EP3275068A1 - Batteriesystem und verfahren zum betreiben eines batteriesystems - Google Patents

Batteriesystem und verfahren zum betreiben eines batteriesystems

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EP3275068A1
EP3275068A1 EP16701294.7A EP16701294A EP3275068A1 EP 3275068 A1 EP3275068 A1 EP 3275068A1 EP 16701294 A EP16701294 A EP 16701294A EP 3275068 A1 EP3275068 A1 EP 3275068A1
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EP
European Patent Office
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battery
operating
operating parameter
battery system
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16701294.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Lange
Andre Boehm
Michael ERDEN
Thomas Dufaux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system and a method for operating a battery system, in which an improved capacity is made possible with simultaneously high security of the battery.
  • lithium-ion batteries are indispensable in today's life. Areas of application include fully electrically powered vehicles or hybrid vehicles, as well as electrical tools, electrical entertainment electronics, computers, mobile phones, and other applications.
  • Charging current is detected.
  • Adapt aging state From the document EP 0 508 720 AI a control circuit for controlling the charging of a battery is also known.
  • the control circuit is used as input of the internal resistance of the battery, which is compared with a reference value to determine the state of charge.
  • Document EP 2 680 392 A1 describes a method for recharging a battery.
  • the capacity of the battery should be increased without exceeding a charging threshold. This is to be achieved according to this document by repeated charging of the battery during a charging cycle.
  • the subject of the present invention is a method for operating a battery system, wherein the battery system comprises a battery which can be operated with an operating parameter, the method having the method steps:
  • At least one of the duration of the operation of the battery with the predefined size of the operating parameter and the size of the operating parameter is selected based on a
  • the load criterion for determining a future predetermined aging curve of the battery is determined, the aging curve is based on a load of the battery by the operating parameter.
  • Battery system includes a battery that is operable with an operating parameter.
  • the method is based on operating batteries in a conventional manner with respect to an operating parameter, such as with respect to the voltage provided by the battery, to the current flowing through the battery, and to the temperature of the battery, within values described above
  • Operating limits are.
  • a battery includes rigid operating limits.
  • these operating limits include a safety threshold, from which on depending on the size and duration of the value of the respective operating parameter
  • Security measures should be taken, since when exceeding the safety threshold and thus when operating the battery in the critical operating condition may be a security impairment.
  • a standard operating threshold may be provided which is arranged at a distance from the safety threshold, the area below the standard operating threshold being the standard operating range, the range between Normal operating threshold and safety threshold is the safety operating range and the area above the safety threshold is the critical operating condition.
  • the standard operating threshold can conventionally determine the magnitude of the value of the operating parameter, within which the battery can in principle be operated particularly advantageously with respect to the operating parameter, and can be preferred by the manufacturer of the battery
  • Operating limit be set.
  • the battery can be operated on the one hand without safety concerns, as this operating threshold is spaced from the safety threshold, and about below this example, with respect to the amount of the value of the operating parameter.
  • the provision of the standard operating threshold can fulfill the task that operating the battery in the frame of the standard operating threshold or in the normal operating range can also make it possible in the long term for the load on the battery to increase Operation is limited to a predefinable value. For example, the life of the battery can meet a predetermined optimal condition because the standard operating threshold may allow operation of the battery in a particularly gentle state.
  • Safety measures can be omitted in the event that only a short-term exceeding of the standard operating threshold occurs. In such a case, usually a further operation without a security hazard may be possible, whereby security measures are not required.
  • the defined provision of standard operating threshold and safety threshold basically allow a particularly gentle and reliable operation of the battery or the battery system.
  • the method comprises the method steps:
  • At least one of the duration of the operation of the battery with the predefined size of the operating parameter and the size of the operating parameter is selected based on a
  • the load criterion for determining a future predetermined aging curve of the battery is determined, the aging curve is based on a load of the battery by the operating parameter.
  • the method is thus based on the fact that in particular when the
  • Safety threshold is not exceeded, there are no security impairments but only the load of the battery can be controlled increases. As a result, in particular the impairment of the battery is increased, but this can often be accepted. In particular, a
  • Impairment of the battery may include future aging, so that the operating parameter or its size and the duration of the
  • the method can be designed in such a way or the battery system can be designed such that defined requirements for the life of the battery and thus for a future aging process can be fulfilled if the limits with respect to duration and strength of the
  • An aging of the battery for example due to an increased battery voltage, can be caused, for example, by the occurrence of side reactions, which can in particular irreversibly consume active material.
  • a lithium battery for example, lithium or a lithium species may be consumed.
  • a load criterion can be used.
  • Stress criterion can be based in particular on a load of the battery by the operating parameters, which is used and regulated according to the invention.
  • the method does not include adjusting the parameter based on, for example, during manufacture or start-up
  • This load criterion can be found in the software of a control unit of the
  • Battery system such as in the battery management system, be deposited or be used and serve, for example, by increasing the load or by increasing the
  • An exemplary stress criterion S as a function of ampere-hours [Ah] may serve to promote aging at both very high and low voltages, and thus substantially throughout the voltage range describe the battery in which significant side reactions occur.
  • the loading criterion S may be approximately as follows:
  • the capacity loss may be obtained as a temporal integral over the amount of function I S R or side reactions, particularly in very high or low voltage regions, consuming active material, such as lithium.
  • the value I S R is composed of the sum of all side reactions in a switched-off battery or during a suspension of the battery ⁇ ⁇ / ⁇ " ⁇ and the sum of all side reactions in a switched-on battery, which is thus charged or discharged
  • the first factor can thus describe the side reactions during parking of the vehicle, whereas the second factor is about the side reactions during running of the vehicle, and thus charging or discharge of the battery can describe.
  • Threshold of the voltage at which the side reactions considered occur significantly it is assumed that the side reactions investigated, for example, in a middle
  • Proportionality factor which can change, for example over the lifetime, k
  • U is the currently applied battery voltage
  • Ui the voltage threshold of the side reaction.
  • the side reaction is proportional to Fi to the impressed current I, where Fi can change over the lifetime, for example.
  • control unit such as the battery management system
  • K t , U t and l t describe the sleep state of the battery
  • , Ui and Fi describe the operation of the battery.
  • I S R determinable from the predetermined parameters is, as already described, the sum of all side reactions and is integrated as an absolute value over the drive cycle; it corresponds to the capacity loss due to the secondary reactions. From the above, it can be seen that the possibly occurring loads and the associated increased aging can be controlled or determined according to the invention by b) at least one of the duration of the operation of the battery with the
  • Operating parameters is selected based on a load criterion, wherein according to method step c) the load criterion for maintaining a future predetermined aging curve of the battery is determined, the aging curve on a load of the battery by the
  • a constant used standard threshold not to have at least temporarily present but to adjust the setting of the parameters dynamically based on a predetermined and desired future aging. This allows easy achievement of aging goals. In the event that a constant normal operating range is still present, this can be left in a predefined and desired manner with respect to the operating parameter, wherein preferably the size of the parameter in the safety operating range and the duration in which the parameter in the safety operating range a particular size, are controlled in a predefined way.
  • aging may be in an acceptable range and may also be predictable.
  • the usable operating range of the operating parameter can thus be increased, at least to a limited extent, in a defined and controlled manner, without having to fear unpredictable and unwanted influences on the battery and associated disadvantages.
  • the above-described method therefore makes use of the fact that, by exceeding the standard operating threshold or by removing a constant standard operating threshold, the performance of the battery can be significantly increased compared to a permanent operation within the originally set standard operating threshold, without having to accept a loss of security or significant limitations.
  • the method may further
  • the above-described method can easily and surely increase the performance of the battery such as the capacity of the battery.
  • Operating parameter is selected from the group consisting of voltage, current and temperature.
  • the aforementioned operating parameters ie the voltage provided by the battery, the current flowing through the battery and a temperature of the battery may allow a significant increase in the performance of the battery to be made possible by a corresponding increase in this operating parameter. This becomes apparent for example, using the voltage of the battery as
  • the method takes place during a charging of the battery.
  • the voltage can be increased in a defined manner, so that, for example, the charging threshold or state of charge threshold can be increased in a defined manner on the basis of a desired future aging process.
  • This configuration may be of particular advantage, since in a charging process with increasing state of charge even at a relatively small increase in the state of charge or the voltage of the battery, a comparatively large increase in the capacity of the battery can be made possible. Thus, especially when the method is at least partially, in particular completely, carried out during a charging process, a significant increase in the capacity and thus the performance of the battery can be generated.
  • the loading criterion is determined during the operation of the battery. Determining the load criterion during the operation of the battery may mean that the
  • Loading criterion is determined during charging or discharging the battery.
  • the load criterion can be determined online, ie immediately during operation. As a result, this can always be based on current values, which can make determining the load criterion particularly exact. As a result, compliance with a desired course of aging, for example, can be made particularly safe and precise. In this embodiment, therefore, be determined Quantities, such as current or voltage, determined immediately during operation of the battery.
  • the load criterion based on a stored history of the operating parameter, in particular at a
  • Resting phase of the battery is determined.
  • only the corresponding operating parameter or operating parameters such as current and / or voltage, may be recorded.
  • the computing power of the battery management system can be chosen particularly low during operation of the battery.
  • the load criterion can be determined under
  • This threshold may be, for example, the limit Ui or U t , from which a side reaction begins significantly.
  • the threshold can be chosen such that only from this threshold an increased aging occurs.
  • Such a value may be, for example, 4.1 to 4.2V. Up to this threshold, the battery can be operated easily and still meet their aging goals. Thus, considering only the values above the threshold may be sufficient, since the corresponding values below the threshold in determining the aging are only of minor relevance and thus their inclusion does not or not significantly affect the result. By concentrating on the aforementioned relevant values, however, can to a great extent
  • Computing capacity can be saved, for example, the battery management system, so that a determination of the load criterion online, so while operating the battery, can be easily possible.
  • these operating parameters can be stored, for example, in a two-dimensional histogram. This may be particularly advantageous if, as explained above, two approximately contiguous operating parameters, such as the current and the voltage, are equally stored.
  • a determination of the stress criterion may be made as follows:
  • I l B ins corresponds to the resolution of the determined measuring points, for example of current and voltage, in the histogram.
  • Time integral and the sum of the measuring points of the histogram is the form of the load criterion:
  • the aforementioned preferred examples relate in particular to determining the load criterion and thus, for example, the aging curve on the basis of the voltage as the operating parameter.
  • determining the load criterion or other suitable operating parameters include, for example, the temperature, the current intensity or jumps or strokes of the state of charge (SOC strokes) during operation of the battery, such as in a drive cycle of an electrically driven vehicle.
  • SOC strokes state of charge
  • Such parameters can adversely affect the electrode material, such as by phase transitions. For example, an increased current strength leads to an increased temperature, SOC strokes lead to a swelling and swelling of the electrodes and thus to material wear.
  • I T is again the no-load current
  • k t is the temperature dependence of the side reaction or the aging effects
  • T t is the threshold value of the temperature at which the secondary reactions or the
  • the above-described method can include a large part of the factors that cause aging of the battery.
  • the quality of the control may still allow reliable operation of the battery, even if the unobserved parameters, such as calendar aging or other neglected factors, account for up to 70% of the total aging.
  • Operating parameters is selected depending on a control period.
  • the size can be selected for a short-term control that applies, for example, for some charging cycles, such as five charging cycles, and also for a long-term control that applies, for example, to more than ten charging cycles.
  • a long-term control can be made possible, which regulates a permanent operation of the battery and also a
  • Short-term control by which the performance can be increased even more briefly.
  • the long-term control one
  • the subject matter of the present invention is furthermore a battery system, comprising at least one battery and a control unit for regulating the battery.
  • the battery system is characterized in that the control unit is designed to carry out a method as described in detail above.
  • the battery system may include a battery or a plurality of batteries, such as a plurality of battery cells.
  • the batteries may include a battery or a plurality of batteries, such as a plurality of battery cells.
  • the battery or batteries can be connected to a battery module, for example, in order to enable the desired specification.
  • the battery or batteries may be lithium batteries, such as lithium-ion batteries.
  • the battery system is arranged in an at least partially electrically driven vehicle.
  • the battery system has, in addition to the battery, a control unit which can regulate the operation of the battery and thus has at least one control circuit.
  • a control unit which can regulate the operation of the battery and thus has at least one control circuit.
  • appropriate sensors may be provided to detect, for example, the temperature of the battery, the voltage provided by the battery or the current flowing through the battery.
  • a control unit which can regulate the operation of the battery and thus has at least one control circuit.
  • appropriate sensors may be provided to detect, for example, the temperature of the battery, the voltage provided by the battery or the current flowing through the battery.
  • a control unit which can regulate the operation of the battery and thus has at least one control circuit.
  • appropriate sensors may be provided to detect, for example, the temperature of the battery, the voltage provided by the battery or the current flowing through the battery.
  • a control unit which can regulate the operation of the battery and thus has at least one control circuit.
  • appropriate sensors may be provided to detect, for example, the temperature of the battery, the voltage provided by the battery or the current flowing through the
  • Arithmetic unit determines based on the detected operating parameters, whether a control intervention is necessary or how the
  • Operating parameters should be set to realize a desired specification, such as a desired aging process.
  • control unit has at least a first control loop and a second control loop nested with the first control loop.
  • a particularly effective regulation of the battery is made in particular with reference to a method as described in detail above.
  • the first control loop is formed to at least one controlled variable to achieve a predetermined
  • the second control loop is designed to at least one controlled variable to achieve a predetermined
  • a desired value of the first control loop is selectable and / or that a desired value of the second control loop is based on a controlled variable output by the first control loop.
  • a prescribed control structure can enable the battery to be controlled in a particularly effective and secure manner, in which case the battery can be safely controlled or carried out, for example
  • a rule with respect to a load can be nested with a control with regard to a desired aging process.
  • a control with regard to a desired aging process in particular by providing two nested
  • Control circuits as explained above, it is possible that by entering a desired aging curve in the first control loop this outputs a controlled variable, which serves as an input of the second control loop. Based on this input, the second control loop can regulate the battery to a desired load, in particular if a load criterion can be determined based, inter alia, on the controlled variable of the first control loop.
  • the control unit can operate by a simple input of a target aging, the battery with a defined load in order to meet the desired aging can.
  • Fig. 1 is a schematic view of different operating conditions of a
  • FIG. 2 is a schematic view of a voltage waveform of a battery over time
  • Fig. 3 is a schematic view of another voltage waveform of a
  • Fig. 4 is a schematic view of another voltage waveform of a
  • Fig. 5 is a diagram showing, by way of example, the regulation of a battery
  • Fig. 6 is a schematic view of a control structure
  • FIG. 7 shows, by way of example, determining a load criterion based on a
  • Fig. 8 is a schematic example of the regulation of a battery over a plurality of charging cycles.
  • Battery voltage U shown on the Y-axis The include
  • Safety Operating Area 12 and a critical operating area 14 It is further shown that a standard operating threshold 16 separates the standard operating area 10 and the safety operating area 12 and that a safety threshold 18 separates the safety operating area 12 and the critical operating area 14.
  • the standard operating range 10 is such an operating range in which the battery is operated such that both a particularly high level of security is given and other predetermined requirements can be met, such as cell capacity, energy content, charge / discharge power, and
  • EOL criteria End-of-life or end-of-life criteria
  • the critical operating range 14 is still one in which
  • Countermeasures are taken, so at least one measure is initiated to counteract an incoming error case.
  • the safety operating area 12 is also one in which further ensures safe operation of the battery is such that no
  • Normal operating threshold 16 can be accepted without the immediate
  • Countermeasures must be initiated, which may not be necessary during a desired operation. This may occur, for example, unintentionally during an operating operation of the battery for a short time, or this may for a predetermined duration and in a
  • FIG. 2 schematically shows the time t on the x-axis and the voltage U on the y-axis. Furthermore, the curve 20 shows the voltage applied to the battery
  • a predetermined charging limit 22 is shown, as well the standard operating threshold 16, which limits the standard operating range 10, and may for example lie slightly above the charging limit 22, for example within a range of 5 mV, and the safety threshold 18, from which approximately the critical operating range 14 can be present and below which approximately the safety operating range 12 is present can.
  • the areas ti may indicate a charging operation
  • t 2 may be a discharging operation, such as during operation of an electrically driven vehicle
  • 3 may be a recuperation operation. It can be seen that it is often impossible to prevent the voltage, for instance during charging or during a charging process
  • an assessment can be made of the extent to which operation of the battery in the safety operating area 12 can be accepted, in particular assessing the strength of the operating parameter, such as the voltage, and the corresponding duration of the operation in the safety operating area 12 Figure 3 shown.
  • FIG. 3 shows the time t on the x-axis and the voltage U on the y-axis. Furthermore, the curve 20 again shows the voltage applied to the battery. Furthermore, a predetermined charging limit 22 is shown, which in this embodiment corresponds to the standard operating threshold 16, which limits the standard operating range 10, and the safety threshold 18, from which approximately the critical operating range 14 can be present and below which approximately the safety operating range 12 can be present.
  • the ranges and I4 t 5 show a relatively small period of time of exceeding the normal operation threshold 16, such as in a period of 300ms (I4), and 500ms (t 5). Furthermore, with respect to the time duration, the time periods t 6 correspond to the period I 4 and the time period t 7 to the time period t 5 . With respect to magnitude of the voltage in the period of operating the battery in the Safety operating range 12 can be seen that during the periods t 6 and t 7 is a significantly greater voltage than at 1 ⁇ and tj.
  • Safety area 12 be sufficient. However, this may lead to results of a comparatively low quality, since a time concentration t 5 and t 7 would be regarded as critical, whereas a pure consideration of the strength would be considered critical
  • Periods t 6 and t 7 would be considered critical.
  • X err is an error integral and U mea s the measured or occurred voltage and ⁇ ⁇ the voltage threshold corresponding to the standard operating threshold 16. This can lead to the following values for the respective periods and voltages purely by way of example: X err for t 4 is 3mVs, Xerr for t 5 is 5mVs, X err for t 6 is 15mVs and X err for t 7 is 25mVs. Based on this data, an accurate and reliable estimation of, for example, the negative influence of the battery can be made possible.
  • a quadratic weighting can be done:
  • Xerr for t 4 is 30 ⁇ ⁇ / 2 8
  • X err for t 5 is 50 ⁇ ⁇ / 2 8
  • X err for t 6 is 750 ⁇ ⁇ / 2 8
  • Xerr for t 7 is 1250 ⁇ 2 8.
  • the square weighting of the voltages has the advantage that a particularly defined operation of the battery can be made possible.
  • Operating parameters can be arranged below the danger level 0 according to EUCAR and the safety threshold 18 can also correspond approximately to the limit of the danger level 0 according to EUCAR. These thresholds are often determined by the manufacturer and are in a tax or
  • Control unit such as deposited in the battery management system.
  • these thresholds are generally valid and thus predetermined equally for all driving states or applications, in order to enable a safe and generally balanced operation of the battery in relation to all operating states.
  • Safety operating area 12 is shifted. It will be apparent to those skilled in the art that a standard operating threshold 16 may still be present, but need not necessarily be present, that is, can be regarded as an imaginary threshold in the following. This can be increased by achieving an increased voltage despite a safe operation of the battery
  • Capacity can be achieved, in particular by a long-term control, the voltage is in a defined manner in the safety operating range and not mainly, as shown in Figure 2, in the
  • Standard operating range 10 This may be particularly advantageous because at comparatively small increases in voltage, a comparatively large improvement in capacity is possible.
  • Figure 5 shows in detail in the upper diagram schematically a mission of the life of the battery on the axis Xi and on the axis Yi a load on the battery.
  • Figure 5 shows in detail in the upper diagram schematically a mission of the life of the battery on the axis Xi and on the axis Yi a load on the battery.
  • the lower diagram is schematically an order of
  • the curve 24 shows a concrete load on the battery
  • the curve 26 shows a desired limit of the load of the battery
  • the curve 28 shows a concrete operational parameter, such as the voltage
  • the line 30 shows a desired threshold of the operating parameter, such as about the standard operating threshold 16.
  • the sections I to VI should specify different time intervals.
  • a preferred but purely exemplary control structure 32 for performing regulation based on, for example, a battery load is further shown in FIG.
  • the control structure 32 is in particular part of a control unit of a battery system.
  • the control structure 32 in FIG. 6 is in particular part of a
  • control structure 32 such as the battery management system.
  • the control structure 32 according to FIG. 6 or the control relationship or control unit can be connected to the battery via connections, not shown, in order thus to effect a control intervention based on the principles described in US Pat
  • Rule structure 32 ejected controlled variables to perform.
  • control structure 32 comprises a first control loop 35 and a second control loop 37 interleaved with the first control loop 35, as will be seen below.
  • first control loop 35 is designed to be at least one controlled variable to achieve a predetermined
  • Aging history output and the second control circuit 37 is further formed to at least one controlled variable to achieve a
  • a desired value of the first control loop 35 is selectable and based on a target value of the second Control circuit 37 on one of the first control loop 35 output controlled variable.
  • control structure 32 or the interleaving of the control circuits 35, 37 will be described below.
  • the function block 36 there is the target SOHc which should be present based on a desired aging history.
  • This is routed to a function block 40, which is likewise supplied with a currently present SOHc.
  • the currently present SOHc can be determined by the function block 38 and routed to the function block 40.
  • the currently present SOHc can be determined in a manner understandable to a person skilled in the art on the basis of measured voltage values during a charging cycle, for example.
  • a transformation block 42 such as a PID controller, which can output a control variable as output 44 by defining a desired controlled system in a manner known per se and easily implementable in the control technology.
  • a controlled variable for example, a target load for the battery can be output to thereby adjust the aging by adjusting the stress.
  • the desired stress is in turn directed to a function block 46, in which the target stress with a currently existing stress is compared.
  • the present stress can be found in the
  • Function block 48 are determined and routed to the function block 46.
  • Figure 7 shows an example of determining a stress criterion during operation of the battery. In detail, a two-dimensional histogram is shown in the upper diagram of Figure 7, in which the
  • Voltage is indicated in particular as the upper voltage limit on the X-axis and wherein the current flowing through the battery is indicated on the Y-axis.
  • the scale N also shows the number of occurrences of the corresponding ones
  • Such a history of operating parameters may occur during operation of the battery, for example. By way of example, this can be realized during a travel time of an electrically driven vehicle of about 10 hours.
  • a change of the voltage value leads to a shift of the histogram, since the current is multiplied by the factor e (U "U (l)) .
  • transformation block 50 such as a PI D controller. This can be optionally applied with additional limits as upper and lower limits of the values to be controlled.
  • output 52 again a
  • Control variable output which is about an operating parameter, such as
  • current, voltage or temperature can be to thereby adjust the stress on the setpoint, as is possible in the control technology in a known and easily implementable way by defining a desired controlled system.
  • the controlled variable can be from the output 52 are directed approximately in a memory 54. Regardless of the provision of the memory 54, the controlled variable can be passed into the function blocks 38, 48.
  • the function block 38 in turn, the currently present SOHc can be determined, and in the function block 48, the currently existing stress can be determined.
  • the operating principle is thus based on setting a target load or setpoint load for the battery, by means of which a defined aging process of the battery can be made possible.
  • a prerequisite for this is the definition of a suitable, measurable stress value, which accumulates over time and which, according to this embodiment, is based on the desired aging process.
  • the above regulation serves in particular a long-term regulation. It may further be provided that the outputs 44, 52 with respect to a
  • Short-term control can be varied, the thresholds are thus increased briefly. For this purpose, further setpoints 43, 53 are processed.
  • FIG. 8 shows an example of a regulation of a battery according to the invention.
  • the number of charging cycles are plotted, whereas on the axis Y1 the SOHc is plotted, on the axis Y 2 a voltage threshold in volts is given, which is based on the control according to the invention , and wherein on the axes Y 3 and Y 4, the aging or the SOH loss per charge cycle is plotted.
  • the line 58 shows the setpoint value of the aging and the curve 60 shows the determined value of the aging. It can be seen in the upper diagram that at approximately 400 charge cycles one
  • the voltage set by the control can be recognized by the curve 62. It is shown that the controller settles in the first cycles on a regulated cell voltage as the upper limit.
  • the height of the baseline shows a long-term control, whereas the peaks show a short-term control. Due to the short-time control, a higher voltage level can be reached for a short time, which can be increased by 100mV, for example.
  • the curve 64 shows the aging
  • the curve 66 the target load or the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem eine Batterie umfasst, die mit einem Betriebsparameter betreibbar ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist: a) Definiertes Betreiben der Batterie mit einer vordefinierten Größe des Betriebsparameters derart, dass b) wenigstens eines von der Dauer des Betreibens der Batterie mit der vordefinierten Größe des Betriebsparameters und der Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird auf Basis eines Belastungskriteriums, wobei c) das Belastungskriterium zum Einhalten eines zukünftigen vorbestimmten Alterungsverlaufs der Batterie ermittelt wird, wobei der Alterungsverlauf auf einer Belastung der Batterie durch den Betriebsparameter basiert. Ein vorbeschriebenes Verfahren ermöglicht das Betreiben einer Batterie mit einer besonders hohen Leistungsfähigkeit, beispielsweise mit einer besonders hohen Kapazität, bei einer gleichzeitig sicheren Betriebsweise.

Description

Beschreibung Titel
Batteriesystem und Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, bei welchen eine verbesserte Kapazität bei gleichzeitig hoher Sicherheit der Batterie ermöglicht wird.
Stand der Technik
Verschiedenste Batterien, wie etwa Lithium-basierte Energiespeicher
beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind aus dem heutigen Leben kaum noch wegzudenken. Anwendungsgebiete umfassen neben vollkommen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ferner elektrische Werkzeuge, elektrische Unterhaltungselektronik, Computer, Mobiltelefone und weitere Anwendungen.
Dabei ist es bei verschiedensten Batterien oftmals vorgesehen, dass diese mit Bezug auf verschiedene Parameter Grenzwerte aufweisen, um die Batterien in einem sicheren Zustand zu betreiben. Es ist daher bekannt, ein Batteriesystem derart zu überwachen und zu steuern, dass ein Betreiben des Batteriesystems in dem sicheren Betriebszustand sichergestellt werden kann. Aus dem Dokument JP 2014-011826 A ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, um einen Ladevorgang einer Batterie zu überwachen. Es wird beschrieben, dass ein beendeter Ladevorgang der Batterie durch einen Grenzwert eines
Ladestroms detektiert wird. Dabei erfolgt eine Detektion des Alterungszustands der Batterie, um den Grenzwert des Ladestroms entsprechend dem
Alterungszustand anzupassen. Aus dem Dokument EP 0 508 720 AI ist ferner ein Regelkreis zur Steuerung des Ladevorgangs einer Batterie bekannt. Dem Regelkreis dient als Eingangsgröße der Innenwiderstand der Batterie, der mit einem Referenzwert verglichen wird, um den Ladezustand zu ermitteln.
Das Dokument EP 2 680 392 AI beschreibt ein Verfahren zum Wiederaufladen einer Batterie. Dabei soll die Kapazität der Batterie erhöht werden, ohne eine Ladeschwelle zu überschreiten. Dies soll gemäß diesem Dokument erzielt werden, indem während eines Ladezyklus ein wiederholtes Laden der Batterie erfolgt.
Aus dem Dokument US 2011/0057623 AI ist ferner ein Batteriesystem bekannt, bei dem die die Batterie überwacht wird und entsprechende Informationen an ein Ladegerät übermittelt werden, um eine Energieeinsparung zu ermöglichen und ferner die Effizienz und Funktionalität zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem eine Batterie umfasst, die mit einem Betriebsparameter betreibbar ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist:
a) Definiertes Betreiben der Batterie mit einer vordefinierten Größe des Betriebsparameters derart, dass
b) wenigstens eines von der Dauer des Betreibens der Batterie mit der vordefinierten Größe des Betriebsparameters und der Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird auf Basis eines
Belastungskriteriums, wobei
c) das Belastungskriterium zum Einhalten eines zukünftigen vorbestimmten Alterungsverlaufs der Batterie ermittelt wird, wobei der Alterungsverlauf auf einer Belastung der Batterie durch den Betriebsparameter basiert. Ein vorbeschriebenes Verfahren ermöglicht das Betreiben einer Batterie mit einer besonders hohen Leistungsfähigkeit, beispielsweise mit einer besonders hohen Kapazität, bei einer gleichzeitig sicheren Betriebsweise. Das Verfahren bezieht sich auf ein Betreiben eines Batteriesystems, wobei das
Batteriesystem eine Batterie umfasst, die mit einem Betriebsparameter betreibbar ist.
Im Folgenden wird das Betreiben der Batterie mit Bezug auf einen
Betriebsparameter beschrieben, wobei in für den Fachmann verständlicher
Weise gleichermaßen das Betreiben der Batterie beziehungsweise das
Durchführen des Verfahrens mit Bezug auf eine Mehrzahl von wenigstens zwei Betriebsparametern von der Erfindung umfasst ist.
Weiterhin wird die Erfindung im Folgenden mit Bezug auf eine Batterie beschrieben, wobei unter einer Batterie in für den Fachmann verständlicher Weise gleichermaßen eine Batteriezelle, wie auch eine Mehrzahl von etwa zu einem Batteriemodul oder Batteriepack zusammengefassten Batteriezellen von der Erfindung umfasst sind.
Das Verfahren basiert darauf, dass Batterien in herkömmlicher Weise mit Bezug auf einen Betriebsparameter, wie etwa mit Bezug auf die von der Batterie bereitgestellte Spannung, auf den durch die Batterie fließenden Strom und auf die Temperatur der Batterie, bei Werten betrieben werden, die innerhalb vorbeschriebener Betriebsgrenzen liegen. Herkömmlicher Weise umfasst eine Batterie dabei starre Betriebsgrenzen. Diese Betriebsgrenzen umfassen insbesondere eine Sicherheitsschwelle, ab welcher in Abhängigkeit der Größe und Dauer des Wertes des jeweiligen Betriebsparameters
Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden sollten, da bei Überschreiten der Sicherheitsschwelle und damit bei einem Betreiben der Batterie in dem kritischen Betriebszustand eine Sicherheitsbeeinträchtigung vorliegen kann.
Weiterhin kann eine Normbetriebsschwelle vorgesehen sein, die mit einem Abstand zu der Sicherheitsschwelle angeordnet ist, wobei der Bereich unterhalb der Normbetriebsschwele der Normbetriebsbereich ist, der Bereich zwischen Normbetriebsschwelle und Sicherheitsschwelle der Sicherheitsbetriebsbereich ist und der Bereich oberhalb der Sicherheitsschwelle der kritische Betriebszustand ist. Die Normbetriebsschwelle kann dabei in herkömmlicher Weise die Größe des Wertes des Betriebsparameters bestimmen, innerhalb der die Batterie mit Bezug auf den Betriebsparameter grundsätzlich besonders vorteilhaft betrieben werden kann, und kann etwa von dem Hersteller der Batterie als bevorzugte
Betriebsgrenze festgelegt sein. Innerhalb der Normbetriebsschwelle kann die Batterie zum einen ohne Sicherheitsbedenken betrieben werden, da diese Betriebsschwelle beabstandet zu der Sicherheitsschwelle liegt, und dabei etwa unterhalb dieser beispielsweise mit Bezug auf den Betrag des Wertes des Betriebsparameters. Neben einer besonders großen Sicherheit durch das Vorsehen eines Sicherheitspuffers durch den Sicherheitsbetriebsbereich kann das Vorsehen der Normbetriebsschwelle die Aufgabe erfüllen, dass ein Betreiben der Batterie in dem Rahmen der Normbetriebsschwelle beziehungsweise in dem Normbetriebsbereich auch auf Dauer es ermöglichen kann, dass die Belastung der Batterie bei einem Betreiben auf einen vorgebbaren Wert begrenzt ist. So kann beispielsweise die Lebensdauer der Batterie eine vorbestimmte optimale Bedingung erfüllen da die Normbetriebsschwelle ein Betreiben der Batterie in einem besonders schonenden Zustand ermöglichen kann.
Das Vorsehen der Normbetriebsschwelle beziehungsweise das Vorsehen eines Abstands der Normbetriebsschwelle zu der Sicherheitsschwelle kann ferner den weiteren Vorteil aufweisen, dass ein unerwünschtes Auslösen von
Sicherheitsmaßnahmen unterbleiben kann für den Fall, dass ein nur kurzzeitiges Überschreiten der Normbetriebsschwelle erfolgt. In einem derartigen Fall kann meist ein weiteres Betreiben ohne eine Sicherheitsgefährdung möglich sein, wodurch Sicherheitsmaßnahmen nicht erforderlich sind. Somit kann das definierte Vorsehen von Normbetriebsschwelle und Sicherheitsschwelle grundsätzlich ein besonders schonendes und verlässliches Betreiben der Batterie beziehungsweise des Batteriesystems ermöglichen.
Bei dem vorbeschriebenen Verfahren zum Betrieben des Batteriesystems wird es nunmehr ausgenutzt, dass die etwa von einem Batteriehersteller festgelegte Normbetriebsschwelle und damit beispielsweise eine Begrenzung der Spannung gültig ist für verschiedenste Betriebsweisen, um die Batterie in möglichst vielen verschiedenen Anwendungen verwenden zu können. Dadurch kann es jedoch vorgesehen sein, dass ein vergleichsweise großer Sicherheitsbetriebsbereich vorgesehen ist, um die Sicherheit gegebenenfalls bei sämtlichen
Betriebsbedingungen beziehungsweise Anwendungsgebieten sicherstellen zu können. Somit wurde es gefunden, dass zwischen der Normbetriebsschwelle und der Sicherheitsschwelle, also in dem Sicherheitsbetriebsbereich, ein Betreiben der Batterie ermöglicht werden kann, bei dem zwar geringe Beeinträchtigungen mit Bezug auf die Belastung der Batterie vorliegen können, jedoch ein sicheres Arbeiten noch problemlos gewährleistet ist. Damit wird gegenüber einem Battery- Management-System ohne die beschriebene Methodik beziehungsweise ohne Anwendung des vorbeschriebenen Verfahrens ein höherer Spannungsbereich nutzbar und somit mehr Energie aus der Zelle verfügbar.
Im Detail umfasst das Verfahren die Verfahrensschritte:
a) Definiertes Betreiben der Batterie mit einer vordefinierten Größe des Betriebsparameters derart, dass
b) wenigstens eines von der Dauer des Betreibens der Batterie mit der vordefinierten Größe des Betriebsparameters und der Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird auf Basis eines
Belastungskriteriums, wobei
c) das Belastungskriterium zum Einhalten eines zukünftigen vorbestimmten Alterungsverlaufs der Batterie ermittelt wird, wobei der Alterungsverlauf auf einer Belastung der Batterie durch den Betriebsparameter basiert.
Das Verfahren basiert somit darauf, dass insbesondere dann, wenn die
Sicherheitsschwelle nicht überschritten wird, keine Sicherheitsbeeinträchtigungen vorliegen sondern lediglich die Belastung der Batterie kontrolliert erhöht werden kann. Dadurch wird insbesondere die Beeinträchtigung der Batterie erhöht, was jedoch oftmals akzeptiert werden kann. Insbesondere kann eine
Beeinträchtigung der Batterie eine zukünftige Alterung umfassen, so dass der Betriebsparameter beziehungsweise seine Größe und die Dauer des
Verwendens der Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird basierend auf einer zukünftigen Alterung der Batterie beziehungsweise eines hiermit verknüpften Belastungskriteriums. Somit kann das Verfahren derart ausgelegt werden beziehungsweise kann das Batteriesystem derart ausgestaltet sein, dass definierte Anforderungen an die Lebensdauer der Batterie und somit an einen zukünftigen Alterungsverlauf erfüllt werden können, wenn die Grenzen mit Bezug auf Dauer und Stärke des
Verwendens des Parameters eingehalten werden.
Eine Alterung der Batterie etwa durch eine erhöhte Batteriespannung kann dabei beispielsweise hervorgerufen werden durch das Auftreten von Nebenreaktionen, welche Aktivmaterial insbesondere irreversibel verbrauchen können. In dem nicht beschränkenden Fall einer Lithium-Batterie, beispielsweise, kann Lithium oder eine Lithium-Spezies verbraucht werden.
Um eine Alterung der Batterie und damit einen Verlust der
Ladungsträgerkapazität beziehungsweise des Ladungsspeichervermögens zu beschreiben, kann ein Belastungskriterium herangezogen werden. Das
Belastungskriterium kann dabei insbesondere auf einer Belastung der Batterie durch den Betriebsparameter basieren, welcher erfindungsgemäß verwendet und geregelt wird. Somit umfasst das Verfahren nicht das Einstellen des Parameters auf Basis eines etwa während der Herstellung oder in Betriebnahme
vorbestimmten Wertes sondern vielmehr auf Basis eines konkret ermittelten
Belastungskriteriums, welches während der Laufzeit der Batterie sich
wiederholend ermittelt wird, um so die konkret vorliegenden Eigenschaften der Batterie zu berücksichtigen. Dieses Belastungskriterium kann in der Software einer Steuereinheit des
Batteriesystems, wie etwa in dem Batterie-Management-System, hinterlegt sein beziehungsweise angewendet werden und beispielsweise dazu dienen, die durch Erhöhung der Belastung beziehungsweise durch Erhöhung der
Leistungsfähigkeit der Batterie hervorgerufene Alterung zu beschreiben und durch Regeln des Betriebsparameters die Alterung ebenfalls zu regeln beziehungsweise in definierten Grenzen zu halten.
Ein beispielhaftes Belastungskriterium S als Funktion in Amperestunden [Ah], kann dazu dienen, die Alterung sowohl bei sehr hohen als auch bei niedrigen Spannungen und damit im Wesentlichen in dem gesamten Spannungsbereich der Batterie zu beschreiben, bei welchen signifikant Nebenreaktionen auftreten. Das Belastungskriterium S kann etwa wie folgt lauten:
Dabei beschreibt S das Belastungskriterium, welches dem Kapazitätsverlust der Batterie durch auftretende Nebenreaktionen entspricht. Das Belastungskriterium
S kann beschrieben werden beispielsweise als Strom unter Einbezug der Summe aller Nebenreaktionen lSr beziehungsweise deren Kapazitätsverlust nach der Zeit. In anderen Worten kann der Kapazitätsverlust als zeitliches Integral über den Betrag der Funktion ISR beziehungsweise der Nebenreaktionen erhalten werden, die insbesondere in Bereichen sehr hoher oder niedriger Spannung auftreten und Aktivmaterial, wie etwa Lithium verbrauchen.
Beispielsweise kann die Summe aller Nebenreaktionen lSr dabei wie folgt ermittelbar sein:
Dabei setzt sich der Wert ISR zusammen aus der Summe aller Nebenreaktionen bei einer ausgeschalteten Batterie beziehungsweise während eines Ruhens der Batterie Λ · /^"^ und aus der Summe aller Nebenreaktionen bei einer eingeschalteten Batterie, welche somit geladen oder entladen wird
I - Fi - e 0^ Für den nicht beschränkenden Fall des Durchführens des Verfahrens in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann der erste Faktor somit die Nebenreaktionen während eines Parkens des Fahrzeugs beschreiben, wohingegen der zweite Faktor etwa die Nebenreaktionen während eines Fahrens des Fahrzeugs und damit Ladens beziehungsweise Entladens der Batterie beschreiben kann.
Die Nebenreaktionen weist eine exponentielle Abhängigkeit der Spannung auf. Bei dem ersten Faktor der vorbeschriebenen Gleichung entsprechen lt dem
Ruhestrom, der durch die Nebenreaktion ausgelöst wird und der die
Nebenreaktionen modelliert, wenn die Batterie nicht betrieben wird und kalendarisch altert, kt der Temperaturabhängigkeit der Nebenreaktionen bei einer ausgeschalteten Batterie, U die aktuelle Batteriespannung und Ut einem
Schwellwert der Spannung, ab welcher die betrachteten Nebenreaktionen signifikant auftreten. Es wird insbesondere die Annahme getroffen, dass die untersuchten Nebenreaktionen beispielsweise in einem mittleren
Spannungsbereich nicht auftreten sondern nur dann vorliegen, wenn eine Grenzspannung Ut überschritten wird. Bei dem zweiten Faktor der obigen Gleichung entsprechen I dem eingeprägten Strom, Fi einem
Proportionalitätsfaktor, der sich beispielsweise über die Lebensdauer verändern kann, k| beschreibt die Temperaturabhängigkeit der Nebenreaktion bei einer eingeschalteten Batterie, U ist die derzeit anliegende Batteriespannung und Ui die Spannungsschwelle der Nebenreaktion. Somit ist die Nebenreaktion proportional mit Fi zum eingeprägten Strom I , wobei Fi sich beispielsweise über die Lebensdauer verändern kann.
Als Spannung kann die Klemmenspannung der Batterie im Betrieb,
herangezogen werden. Wesentlich genauer kann es jedoch sein, wenn etwa eine Steuereinheit, wie beispielsweise das Batterie-Management-System, die
Elektrodenspannungen der Anode und der Kathode schätzen beziehungsweise messen kann, bei einer beispielhaften Verwendung einer Lithium-Batterie etwa gegen Li+, und das Ergebnis als Grundlage für die Spannung U verwendet wird. Dabei können die Parameter, die nicht unmittelbar messbar sind, wie etwa die
Temperaturabhängigkeiten kt, k|, die Spannungsgrenzen Ui , Ut oder der Proportionalitätsfaktor Fi durch entsprechende Messungen ermittelt werden. Dies kann beispielsweise realisierbar sein durch Zyklisierungsversuche der Batterie, bei welchen beispielsweise Kapazitätsverluste bei unterschiedlichen
Spannungen ermittelt werden.
Somit beschreiben Kt, Ut und lt den Ruhezustand der Batterie, wohingegen K|, Ui und Fi den Betrieb der Batterie beschreiben. Der aus den vorbestimmten Parametern bestimmbare Wert ISR ist wie bereits beschrieben die Summe aller Nebenreaktionen und wird als Absolutwert über den Fahrzyklus aufintegriert, er entspricht dem Kapazitätsverlust durch die Nebenreaktionen. Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass die gegebenenfalls auftretenden Belastungen und der damit einhergehende verstärkte Alterungsverlauf erfindungsgemäß kontrolliert beziehungsweise bestimmt werden kann, indem b) wenigstens eines von der Dauer des Betreibens der Batterie mit der
vordefinierten Größe des Betriebsparameters und der Größe des
Betriebsparameters ausgewählt wird auf Basis eines Belastungskriteriums, wobei gemäß Verfahrensschritt c) das Belastungskriterium zum Einhalten eines zukünftigen vorbestimmten Alterungsverlaufs der Batterie ermittelt wird, wobei der Alterungsverlauf auf einer Belastung der Batterie durch den
Betriebsparameter basiert. In anderen Worten ist es bei einem vorbeschriebenen
Verfahren vorgesehen, lediglich eine Sicherheitsschwelle fest vorzusehen, eine konstante verwendete Normbetriebsschwelle jedoch zumindest temporär nicht vorliegen zu haben sondern die Einstellung der Parameter dynamisch zu regeln auf Basis einer vorbestimmten und gewünschten zukünftigen Alterung. Dadurch können Alterungsziele problemlos erreicht werden. Für den Fall, dass ein konstanter Normbetriebsbereich weiter vorliegt, kann dieser auf vordefinierte und gewünschte Weise mit Bezug auf den Betriebsparameter verlassen werden, wobei bevorzugt die Größe des Parameters in dem Sicherheitsbetriebsbereich als auch die Dauer, in der sich der Parameter in dem Sicherheitsbetriebsbereich beziehungsweise auf einer jeweiligen Größe befindet, auf vordefinierte Weise gesteuert werden.
Auf diese Weise kann insbesondere die Alterung in einem annehmbaren beziehungsweise vertretbaren Bereich liegen und kann ferner vorhersagbar sein.
Bei dem vorbeschriebenen Verfahren kann somit in einer definierten und kontrollierten Weise der verwendbare Betriebsbereich des Betriebsparameters zumindest begrenzt vergrößert werden, ohne dabei unvorhersagbare und ungewollte Beeinflussungen der Batterie und damit einhergehende Nachteile befürchten zu müssen.
Im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik, wo stets eine vorbestimmte konstante Normbetriebsschwelle nicht überschritten werden sollte, geht das vorbeschriebene Verfahren einen entgegengesetzten Weg und nutzt den Sicherheitsbetriebsbereich jenseits einer gedachten konstanten Normbetriebsschwelle, um auf definierte Weise die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen. Es findet somit gezielt ein Einstellen des
Betriebsparameters statt derart, dass seine Größe auch in einen ursprünglichen Sicherheitsbetriebsbereich gehen kann, um so die Leistungsfähigkeit auf gewünschte Weise anpassen zu können. Es ist dabei ein Verdienst der Erfinder gefunden zu haben, dass auf diese Weise ohne Sicherheitsbedenken und mit kalkulierbaren und vorbestimmbaren Beeinträchtigungen die Leistungsfähigkeit der Batterie signifikant gesteigert werden kann.
Das vorbeschriebene Verfahren nutzt somit aus, dass durch ein Überschreiten der Normbetriebsschwelle beziehungsweise durch das Entfernen einer konstanten Normbetriebsschwelle die Leistungsfähigkeit der Batterie verglichen mit einem permanenten Betreiben innerhalb der ursprünglich vorgegebenen Normbetriebsschwelle deutlich gesteigert werden kann, ohne jedoch einen Sicherheitsverlust oder signifikante Einschränkungen hinnehmen zu müssen.
Dabei ist keine umständliche Implementierung des Verfahrens in bestehende Betriebssysteme notwendig, sondern das vorbeschriebene Betreiben des Batteriesystems kann auf einfache Weise durch das Batterie- Management- System, beispielsweise, erfolgen. Dabei kann das Verfahren ferner auf
Parametern basieren, die oftmals ohnehin ermittelt werden, so dass im
Wesentlichen keine weiteren Sensoren oder ähnliches verwendet werden brauchen.
Somit kann das vorbeschriebene Verfahren es erlauben, auf einfache und sichere Weise die Leistungsfähigkeit der Batterie, wie beispielsweise die Kapazität der Batterie, zu erhöhen.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der
Betriebsparameter ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Spannung, Strom und Temperatur. Insbesondere die vorgenannten Betriebsparameter, also die von der Batterie bereitgestellte Spannung, der durch die Batterie fließende Strom sowie eine Temperatur der Batterie können es erlauben, dass durch eine entsprechende Erhöhung dieses Betriebsparameters eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit der Batterie ermöglicht werden kann. Ersichtlich wird dies beispielsweise unter Verwendung der Spannung der Batterie als
Betriebsparameter. Schon bei einer vergleichsweise geringen Steigerung der Spannung von beispielhaften 0,25V, etwa von 4,15V auf 4,40V, kann eine Kapazitätssteigerung um 15% ermöglicht werden, wobei die vorgenannten Werte nur beispielhaft sind. Dabei kann es auch im Sinne dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, dass nur einer der vorgenannten Betriebsparameter verwendet wird, oder dass eine Mehrzahl von wenigstens zwei der vorgenannten
Betriebsparametern verwendet werden beziehungsweise das Batteriesystem mit Bezug auf diese gewollt und definiert in dem jeweiligen
Sicherheitsbetriebsbereich betrieben wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren bei einem Ladevorgang der Batterie erfolgt. In anderen Worten kann in dieser Ausgestaltung beispielsweise die Spannung definiert erhöht werden, so dass etwa die Ladeschwelle beziehungsweise Ladezustandsschwelle auf Basis eines gewünschten zukünftigen Alterungsverlaufs definiert erhöht werden kann. Diese Ausgestaltung kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da bei einem Ladevorgang bei steigendem Ladezustand schon bei einer vergleichsweise geringen Erhöhung des Ladezustands beziehungsweise der Spannung der Batterie eine vergleichsweise große Erhöhung der Kapazität der Batterie ermöglicht werden kann. Somit kann insbesondere dann, wenn das Verfahren zumindest teilweisen, insbesondere vollständig, bei einem Ladevorgang erfolgt, eine signifikante Steigerung der Kapazität und damit der Leistungsfähigkeit der Batterie erzeugt werden.
Es kann ferner bevorzugt sein, wenn das Belastungskriterium während des Betreibens der Batterie ermittelt wird. Ein Bestimmen des Belastungskriteriums während des Betreibens der Batterie kann dabei bedeuten, dass das
Belastungskriterium bestimmt wird während eines Ladens oder Entladens der Batterie. In dieser Ausgestaltung kann online, also unmittelbar während des Betriebs, das Belastungskriterium ermittelt werden. Dadurch kann dieses stets auf aktuellen Werten beruhen, was ein Ermitteln des Belastungskriteriums besonders exakt ermöglichen kann. Dadurch kann weiterhin das Einhalten eines gewünschten Alterungsverlaufs, beispielsweise, besonders sicher und exakt ermöglicht werden. In dieser Ausgestaltung werden somit die ermittelbaren Größen, wie etwa Strom oder Spannung, unmittelbar während des Betreibens der Batterie ermittelt.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, wenn das Belastungskriterium auf Basis einer gespeicherten Historie des Betriebsparameters, insbesondere bei einer
Ruhephase der Batterie, ermittelt wird. In dieser Ausgestaltung kann während des Betriebs der Batterie lediglich der entsprechende Betriebsparameter oder die entsprechenden Betriebsparameter, wie etwa Strom und/oder Spannung, aufgezeichnet werden. Dadurch, dass ein Ermitteln während einer Ruhephase der Batterie, also wenn kein Lade- oder Entladevorgang stattfindet, erfolgen kann, etwa während des Parkens eines Fahrzeugs, kann die Rechenleistung des Batterie-Management-Systems während des Betriebs der Batterie besonders niedrig gewählt werden. Dadurch brauchen keine gesteigerten Anforderungen an die Ausstattung des Batteriesystems beziehungsweise an Ausgestaltung des Batterie-Management-Systems eingehalten werden. Eine Implementierung in bestehende Systeme ist so durch eine einfache Software-Anpassung ohne weitere Umbaumaßnahmen möglich.
Darüber hinaus kann das Belastungskriterium ermittelt werden unter
ausschließlicher Betrachtung von Werten, die über einer vordefinierten Schwelle liegen. Diese Schwelle kann beispielsweise der Grenzwert Ui beziehungsweise Ut sein, ab welchem eine Nebenreaktion signifikant einsetzt. Grundsätzlich kann die Schwelle derart gewählt werden, dass erst ab dieser Schwelle ein gesteigerter Alterungsverlauf eintritt. Ein derartiger Wert kann beispielsweise bei 4,1 bis 4,2V liegen. Bis zu dieser Schwelle kann die Batterie problemlos betrieben werden und trotzdem ihre Alterungsziele erfüllen. Somit kann ein Betrachten nur der Werte oberhalb der Schwelle ausreichend sein, da die entsprechenden Werte unterhalb der Schwelle bei der Ermittlung der Alterung nur von untergeordneter Relevanz sind und somit deren Einbeziehung das Ergebnis nicht oder nicht wesentlich beeinflussen. Durch ein Konzentrieren auf die vorgenannten relevanten Werte kann jedoch in großem Maße
Rechenkapazität beispielsweise des Batterie-Management-Systems eingespart werden, so dass auch ein Ermitteln des Belastungskriteriums online, also während des Betreibens der Batterie, problemlos möglich sein kann. Bezug nehmend auf ein Bestimmen des vorbestimmten Alterungsverlaufs auf Basis eines Belastungskriteriums, welches ermittelt wird auf Basis einer gespeicherten Historie des Betriebsparameters, können diese Betriebsparameter beispielsweise in einem zweidimensionalen Histogramm abgespeichert werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn, wie dies vorstehend erläutert ist, zwei etwa zusammenhängende Betriebsparameter, wie etwa der Strom und die Spannung, gleichermaßen gespeichert werden. Bei einem zweidimensionalen Histogramm, welches eine Auftragung des Stroms gegen die Spannung aufweist, kann eine Ermittlung des Belastungskriteriums etwa folgendermaßen durchgeführt werden:
U I
Dabei entspricht wiederum j"|lsR|< t dem Belastungskriterium wie vorstehend bereits ausgeführt, Σ ΣΝ - dt entspricht der Summe aller festgestellten
U I
Messgrößen der jeweiligen Betriebsgröße, also hier des Stroms und der
Spannung über die Zeit, wobei N die Anzahl der ermittelten Werte entspricht, und
I lBins | entspricht der Auflösung der ermittelten Messpunkte, also etwa von Strom und Spannung, in dem Histogramm. Durch eine Bezugnahme auf das
Zeitintegral und der Summe der Messpunkte des Histogramms lautet die Form des Belastungskriteriums:
' U I
Die vorgenannten bevorzugten Beispiele beziehen sich insbesondere auf das Ermitteln des Belastungskriteriums und damit etwa des Alterungsverlaufs auf Basis der Spannung als Betriebsparameter.
Weitere Möglichkeiten zum Ermitteln des Belastungskriteriums beziehungsweise weitere geeignete Betriebsparameter umfassen etwa die Temperatur, die Stromstärke oder Sprünge beziehungsweise Hübe des Ladungszustands (SOC- Hübe) bei einem Betreiben der Batterie, wie etwa bei einem Fahrzyklus eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Auch derartige Parameter können das Elektrodenmaterial, etwa durch Phasenübergänge, negativ beeinflussen. Beispielsweise führt eine erhöhte Stromstärke zu einer erhöhten Temperatur, SOC-Hübe führen zu einem An- und Abschwellen der Elektroden und somit zur Materialabnutzung.
Ein beispielhaftes Belastungskriterium für die Temperatur könnte gemäß den obengenannten Bedingungen beziehungsweise Annahmen folgendermaßen ermittelt werden:
Dabei ist lT wiederum der Leerlaufstrom, kt die Temperaturabhängigkeit der Nebenreaktion beziehungsweise der Alterungseffekte und Tt der Schwellwert der Temperatur, ab welcher die Nebenreaktionen beziehungsweise die
Alterungseffekte eintreten.
Es können in für den Fachmann verständlicher Weise auch Kombinationen von Belastungskriterien verschiedener Betriebsparameter ermittelt werden.
Das vorbeschriebene Verfahren kann dabei einen Großteil der Faktoren umfassen, die eine Alterung der Batterie bewirken. Durch die Qualität der Regelung kann jedoch noch ein verlässliches Betreiben der Batterie ermöglicht werden selbst dann, wenn die nicht beachteten Parameter, wie etwa eine kalendarische Alterung oder andere vernachlässigte Faktoren, einen Bereich von bis zu 70% der Gesamtalterung ausmachen.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass die vordefinierte Größe des
Betriebsparameters ausgewählt wird in Abhängigkeit einer Regelungsdauer. Beispielsweise kann die Größe ausgewählt werden für eine Kurzzeitregelung, die beispielsweise für einige Ladezyklen, wie etwa fünf Ladezyklen, gilt und ferner für eine Langzeitregelung, die für beispielsweise mehr als zehn Ladezyklen gilt. In dieser Ausgestaltung kann somit zum einen eine Langzeitregelung ermöglicht werden, die einen dauerhaften Betrieb der Batterie regelt und ferner eine
Kurzzeitregelung, durch welche kurzzeitig die Leistungsfähigkeit noch stärker erhöht werden kann. Beispielsweise kann die Langzeitregelung einen
Ladungsdurchsatz von beispielsweise 5000Ah umfassen und etwa im Bereich einiger Monate gelten. Weiterhin kann eine Kurzzeitregelung beispielsweise für einen beispielhaften Ladungsdurchsatz von 100Ah oder einer oder weniger Wochen gelten.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird hiermit explizit auf die Ausführungen betreffend das Batteriesystem, auf die Figuren und auf die Figurenbeschreibung verwiesen, und umgekehrt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriesystem, aufweisend wenigstens eine Batterie und eine Regeleinheit zum Regeln der Batterie. Das Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit ausgebildet ist, ein wie vorstehend im Detail beschriebenes Verfahren auszuführen.
Im Detail kann das Batteriesystem eine Batterie oder eine Mehrzahl an Batterien, wie etwa eine Mehrzahl an Batteriezellen, aufweisen. Die Batterien
beziehungsweise Batteriezellen können beispielsweise zu einem Batteriemodul verbunden sein, um die gewünschten Spezifikation ermöglichen zu können. Rein beispielhaft und in keiner Weise beschränkend kann die Batterie oder können die Batterien Lithium-Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen Batterien sein. Ferner kann es vorgesehen sein, dass das Batteriesystem in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet ist.
Das Batteriesystem weist neben der Batterie eine Regeleinheit auf, die das Betreiben der Batterie regeln kann und die somit wenigstens einen Regelkreis aufweist. Hierzu können entsprechende Sensoren vorgesehen sein, um etwa die Temperatur der Batterie, die von der Batterie bereitgestellte Spannung oder den durch die Batterie fließenden Strom zu detektieren. Ferner kann eine
Recheneinheit vorgesehen sein, die anhand der detektierten Betriebsparameter ermittelt, ob ein Regeleingriff notwendig ist beziehungsweise wie die
Betriebsparameter eingestellt werden sollten, um eine gewünschte Vorgabe, wie etwa einen gewünschten Alterungsverlauf, zu realisieren.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Regeleinheit wenigstens einen ersten Regelkreis und einen mit dem ersten Regelkreis verschachtelten zweiten Regelkreis aufweist. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders effektives Regeln der Batterie erfolgen insbesondere mit Bezug auf ein Verfahren, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
Dabei kann es besonders bevorzugt sein, wenn der erste Regelkreis ausgebildet ist, um wenigstens eine Regelgröße zum Erreichen eines vorgegebenen
Alterungsverlaufs auszugeben und dass der zweite Regelkreis ausgebildet ist, um wenigstens eine Regelgröße zum Erreichen eines vorgegebenen
Belastungskriteriums auszugeben. Um dies zu realisieren kann es bevorzugt sein, dass ein Sollwert des ersten Regelkreises wählbar ist und/oder dass ein Sollwert des zweiten Regelkreises auf einer von dem ersten Regelkreis ausgegebenen Regelgröße basiert.
Eine vorbeschriebene Regelstruktur kann auf besonders effektive und sichere Weise ein Regeln der Batterie ermöglichen, bei welcher etwa durch sicher zu bestimmende beziehungsweise auszuführende Regelgrößen die Batterie mit
Bezug auf eine maximale Beanspruchung geregelt werden kann. Dabei kann ein Regeln mit Bezug auf eine Beanspruchung verschachtelt werden mit einer Regelung mit Bezug auf einen gewünschten Alterungsverlauf. Im Detail kann insbesondere durch das Vorsehen zweier verschachtelter
Regelkreise, wie dies vorstehend erläutert ist, es ermöglicht werden, dass durch eingeben eines gewünschten Alterungsverlaufs in den ersten Regelkreis dieser eine Regelgröße ausgibt, welche als Eingang des zweiten Regelkreises dient. Basierend auf diesem Eingang kann der zweite Regelkreis die Batterie auf eine gewünschte Beanspruchung regeln insbesondere dann, wenn auf Basis unter anderem der Regelgröße des ersten Regelkreises ein Belastungskriterium ermittelt werden kann. Somit kann die Steuereinheit durch eine einfache Eingabe einer Soll-Alterung die Batterie mit einer definierten Beanspruchung betreiben, um die gewünschte Alterung einhalten zu können.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Ausführungen betreffend das Verfahren, auf die Figuren und auf die Figurenbeschreibung verwiesen, und umgekehrt. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur
beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht verschiedener Betriebszustände einer
Batterie;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Spannungsverlaufs einer Batterie über die Zeit;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines weiteren Spannungsverlaufs einer
Batterie über die Zeit;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines weiteren Spannungsverlaufs einer
Batterie über die Zeit;
Fig. 5 ein Diagramm zeigend beispielhaft das Regeln einer Batterie;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Regelstruktur;
Fig. 7 beispielhaft das Ermitteln eines Belastungskriteriums auf Basis eines
Histogramms; und
Fig. 8 eine schematisches Beispiel der Regelung einer Batterie über eine Vielzahl von Ladezyklen.
In der Figur 1 sind mit Bezug auf die Temperatur und die Spannung einer Batterie schematisch und rein beispielhaft verschiedene Betriebszustände gezeigt, innerhalb welcher die Batterie gewollt oder ungewollt in Betrieb sein kann. Im Detail ist die Temperatur T auf der X-Achse gegen die
Batteriespannung U auf der Y-Achse gezeigt. Dabei umfassen die
Betriebszustände einen Normbetriebsbereich 10, einen
Sicherheitsbetriebsbereich 12 und einen kritischen Betriebsbereich 14. Es ist ferner gezeigt, dass eine Normbetriebsschwelle 16 den Normbetriebsbereich 10 und den Sicherheitsbetriebsbereich 12 trennt und dass eine Sicherheitsschwelle 18 den Sicherheitsbetriebsbereich 12 und den kritischen Betriebsbereich 14 trennt. Der Normbetriebsbereich 10 ist dabei ein derartiger Betriebsbereich, bei dem die Batterie derart betrieben wird, dass sowohl eine besonders hohe Sicherheit gegeben ist, als auch weitere vorbestimmte Anforderungen eingehalten werden können, wie etwa Zellkapazität, Energieinhalt, Lade-/Entladekraft, und
Lebensdauer- beziehungsweise Lebensendkriterien (EOL-Kriterien). Ein derartiger Normbetriebsbereich 10 kann beispielsweise von dem Hersteller der Batterie beziehungsweise des Batteriesystems durch eine Betriebsschwelle definiert beziehungsweise begrenzt werden.
Der kritische Betriebsbereich 14 ist weiterhin ein solcher, bei dem
Sicherheitsbeeinträchtigende Wirkungen zu erwarten sind. Somit kann es bei einem kritischen Betriebsbereich insbesondere vorgesehen sein, dass
Gegenmaßnahmen getroffen werden, also wenigstens eine Maßnahme eingeleitet wird, um einem eintretenden Fehlerfall entgegenzuwirken.
Der Sicherheitsbetriebsbereich 12 ist ferner ein solcher, bei dem weiterhin ein sicheres Betreiben der Batterie gewährleistet ist derart, dass keine
schwerwiegenden Fehlerfälle beziehungsweise keine irreversible Schädigung der Batterie zu befürchten sind, welche eine Reparatur nach sich ziehen. Gewisse Anforderungen, wie beispielsweise an die Kapazität, Lebensdauer oder ähnlichem, können in diesem Betriebsbereich jedoch verändert beziehungsweise beeinflusst werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn ein ausreichender Abstand zwischen der Normbetriebsschwelle 16 und der Sicherheitsschwelle 18 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann ein leichtes Überschreiten der
Normbetriebsschwelle 16 akzeptiert werden, ohne das unmittelbar
Gegenmaßnahmen eingeleitet werden müssen, was gegebenenfalls während eines gewünschten Betreibens nicht zwingend notwendig ist. Dies kann beispielsweise ungewollt während einer Betriebsoperation der Batterie kurzzeitig auftreten, oder dies kann für eine vorbestimmte Dauer und in einem
vorbestimmten Maß gewollt ablaufen, wie dies nachstehend beschrieben wird.
Figur 2 zeigt schematisch auf der x-Achse die Zeit t und auf der y-Achse die Spannung U. Ferner zeigt die Kurve 20 die bei der Batterie anliegende
Spannung. Es sind weiterhin eine vorgegebene Ladegrenze 22 gezeigt, wie auch die Normbetriebsschwelle 16, welche den Normbetriebsbereich 10 begrenzt, und beispielsweise geringfügig, etwa in einem Bereich von 5mV, oberhalb der Ladegrenze 22 liegen kann, und die Sicherheitsschwelle 18, ab welcher etwa der kritische Betriebsbereich 14 vorliegen kann und unterhalb welcher etwa der Sicherheitsbetriebsbereich 12 vorliegen kann.
Ferner können die Bereiche ti einen Ladevorgang, t2 einen Entladevorgang, etwa während des Betreibens eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, und 3 einen Rekuperationsvorgang bezeichnen. Es ist zu erkennen, dass es oftmals nicht zu verhindern ist, dass die Spannung, etwa während des Ladens oder einer
Rekuperation, ungewollt über die Ladegrenze 22 beziehungsweise über die Normbetriebsgrenze 16 steigt. Dies kann jedoch akzeptiert werden, da die Normbetriebsschwelle 16 einen ausreichend großen Abstand von der
Sicherheitsschwelle 18 aufweist, so dass sich die Spannung stets im
Sicherheitsbetriebsbereich 12 befindet.
Dabei kann eine Einschätzung, inwieweit ein Betreiben der Batterie in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 vorliegt beziehungsweise akzeptiert werden kann, insbesondere umfassen ein Beurteilen der Stärke des Betriebsparameters, wie etwa der Spannung, als auch die entsprechende Zeitdauer des Betreibens in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12. Dies ist in der Figur 3 gezeigt.
Im Detail zeigt Figur 3, wie auch Figur 2, auf der x-Achse die Zeit t und auf der y- Achse die Spannung U. Ferner zeigt erneut die Kurve 20 die bei der Batterie anliegende Spannung. Es sind weiterhin eine vorgegebene Ladegrenze 22 gezeigt, welche in dieser Ausgestaltung der Normbetriebsschwelle 16 entspricht, welche den Normbetriebsbereich 10 begrenzt, und die Sicherheitsschwelle 18, ab welcher etwa der kritische Betriebsbereich 14 vorliegen kann und unterhalb welcher etwa der Sicherheitsbetriebsbereich 12 vorliegen kann.
Die Zeitbereiche I4 und t5 zeigen eine vergleichsweise geringe Zeitdauer der Überschreitung der Normbetriebsschwelle 16, etwa in einer Zeitdauer von 300ms (I4) und 500ms (t5). Weiterhin entsprechen mit Bezug auf die Zeitdauer die Zeiträume t6 dem Zeitraum I4 und der Zeitraum t7 dem Zeitraum t5. Mit Bezug auf Größe der Spannung in dem Zeitraum des Betreibens der Batterie in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 ist zu erkennen, dass während der Zeiträume t6 und t7 eine deutlich größere Spannung vorliegt, als bei 1^ und tj.
Dabei kann eine bloße Betrachtung der Zeitdauer des Betreibens der Batterie in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 als auch die bloße Betrachtung der Stärke des Betriebsparameters während des Betreibens der Batterie in dem
Sicherheitsbetriebsbereich 12 ausreichend sein. Unter Umständen kann dies jedoch zu Ergebnissen mit einer vergleichsweise geringen Qualität führen, da bei einer Konzentration auf die Zeit etwa die Zeitdauern t5 und t7 als kritisch angesehen würden, wohingegen bei einer reinen Betrachtung der Stärke die
Zeiträume t6 und t7 als kritisch angesehen würden.
Bei einer Betrachtung sowohl der Zeitdauern als auch der Stärke des jeweiligen Betriebsparameters, was etwa einem Zugrundelegen der Fläche unter der Kurve 20 oberhalb der Normbetriebsschwelle 16, also dem schraffierten Bereich in
Figur 3, entspricht, kann dies zu einem veränderten und gegebenenfalls verbesserten Ergebnis führen. Mathematisch kann dies folgendermaßen beschrieben werden:
Xerr = i(U meas Ulimit) dt,
wobei Xerr ein Fehlerintegral ist und Umeas die gemessene beziehungsweise aufgetretene Spannung und υΜ die Spannungsschwelle entsprechend der Normbetriebsschwelle 16. Dies kann bei den entsprechenden Zeiträumen und Spannungen rein beispielhaft zu folgenden Werten führen: Xerr für t4 beträgt 3mVs, Xerr für t5 beträgt 5mVs, Xerr für t6 beträgt 15mVs und Xerr für t7 beträgt 25mVs. Auf Basis dieser Daten kann eine genaue und sichere Abschätzung etwa der negativen Beeinflussung der Batterie ermöglicht werden.
Alternativ kann eine quadratische Gewichtung erfolgen:
Xerr = i(U meas Ulimit dt
Dies kann bei den entsprechenden Zeiträumen und Spannungen rein beispielhaft und in Vergleich zu der vorbeschriebenen Annahme zu Werten wie folgt führen: Xerr für t4 beträgt 30μ\/28, Xerr für t5 beträgt 50μ\/28, Xerr für t6 beträgt 750μ\/28 und Xerr für t7 beträgt 1250μν28. Auf Basis dieser Daten kann eine noch exaktere und damit noch sicherere Abschätzung etwa der negativen Beeinflussung der Batterie ermöglicht werden. Die quadratische Gewichtung der Spannungen hat den Vorteil, dass ein besonders definiertes Betreiben der Batterie ermöglicht werden kann.
Es ist also ersichtlich, dass mit Bezug auf einen oder mehrere Betriebsparameter durch eine Beurteilung sowohl der Dauer des Betreibens der Batterie in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 beziehungsweise mit einer definierten Größe als auch die Größe des Betriebsparameters während des Betreibens des
Betriebsparameters in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 beziehungsweise mit der betreffenden Größe in vorteilhafter Weise ein definiertes Betreiben der Batterie in dem Sicherheitsbetriebsbereich 12 beziehungsweise mit der betreffenden Größe ermöglicht werden kann.
Zurückkommend auf Figur 1 kann mit Bezug auf die Lage der
Betriebsbereichsschwellen 16, 18 beispielsweise auf eine Einteilung der EUCAR zurückgegriffen werden, welche eine Einteilung in verschiedene Gefahrenstufen bei bestimmten Fehlerfällen mit Bezug auf elektrisch Systeme (EEES, electrical equipment safety System) darstellt. Gemäß dieser Einstufung sind verschiedenen Fehlerfällen verschiedene Wirkungen zugeschrieben. Diese können
beispielsweise von der geringsten Gefahrstufe, bei welcher keine negative Wirkung zu erwarten ist, bis hin zu einer stärksten Gefahrstufe, bei der etwa eine Explosion der Batterie erwartet werden muss, verlaufen. Die
Normbetriebsschwelle 16 mit Bezug auf den oder die jeweiligen
Betriebsparameter kann dabei unterhalb der Gefahrenstufe 0 nach EUCAR angeordnet sein und die Sicherheitsschwelle 18 kann ferner etwa der Grenze der Gefahrenstufe 0 nach EUCAR entsprechen. Diese Schwellen werden oftmals von dem Hersteller festgelegt und sind in einer Steuer- beziehungsweise
Regeleinheit, wie etwa in dem Batterie- Management-System hinterlegt. Diese Schwellen sind in der Regel allgemeingültig und damit für alle Fahrzustände beziehungsweise Anwendungen gleichermaßen vorgegeben, um ein sicheres und bezogen auf sämtliche Betriebszustände allgemeingültig ausgewogenes Betreiben der Batterie zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, den Betrieb der Batterie nicht mehr grundsätzlich auf sämtliche Betriebszustände beziehungsweise
Anwendungen im Vorhinein auszulegen, sondern vielmehr die Belastung der Batterie selektiv zu steuern und so die Leistungsfähigkeit der Batterie zu verbessern.
In der Figur 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch gezeigt.
Insbesondere in einem Vergleich zu Figur 2 ist zu erkennen, dass die
gewünschte Ladespannungsschwelle 22 in definierter Weise in den
Sicherheitsbetriebsbereich 12 verschoben ist. Für den Fachmann ist dabei ersichtlich, dass eine Normbetriebsschwelle 16 noch vorliegen kann, jedoch nicht mehr zwingend vorliegen braucht, also im Weiteren als gedachte Schwelle angesehen werden kann. Dadurch kann durch das Erreichen einer erhöhten Spannung trotz eines sicheren Betreibens der Batterie eine vergrößerte
Kapazität erzielt werden, indem insbesondere durch eine Langzeitregelung die Spannung sich in definierter Weise in dem Sicherheitsbetriebsbereich befindet und nicht hauptsächlich, wie dies in Figur 2 gezeigt ist, in dem
Normbetriebsbereich 10. Dies kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da bei vergleichsweise geringen Erhöhungen der Spannung eine vergleichsweise große Verbesserung der Kapazität möglich ist.
Dabei kann etwa durch eine geeignete Steuerung beziehungsweise Regelung realisiert werden, dass die Leistungsfähigkeit der Batterie gewünscht steigt, die Beanspruchung der Batterie wie insbesondere ihre Alterung jedoch nicht über einen vordefinierten Wert steigt. Dies ist in der Figur 5 gezeigt.
Figur 5 zeigt im Detail in dem oberen Diagramm schematisch einen Auftrag der Lebenszeit der Batterie auf der Achse Xi und an der Achse Yi eine Belastung der Batterie. In dem unteren Diagramm ist schematisch ein Auftrag der
Lebenszeit der Batterie auf der Achse X2 und an der Achse Y2 ein Schwellwert eines Betriebsparameters, wie etwa der Spannung, gezeigt. Dabei zeigt die Kurve 24 eine konkret auftretende Belastung der Batterie, die Kurve 26 zeigt eine gewünschte Grenze der Belastung der Batterie, die Kurve 28 zeigt einen konkret vorliegenden Betriebsparameter, wie etwa die Spannung, und die Linie 30 zeigt einen gewünschten Schwellenwert des Betriebsparameters, wie etwa die Normbetriebsschwelle 16. Ferner sollen die Abschnitte I bis VI verschiedene Zeitintervalle angeben. Durch einen Vergleich der oberen mit der unteren Grafik kann gezeigt werden, dass durch eine entsprechende Regelung, also etwa durch ein Anheben beziehungsweise Absenken der Größe des Betriebsparameters, wie etwa der Spannung, es möglich ist, auf unterschiedliche und gegebenenfalls auch nicht vorhergesehene Einflüsse zu antworten und so die Beanspruchung stets innerhalb gewünschter Grenzen zu halten. Dadurch kann beispielsweise die Alterung der Batterie ebenfalls wie gewünscht eingehalten werden.
Beispielsweise kann zu Beginn des Abschnitts II, wenn die tatsächliche
Beanspruchung unterhalb des gewünschten beziehungsweise erlaubten Wertes liegt, die Spannung angehoben werden. Liegt die tatsächliche Beanspruchung dagegen oberhalb eines vorbeschriebenen Wertes, kann der Betriebsparameter gesenkt werden, wie dies in dem Abschnitt III gezeigt ist, so dass auf einfache Weise stets eine vorbestimmte Beanspruchung eingehalten werden kann. Eine bevorzugte aber rein beispielhafte Regelstruktur 32, um eine Regelung basierend etwa auf einer Beanspruchung der Batterie auszuführen, ist ferner in der Figur 6 gezeigt. Die Regelstruktur 32 ist insbesondere Bestandteil einer Regeleinheit eines Batteriesystems. Die Regelstruktur 32 in der Figur 6 ist insbesondere Bestandteil eines
Batteriesystems und kann im Detail Bestandteil einer Steuereinheit
beziehungsweise Regeleinheit sein, wie etwa des Batterie- Management- Systems. Die Regelstruktur 32 gemäß Figur 6 beziehungsweise die Steuerbeziehungsweise Regeleinheit kann dabei über nicht gezeigte Verbindungen mit der Batterie verbunden sein, um so einen Regeleingriff basierend auf den in der
Regelstruktur 32 ausgeworfenen Regelgrößen durchführen zu können.
Im Detail umfasst die Regelstruktur 32 einen ersten Regelkreis 35 und einen mit dem ersten Regelkreis 35 verschachtelten zweiten Regelkreis 37, wie dies nachstehend ersichtlich wird. Dabei ist der erste Regelkreis 35 ausgebildet, um wenigstens eine Regelgröße zum Erreichen eines vorgegebenen
Alterungsverlaufs auszugeben und ist der zweite Regelkreis 37 ferner ausgebildet, um wenigstens eine Regelgröße zum Erreichen eines
vorgegebenen Belastungskriteriums auszugeben. Im Detail ist ein Sollwert des ersten Regelkreises 35 wählbar und basiert ein Sollwert des zweiten Regelkreises 37 auf einer von dem ersten Regelkreis 35 ausgegebenen Regelgröße.
Die Funktionsweise der Regelstruktur 32 beziehungsweise die Verschachtelung der Regelkreise 35, 37 wird im Folgenden beschrieben.
Zunächst wird in einer Eingabeeinheit 34 insbesondere als einzigem externen Eingang in die Regelstruktur 32 ein Sollwert eines gewünschten
Alterungszustands beziehungsweise Alterungsverlaufs mit Bezug auf die Kapazität (SOHc) eingegeben. Dieser kann beispielsweise einer Kapazität von
80% innerhalb von 10 Jahren oder innerhalb von einer Fahrleistung von 300.000km bezogen auf den Ursprungswert entsprechen und sich somit beispielsweise auf einen gewünschten Wert zu einer bestimmten Zeit in der Zukunft beziehen, wobei eine lineare Abnahme angenommen werden kann. Somit liegt in dem Funktionsblock 36 der Soll-SOHc vor, welcher basierend auf einem gewünschten Alterungsverlaufs zum momentanen Zeitpunkt vorliegen sollte. Dieser wird zu einem Funktionsblock 40 geleitet, welcher gleichermaßen mit einem derzeit vorliegenden SOHc versorgt wird. Der derzeit vorliegende SOHc kann von dem Funktionsblock 38 ermittelt und zu dem Funktionsblock 40 geleitet werden. Der momentan vorliegende SOHc kann in für den Fachmann verständlicher Weise anhand gemessener Spannungswerte während eines Ladezyklus, beispielsweise, ermittelt werden.
Durch einen Vergleich des Soll-SOHc mit dem momentan vorliegenden SOHc kann in dem Funktionsblock 40 eine entsprechende Differenz ermittelt werden.
Diese wird in einen Transformationsblock 42, wie etwa einen PID-Regler, geleitet, welcher durch in der Regeltechnik an sich bekannter und problemlos implementierbarer Weise durch Definition einer gewünschten Regelstrecke als Ausgang 44 eine Regelgröße ausgeben kann. Als eine derartige Regelgröße kann beispielsweise eine Soll-Beanspruchung für die Batterie ausgegeben werden, um dadurch den Alterungsverlauf durch Anpassung der Beanspruchung einzustellen.
Die Soll-Beanspruchung wird wiederum in einen Funktionsblock 46 geleitet, in welchem die Soll-Beanspruchung mit einer derzeit vorliegenden Beanspruchung verglichen wird. Die derzeit vorliegende Beanspruchung kann in dem
Funktionsblock 48 ermittelt werden und an den Funktionsblock 46 geleitet werden. Figur 7 zeigt ein Beispiel des Ermitteins eines Beanspruchungs-Kriteriums während eines Betreibens der Batterie. Im Detail ist in dem oberen Diagramm der Figur 7 ein zweidimensionales Histogramm gezeigt, in welchem die
Spannung insbesondere als oberes Spannungslimit auf der X-Achse angegeben ist und wobei auf der Y-Achse der durch die Batterie fließende Strom angegeben ist. Die Skala N zeigt ferner die Anzahl des Auftretens der entsprechenden
Werte. Eine derartige Historie der Betriebsparameter kann etwa während eines Betreibens der Batterie erfolgen. Beispielhaft kann dies während einer Fahrdauer eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs von etwa 10 Stunden realisiert werden.
Eine Veränderung des Spannungswertes führt zu einer Verschiebung des Histogramms, da der Strom mit dem Faktor e(U"U(l)) multipliziert wird.
In dem unteren Diagramm ist die Zellspannung Uceii gegen den Faktor eUce" aufgetragen. Dabei ist ersichtlich, dass insbesondere bei hohen Spannungen eine signifikante Veränderung auftritt. Es wird insbesondere ersichtlich, dass ein Einbeziehen von Werten, die oberhalb eines Grenzwertes Ui liegen, ausreichen kann, da Werte unterhalb dieses Grenzwertes gegebenenfalls keine signifikanten Veränderungen hervorrufen.
Zurückkommend auf den Funktionsblock 46 wird in diesem die Differenz des Sollwerts und des derzeit vorliegenden Wertes der Beanspruchung gebildet und in den Transformationsblock 50, wie etwa einen PI D-Regler, geleitet. Dieser kann optional mit zusätzlichen Grenzen als Ober- und Untergrenzen der zu regelnden Werte beaufschlagt werden. In diesem wird als Ausgang 52 wiederum eine
Regelgröße ausgegeben, welche etwa einem Betriebsparameter, wie
insbesondere Strom, Spannung oder Temperatur sein kann, um dadurch die Beanspruchung auf den Sollwert anzupassen, wie dies in der Regeltechnik in an sich bekannter und problemlos implementierbarer Weise durch Definition einer gewünschten Regelstrecke möglich ist. Die Regelgröße kann von dem Ausgang 52 etwa in einen Speicher 54 geleitet werden. Unabhängig von dem Vorsehen des Speichers 54 kann die Regelgröße in die Funktionsblöcke 38, 48 geleitet werden. So kann in dem Funktionsblock 38 wiederum der derzeit vorliegende SOHc ermittelt werden und kann in dem Funktionsblock 48 die derzeit vorliegende Beanspruchung ermittelt werden.
Das Funktionsprinzip basiert somit darauf, eine Soll-Belastung beziehungsweise Soll-Beanspruchung für die Batterie einzustellen, durch welche ein definierter Alterungsprozess der Batterie ermöglicht werden kann. Eine Voraussetzung hierfür ist die Definition eines geeigneten, messbaren Beanspruchungs-Wertes, der über die Zeit akkumuliert und der gemäß dieser Ausgestaltung auf dem gewünschten Alterungsverlauf basiert.
Die vorstehende Regelung dient insbesondere einer Langzeitregelung. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Ausgänge 44, 52 mit Bezug auf eine
Kurzzeitregelung variiert werden, die Schwellwerte somit kurzzeitig erhöht werden. Hierzu werden weitere Sollgrößen 43, 53 verarbeitet.
In der Figur 8 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Regelung einer Batterie gezeigt. Auf den Achsen Χ-ι, X2, X3 und X4 sind jeweils die Anzahl an Ladezyklen aufgetragen, wohingegen auf der Achse Y1 der SOHc aufgetragen ist, auf der Achse Y2 eine Spannungsschwelle in Volt angegeben ist, die auf der erfindungsgemäßen Regelung basiert, und wobei auf den Achsen Y3 und Y4 die Alterung beziehungsweise der SOH-Verlust pro Ladungszyklus aufgetragen ist.
Dabei zeigt in dem oberen Diagramm die Linie 58 den Sollwert der Alterung und zeigt die Kurve 60 den ermittelten Wert der Alterung. Es ist in dem oberen Diagramm zu erkennen, dass bei ungefähr 400 Ladezyklen eine
unvorhergesehene Steigerung der Alterung eintritt.
In dem zweiten Diagramm ist durch die Kurve 62 die durch die Regelung eingestellte Spannung zu erkennen. Es ist gezeigt, dass sich der Regler in den ersten Zyklen auf eine geregelte Zellspannung als oberes Limit einschwingt. Mit Bezug auf das zweite Diagramm zeigt insbesondere die Höhe der Grundlinie eine Langzeitregelung, wohingegen die Peaks eine Kurzzeitregelung zeigen. Durch die Kurzzeitregelung kann kurzzeitig ein höheres Spannungsniveau erreicht werden, welches beispielhaft um 100mV erhöht sein kann. Ferner ist zu erkennen, dass die eingestellte Spannung bei dem Verlust an SOHc
beziehungsweise bei der unvorhergesehenen Alterung ebenfalls verringert wird, indem die Spannung durch die Regelung um etwa 70mV reduziert wird. Dadurch gleicht sich, wie dies in dem oberen Diagramm zu erkennen ist, der Ist-Wert des SOHc sich wieder an den Sollwert an.
In dem dritten Diagramm zeigt die Kurve 64 die Alterung, wohingegen in dem vierten Diagramm die Kurve 66 die Ziel-Beanspruchung beziehungsweise den
SOHc-Verlust und die Kurve 68 die tatsächlich vorliegende Beanspruchung beziehungsweise den tatsächlich vorliegenden SOHc-Verlust gezeigt. Dabei ist wiederum die Effektivität der Regelung zu erkennen, da auch bei einer unvorhergesehen Änderung der Alterung durch ein Anpassen der auf die Batterie wirkenden Beanspruchung die Alterung wieder konstant sein kann, so dass die gewünschten Werte einer zukünftigen Alterung problemlos eingehalten werden können, da der SOHc-Verlust dem Zielwert entspricht.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem eine Batterie umfasst, die mit einem Betriebsparameter betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist:
a) Definiertes Betreiben der Batterie mit einer vordefinierten Größe des Betriebsparameters derart, dass
b) wenigstens eines von der Dauer des Betreibens der Batterie mit der vordefinierten Größe des Betriebsparameters und der Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird auf Basis eines
Belastungskriteriums, wobei
c) das Belastungskriterium zum Einhalten eines zukünftigen vorbestimmten Alterungsverlaufs der Batterie ermittelt wird, wobei der Alterungsverlauf auf einer Belastung der Batterie durch den Betriebsparameter basiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Betriebsparameter ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus
Spannung, Strom und Temperatur.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest teilweise bei einem Ladevorgang der Batterie erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungskriterium während des Betreibens der Batterie ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungskriterium auf Basis einer gespeicherten Historie des
Betriebsparameters ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungskriterium ermittelt wird unter ausschließlicher Betrachtung von Werten, die über einer vordefinierten Schwelle liegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Größe des Betriebsparameters ausgewählt wird in
Abhängigkeit einer Regelungsdauer.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird unter Verwendung wenigstens zweier
Betriebsparameter.
9. Batteriesystem, aufweisend wenigstens eine Batterie und eine Regeleinheit zum Regeln der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
auszuführen.
10. Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regeleinheit wenigstens einen ersten Regelkreis (35) und einen mit dem ersten Regelkreis (35) verschachtelten zweiten Regelkreis (37) aufweist.
1 1 . Batteriesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regelkreis (35) ausgebildet ist, um wenigstens eine Regelgröße zum Erreichen eines vorgegebenen Alterungsverlaufs auszugeben und dass der zweite Regelkreis (37) ausgebildet ist, um wenigstens eine Regelgröße zum
Erreichen eines vorgegebenen Belastungskriteriums auszugeben.
12. Batteriesystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein
Sollwert des ersten Regelkreises (35) wählbar ist.
13. Batteriesystem nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert des zweiten Regelkreises (37) auf einer von dem ersten Regelkreis (35) ausgegebenen Regelgröße basiert.
14. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Batteriesystem in einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug angeordnet ist.
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