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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands zumindest einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels eines Managementsystems gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt sowie ein Managementsystem.
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Es ist bereits bekannt, dass ein Alterungszustand, welcher auch als State of Health (SOH) bezeichnet werden kann, für elektrische Energiespeicher bestimmt werden kann. Anhand dessen kann dann wiederum geprüft werden, in welchem Status sich der elektrische Energiespeicher befindet und ob eventuell beispielsweise Batteriezellen oder der gesamte elektrische Energiespeicher ausgetauscht werden sollte. Ferner kann der Alterungszustand Einfluss auf Reichweiten eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs haben. Es ist somit von entscheidender Bedeutung, dass der Alterungszustand zuverlässig bestimmt werden kann.
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Die
WO 20 2006 4932 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Batteriezustands mindestens einer Batteriezelle umfassend die Schritte: Anlegen eines Stromanregungssignals; Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle; Ermittlung einer Auswertgröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums.
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Die
DE 10 2019 200 506 A1 betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz zumindest eines ersten elektrischen Bauteils, wobei die Messanordnung das elektrische Bauteil und eine Messeinrichtung aufweist, die mit dem ersten elektrischen Bauteil gekoppelt ist und die dazu ausgelegt ist, zum Beispiel mittels Impedanzspektroskopie die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils zu bestimmen. Dabei weist die Messanordnung mindestens ein zweites elektrisches Bauteil auf, welches mit dem ersten elektrischen Bauteil in einer Parallelschaltung angeordnet ist, wobei zumindest dem ersten elektrischen Bauteil ein Stromsensor zugeordnet ist, der in Reihe zum ersten elektrischen Bauteil geschaltet ist, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils in Abhängigkeit von einem von dem Stromsensor erfassten und durch das erste Bauteil fließenden Strom zu bestimmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Managementsystem zu schaffen, mittels welchen verbessert ein Alterungszustand zumindest einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Managementsystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands zumindest einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels eines Managementsystems, bei welchem ein Lastprofil der zumindest einen Batteriezelle mittels zumindest einer Messeinrichtung des Managementsystems erfasst wird und in Abhängigkeit von dem erfassten Lastprofil der Alterungszustand mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des Managementsystems bestimmt wird.
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Es ist dabei vorgesehen, dass das Lastprofil über eine vorgegebene Zeitspanne erfasst wird und das Lastprofil bezüglich zumindest eines dynamischen Parameters im Lastprofil ausgewertet wird und der Alterungszustand in Abhängigkeit von dem dynamischen Parameter bestimmt wird.
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Insbesondere bei sogenannten Brennstoffzellennutzfahrzeugen, welche auch als BEV bezeichnet werden, spielt die Zellalterung des elektrischen Energiespeichers, welcher insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet ist, hinsichtlich der Laufleistung des Kraftfahrzeugs eine große Rolle. Aus dem Stand der Technik sind entsprechende Zellalterungstests bekannt, welche durch die kalendarische Alterung oder anhand von Lastprofilen basierend auf Gleichstrom an der Batteriezelle durchgeführt und ermittelt werden. Hochleistungsantriebssysteme, welche mit einer sehr hohen Taktfrequenz die elektrischen Antriebe versorgen, weisen jedoch keinen linearen Verlauf des Stroms auf, sondern einen relativ wellenförmigen. Resultierend ist ein Effektiv-Strom, welcher in der Realität durch die Taktung der Leistungselektronik sowohl einem Wechselstrom (Alternating Current - AC) als auch einen Gleichstrom (Direct Current - DC)-Anteil hat. Es hat sich dabei herausgestellt, dass hochfrequente Wechselstromanteile im Bereich von mehreren Kilohertz zur Alterung von Lithium-Ionen-Batterien beitragen. Es konnte festgestellt werden, dass mit hoher Frequenz sowohl eine beschleunigte Zunahme des Innenwiderstands als auch ein erhöhter Kapazitätsverlust der Batteriezellen festgestellt wurde. Diese Frequenzen beeinflussen die Festelektrolyt-Interphasen, welche für die Stabilität der Batteriezelle ausschlaggebend sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit eine realitätsnahe Zellalterung bestimmt werden. Dies dient zur Schärfung der Batteriestrategie eines Unternehmens aus kaufmännischer Sicht und vor allem der Betriebsstrategie im Kraftfahrzeug zur Optimierung des elektrischen Antriebsstrangs.
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Insbesondere kann somit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zuverlässig der Alterungszustand der Batteriezelle bestimmt werden.
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Insbesondere am Stromverlauf eines Fahrprofils ist zu erkennen, dass der Strom nicht konstant ist und oszilliert. Jedoch wird nun dieses Fahrprofil bei getakteter Frequenz zur Bildung des nahezu DC-förmigen Stromes näher untersucht, um die Batteriezelle mit diesem Stromverlauf zu charakterisieren. Es ist dabei festzustellen, dass bereits bei Frequenzen von 0 Hertz es ersichtlich ist, dass der Gleichstrom eigentlich zu einem Wechselstrom wird. Dieser wiederum hat Einfluss auf die Zellalterung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Lastprofil mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) ausgewertet. Somit kann insbesondere der dynamische Parameter im Lastprofil zuverlässig ermittelt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn als der dynamische Parameter ein Strom in der vorgegebenen Zeitspanne erfasst wird. Insbesondere können Stromspitzen während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs identifiziert werden und entsprechend als dynamischer Parameter erfasst werden. Auf Basis des dynamischen Stromfelds kann dann wiederum zuverlässig der Alterungszustand der Batteriezelle bestimmt werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn zumindest eine dominierende Frequenz innerhalb des Lastprofils ermittelt wird und die zumindest eine dominierende Frequenz bei der Bestimmung des Alterungszustands berücksichtigt wird. Insbesondere weist das Lastprofil eine entsprechende dominierende Frequenz auf, bei welcher die entsprechenden Stromspitzen zu verzeichnen sind. Insbesondere mithilfe der Fast-Fourier-Transformation kann diese dominierende Frequenz ermittelt werden und dann wiederum bei der Bestimmung des Alterungszustands berücksichtigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zumindest eine dominierende Frequenz in Abhängigkeit von einer auftretenden Häufigkeit dieser Frequenz bestimmt. Insbesondere, wenn die Frequenz entsprechend häufig auftritt, wird diese als dominierende Frequenz identifiziert. Somit kann in Abhängigkeit der bestimmten Häufigkeit die Frequenz bestimmt werden und entsprechend der Alterungszustand zuverlässig bestimmt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, dominierende Frequenzen bestimmt werden. Insbesondere können in Abhängigkeit einer vorhandenen Rechenkapazität auch mehr als drei dominierende Frequenzen bestimmt werden. Somit kann auf Basis der zumindest zwei, insbesondere der zumindest drei oder mehr, dominierenden Frequenzen wiederum zuverlässig der Alterungszustand bestimmt werden.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Lastprofil zwischen dem elektrischen Energiespeicher und einer Invertereinrichtung des Kraftfahrzeugs erfasst wird. Insbesondere kann eine Messeinrichtung zwischen der Invertereinrichtung, welche beispielsweise den Gleichstrom des elektrischen Energiespeichers in einen Wechselstrom für die Antriebseinrichtung umwandelt, und der Invertereinrichtung eingesetzt werden. Somit können die entsprechenden Lastprofile zuverlässig bestimmt werden.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Alterungszustand in Abhängigkeit von einer bestimmten Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle und/oder eines bestimmten Innenwiderstands einer jeweiligen Batteriezelle unter Berücksichtigung des zumindest einen dynamischen Parameters bestimmt wird. Insbesondere hat der dynamische Parameter, beispielsweise der dynamische Strom, entsprechende Auswirkungen auf die Kapazität beziehungsweise auf den Innenwiderstand. Die Kapazität und der Innenwiderstand wiederum sind ausschlaggebend für den Alterungszustand. Somit können die Kapazität in Abhängigkeit des dynamischen Parameters und der Innenwiderstand in Abhängigkeit des dynamischen Parameters bestimmt werden. Auf Basis dessen wiederum kann dann wiederum der Alterungszustand zuverlässig bestimmt werden.
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Bei dem vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium mit dem Computerprogrammprodukt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Managementsystem zum Bestimmen eines Alterungszustands zumindest einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Messeinrichtung und einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei das Managementsystem zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des Managementsystems durchgeführt.
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Die elektronische Recheneinrichtung weist beispielsweise Prozessoren, Schaltkreise, insbesondere integrierte Schaltkreise, sowie weitere elektronische Bauteile auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen elektrischen Energiespeicher mit einem entsprechenden Managementsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere zumindest teilweise elektrisch ausgebildet. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug als Brennstoffzellenhybridkraftfahrzeug ausgebildet sein. Ferner ist das Kraftfahrzeug insbesondere als Lastkraftwagen ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform eines Managementsystems; und
- 2 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform eines Managementsystems.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10. Das Kraftfahrzeug 10 ist insbesondere als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 10 ausgebildet. Ferner ist das Kraftfahrzeug 10 insbesondere als Lastkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 10 weist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem 12 auf. Ferner weist das Kraftfahrzeug 10 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 14 auf, welcher als Hochvolt-Energiespeicher ausgebildet ist. Der elektrische Energiespeicher 14 kann beispielsweise aus einer Vielzahl von Zellmodulen 16a, 16b ausgebildet sein. Jedes Zellmodul 16a, 16b kann dann wiederum eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner ein Managementsystem 18 auf. Das Managementsystem 18 wiederum weist zumindest eine elektronische Recheneinrichtung 20 auf. Das Managementsystem 18 ist zum Bestimmen eines Alterungszustands zumindest einer der Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers 14 ausgebildet. Hierzu weist das Managementsystem 18 ferner zumindest eine Messeinrichtung 22 auf.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform des Managementsystems 18. Insbesondere ist gezeigt, dass ein Lastprofil der zumindest einen Batteriezelle mittels der Messeinrichtung 22 des Managementsystems 18 erfasst wird und in Abhängigkeit von dem erfassten Lastprofil der Alterungszustand 24 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 20 bestimmt wird. Es ist dabei vorgesehen, dass das Lastprofil über eine vorgegebene Zeitspanne erfasst wird und das Lastprofil bezüglich zumindest eines dynamischen Parameters, insbesondere eines Stroms, im Lastprofil ausgewertet wird und der Alterungszustand 24 in Abhängigkeit von dem dynamischen Parameter bestimmt wird.
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Es ist dabei vorgesehen, dass das Lastprofil mittels einer Fast-Fourier-Transformation ausgewertet wird. Als dynamischer Parameter kann insbesondere ein Strom in der vorgegebenen Zeitspanne erfasst werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest eine dominierende Frequenz innerhalb des Lastprofils ermittelt wird und die zumindest eine dominierende Frequenz bei der Bestimmung des Alterungszustands 24 berücksichtigt wird. Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zumindest eine dominierende Frequenz in Abhängigkeit von einer auftretenden Häufigkeit dieser Frequenz bestimmt wird. Insbesondere können dabei zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, dominierende Frequenzen bestimmt werden.
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Ferner zeigt die 2, dass das Lastprofil zwischen dem elektrischen Energiespeicher 14 und einer Invertereinrichtung 26 des Kraftfahrzeugs 10 erfasst wird. Die Invertereinrichtung 26 ist insbesondere zum Umwandeln des Gleichstroms aus dem elektrischen Energiespeicher 14 in einen Wechselstrom für eine elektrische Antriebseinrichtung 28 des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet.
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Insbesondere kann die Messeinrichtung 22 und die elektronische Recheneinrichtung 20 als schnelle Messtechnik ausgebildet sein, welche Strom und Spannung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 14 und der Invertereinrichtung 26 aufzeichnet.
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Insbesondere kann beispielsweise vorgesehen sein, dass für entsprechende Kraftfahrzeuge 10 bereits vor Auslieferung der jeweiligen Kraftfahrzeuge 10 ein entsprechender Test für den elektrischen Energiespeicher 14 durchgeführt wird. Hierzu kann die entsprechende Messschaltung beziehungsweise das entsprechende Managementsystem eingesetzt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein zu verbauender elektrischer Energiespeicher 14 für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen 10 einmal gemessen wird und die entsprechenden Lastprofile bestimmt werden. Diese können dann wiederum für entsprechende Auswertealgorithmen zum Bestimmen des Alterungszustands während der Fahrt der Kraftfahrzeuge 10 genutzt werden. Somit kann eine Art Testschaltung vorgeschlagen sein, welche bereits vor dem eigentlichen Betrieb der elektrischen Energiespeicher 14 in den Kraftfahrzeugen 10 bereits entsprechende Simulationen durchführen und somit Algorithmen entwickelt werden, welche dann wiederum den Alterungszustand 24 der elektrischen Energiespeicher 14 in den Kraftfahrzeugen 10 bestimmen können.
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Insbesondere kann somit das Systemverhalten an dem elektrischen Energiespeicher 14 dargestellt werden, sowie auch die Stromrippel, welche durch den hohen Wechselstromanteil des Gleichstroms entstehen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass zukünftig nicht mehr das gesamte Kraftfahrzeug 10 zur Ermittlung dieser Stromrippel benötigt wird, welcher eine schnellere Alterung hervorruft, sondern durch das dargestellte Verfahren zur Ermittlung der Zellalterung bereits vor dem eigentlichen Betrieb die Alterung berücksichtigt werden kann.
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Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Charakterisierungskonzept für die Zellalterung unter Berücksichtigung der Frequenz- und Stromabhängigkeit in dem Kraftfahrzeug 10 vorgestellt ist. Als Ausgangszustand kann eine gesunde Batteriezelle angesehen werden. Es kann dann ein Referenztest durchgeführt werden zur Kapazitäts- und Innenwiderstandsbestimmung des jeweiligen elektrischen Energiespeichers 14. Hierbei kann ein Fahrprofil mit variabler Frequenz und variablem Strom berücksichtigt werden sowie ein Fahrprofil mit einem konstanten Strom und ohne Frequenzen. Dies wiederum kann dann dazu genutzt werden, um zuverlässig den Alterungszustand 24 in entsprechenden Referenztests zu nutzen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Brennstoffzelle
- 14
- elektrischer Energiespeicher
- 16a
- Zellmodul
- 16b
- Zellmodul
- 18
- Managementsystem
- 20
- elektronische Recheneinrichtung
- 22
- Messeinrichtung
- 24
- Alterungszustand
- 26
- Invertereinrichtung
- 28
- elektrische Antriebseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020064932 A1 [0003]
- DE 102019200506 A1 [0004]
