen aus folgender Gruppe darstellt: Einen Alterungszustand der Energiespeichereinheit, einen Innenwiderstand der Energiespeichereinheit, eine Kapazität der Energiespeichereinheit und ein Gruppenzugehörigkeitsparameter, der angibt, zu welcher von mindestens zwei vom Energiespeicher umfassten Zellgruppen die Energiespeichereinheit gehört, wobei jede der mindestens zwei Zellgruppen jeweils mindestens eine Energiespeichereinheit aufweist. Die Berücksichtigung einer oder mehrerer dieser Steuerparameter ermöglicht deutlich bessere Anpassungsmöglichkeiten an eine gegebene Situation beziehungsweise den aktuellen Zustand des Energiespeichers und ermöglicht folglich einen deutlich effizienteren Betrieb des Energiespeichers. Wie oben bereits erwähnt ist vor allem die Berücksichtigung des Alterungszustands der Energiespeichereinheit sehr von Vorteil, da die Lage des Ladezustandsbereichs die Alterung einer solchen Energiespeichereinheit beeinflusst. Wie bereits beschrieben kann durch eine niedrigere Wahl des Ladezustandsbereichs die Alterung der Energiespeichereinheit verlangsamt werden. Damit kann durch die Berücksichtigung des Alterungszustands der Energiespeichereinheit bei der Steuerung des Bereichsparameters die Lebensdauer des Energiespeichers beziehungsweise der Energiespeichereinheit verlängert werden. Dabei gibt es grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten und Ansätze, um den Alterungszustand des Energiespeichers beziehungsweise der Energiespeichereinheit zu beziffern. Vorteilhaft ist es dabei vor allem, den Alterungszustand in Abhängigkeit von einem Innenwiderstand der Energiespeichereinheit und/oder in Abhängigkeit von einer Kapazität der Energiespeichereinheit zu ermitteln. Eine zunehmende Alterung einer Energiespeichereinheit beeinflusst nämlich maßgeblich gerade diese beiden genannten Größen. Somit kann zum Beispiel durch die Ermittlung des Innenwiderstands und/oder der Kapazität wiederum auf den aktuellen Alterungszustand der Energiespeichereinheit geschlossen werden. Es eignen sich aber auch noch andere oder weitere Parameter zur Charakterisierung des Alterungszustands, zum Beispiel die Anzahl der Betriebsstunden der Energiespeichereinheit und das Lastprofil während dieser Betriebszeit. Da aber vor allem der Innenwiderstand und die Kapazität die die Lebensdauer der Energiespeichereinheit limitierenden Größen darstellen, ist es sehr vorteilhaft, zumindest auf Basis dieser Größen den Alterungszustand zu bestimmen. Entsprechend können auch der Innenwiderstand der Energiespeichereinheit sowie auch die Kapazität der Energiespeichereinheit selbst Steuerparameter zur Steuerung mindestens eines der Bereichsparameter oder auch alle der Bereichsparameter darstellen. Der Innenwiderstand nimmt typischerweise im Laufe der Alterung der Energiespeichereinheit zu. Daher ist es von Vorteil, den Innenwiderstand als Steuerparameter zu wählen oder besser gesagt, den aktuell erfassten Innenwiderstand bei der Wahl der Bereichsparameter für den Ladezustandsbereich zu berücksichtigen. Auch die Kapazität der Energiespeichereinheit verändert sich typischerweise im Laufe der Alterung. Diese nimmt dabei typischerweise im Laufe der Alterung ab. Auch dies kann somit vorteilhafterweise bei der Wahl des Ladezustandsbereichs berücksichtigt werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, eine Lebensdauer der Energiespeichereinheit zu verlängern oder auch im Falle von mehreren Energiespeichereinheiten Alterungseffekte untereinander auszugleichen und zu kompensieren.
Daher stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Energiespeicher mehrere Energiespeichereinheiten umfassend die mindestens eine Energiespeichereinheit aufweist, wobei jeder der Energiespeichereinheiten ein jeweiliger nutzbarer Ladezustandsbereich zugeordnet ist, der als Bereichsparameter eine obere Bereichsgrenze, eine untere Bereichsgrenze und eine Bereichsgröße aufweist, die als Differenz zwischen der oberen und unteren Bereichsgrenze definiert ist, wobei der Energiespeicher derart betrieben wird, dass die untere Bereichsgrenze der jeweiligen Energiespeichereinheiten nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze der jeweiligen Energiespeichereinheiten nicht überschritten wird, wobei jeder der Energiespeichereinheiten mindestens ein Steuerparameter zugeordnet ist, und wobei mindestens einer der Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustands für jede Energiespeichereinheit separat in Abhängigkeit von dem ihr zugeordneten Steuerparameter gesteuert wird. So können auf Basis verschiedener Parameter, insbesondere der Steuerparameter, der genutzte SOC-Bereichs dynamisch für jede der Energiespeichereinheiten, zum Beispiel jede Zelle oder auch Zellgruppe, angepasst werden. Somit ist es also auch möglich, dass verschiedene SOC-Bereiche, oder auch nur dessen obere oder untere Bereichsgrenze, nicht auf die ganze Batterie anzuwenden, sondern auf einzelne Zellen oder Module. So können zum Beispiel ein Teil der Zellen in einem höheren und der andere Teil in einem niedrigeren SOC-Bereich betrieben werden, was die Leistungsabgabe erhöht und die Alterung reduziert. Die Zellen können somit in Gruppen eingeteilt werden und die Gruppen können dann hinsichtlich der Wahl ihres Ladezustandsbereichs beziehungsweise der entsprechenden Bereichsparameter unterschiedlich gesteuert werden. So kann also jeder Zelle oder im Allgemeinen jeder Energiespeichereinheit ein Gruppenzugehörigkeitsparameter zugeordnet werden, der dann wie oben definiert angibt, zu welcher von mindestens zwei vom Energiespeicher umfassten Zellgruppen die betreffende Energiespeichereinheit gehört. Je nach Gruppenzugehörigkeit wird dann die Energiespeichereinheit hinsichtlich ihres Ladezustandsbereichs gesteuert. Die unterschiedlichen Steuerstrategien für die jeweiligen verschiedenen Gruppen können im Laufe der Zeit auch zyklisch getauscht werden, so dass letztendlich jede Energiespeichereinheit des Energiespeichers im Laufe der Zeit im Mittel gleich beansprucht wird. Dies fördert eine gleichmäßige Alterung aller Energiespeichereinheiten und ermöglicht zudem gleichzeitig eine hohe Leistungsabgabe. Die Aspekte Alterung und Leistungsabgabe können damit auf besonders harmonische Weise in Einklang gebracht werden. Die Energiespeichereinheit-individuelle Steuerung der Ladezustandsbereiche ermöglicht noch weitere sehr vorteilhafte Steuerstrategien. Beispielsweise könnten einzelne Zellen, die in der Kapazität gealtert sind und entsprechend eine geringere Kapazität aufweisen, in einem anderen SOC-Fenster betrieben werden, um den maximalen Energieinhalt über einen möglichst langen Zeitraum sicherzustellen. Stärker gealterte Zellen können zum Beispiel in einem niedrigeren SOC-Bereich betrieben werden, um die Alterung gezielt zu verlangsamen. Dadurch gleichen sich diese Zellen den anderen im Laufe der Zeit hinsichtlich ihrer Alterungseffekte wieder an. Denkbar ist auch eine Aufweitung des SOC-Bereichs für Zellen mit alterungsbedingter geringerer Kapazität. Durch die Aufweitung des nutzbaren SOC-Bereichs, das heißt der Bereichsgröße, fällt effektiv die verringerte Kapazität dieser stärker gealterten Zellen nicht mehr auf und kann somit kompensiert werden.
Entsprechend stellt es also eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die mindestens eine Energiespeichereinheit eine Batteriezelle oder einen Zellverbund mit mehreren zueinander parallel geschalteten Batteriezellen darstellt. Sind mehrere Batteriezellen zueinander parallel geschaltet, so gleichen sich ihre Ladungszustände untereinander aus. Entsprechend ist es von Vorteil, für eine Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen einen gemeinsamen Ladezustandsbereich und korrespondierende Bereichsparameter zu definieren. Weist der Energiespeicher keine Parallelschaltung von Batteriezellen auf, so kann eine separate Steuerung wie beschrieben für jede einzelne Batteriezelle vorgenommen werden. Wenngleich im Folgenden zum Teil auch eine Steuerung einzelner Batteriezellen hinsichtlich ihrer Ladezustandsbereiche beschrieben wird, so lassen sich diese Ausführungsbeispiele auch ganz analog für Zellgruppen mit mehreren parallel zueinander geschalteten Batteriezellen umsetzen. Eine Steuerung oder Anpassung der Ladezustandsbereiche muss aber nicht notwendigerweise auf Zellebene erfolgen, sondern kann beispielsweise auch auf Modulebene erfolgen. Ein Batteriemodul kann dabei wiederum mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen umfassen, die sich zueinander in einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung befinden können. Ein solcher Zellverbund kann also auch mehrere zueinander seriell geschaltete Batteriezellen umfassen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit von mindestens einem Steuerparameter gesteuert, dass dieser auf einen in Abhängigkeit von mindestens einem Steuerparameter ermittelten Wert festgelegt wird, insbesondere für eine vorbestimmte Mindestdauer oder für eine vorbestimmte Mindestanzahl an Ladezyklen des Energiespeichers. Ein Ladezyklus kann dabei die Zeitdauer vom Aufladen eines Energiespeichers bis zum nächsten elektrischen Laden des Energiespeichers umfassen. Dabei kann auch unberücksichtigt bleiben, um wie viel der Energiespeicher bei einem Ladevorgang aufgeladen wurde. Vorzugsweise wird der Wert des Bereichsparameters dabei für mindestens zehn Ladezyklen oder mehr, zum Beispiel mindestens 50 Ladezyklen, festgelegt. Dies ist gerade bei der zell- oder modulindividuellen Steuerung der Ladezustandsbereiche sehr vorteilhaft, da ein Umladen der Zellen Energie kostet. Im Übrigen lässt sich das Laden der einzelnen Zellen auf unterschiedliche Ladezustandsbereiche, zum Beispiel bis zu ihren jeweiligen oberen Bereichsgrenzen, durch eine herkömmliche Balancingschaltung bewerkstelligen. Diese sorgt normalerweise dafür, dass der Ladezustand unter verschiedenen Batteriezellen eines Energiespeichers immer ausgeglichen ist, und kann nun gezielt dafür eingesetzt werden, um ungleiche Ladezustände in Abhängigkeit von den jeweiligen Steuerparametern einzustellen. Die untere Bereichsgrenze für den gesamten Energiespeicher bezüglich seines Ladezustandsbereichs kann dabei dann entsprechend durch die untere Bereichsgrenze der „schwächsten Zelle“ definiert sein. Sobald also eine der Batteriezellen oder im Allgemeinen eine der Energiespeichereinheiten ihre untere Bereichsgrenze erreicht, so hat entsprechend auch der Energiespeicher insgesamt die untere Bereichsgrenze seines zulässigen Ladezustandsbereichs erreicht, sprich er ist leer. Dass dagegen die jeweiligen oberen Bereichsgrenzen nicht überschritten werden, kann durch das Lademanagement beim Laden des Energiespeichers gesteuert werden. Dabei können über die beschriebene Balancingschaltung die jeweiligen Batteriezellen entsprechend nur soweit geladen werden, dass die entsprechend für sie festgelegten oberen Bereichsgrenzen nicht überschritten werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Energiespeichereinheiten in mindestens eine erste und eine zweite Zellgruppe gruppiert, wobei der mindestens eine Bereichsparameter der jeweiligen Energiespeichereinheiten derart in Abhängigkeit von dem Gruppenzugehörigkeitsparameter gesteuert wird, dass in einer ersten Betriebsphase der nutzbare Ladezustandsbereich der Energiespeichereinheiten der ersten Gruppe niedriger liegt als der nutzbare Ladezustandsbereich der Energiespeichereinheiten der zweiten Gruppe und in einer zweiten Betriebsphase der nutzbare Ladezustandsbereich der Energiespeichereinheiten der ersten Gruppe höher liegt als der nutzbare Ladezustandsbereich der Energiespeichereinheiten der zweiten Gruppe. Wenn der Ladezustandsbereich niedriger gewählt wird, altern die betreffenden Energiespeichereinheiten langsamer, was sich als positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt. Da gleichzeitig eine weitere Zellgruppe definiert ist, deren Energiespeichereinheiten in einem höheren Ladezustandsbereich betrieben werden, kann dennoch eine hohe Leistung durch den Energiespeicher insgesamt bereitgestellt werden. Das heißt, der schonende Betrieb der einen Energiespeichereinheiten wirkt sich nicht negativ auf den möglichen Leistungsabruf vom Energiespeicher aus. Durch den Wechsel der Steuerstrategie in der zweiten Betriebsphase können folglich die jeweiligen Energiespeichereinheiten abwechselnd schonend betrieben werden. Dadurch altern sie gleichmäßig und die Lebenszeit des Energiespeichers insgesamt kann verlängert werden. Nach der zweiten Betriebsphase kann sich wieder die erste Betriebsphase anschließen und so weiter. Mit anderen Worten können die Betriebsphasen zyklisch getauscht werden beziehungsweise sich abwechselnd zyklisch wiederholen. Eine Betriebsphase kann zum Beispiel durch eine maximale Zeitdauer definiert sein oder wieder durch eine bestimmte Anzahl an Ladezyklen, wie oben bereits beschrieben. Da Alterungsprozesse in der Regel sehr langsam von statten gehen, ist es nicht erforderlich, einen solchen Tausch sehr häufig durchzuführen. Ein Tausch der Betriebsphasen zum Beispiel alle zehn Ladezyklen oder sogar alle 50 Ladezyklen ist dabei entsprechend ausreichend.
Um den Ladezustandsbereich nach oben zu verschieben, wird zumindest die obere Bereichsgrenze nach oben verschoben. Dass also ein Ladezustandsbereich einer Energiespeichereinheit höher liegt als der Ladezustandsbereich einer anderen Energiespeichereinheit, bedeutet dabei also zumindest, dass die obere Bereichsgrenze der einen Energiespeichereinheit höher liegt als die der anderen. Bevorzugt wird dabei die Bereichsgröße konstant gehalten. Mit anderen Worten liegt dann entsprechend auch die untere Bereichsgrenze höher, wenn der Ladezustandsbereich höher liegt, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Die Bereichsgröße kann sich dabei auch ändern, zum Beispiel vergrößert werden. Beispielsweise ist es möglich, den genutzten Bereich etwas aufzuweiten, wenn er im unteren Bereich des gesamten SOC liegt, da leere Zellen eine niedrigere Spannungslage haben. So kann die Energiemenge gleich gehalten werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit von der Kapazität der mindestens einen Energiespeichereinheit gesteuert, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheit die Bereichsgröße umso größer eingestellt wird, je kleiner die Kapazität der mindestens einen Energiespeichereinheit ist. Dadurch kann die altersbedingte Kapazitätsreduktion vorteilhafterweise kompensiert werden. Noch effizienter ist es, wenn der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapazität der Energiespeichereinheiten gesteuert wird, das für Energiespeichereinheiten, die eine geringere Kapazität aufweisen, die Bereichsgröße größer eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten, die eine größere Kapazität aufweisen. Dadurch machen sich die alterungsbedingten Auswirkungen auf die Kapazität bei unterschiedlichen Alterungszuständen der jeweiligen Energiespeichereinheiten nicht mehr bemerkbar.
Die Bereichsgröße kann dabei vergrößert werden, indem die obere Bereichsgrenze nach oben verschoben wird und/oder die untere Bereichsgrenze nach unten verschoben wird.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit vom Innenwiderstand der mindestens einen Energiespeichereinheit gesteuert, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheit die untere Bereichsgrenze umso höher eingestellt wird, je größer der Innenwiderstand der mindestens einen Energiespeichereinheit ist. Dies hat den großen Vorteil, dass bei alterungsbedingtem, sehr großen Innenwiderstand ein zu starker Spannungseinbruch zu niedrigeren Spannungen hin bei Leistungsabbruch vermieden werden kann. Durch diese Strategie wirkt sich ein erhöhter Innenwiderstand der Zellen nicht negativ aus, weil die Zellspannungen nicht in einen kritischen Bereich einbrechen können, wenn die Zellen im oberen SOC-Bereich betrieben werden beziehungsweise wenn die untere Bereichsgrenze zumindest höher gewählt wird. Entsprechend ist es also wiederum vorteilhaft, wenn der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit von dem jeweiligen Innenwiderstand der Energiespeichereinheiten gesteuert wird, dass für Energiespeichereinheiten, die einen geringeren Innenwiderstand aufweisen, der untere Grenzwert niedriger eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten, die einen größeren Innenwiderstand aufweisen. Optional kann dabei auch wiederum die Bereichsgröße konstant gehalten werden, was zu einer Veränderung des oberen Grenzwerts des Ladezustandsbereichs, das heißt also der oberen Bereichsgrenze, führt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Alterungszustand der mindestens einen Batteriezelle in vorbestimmter Weise ermittelt. Dies wurde oben bereits beschrieben. Weiterhin kann der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit vom Alterungszustand der mindestens einen Energiespeichereinheit, insbesondere in Abhängigkeit von einem durch kapazitive Alterung bedingten Alterungszustands, der sich von einem Alterungszustand auf Basis eines erhöhten Innenwiderstands unterschiedet, gesteuert werden, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheit der nutzbare Ladezustandsbereich umso niedriger eingestellt wird, je stärker die mindestens eine Energiespeichereinheit gealtert ist. Dies bedeutet, dass zumindest die obere Bereichsgrenze niedriger gewählt wird, wenn der Ladezustandsbereich niedriger eingestellt wird. Dies ist schonender für die Zellen und reduziert die Alterung. Außerdem kann dies ebenso genutzt werden, um unterschiedliche Alterungszustände unter den Zellen auszugleichen. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Bereichsparameter derart in Abhängigkeit von dem jeweiligen Alterungszustand der Energiespeichereinheiten gesteuert wird, dass für Energiespeichereinheiten, die stärker gealtert sind, der Ladezustandsbereich niedriger eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten, die weniger stark gealtert sind.
Bei der Steuerung der Bereichsparameter können im Übrigen auch mehrere der genannten Steuerparameter in gleicher Weise herangezogen werden. Mit anderen Worten kann eine Steuerstrategie umgesetzt sein, indem mehrere der genannten Steuerparameter berücksichtigt werden. Diese können die Bereichsparameter in beschriebener Weise beeinflussen. Dabei kann zudem auch eine bestimmte Gewichtung der Steuerparameter untereinander oder eine bestimmte Priorisierung oder ähnliches erfolgen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs eines Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher eine Energiespeichereinheit aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich zugeordnet ist, der als Bereichsparameter eine obere Bereichsgrenze, eine untere Bereichsgrenze und eine Bereichsgröße aufweist, die als Differenz zwischen der oberen und unteren Bereichsgrenze definiert ist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Energiespeicher derart zu betreiben, dass die untere Bereichsgrenze nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze nicht überschritten wird, und mindestens einer der Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von einem der mindestens einen Energiespeichereinheit zugeordneten Steuerparameter zu steuern. Weiterhin ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den mindestens einen der Bereichsparameter des nutzbaren Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von mindestens einem ermittelten, von einer Temperatur verschiedenen Steuerparameter als der mindestens eine Steuerparameter zu steuern.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Des Weiteren soll auch ein Energiespeicher mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung als zur Erfindung gehörend angesehen werden, ebenso wie ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher oder einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel als Batteriesteuergerät ausgebildet sein. Dem Batteriesteuergerät kann in einem Beispiel zum Beispiel ein nutzbarer Hub des Ladezustands, das heißt also eine Bereichsgröße, zum Beispiel 60 Prozent, vorgegebenen werden, und ein Bereich des Ladezustands, innerhalb dessen dieser Hub liegen darf, zum Beispiel zwischen 5 Prozent und 95 Prozent. Das Steuergerät kann in vorteilhafter Weise auf Basis verschiedener Parameter, die zuvor als Steuerparameter bezeichnet wurden, festlegen, wo es diesen Hub hinlegt. Dieser kann also zum Beispiel zwischen 5 Prozent und 65 Prozent liegen oder zwischen 35 Prozent und 95 Prozent oder irgendwo dazwischen. So kann zum Beispiel wie üblich auf Basis der Außentemperatur der Bereich bei Kälte an das obere Ende des nutzbaren Bereichs gelegt werden und bei Wärme an das untere Ende. Besonders vorteilhaft ist es nun jedoch, auch den aktuellen Alterungszustand der Batterie mit einzubeziehen. So könnte eine weitere Alterung verlangsamt werden, wenn der genutzte Bereich nach unten geschoben wird oder trotz Alterung eine hohe Leistung zur Verfügung gestellt werden, wenn der Bereich nach oben verschoben wird.
Die Steuereinrichtung 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.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, 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 Steuereinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ladezustandsbereichs und dessen Parameter für eine Batteriezelle zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 10 als Beispiel für eine Energiespeichereinheit eines Energiespeichers 12 (vgl. 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Veranschaulicht ist hierbei insbesondere der nutzbare Ladezustandsbereich 14 für diese Batteriezelle 10. Der Ladezustand SOC einer Batteriezelle 10 wird typischerweise in Prozent angegeben. Die Angabe des Ladezustands bezieht sich entsprechend auf die aktuell in einer solchen Batteriezelle 10 gespeicherte Energiemenge bezogen auf die insgesamt in dieser Batteriezelle 10 speicherbaren Energiemenge. Die untere Grenze eines solchen Ladezustands liegt also bei 0 Prozent und die obere Grenze bei 100 Prozent. Dieser rein physikalisch maximal nutzbare Bereich B0 wird jedoch üblicherweise von einem maximal nutzbaren Bereich B1 beschränkt, der zum Beispiel zwischen 5 Prozent und 95 Prozent liegt. Hierdurch kann die Lebensdauer der Batteriezelle 10 gesteigert werden. Weiterhin kann es sinnvoll sein, den tatsächlich nutzbaren Bereich gegenüber dem maximal nutzbaren Bereich B1 noch weiter einzuschränken. Dies stellt einen tatsächlich nutzbaren Ladezustandsbereich 14 dar. Beispielsweise werden, um für ein Elektrofahrzeug günstige Einstiegsvarianten anbieten zu können, Varianten mit weniger nutzbarer Energie angeboten, die dann entsprechend eine kleinere Reichweite haben. Um dabei trotzdem Entwicklungskosten zu sparen, kann zum Beispiel nur eine Hochvolt-Batterie entwickelt werden, die dann prinzipiell auch für größere Reichweiten ausgelegt ist, deren tatsächlich nutzbarer Energiebereich aber per Software eingeschränkt wird, zum Beispiel auf diesen tatsächlich nutzbaren Ladezustandsbereich 14. Dieser ist charakterisiert durch die Lage seiner oberen Bereichsgrenze OG, der unteren Bereichsgrenze UG und die sich als Differenz aus diesen Bereichsgrenze OG, UG ergebenden Bereichsgröße ΔSOC, die auch als SOC-Fenster oder SOC-Hub bezeichnet wird. Dieser Ladezustandsbereich 14 kann innerhalb der vorab definierten, insbesondere durch den maximal nutzbaren Bereich B1 definierten Grenzen verschoben werden, zum Beispiel nach oben und nach unten unter Beibehaltung der Bereichsgröße ΔSOC, oder auch unter Veränderung dieser Bereichsgröße ΔSOC, wie später näher erläutert. Damit sind vorteilhafterweise zahlreiche Anpassungsmöglichkeiten gegeben, die in vielerlei Hinsicht genutzt werden können, insbesondere um die Leistungsfähigkeit der Gesamtbatterie zu steigern oder die Alterungseffekte zu minimieren, die Alterungszustände einzelner Zellen 10 untereinander auszugleichen oder ähnliches. Insgesamt kann so auch die Gesamtlebensdauer der Batterie 12 erhöht werden.
2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 16, welches als Beispiel für einen Energiespeicher eine Hochvolt-Batterie 12 umfasst, die wiederum mehrere solche Batteriezellen 10 aufweist. Weiterhin umfasst die Hochvolt-Batterie 12 ein Batteriesteuergerät 18. Dieses ist dazu ausgelegt, einen Steuerparameter S, der von einer Temperatur, insbesondere einer Umgebungstemperatur und/oder Batterietemperatur, verschieden ist, zu erfassen und in Abhängigkeit von diesem mindestens einen erfassten Steuerparameter S die Bereichsparameter OG, UG, ΔSOC der Batteriezellen 10 zu steuern. Dabei kann der Ladezustandsbereich 14 für die Gesamtheit der Batteriezellen 10 insgesamt gesteuert werden, oder aber für einzelne Zellen 10 oder auch Zellgruppen separat. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, nicht alle Zellen 10 beziehungsweise Module im gleichen SOC-Fenster zu betreiben. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Zellgruppen 20a, 20b veranschaulicht. Bei diesen Zellgruppen 20a, 20b kann es sich zum Beispiel um Batteriemodule handeln oder auch um eine beliebige Gruppierung der Batteriezellen 10. Diese müssen nicht notwendigerweise gleich viele Zellen 10 umfassen, was jedoch dennoch vorteilhaft ist. Beispielsweise können die Batteriezellen 10 in zwei Gruppen 20a, 20b gegliedert werden, wobei die Ladezustandsbereiche 14 der Zellen 10 der jeweiligen Gruppen 20a, 20b gemäß unterschiedlicher Steuerstrategien in zyklisch abwechselnder Weise gesteuert werden. Es ist zum Beispiel im einfachsten Fall möglich, die Hälfte der Zellen 10, die also zum Beispiel der ersten Gruppe 20a zugeordnet ist, in einem unteren und die andere Hälfte, die der zweiten Gruppe 20b zugeordnet ist, in einem oberen SOC-Fenster zu betreiben, um so einen guten Kompromiss aus Alterung und Leistungsabgabe zu finden. Die Aufteilung der hohen und tiefen Zellen könnte dann zum Beispiel alle 50 Zyklen getauscht werden, um die Zellen 10 gleichmäßig zu belasten. Ein Umladen der Zellen wäre hier zum Beispiel über die Balancingwiderstände möglich.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Energiespeichers 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren beginnt hierbei in Schritt S10, welches sich in zwei oder mehr Unterschritte S12, S14 gliedern lässt. In diesem Schritt S10 bestimmt die Steuereinrichtung 18, die zuvor auch als Batteriesteuergerät 18 bezeichnet wurde, Steuerparameter S. Im vorliegenden Beispiel werden diese Steuerparameter S separat für zwei verschiedene Zellen 10 oder Zellgruppen 20a, 20b ermittelt. Im vorliegenden Beispiel wird für eine erste Zelle 10 oder Zellgruppe ein erster Steuerparameter S1 in Schritt S12 ermittelt und in Schritt S14 wird ein zweiter Steuerparameter S2 für eine zweite Batteriezelle 10 oder Zellgruppe ermittelt. Beim ersten Steuerparameter S1 kann es sich zum Beispiel um einen Alterungszustand A1, einen Innenwiderstand Ri1 oder eine Kapazität C1 der ersten Batteriezelle 10 oder Zellgruppe handeln. Auch beim zweiten Steuerparameter S2 kann es sich analog um einen Alterungszustand A2, einen Innenwiderstand Ri2 oder eine Kapazität C2 der zweiten Batteriezelle 10 oder Zellgruppe handeln. In Abhängigkeit von einem oder mehreren dieser ermittelten Steuerparameter S1, S2 bestimmt die Steuereinrichtung 18 anschließend im Schritt S16 die Bereichsparameter der Ladezustandsbereiche 14 der jeweiligen Zellen 10 oder Zellgruppen in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Steuerparametern S1, S2. Insbesondere wird dabei für die erste Zelle 10 zum Beispiel die obere Bereichsgrenze OG1, die untere Bereichsgrenze UG1 und/oder die Bereichsgröße ΔSOC1 festgelegt, und für die zweite Zelle 10 die obere Bereichsgrenze OG2, die untere Bereichsgrenze UG2 und/oder die Bereichsgröße ΔSOC2. Wenngleich die Bereichsparameter dabei für jede Zelle 10 oder Zellgruppe separat bestimmt werden, so erfolgt diese Bestimmung nicht unabhängig voneinander. Für beide Zellgruppen oder Zellen 10 erfolgt die Bestimmung der Grenzen OG1, OG2, UG1, UG2 und des SOC-Bereichs bzw. der Bereichsgröße ΔSOC1, ASOC2 also nicht völlig unabhängig voneinander. Stattdessen werden, z.B. durch das Steuergerät 18, immer alle Parameter, d.h. die jeweiligen Bereichsparameter, der jeweiligen Zellen 10 bzw. Zellgruppen zueinander ins Verhältnis gesetzt, um für jede Zelle 10 bzw. Zellgruppe die richtigen Grenzen festzulegen. Weist z.B. eine erste Zelle 10 eine geringere Kapazität C1 auf als eine zweite Zelle 10, und soll dies durch die Anpassung der jeweiligen Bereichsparameter ausgeglichen werden, so kann die Bereichsgröße ΔSOC1 der ersten Zelle 10 abhängig vom Unterschied bzw. Verhälnis der auf das gleiche SOC-Fenster bezogenen Kapazitäten C1, C2 der beiden Zellen 10 gegenüber der zweiten Bereichsgröße ΔSOC2 der zweiten Zelle 10 entsprechend vergrößert werden, insbesondere gemäß $Δ SOC1 = Δ SOC2 \times (C2/C1),$
wenn die zweite Bereichsgröße ΔSOC2 dabei unverändert bleibt.
Anschließend wird der Energiespeicher 12 und insbesondere das Kraftfahrzeug 16 so betrieben, dass die jeweiligen Bereichsgrenzen OG1, UG1, OG2, UG2 eingehalten werden. Weiterhin wird in Schritt S18 überprüft, ob die seit der letzten Festlegung der Bereichsparameter erfolgte Anzahl an Ladezyklen Z bereits eine vorbestimmte Mindestanzahl N erreicht oder überschritten hat. Ist dies nicht der Fall, so wird der Energiespeicher 12 auf Basis der in Schritt S16 festgelegten Bereichsparameter weiter betrieben. Insbesondere so lange, bis die Anzahl an Ladezyklen Z größer ist als diese vorbestimmte Mindestanzahl N. Dann beginnt das Verfahren von neuem, indem in Schritt S10 wiederum erneut die Steuerparameter für die jeweiligen Zellen 10 oder Zellgruppen erneut ermittelt werden. Die vorbestimmte Mindestanzahl an Ladezyklen N liegt dabei bei mindestens 10, vorzugsweise noch höher. Da es sich bei den Steuerparametern S, S1, S2 hauptsächlich um Parameter handelt, die vom Alterungszustand A1, A2 der Zellen 10 oder Zellgruppen abhängig sind oder diesen selbst beschreiben, ändern diese Parameter sich somit auch nur langsam. Damit ist keine ständige Anpassung des Ladezustandsbereichs 14 erforderlich.
Dadurch ist es auch möglich, den Alterungszustand A1, A2 der Zellen 10 zu berücksichtigen, wenn diese unterschiedlich gealtert sind. So könnten die stärker gealterten Zellen 10 grundsätzlich in einem höheren Fenster 14 betrieben werden als die Zellen 10 mit höherer Restkapazität C1, C2. Anders ausgedrückt können stärker gealterte Zellen 10 in einem größeren SOC-Fenster 14 betrieben werden, das heißt, in einem Ladezustandsbereich 14 mit größerer Bereichsgröße ΔSOC1, ΔSOC2. Dadurch werden die schwächeren Zellen 10 dann zum einen tiefer entladen, was dazu führt, dass die Gesamtkapazität der Batterie 12 länger erhalten bleibt. Zum anderen wirkt sich dann auch ein erhöhter Innenwiderstand Ri1, Ri2 der Zellen 10 nicht negativ aus, weil die Zellspannungen nicht in einen kritischen Bereich einbrechen, wenn die Zellen 10 im oberen SOC-Bereich 14 betrieben werden. Entsprechend wird der SOC-Bereich 14 dann vorzugsweise nach oben erweitert und nicht nach unten.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Adaption des genutzten SOC-Bereichs einer Hochvolt-Batterie bereitgestellt werden kann. Hierdurch wird ein deutlich effizienterer Betrieb einer Hochvolt-Batterie ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012001820 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (16), wobei der Energiespeicher (12) eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich (14) zugeordnet ist, der als Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) eine obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2), eine untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) und eine Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) aufweist, die als Differenz zwischen der oberen Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) und unteren Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) definiert ist, wobei der Energiespeicher (12) derart betrieben wird, dass die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) nicht überschritten wird, wobei der Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) mindestens ein Steuerparameter (S, S1, S2) zugeordnet ist, und wobei mindestens einer der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) des nutzbaren Ladezustandsbereichs (14) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Steuerparameter (S, S1, S2) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) des nutzbaren Ladezustandsbereichs (14) in Abhängigkeit von mindestens einem ermittelten, von einer Temperatur verschiedenen Steuerparameter (S, S1, S2) als der mindestens eine Steuerparameter (S, S1, S2) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steuerparameter (S, S1, S2) mindestens einen aus folgender Gruppe darstellt: - ein Alterungszustand (A1, A2) der Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b); - ein Innenwiderstand (Ri1, Ri2) der Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b); - eine Kapazität (C1, C2) der Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b); - ein Gruppenzugehörigkeitsparameter, der angibt, zu welcher von mindestens zwei vom Energiespeicher (12) umfassten Zellgruppen (20a, 20b) die Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) gehört, wobei jede der mindestens zwei Zellgruppen (20a, 20b) jeweils mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (12) mehrere Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) umfassend die mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) aufweist, wobei jeder der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) ein jeweiliger nutzbarer Ladezustandsbereich (14) zugeordnet ist, der als Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1,ΔSOC2) eine obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2), eine untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) und eine Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) aufweist, die als Differenz zwischen der oberen Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) und unteren Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) definiert ist, wobei der Energiespeicher (12) derart betrieben wird, dass die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) nicht überschritten wird, wobei jeder Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) mindestens ein Steuerparameter (S, S1, S2) zugeordnet ist, und wobei mindestens einer der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) des nutzbaren Ladezustands für jede Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) separat in Abhängigkeit von dem ihr zugeordneten Steuerparameter (S, S1, S2) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1,ΔSOC2) derart in Abhängigkeit vom mindestens einen Steuerparameter (S, S1, S2) gesteuert wird, dass dieser auf einen in Abhängigkeit vom mindestens einen Steuerparameter (S, S1, S2) ermittelten Wert festgelegt wird, insbesondere für eine vorbestimmte Mindestdauer oder für eine vorbestimmte Mindestanzahl (N) an Ladezyklen des Energiespeichers (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) eine Batteriezelle (10) oder einen Zellverbund (20a, 20b) mit mehreren zueinander parallel geschalteten Batteriezellen (10) darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) in mindestens eine erste und eine zweite Zellgruppe (20a, 20b) gruppiert sind, wobei der mindestens eine Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) der jeweiligen Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) derart in Abhängigkeit von dem Gruppenzugehörigkeitsparameter gesteuert wird, dass in einer ersten Betriebsphase der nutzbare Ladezustandsbereich (14) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) der ersten Gruppe (20a) niedriger liegt als der nutzbare Ladezustandsbereich (14) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) der zweiten Gruppe (20b) und in einer zweiten Betriebsphase der nutzbare Ladezustandsbereich (14) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) der ersten Gruppe (20a) höher liegt als der nutzbare Ladezustandsbereich (14) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) der zweiten Gruppe (20b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1,ΔSOC2) derart in Abhängigkeit von der Kapazität (C1, C2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) die Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) umso größer eingestellt wird, je kleiner die Kapazität (C1, C2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) ist, insbesondere wobei der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) derart in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapazität (C1, C2) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die eine geringere Kapazität (C1, C2) aufweisen, die Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) größer eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die eine größere Kapazität (C1, C2) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) derart in Abhängigkeit vom Innenwiderstand (Ri1, Ri2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) umso höher eingestellt wird, je größer der Innenwiderstand (Ri1, Ri2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) ist, insbesondere wobei der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) derart in Abhängigkeit von dem jeweiligen Innenwiderstand (Ri1, Ri2) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die einen geringeren Innenwiderstand (Ri1, Ri2) aufweisen, die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) niedriger eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die einen größeren Innenwiderstand (Ri1, Ri2) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand (A1, A2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) in vorbestimmter Weise ermittelt wird und der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) derart in Abhängigkeit vom Alterungszustand (A1, A2) der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für die mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) der nutzbare Ladezustandsbereich (14) umso niedriger eingestellt wird, je stärker die mindestens eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) gealtert ist, insbesondere wobei der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) derart in Abhängigkeit von dem jeweiligen Alterungszustand (A1, A2) der Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b) gesteuert wird, dass für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die stärker gealtert sind, der Ladezustandsbereich (14) niedriger eingestellt wird, als für Energiespeichereinheiten (10; 20a, 20b), die weniger stark gealtert sind.
Steuereinrichtung (18) zum Steuern eines Betriebs eines Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (16), wobei der Energiespeicher (12) eine Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) aufweist, der ein nutzbarer Ladezustandsbereich (14) zugeordnet ist, der als Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) eine obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2), eine untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) und eine Bereichsgröße (ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) aufweist, die als Differenz zwischen der oberen Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) und unteren Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) definiert ist, wobei die Steuereinrichtung (18) dazu ausgelegt ist, - den Energiespeicher (12) derart zu betreiben, dass die untere Bereichsgrenze (UG, UG1, UG2) nicht unterschritten wird und die obere Bereichsgrenze (OG, OG1, OG2) nicht überschritten wird, - mindestens einer der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) des nutzbaren Ladezustandsbereichs (14) in Abhängigkeit von einem der mindestens einen Energiespeichereinheit (10; 20a, 20b) zugeordneten Steuerparameter (S, S1, S2) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) dazu ausgelegt ist, den mindestens einen der Bereichsparameter (OG, OG1, OG2, UG, UG1, UG2, ΔSOC, ΔSOC1, ΔSOC2) des nutzbaren Ladezustandsbereichs (14) in Abhängigkeit von mindestens einem ermittelten, von einer Temperatur verschiedenen Steuerparameter (S, S1, S2) als der mindestens eine Steuerparameter (S, S1, S2) zu steuern.