WO2012126722A1 - Verfahren zum ermitteln eines ladezustandes einer elektrischen energiespeichervorrichtung und elektrische energiespeichervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum ermitteln eines ladezustandes einer elektrischen energiespeichervorrichtung und elektrische energiespeichervorrichtung Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the
  • propulsion concepts In an effort to reduce fuel consumption and pollutant emissions, vehicles with electric or hybrid drive are increasingly being used. Both propulsion concepts have in common that the propulsion of the vehicle takes place at least temporarily by an electric motor.
  • the electric motor is powered by powerful energy storage devices with electrical energy.
  • the electrical energy storage devices generally comprise a larger number of connected in series ⁇ ter, electrochemical and / or electrostatic
  • Electrochemical energy storage cells based on lithium ions and / or electro ⁇ static energy storage in the form of Doppel Anlagenkondesatoren or so-called SuperCaps are used.
  • Charge state is the charge currently stored in the energy storage device in relation to the capacity of
  • SOC State Of Charge
  • Energy storage device maximum storable charge. Only by knowing the current state of charge of the energy ⁇ storage device , for example, the maximum possible Range of the motor vehicle are estimated when driven by the electric motor.
  • the current state of charge is also important for the control of the charging and discharging processes of the energy storage device. In particular, a drop in the state of charge below a critical value is to be avoided in order to prevent damage to the energy storage device. For the same reason, overcharging of the energy store should also be avoided.
  • numerous electrochemical and electrostatic energy storage exists between the rest voltage and the state of charge a functional relationship, so that can be deduced by measuring the rest voltage on the state of charge.
  • this functional relationship (characteristic curve) can be so unfavorable in large areas that a sufficiently precise determination of the state of charge based on the rest voltage and this functional relationship either not at all or only with extremely high technical and financial expense is possible.
  • a method for determining the state of charge according to claim 1 relates to an electrical energy storage device having at least one electrical energy store, between the rest voltage and state of charge, a first functional
  • connection and at least one electrical reference energy storage, which is connected in series with the at least one electrical energy store and between the rest voltage and state of charge, a second functional combination. which differs from the first functional relationship.
  • the state of charge of the at least one energy store and the state of charge of the Refe rence ⁇ -energy store are determined at a first time.
  • the quiescent voltage of the reference energy store is detected at a second time. It is determined based at the second time on open-circuit voltage of the reference energy storage device to the second time ⁇ point and the second functional relationship of the charge state of the Refe ⁇ ence-energy store.
  • the state of charge of the at least one energy store at the second time is determined based on the state of charge of the at least one energy store at the first time, the state of charge of the reference energy store at the first time, and the state of charge of the reference energy store at the second time. Subsequently, the state of charge of the energy storage device at the second time is determined based on the state of charge of the reference energy store at the second time and the state of charge of the at least one Energyspei ⁇ chers at the second time.
  • the method for determining the state of charge of the electrical energy storage device uses the fact that the energy storage device next to one or more electrical energy storage or energy storage cells has a reference energy storage whose functional relationship between the rest voltage and the state of charge allows a more precise and technically less complex determination of the state of charge ⁇ light, as is the case with the other electrical energy storage.
  • the second functional relationship of Refe ⁇ Renz-energy storage device may be different from the first functional relationship of the other energy storage device, for example, the extent that a change in the charge state of the reference energy accumulator has a greater change in the resting tension ⁇ voltage of the reference power memory result in than the other energy storage is the case. Inaccuracies in the measurement of the rest voltage therefore lead to smaller errors in the determination of the state of charge.
  • the charge level of Refe ⁇ ence-energy storage can thus consult- precise and with a ren technical effort can be determined. Since the reference energy storage and the at least one electrical energy storage are connected in series, which occurs in a charging ⁇ or discharging of power storage device changing the respective data stored in the reference power memory and in the at least one energy store load is the same. Under this condition and with knowledge of the respective capacities can therefore be concluded of a change in the state of charge of the reference energy storage on the change of the charge ⁇ state of other electrical energy storage. The state of charge of the energy storage device finally results from the states of charge of the energy storage contained. The method therefore allows a precise, technically simple and cost-effective determination of the state of charge of the electrical energy storage device.
  • the determination of the state of charge of the at least one energy storage at the first time based on a detected at first time rest voltage of the at least one energy storage and the first functional relationship.
  • This procedure for determining the state of charge of the min ⁇ least one energy storage is particularly useful when the rest voltage is in ranges of values in which the first functional relationship allows a sufficiently accurate determination of the state of charge.
  • the determination of the state of charge of the reference energy storage takes place at the first time based on a first time detected quiescent voltage of the reference energy storage and the second functional relationship.
  • This procedure allows a fast, simple and accurate determination of the state of charge of the reference energy store.
  • the determination of the state of charge of the at least one energy store at the first time and / or the determination of the state of charge of the reference energy store at the first time after a complete charging of the energy storage device.
  • the full charge of the energy storage device i. a state in which all energy stores and the reference energy store are charged up to the respective maximum capacity can, for example, after a sufficiently long
  • the state of charge of all energy storage and the reference energy storage can be assumed with sufficient accuracy as 100 percent.
  • the state of charge of all energy storage and the reference energy storage can be assumed with sufficient accuracy as 100 percent.
  • the state of charge of the energy storage device equal to the largest of the determined states of charge of the reference energy storage and the at least one energy storage equated to the second time.
  • the state of charge of the energy storage device is equal to equal to the smallest of the determined states of charge of the reference energy store and the at least one energy storage device at the second time.
  • the state of charge of the entire energy storage device Direction with respect to a charging for the electrical energy storage with the highest state of charge and terms of a discharge after the electrical energy storage with the lowest state of charge. This is due to the fact that the state of charge of the energy storage device with respect to a charging process on the largest state of charge of the energy storage (and reference energy storage) is to limit, in order to avoid overcharging.
  • the energy storage device state of charge ⁇ stand is regarding a
  • the quiescent voltage of the at least one energy storage is measured at the second time.
  • a further state of charge for the at least one energy store at the second time is determined based on the rest voltage and the first functional relationship. It is determined based on the charging state ⁇ and the further state of charge of the at least one energy store at the second time (t2), a correction value.
  • Nachfol ⁇ constricting investigation of the charge state of the at least one energy store take place taking into account the correction value.
  • the calculation of a correction value is especially useful when under ⁇ Kunststofferiem aging behavior of the reference power memory and other electrical energy storage.
  • aging processes can be taken into account and the calculation of the state of charge of the electrical energy storage device can be further improved.
  • An electrical energy storage device has at least one electrical energy store, between the rest voltage and state of charge there is a first functional relationship and at least one reference electrical energy storage, which is connected in series with the at least one electrical energy store and between the state of charge and rest voltage, a second
  • the electrical energy storage device has a device for detecting the quiescent voltage of the at least one reference electrical energy store.
  • This electrical energy storage device allows the implementation of a method for determining the state of charge according to claim 1. With regard to the resulting advantages, reference is made to the statements to claim 1. These apply analogously.
  • this has a further device for detecting the quiescent voltage of the at least one electrical energy storage.
  • the ability to detect the rest voltage of the at least one electrical energy storage, the state of charge of at least one energy storage by measuring its rest voltage and the first functional relationship is directly determinable, for example, at certain char ⁇ ristic points or in certain sections of the first functional relationship (Curve) .
  • the accuracy of the method can thus be significantly increased.
  • the first functional differ Context and the second functional relationship is that according to the first context, a change in the state of charge leads to a smaller change in the rest voltage than according to the second context.
  • the first functional relationship and the second functional relationship set characteristic parameter ⁇ lines of the at least one energy store or the Refe ⁇ Renz energy storage is the selection of the reference Energyspei ⁇ Chers. Is such that its characteristic curve for the determination of its charge state from the measured rest voltage with respect to the accuracy and the lower technical complexity better than the characteristic of the other energy storage.
  • this has a control device which is designed and provided with means that it can perform a method according to one of claims 1 to 6.
  • Figure 1 is a schematic representation of an energy ⁇ storage device
  • Figure 2 is a schematic representation of the functional relationships between standby voltage and state of charge of the reference energy storage and the other energy ⁇ memory of the energy storage device;
  • Figure 3 shows an embodiment of a method for
  • the energy storage device 1 has a plurality of electrical energy storage ZI to Z5 and an electrical reference energy storage ZRef, which are connected in series and disposed within a housing 2 of the energy storage device 1. Further, for the reference energy storage Zref or for each energy storage ZI to Z5 corresponding devices EREF or El to E5 vorgese ⁇ hen, by means of which the above the reference energy storage Zref and the respective energy storage ZI to Z5 measurable voltages URef or Ul to U5 are measurable. Arranged on the outside of the housing poles 3, 4 are electrically connected to the series circuit consisting of the reference energy storage ZRef and the energy storage ZI to Z5, that a current drain and a power supply from the outside is possible.
  • the energy storage device further comprises a control device 5, which is electrically connected to the poles 3, 4, the reference energy storage ZRef, the energy storage ZI to Z5 and the means for measuring voltage ERef, El to E5.
  • the control device 5 is designed and equipped with means that it the power supply (charging) to the reference energy storage ZRef and the energy storage ZI to Z5 and the current drain (discharge) from the reference energy storage ZRef and the energy storage ZI to Z5 of can control externally via the poles 3, 4.
  • the control device 5 is designed and provided with means that it can detect the measurable over the reference energy storage ZRef and the individual energy storage ZI to Z5 voltages URef, Ul to U5 means of the devices ERef, El to E5 for voltage measurement.
  • control and computing programs in the form of software are implemented in the control device 5, which are embodied such that they can execute methods as explained in more detail with reference to FIGS. 3 to 4.
  • the reference energy storage ZRef and the other energy storage ZI to Z5 are explained in detail.
  • Both in the reference energy storage ZREF than with the other energy storage ZI to Z5 may be, preferably ⁇ as double-layer capacitors or supercapacitors involve electrochemical energy storage cells, preferably lithium-ion basis, and / or electrostatic energy storage.
  • electrochemical energy storage cells preferably lithium-ion basis
  • electrostatic energy storage preferably electrostatic energy storage.
  • electrochemical energy storage is generally a functional relationship (characteristic) between the rest voltage and the state of charge. Under no-load voltage is to be understood in the following the measurable over the respective energy storage voltage without current drain or power.
  • the functional relationship or the characteristic curve may vary.
  • the designated with Kl the first functional relationship has in many areas a very flat course, as he, for example, in electrochemical energy storage with
  • Lithium iron phosphate occurs as a positive electrode active material. Even larger changes in the state of charge SOC result in a relatively small change in the quiescent voltage UR. As a result, even small errors in the determination of the rest voltage UR lead to considerable errors in the determination of the state of charge. of the SOC.
  • an energy storage device which consists exclusively of energy storage devices of this type, to determine the state of charge SOC is to be managed based on the first func ⁇ tional context Kl either very vague or only with very high outlay in terms of a very precise open circuit voltage measurement.
  • the second functional relationship, denoted K2 has a much steeper course in many areas compared to the course of the first functional relationship Kl.
  • Such a course occurs, for example, in electrochemical ⁇ energy storage with lithium manganese spinel as Aktivmate ⁇ rial of the positive electrode.
  • Changes in the state of charge lead in comparison to the characteristic curve Kl to a significantly greater change in the rest voltage UR. Errors in the determination of the rest voltage UR have lower errors in the determination of the state of charge SOC result.
  • the determination of the state of charge SOC according to the second functional relationship K2 is therefore much more robust and can be achieved with less technical effort.
  • the first functional relationship K1 and the second functional relationship K2 therefore differ in that a change in the state of charge SOC according to the first functional relationship K1 leads to a smaller change in the quiescent voltage UR than according to the second functional relationship K2.
  • Section Kl in sections with respect to the determination of the state of charge from the rest voltage a favorable, i. have fault-tolerant course.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a method for determining the state of charge SOC of the energy storage device 1 in the form of a flowchart.
  • the method begins with step 300, for example, just before the driver of an electric vehicle or a hybrid vehicle (not shown) starts the vehicle.
  • step 310 The method continues in step 310 with the determination of the states of charge of the energy stores Z1 to Z5 and of the reference energy store ZRef at a first point in time.
  • the determination of the state of charge of the reference energy store ZRef at the first time can, for example, be based on a first voltage detected at rest of the reference energy storage ZRef and the second functional
  • Connection K2 (see Figure 2) take place. This is possible if there is no current flow from and to the energy storage device 1, ie the energy storage device 1 is neither charged nor discharged. Such a situation arises ⁇ example, in a parked vehicle or in the case of a hybrid vehicle when the vehicle is driven purely by the combustion ⁇ motor and the energy storage device is not loaded first
  • the control device 5 measures the voltage URef via the reference energy store ZREF by means of the device ERef.
  • the determination of the individual states of charge of the energy store ZI to Z5 at the first time can also be based on the respectively detected rest voltages of the individual energy stores ZI to Z5 at the first time and the first functional relationship K1 (see FIG. 2).
  • Condition is also here that no current flow from and to
  • Energy storage device 1 consists. Furthermore, this procedure is only sufficiently accurate if the values of the respective standby voltages at the first time are in suitable value ranges in which the first functional relationship has a greater error robustness. With reference to FIG. 2, for example, values of the standby voltages between 2.7 to 3.3 volts and between 3.6 to 3.7 volts would be suitable, since the characteristic curve Kl has a larger slope in these value ranges for the rest voltage.
  • the control device 5 measures the individual voltage drops U1 to U5 at the energy stores Z1 to Z5 by means of the devices E1 to E5.
  • the functional relationships K1 and K2 can be stored in the memory of the control device 5, for example in the form of characteristic diagrams for value pairs of open circuit voltage and state of charge. You can interpolate between the reference points of the maps.
  • Energy storage device can be assumed that the energy storage device 1 is fully charged, at- For example, after charging the energy storage device via an external position device or, in a hybrid vehicle, after a long charging time by the internal combustion engine (eg in serial hybrid). Therefore, if the first time is after such a full charge of the energy storage device 1 without a discharge has taken place again, the charge states of the energy storage ZI to Z5 and the reference energy storage at the first time with a good approximation can be assumed as 100%.
  • step 320 the quiescent voltage of the reference energy storage ZRef is detected at a second time by the control device 5 by means of the device ERef. Between the first time and the second time any charging and discharging the energy storage device may have taken place.
  • step 330 the controller determines based on the quiescent voltage detected in step 320 and the second one
  • step 340 the control device determines the individual states of charge of each energy store ZI to Z5 at the second time based on the state of charge of the respective energy ⁇ memory ZI to Z5 at the first time (step 310), the state of charge of the reference energy storage ZRef for the first time ⁇ point (Step 310) and the state of charge of
  • the change in the charge DQ occurring between the first time and the second time is due to intermittent charge and discharge processes for all energy stores ZI and Z5 and the reference Energy storage ZRef same size.
  • the charge states of the energy stores ZI to Z5 at the second time can be determined on the basis of the following considerations:
  • the state of charge SOC generally results from the stored charge Q and the capacity K of the respective energy store ZRef, ZI to Z5:
  • AQZREF KZ Ref (SOCREF (tl) - SOCREF (t2)) (2) where KZRef is the capacitance of the reference energy store ZREF, SOCREF (tl) is the state of charge of the reference energy store ZREF at the first time tl and SOCREF (t2) the state of charge of the reference energy store ZREF at the second time t2 depict len ⁇ len.
  • SOCZi (t2) SOCZi (tl) (SOCRe / (tl) - SOCRe f (t2)) (5)
  • the method can continue with the method section 350, in which correction values for the charge states of the energy stores ZI to Z5 are determined. This alternative will be explained in more detail below in connection with FIG.
  • step 370 proceeds in which the state of charge of the electric energy storage device 1 for unloading the same stands the lowest of the charging condition determined of the reference power memory Zref and the other Ener ⁇ gie Grande ZI to Z5 at the second time and for charging processes the largest of the determined charging states of the reference energy storage ZRef and all other energy storage ZI to Z5 is set equal to the second time.
  • This procedure is based on the recognition that in a series connection of energy storage discharges are limited by the energy storage with the lowest state of charge and charging by the energy storage device with the highest state of charge.
  • step 380 The process is ended with step 380, but then restarted at predetermined times.
  • the alternative method section 350 will be explained in more detail with reference to FIG.
  • step 351 the quiescent voltages of the energy stores Z1 to Z5 are measured by the control device 5 at the second time by means of the associated devices E1 to E5.
  • step 352 it is checked in which for each energy storage ZI to Z5 whether each ermit ⁇ Telte rest voltage at the second time in a respectively associated, predetermined range of values.
  • these value ranges in the exemplary embodiment would be, for example, between 2.7 and 3.4 V and between 3.5 V and approximately 3.7 V, since in these areas the characteristic ZI (first functional relationship) has a steeper course.
  • step 352 If it is therefore detected in step 352 that the quiescent voltage of the respective energy store Z1 to Z5 is not within the predetermined value ranges, the method continues with step 360 in FIG.
  • step 353 in which, for each energy store Z1 to Z5, a further state of charge is determined at the second time, based on the determined associated rest voltage at the second time and the first functional relationship K1.
  • step 354 in which for each energy storage, a correction value based on the determined in step 353, a value for the other state of charge at the second time and its in accordance with step 340 ( Figure 4) ermit ⁇ telten value for the state of charge at the second time is determined.
  • the correction value may be one Correction factor act, which results from the quotient of the state of charge and the other state of charge. Alternatively, it can also be a weighted difference.
  • step 360 in which for each energy storage ZI to Z5, a corrected state of charge at the second time on the in step 340 erstoff ⁇ th state of charge and the correction value last determined is ermit ⁇ telt based.
  • the correction values are initialized with 1 for the very first start of the procedure. In the subsequent fürläu ⁇ fen of the method are always the last determined
  • Correction values are stored and used in the determination of the corrected state of charge. The method then proceeds to step 370 (FIG. 4) and then terminates.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (1), mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (Z1 bis Z5), zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein erster funktionaler Zusammenhang besteht, und einem elektrischen Referenz-Energiespeicher (ZRef), welcher mit dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher (Z1 bis Z5) in Reihe geschaltet ist und zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein zweiter funktionaler Zusammenhang besteht. Gemäß dem Verfahren werden der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (Z1 bis Z5) und der Ladezustand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt. Es wird der Ladezustand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt basierend auf Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt und dem zweiten funktionalen Zusammenhang ermittelt. Es der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (Z1 bis Z5) zu dem zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (Z1) zu dem ersten Zeitpunkt, dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem ersten Zeitpunkt und dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt. Der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung (1) wird dann basierend auf den Ladezuständen des Referenz-Energiespeichers (ZRef) und des mindestens einen Energiespeichers (Z1 bis Z5) zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustandes einer elektrischen Energiespeichervorrichtung und elektrische
EnergieSpeichervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des
Ladezustands einer elektrischen Energiespeichervorrichtung, insbesondere mit mehreren elektrochemischen Energiespeicherzel¬ len, sowie eine elektrische Energiespeichervorrichtung, mit welcher das Verfahren ausführbar ist.
Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu reduzieren, kommen zunehmend Fahrzeuge mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb zum Einsatz. Beiden Antriebskonzepten ist gemein, dass der Vortrieb des Fahrzeugs zumindest zeitweise durch einen Elektromotor erfolgt. Der Elektromotor wird durch leistungsstarke Energiespeichervorrichtungen mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrischen Energiespeichervorrichtungen umfassen in der Regel eine größere Anzahl an in Reihe geschalte¬ ter, elektrochemischer und/oder elektrostatischer
Energiespeicher. Dabei kommen vorzugsweise elektrochemische Energiespeicherzellen auf Lithium-Ionen-Basis und/oder elektro¬ statische Energiespeicher in Form von Doppelschichtkondesatoren oder sogenannten SuperCaps zum Einsatz.
Sowohl für den Betrieb des Fahrzeugs als auch für das
Energiemanagement der Energiespeichervorrichtung ist die Kenntnis des aktuellen Ladezustands der Energiespeichervorrichtung von herausragender Bedeutung. Unter Ladezustand ist dabei die in der Energiespeichervorrichtung aktuell gespeicherte Ladung im Verhältnis zur Kapazität der
Energiespeichervorrichtung zu verstehen. Oftmals wird der Ladezustand mit den Buchstaben SOC (State Of Charge) abgekürzt. Die Kapazität stellt dabei die von der
Energiespeichervorrichtung maximal speicherbare Ladung dar. Nur durch Kenntnis des aktuellen Ladezustands der Energie¬ speichervorrichtung kann beispielsweise die maximal mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs bei Antrieb mit dem Elektromotor abgeschätzt werden. Wichtig ist der aktuelle Ladezustand auch für die Steuerung der Lade- und Entladevorgänge der Energiespeichervorrichtung. Insbesondere ist ein Abfallen des Ladezustands unter einen kritischen Wert zu vermeiden, um eine Beschädigung der Energiespeichervorrichtung vorzubeugen. Aus dem gleichen Grund sollte auch eine Überladung des Energiespeichers vermieden werden . Bei zahlreichen elektrochemischen und elektrostatischen Energiespeichern besteht zwischen deren Ruhespannung und dem Ladezustand ein funktioneller Zusammenhang, so dass durch Messung der Ruhespannung auf den Ladezustand zurückgeschlossen werden kann. Abhängig vom Typ der verwendeten elektrochemischen/elektro- statischen Energiespeicher kann dieser funktionale Zusammenhang (Kennlinie) in großen Bereichen so ungünstig verlaufen, dass eine ausreichend präzise Bestimmung des Ladezustands basierend auf der Ruhespannung und diesem funktionellen Zusammenhang entweder gar nicht oder nur mit extrem hohem technischen und finanziellen Aufwand möglich ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels denen auf einfache Weise der Ladezustand der Energiespeichervor- richtung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche formuliert.
Ein Verfahren zum Ermitteln des Ladezustandes gemäß Anspruch 1 bezieht sich auf eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher, zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein erster funktionaler
Zusammenhang besteht, und zumindest einem elektrischen Referenz-Energiespeicher, welcher mit dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher in Reihe geschaltet ist und zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein zweiter funktionaler Zusammen- hang besteht, welcher sich vom ersten funktionalen Zusammenhang unterscheidet. Gemäß dem Verfahren werden der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers und der Ladezustand des Refe¬ renz-Energiespeichers zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt. Es wird die Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers zu einem zweiten Zeitpunkt erfasst. Es wird der Ladezustand des Refe¬ renz-Energiespeichers zu dem zweiten Zeitpunkt basierend auf Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers zu dem zweiten Zeit¬ punkt und dem zweiten funktionalen Zusammenhang ermittelt. Es wird der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers zu dem zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt, dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt und dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt. Anschließend wird der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung zum zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers zu dem zweiten Zeitpunkt und dem Ladezustand des mindestens einen Energiespei¬ chers zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt.
Das Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands der elektrischen Energiespeichervorrichtung nützt den Umstand, dass die Energiespeichervorrichtung neben einem oder mehreren elektrischen Energiespeichern bzw. Energiespeicherzellen einen Referenz-Energiespeicher aufweist, dessen funktionaler Zusammenhang zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand eine präzisere und technisch weniger aufwendige Bestimmung des Ladezustands ermög¬ licht, wie dies bei den anderen elektrischen Energiespeichern der Fall ist. Der zweite funktionale Zusammenhang des Refe¬ renz-Energiespeichers kann sich von dem ersten funktionalen Zusammenhang der anderen Energiespeicher beispielsweise insofern unterscheiden, dass eine Änderung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers eine größere Änderung der Ruhespan¬ nung des Referenz-Energiespeichers zur Folge hat als dies bei den anderen Energiespeichern der Fall ist. Ungenauigkeiten in der Messung der Ruhespannung führen daher zu kleineren Fehlern bei der Bestimmung des Ladezustands. Der Ladezustand des Refe¬ renz-Energiespeichers kann daher präziser und mit einem geringe- ren technischen Aufwand bestimmt werden. Da der Referenz-Energiespeicher und der mindestens eine elektrische Energiespeicher in Reihe geschaltet sind, ist die bei einem Lade¬ oder Entladevorgang der Energiespeichervorrichtung auftretende Änderung der in dem Referenz-Energiespeicher und in dem mindestens einen Energiespeicher jeweils gespeicherten Ladung gleich groß. Unter dieser Voraussetzung und unter Kenntnis der jeweiligen Kapazitäten kann daher von einer Änderung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers auf die Änderung des Lade¬ zustands der anderen elektrischen Energiespeicher geschlossen werden. Der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung ergibt sich schließlich aus den Ladezuständen der enthaltenen Energiespeicher. Das Verfahren erlaubt daher eine präzise, technisch einfache und kostengünstige Bestimmung des Ladezustandes der elektrischen EnergieSpeichervorrichtung .
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 erfolgt das Ermitteln des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt basierend auf einer zum ersten Zeitpunkt erfassten Ruhespannung des mindestens einen Energiespeichers und dem ersten funktionalen Zusammenhang.
Diese Vorgehensweise zur Bestimmung des Ladezustands des min¬ destens einen Energiespeichers ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sich die Ruhespannung in Wertebereichen befindet, in denen der erste funktionale Zusammenhang eine ausreichend genaue Bestimmung des Ladezustands erlaubt. Häufig weist der funk¬ tionale Zusammenhang abschnittsweise einen Verlauf auf, bei dem eine Änderung des Ladezustands eine größere Änderung der Ruhespannung zur Folge hat wie in anderen Abschnitten . Fehler in der Messung der Ruhespannung hier geringere Fehler bei der Bestimmung des Ladezustands zur Folge als in den anderen Ab¬ schnitten. Häufig trifft dies auf die Randabschnitte des Verlaufs des funktionalen Zusammenhangs zu. Auf diese Weise kann der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers zum ersten Zeitpunkt mit geringem Aufwand und ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 erfolgt die Ermittlung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt basierend auf einer zum ersten Zeitpunkt erfass- ten Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers und dem zweiten funktionalen Zusammenhang.
Diese Vorgehensweise erlaubt eine schnelle, einfache und genaue Bestimmung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 erfolgt die Ermittlung des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt und/oder die Ermittlung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers zu dem ersten Zeitpunkt nach einem vollständigen Laden der Energiespeichervor- richtung.
Die vollständige Ladung der Energiespeichervorrichtung, d.h. ein Zustand, in dem alle Energiespeicher und der Referenz- Energiespeicher bis zu der jeweiligen maximalen Kapazität gela- den sind, kann beispielsweise nach einem ausreichend langem
Ladevorgang angenommen werden. In diesem Fall können die Ladezustände aller Energiespeicher und des Referenzenergiespeichers mit ausreichender Genauigkeit als 100 Prozent angenommen werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird zur Steuerung eines Ladevorgangs der Energiespeichervorrichtung der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung gleich dem größten der ermittelten Ladezustände von dem Referenz-Energiespeicher und dem mindestens einen Energiespeicher zum zweiten Zeitpunkt gleichgesetzt. Zur Steuerung eines Entladevorgangs der Energie¬ speichervorrichtung wird der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung gleich dem kleinsten der ermittelten Ladezustände von dem Referenz-Energiespeicher und dem mindestens einen Energiespeicher zum zweiten Zeitpunkt gleichgesetzt.
Falls die elektrischen Energiespeicher und der Referenz-Energiespeicher unterschiedliche Ladezustände aufweisen, so richtet sich der Ladezustand der gesamten Energiespeichervor- richtung hinsichtlich eines Ladevorgangs nach dem elektrischen Energiespeicher mit dem höchsten Ladezustand und hinsichtlich eines Entladevorgangs nach dem elektrischen Energiespeicher mit dem geringsten Ladezustand. Dies hängt damit zusammen, dass der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung hinsichtlich eines Ladevorgangs auf den größten Ladezustand der enthaltenen Energiespeicher (und Referenz-Energiespeicher) zu begrenzen ist, um ein Uberladen zu vermeiden. Andererseits ist der Ladezu¬ stand der Energiespeichervorrichtung hinsichtlich eines
Entladevorgangs auf den geringsten Ladezustand der enthaltenen Energiespeicher (und Referenz-Energiespeicher) zu begrenzen, um ein Entladen unterhalb kritischer Grenzwerte zu vermeiden. Diese Ausgestaltungen eignen sich demnach insbesondere dann, wenn der Referenz-Energiespeicher und die anderen Energiespeicher unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, um eine differenzierte Steue¬ rung von Entlade- und Ladevorgängen zu ermöglichen.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 wird die Ruhespannung des mindestens einen Energiespeichers zum zweiten Zeitpunkt gemessen. Es wird ein weiterer Ladezustand für den mindestens einen Energiespeicher zum zweiten Zeitpunkt basierend auf der Ruhespannung und dem ersten funktionalen Zusammenhang ermittelt. Es wird ein Korrekturwert basierend auf dem Lade¬ zustand und dem weiteren Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers zum zweiten Zeitpunkt (t2) ermittelt. Nachfol¬ gende Ermittlungen des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers erfolgen unter Berücksichtigung des Korrekturwerts .
Die Berechnung eines Korrekturwerts ist insbesondere bei unter¬ schiedlichem Alterungsverhalten des Referenz-Energiespeichers und der anderen elektrischen Energiespeicher sinnvoll. So können Alterungsprozesse berücksichtigt werden und die Berechnung des Ladezustands der elektrischen Energiespeichervorrichtung weiter verbessert werden.
Eine elektrische Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 7 verfügt über zumindest einen elektrischen Energiespeicher, zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein erster funktionaler Zusammenhang besteht und zumindest einen elektrischen Referenz-Energiespeicher, welcher mit dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher in Reihe geschaltet ist und zwischen dessen Ladezustand und Ruhespannung ein zweiter
funktionaler Zusammenhang besteht, welcher sich von dem ersten funktionalen Zusammenhang unterscheidet. Ferner weist die elektrische Energiespeichervorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der Ruhespannung des mindestens einen elektrischen Referenz-Energiespeichers auf.
Diese elektrische Energiespeichervorrichtung ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Ladezustands gemäß Anspruch 1. Hinsichtlich der sich daraus ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen zu Anspruch 1 verwiesen. Diese gelten in analoger Weise.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8 weist diese eine weitere Einrichtung zur Erfassung der Ruhespannung des mindestens einen elektrischen Energiespeichers auf.
Durch die Möglichkeit, die Ruhespannung des mindestens einen elektrischen Energiespeichers erfassen zu können, ist der Lade zustand des mindestens eines Energiespeichers durch Messung seiner Ruhespannung und dem ersten funktionalen Zusammenhang direkt bestimmbar, beispielsweise an bestimmten charakte¬ ristischen Punkten oder in bestimmten Abschnitten des ersten funktionalen Zusammenhangs (Kennlinie) . Durch die unmittelbar Ermittlung des Ladezustands des mindestens einen Energiespei chers können Ergebnisse, welche sich durch das erfindungsgemäß Verfahren ergeben, adaptiert werden. Insbesondere bei altersbe dingter Veränderung der Kennwerte des Referenz-Energiespeicher oder des mindestens einen Energiespeichers kann somit die Genauigkeit des Verfahrens zur deutlich gesteigert werden.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9 unterscheiden sich der erste funktionale Zusammenhang und der zweite funktionale Zusammenhang darin, dass gemäß dem ersten Zusammenhang eine Änderung des Ladezustands zu einer kleineren Änderung der Ruhespannung führt als gemäß dem zweiten Zusammenhang.
In diesem Fall stellen der erste funktionale Zusammenhang bzw. der zweite funktionale Zusammenhang charakteristische Kenn¬ linien des mindestens einen Energiespeichers bzw. des Refe¬ renz-Energiespeichers dar. Die Wahl des Referenz-Energiespei¬ chers ist derart, dass sich seine Kennlinie für die Ermittlung seines Ladezustands aus der gemessenen Ruhespannung hinsichtlich der Genauigkeit und des geringeren technischen Aufwands besser eignet, als die Kennlinie der anderen Energiespeicher.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10 weist diese eine Steuervorrichtung auf, welche derart ausgebildet und mit Mitteln versehen ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen kann.
Bezüglich der sich aus dieser Ausgestaltung ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Diese gelten in analoger Weise.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Energie¬ speichervorrichtung;
Figur 2 eine schematische Darstellung der funktionalen Zusammenhänge zwischen Ruhespannung und Ladezustand des Referenz-Energiespeichers und der anderen Energie¬ speicher der Energiespeichervorrichtung;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur
Ermittlung des Ladezustands der elektrischen Energiespeichervorrichtung in Form eines Ablaufdiagramms ; Figur 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Energiespeicher- Vorrichtung 1 weist mehrere elektrische Energiespeicher ZI bis Z5 und einen elektrischen Referenz-Energiespeicher ZRef auf, welche in Reihe geschaltet und innerhalb eines Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind. Ferner sind für den Referenz-Energiespeicher ZRef bzw. für jeden Energiespeicher ZI bis Z5 entsprechende Einrichtungen ERef bzw. El bis E5 vorgese¬ hen, mittels denen die über dem Referenz-Energiespeicher ZRef bzw. den jeweiligen Energiespeichern ZI bis Z5 messbare Spannungen URef bzw. Ul bis U5 messbar sind. An der Außenseite des Gehäuses angeordnete Pole 3, 4 sind mit der Reihenschaltung, bestehend aus dem Referenz-Energiespeicher ZRef und den Energiespeichern ZI bis Z5, derart elektrisch verbunden, dass eine Stromentnahme und auch eine Stromzufuhr von außen möglich ist.
Die Energiespeichervorrichtung umfasst ferner eine Steuerein- richtung 5, welche mit den Polen 3, 4, dem Referenz-Energiespeicher ZRef, den Energiespeichern ZI bis Z5 und den Einrichtungen zur Spannungsmessung ERef, El bis E5 elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 5 ist derart ausgebildet und mit Mitteln ausgestattet, dass sie die Stromzufuhr (Ladevorgang) zu dem Referenz-Energiespeicher ZRef und den Energiespeichern ZI bis Z5 und auch die Stromentnahme (Entladevorgang) von dem Referenz-Energiespeicher ZRef und den Energiespeichern ZI bis Z5 von außen über die Pole 3, 4 steuern kann. Ferner ist die Steuereinrichtung 5 derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie die über dem Referenz-Energiespeicher ZRef und die einzelnen Energiespeicher ZI bis Z5 messbare Spannungen URef, Ul bis U5 mittels der Einrichtungen ERef, El bis E5 zur Spannungsmessung erfassen kann. In der Steuervorrichtung 5 sind ferner Steuer- und Rechenprogramme in Form von Software implementiert, welche derart ausgebildet sind, dass sie Verfahren, wie sie anhand der Figuren 3 bis 4 näher erläutert werden, ausführen kann. Anhand von Figur 2 werden der Referenz-Energiespeicher ZRef und die anderen Energiespeicher ZI bis Z5 näher erläutert.
Sowohl bei dem Referenz-Energiespeicher ZRef als auch bei den anderen Energiespeichern ZI bis Z5 kann es sich um elektrochemische Energiespeicherzellen, vorzugsweise auf Lithium-Ionen- Basis, und/oder um elektrostatische Energiespeicher, vorzugs¬ weise Doppelschichtkondensatoren oder sogenannte SuperCaps, handeln. Wie bereits weiter oben geschildert wurde, ist die Kenntnis des aktuellen Ladezustands der Energiespeichervorrichtung 1 sowohl für die Steuerung der Lade- und Entladevorgänge als auch für die Betriebsstrategie eines mit dieser Energiespeichervorrichtung 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) von hoher Bedeutung.
Bei derartigen elektrochemischen Energiespeichern besteht im Allgemeinen ein funktioneller Zusammenhang (Kennlinie) zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand. Unter Ruhespannung ist im Folgenden die über dem jeweiligen Energiespeicher messbare Spannung ohne Stromentnahme oder Stromzufuhr zu verstehen. Je nach Ausführung des elektrischen Energiespeichers (z.B. Art der Kathode, Art der Anode, Art des Elektrolyts bei elektrochemischen Energiespeichern) kann der funktionale Zusammenhang bzw. die Kennlinie unterschiedlich ausfallen.
In Figur 2 sind beispielhaft und rein schematisch zwei unterschiedliche funktionale Zusammenhänge bzw. Kennlinien Kl, K2 für zwei unterschiedliche Typen von elektrochemischen Energiespei¬ chern dargestellt.
Der mit Kl bezeichnete, erste funktionale Zusammenhang weist in weiten Bereichen einen sehr flachen Verlauf auf, wie er beispielsweise bei elektrochemischen Energiespeichern mit
Lithium-Eisenphosphat als Aktivmaterial der positiven Elektrode auftritt. Auch größere Änderungen des Ladezustands SOC haben eine relativ geringe Änderung der Ruhespannung UR zur Folge. Dadurch führen auch schon geringe Fehler bei der Bestimmung der Ruhespannung UR zu erheblichen Fehlern bei der Bestimmung des Ladezustan- des SOC. Bei einer Energiespeichervorrichtung, welche ausschließlich aus Energiespeichern dieses Typs besteht, ist die Bestimmung des Ladezustands SOC basierend auf dem ersten funktio¬ nalen Zusammenhang Kl entweder sehr ungenau oder nur mit sehr hohem technischen Aufwand hinsichtlich einer sehr präzisen Ruhespannungsmessung zu bewerkstelligen.
Der mit K2 bezeichnete, zweite funktionale Zusammenhang weist - im Vergleich zum Verlauf des ersten funktionalen Zusammenhangs Kl - in weiten Bereichen einen deutlich steileren Verlauf auf. Ein derartiger Verlauf tritt beispielsweise bei elektrochemi¬ schen Energiespeichern mit Lithium-Manganspinell als Aktivmate¬ rial der positiven Elektrode auf. Änderungen des Ladezustands führen im Vergleich zur Kennlinie Kl zu einer deutlich größeren Änderung der Ruhespannung UR. Fehler bei der Bestimmung der Ruhespannung UR haben geringere Fehler bei der Bestimmung des Ladezustandes SOC zur Folge. Die Bestimmung des Ladezustand SOC nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang K2 ist daher deutlich robuster und mit geringerem technischen Aufwand zu schaffen.
Der erste funktionale Zusammenhang Kl und der zweite funktionale Zusammenhang K2 unterscheiden sich daher insofern, dass eine Änderung des Ladezustands SOC gemäß dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl zu einer geringeren Änderung der Ruhespannung UR führt als gemäß dem zweiten funktionalen Zusammenhang K2.
Dieser Unterschied zwischen dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl und dem zweiten funktionalen Zusammenhang K2 gilt zumindest über weite Bereiche der jeweiligen Kennlinien Kl und K2. Wie aus Figur 2 hervorgeht, kann jedoch auch der erste funktionale
Zusammenhang Kl abschnittsweise hinsichtlich der Bestimmung des Ladezustands aus der Ruhespannung einen günstigen, d.h. fehlerrobusten Verlauf haben. Im Ausführungsbeispiel der Kennlinie Kl sind dies vor allem die Bereiche zwischen 5 und 12 % Ladezustand SOC und zwischen 90 und 100 % Ladezustand SOC. In diesen Bereichen wäre die Ermittlung des Ladezustands SOC auch alleine aus dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl mit ausreichender
Genauigkeit möglich. Im Bereich zwischen 12% bis 90% Ladezustand SOC treten jedoch die oben bereits erläuterten Probleme bei der Bestimmung des Ladezustands auf.
Die unterschiedlichen funktionalen Zusammenhänge Kl und K2 zwischen der Ruhespannung UR und dem Ladezustand SOC von elektrochemischen Energiespeichern unterschiedlichen Typs werden nun genutzt, um den Ladezustand der Energiespeichervorrichtung 1 mit höherer Genauigkeit bei geringerem technischen Aufwand zu bestimmen.
Für die in Figur 1 dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 sei daher angenommen, dass für die Energiespeicher ZI bis Z5 der erste funktionale Zusammenhang Kl (siehe Figur 2) und für den Referenz-Energiespeicher ZRef der zweite funktionale Zusammenhang K2 gilt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß Figur 1 näher erläutert.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung des Ladezustandes SOC der Energiespeichervorrichtung 1 in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt. Das Verfahren beginnt mit Schritt 300, beispielsweise kurz bevor der Fahrer eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs (nicht dargestellt) das Fahrzeug startet.
Das Verfahren fährt in Schritt 310 mit der Ermittlung der Ladezu- stände der Energiespeicher ZI bis Z5 und des Referenz- Energiespeichers ZRef zu einem ersten Zeitpunkt fort.
Die Ermittlung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers ZRef zum ersten Zeitpunkt kann beispielsweise basierend auf einer zum ersten Zeitpunkt erfassten Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers ZRef und dem zweiten funktionalen
Zusammenhang K2 (siehe Figur 2) erfolgen. Dies ist dann möglich, wenn kein Stromfluss von und zu der Energiespeichervorrichtung 1 besteht, also die Energiespeichervorrichtung 1 weder geladen noch entladen wird. Eine solche Situation ergibt sich beispiels¬ weise bei einem abgestellten Fahrzeug oder, im Falle eines Hybridfahrzeugs, wenn das Fahrzeug alleine von dem Verbrennungs¬ motor angetrieben und die Energiespeichervorrichtung 1 nicht geladen wird. Zur Erfassung der Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers ZRef zum ersten Zeitpunkt misst die Steuervorrichtung 5 mittels der Einrichtung ERef die Spannung URef über dem Referenz-Energiespeicher ZREF.
Auch die Ermittlung der einzelnen Ladezustände der Energiespeichers ZI bis Z5 zum ersten Zeitpunkt können basierend auf den jeweils erfassten RuheSpannungen der einzelnen Energiespeicher ZI bis Z5 zum ersten Zeitpunkt und dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl (siehe Figur 2) erfolgen. Voraussetzung ist auch hier, dass kein Stromfluss von und zur
Energiespeichervorrichtung 1 besteht. Ferner ist diese Vorgehensweise nur dann ausreichend genau, falls die Werte der jeweiligen Ruhespannungen zum ersten Zeitpunkt in geeigneten Wertebereichen liegen, in denen der erste funktionale Zusammenhang eine größere Fehlerrobustheit aufweist. Mit Verweis auf Figur 2 wären beispielsweise Werte der Ruhespannungen zwischen 2,7 bis 3,3 Volt und zwischen 3,6 bis 3,7 Volt geeignet, da die Kennlinie Kl in diesen Wertebereichen für die Ruhespannung eine größere Steigung aufweist. Zur Erfassung der Ruhespannungen der Energiespeichers ZI bis Z5 misst die Steuervorrichtung 5 mittels der Einrichtungen El bis E5 die einzelnen Spannungsabfälle Ul bis U5 an den Energiespeichern ZI bis Z5.
Die funktionalen Zusammenhänge Kl und K2 können beispielsweise in Form von Kennfeldern für Wertepaare von Ruhespannung und Ladezustand im Speicher der Steuervorrichtung 5 abgespeichert sein. Zwischen den Stützstellen der Kennfelder kann interpoliert werden .
Nach einem ausreichend langen Ladevorgang der
Energiespeichervorrichtung kann angenommen werden, dass die Energiespeichervorrichtung 1 vollständig geladen ist, bei- spielsweise nach dem Laden der Energiespeichervorrichtung über ein externes Lagegerät oder, bei einem Hybridfahrzeug, nach langer Ladezeit durch den Verbrennungsmotor (z.B. bei seriellem Hybrid) . Liegt der erste Zeitpunkt daher nach einer solchen vollständigen Ladung der Energiespeichervorrichtung 1 ohne dass wieder eine Entladung stattgefunden hat, so können die Ladezustände der Energiespeicher ZI bis Z5 und der des Referenz-Energiespeichers zum ersten Zeitpunkt mit guter Näherung als 100% angenommen werden.
Das Verfahren fährt mit Schritt 320 fort, in dem die Ruhespannung des Referenzenergiespeichers ZRef zu einem zweiten Zeitpunkt durch die Steuervorrichtung 5 mittels der Einrichtung ERef erfasst wird. Zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt können beliebige Lade- und Entladevorgänge der Energiespeichervorrichtung stattgefunden haben.
In Schritt 330 ermittelt die Steuervorrichtung basierend auf der in Schritt 320 erfassten Ruhespannung und dem zweiten
funktionalen Zusammenhang K2 (siehe Figur 2) den Ladezustand des Referenz-Energiespeichers zum zweiten Zeitpunkt.
In Schritt 340 ermittelt die Steuervorrichtung die einzelnen Ladezustände eines jeden Energiespeichers ZI bis Z5 zum zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezustand des jeweiligen Energie¬ speichers ZI bis Z5 zum ersten Zeitpunkt (Schritt 310), dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers ZRef zum ersten Zeit¬ punkt (Schritt 310) und dem Ladezustand des
Referenz-Energiespeichers ZRef zum zweiten Zeitpunkt (Schritt 330) .
Da der Referenz-Energiespeicher ZRef und die anderen Energiespeicher ZI bis Z5 in Reihe geschaltet sind, ist die zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt aufgetretene Änderung der Ladung DQ aufgrund zwischenzeitlich erfolgter Lade- und Entladevorgängen für alle Energiespeicher ZI und Z5 und dem Referenz-Energiespeicher ZRef gleich groß. Unter dieser Annahme können die Ladezustände der Energiespeicher ZI bis Z5 zum zweiten Zeitpunkt aufgrund folgender Überlegungen bestimmt werden:
Der Ladezustand SOC ergibt sich allgemein aus der gespeicherten Ladung Q und der Kapazität K des jeweiligen Energiespeichers ZRef, ZI bis Z5:
SOC = ^ (1)
K Die Änderung der auf dem Referenz-Energiespeicher ZRef gespeicherten Ladung DQZREF aufgrund zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt erfolgten Lade- und
Entladevorgänge ergibt sich durch: AQZREF = KZ Ref (SOCREF(tl) - SOCREF(t2)) ( 2 ) wobei KZRef die Kapazität des Referenz-Energiespeichers ZREF, SOCREF(tl) der Ladezustand des Referenz-Energiespeichers ZREF zum ersten Zeitpunkt tl und SOCREF(t2) der Ladezustand des Referenz-Energiespeichers ZREF zum zweiten Zeitpunkt t2 darstel¬ len .
Zusammenhang (2) gilt analog für die Energiespeicher ZI bis Z5: AQZi = KZi x {SOCZi(t\)- SOCZi(t2)) ; mit i=l bis 5 (3)
Wie oben bereits erläutert, ist die Änderung der Ladung für eden Energiespeicher ZRef, ZI bis Z5 gleich. Daher gilt: AQZRef = AQZi ; mit i=l bis 5 (4)
Dadurch kann für jeden Energiespeicher ZI bis Z5 dessen Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt ermittelt werden:
KZ Re f
SOCZi(t2) = SOCZi(tl) (SOCRe /(tl)- SOCRe f(t2)) ( 5 )
KZi
mit i=l bis 5 In einer Variante kann das Verfahren mit den Verfahrensabschnitt 350 fortfahren, in dem Korrekturwerte für die Ladezustände der Energiespeicher ZI bis Z5 ermittelt werden. Diese Alternative wird weiter unten in Verbindung mit Figur 4 näher erläutert.
Anderenfalls fährt das Verfahren mit Schritt 370 fort, in dem der Ladezustand der elektrischen Energiespeichervorrichtung 1 für Entladevorgänge gleich dem geringsten der ermittelten Ladezu- stände des Referenz-Energiespeichers ZRef und der anderen Ener¬ giespeicher ZI bis Z5 zum zweiten Zeitpunkt und für Ladevorgänge dem größten der ermittelten Ladezustände des Referenz-- Energiespeichers ZRef und aller anderen Energiespeicher ZI bis Z5 zum zweiten Zeitpunkt gleich gesetzt wird.
Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, dass in einer Reihenschaltung aus Energiespeichern Entladevorgänge durch den Energiespeicher mit dem geringsten Ladezustand und Ladevorgänge durch den Energiespeicher mit dem höchsten Ladezustand begrenzt sind.
Das Verfahren wird mit Schritt 380 beendet, dann jedoch zu vorgegebenen Zeitpunkten neu gestartet werden. Anhand von Figur 4 wird der alternative Verfahrensabschnitt 350 näher erläutert.
Im Schritt 351 werden die Ruhespannungen der Energiespeicher ZI bis Z5 zum zweiten Zeitpunkt mittels der zugehörigen Einrichtun- gen El bis E5 durch die Steuereinrichtung 5 gemessen.
Das Verfahren fährt mit Schritt 352 fort, in dem für jeden Energiespeicher ZI bis Z5 überprüft wird, ob die jeweils ermit¬ telte Ruhespannung zum zweiten Zeitpunkt in einem jeweils zugeordneten, vorgegebenen Wertebereich liegt. Mit Verweis auf Figur 2 und die zugehörigen Ausführungen würden diese Wertebereiche im Ausführungsbeispiel beispielsweise zwischen 2,7 und 3,4 V und zwischen 3,5 V und ca. 3,7 V liegen, da in diesen Bereichen die Kennlinie ZI (erster funktionaler Zusammenhang) einen steileren Verlauf aufweist. Liegt die Ruhespannung zum zweiten Zeitpunkt des jeweiligen Energiespeichers ZI bis Z5 innerhalb einem dieser Wertebereiche, so kann aufgrund des steileren Verlaufs der Kennlinie in diesen Wertebereichen ein weiterer Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt des jeweiligen Energiespei¬ chers ZI bis Z5 unmittelbar durch den ersten funktionellen Zusammenhang Kl ermittelt werden. Liegt dagegen die ermittelte Ruhespannung zum zweiten Zeitpunkt des jeweiligen Energiespeichers ZI bis Z5 außerhalb dieser Wertebereiche, so ist eine unmittelbare Ermittlung des Ladezustandes basierend auf dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl zu ungenau und daher nicht sinnvoll (flacher Verlauf der Kennlinie Z) .
Wird in Schritt 352 daher erkannt, dass die Ruhespannung des jeweiligen Energiespeichers ZI bis Z5 nicht innerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, so fährt das Verfahren mit Schritt 360 in Figur 3 fort.
Wird jedoch erkannt, dass die Ruhespannungen zum zweiten Zeitpunkt der jeweiligen Energiespeichers ZI bis Z5 innerhalb dieser Wertebereiche liegen, so ist, wie oben ausgeführt, eine Ermittlung eines weiteren Ladezustands zum zweiten Zeitpunkt des jeweiligen Energiespeichers ZI bis Z5 aufgrund des ersten funk¬ tionellen Zusammenhangs Kl sinnvoll.
Das Verfahren fährt in diesem Fall mit Schritt 353 fort, in dem für jeden Energiespeicher ZI bis Z5 ein weiterer Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt basierend auf der ermittelten zugehörigen Ruhespannung zum zweiten Zeitpunkt und dem ersten funktionalen Zusammenhang Kl ermittelt wird.
Das Verfahren fährt anschließend mit Schritt 354 fort, in dem für jeden Energiespeicher ein Korrekturwert basierend auf dem in Schritt 353 ermittelten Wert für den weiteren Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt und seinen gemäß Schritt 340 (Figur 4) ermit¬ telten Wert für den Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt bestimmt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Korrekturwert um einen Korrekturfaktor handeln, welcher aus dem Quotienten des Ladezustands und dem weiteren Ladezustand ergibt. Alternativ kann es sich auch um eine gewichtete Differenz handeln. Das Verfahren fährt mit Schritt 360 (sieh Figur 3) fort, in dem für jeden Energiespeicher ZI bis Z5 ein korrigierter Ladezustand zum zweiten Zeitpunkt basierend auf dem in Schritt 340 ermittel¬ ten Ladezustand und dem zuletzt ermittelten Korrekturwert ermit¬ telt wird. Die Korrekturwerte werden beim allerersten Start des Verfahrens mit 1 initialisiert. Bei den nachfolgenden Durchläu¬ fen des Verfahrens werden immer die zuletzt ermittelten
Korrekturwerte abgespeichert und bei der Ermittlung der korrigierten Ladezustände verwendet. Das Verfahren fährt dann mit Schritt 370 (Figur 4) fort und anschließend beendet.
Der Vorteil dieses alternativen Verfahrensabschnitts ist, dass unterschiedliches Alterungsverhalten der Energiespeicher ZI bis Z5 und des Referenz-Energiespeichers ZRef auf einfache Weise bei der Berechnung des Ladezustands der Energiespeichervorrichtung berücksichtigt werden. Dadurch wird die Genauigkeit des Verfah¬ rens weiter gesteigert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands (SOC) einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (1), welche auf- weist
zumindest einen elektrischen Energiespeicher (ZI bis Z5) , zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein erster funktionaler Zusammenhang (Kl) besteht, und
zumindest einen elektrischen Referenz-Energie- Speicher (ZRef), welcher mit dem mindestens einen elekt¬ rischen Energiespeicher (ZI bis Z5) in Reihe geschaltet ist und zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein zweiter funktionaler Zusammenhang (K2) besteht, welcher sich vom ersten funktionalen Zusammenhang (Kl) unterscheidet wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
Ermitteln des Ladezustands des mindestens einen Ener¬ giespeichers (ZI bis Z5) zu einem ersten Zeitpunkt (tl)
Ermitteln des Ladezustands des Refe¬ renz-Energiespeichers (ZRef) zu dem ersten Zeitpunkt (tl), - Erfassen der Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu einem zweiten Zeitpunkt,
Ermitteln des Ladezustands des Refe¬ renz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt basie¬ rend auf Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt und dem zweiten funktionalen Zusammenhang (K2 ) ,
Ermitteln des Ladezustands des mindestens einen Ener¬ giespeichers (ZI bis Z5) zu dem zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (ZI) zu dem ersten Zeitpunkt, dem Ladezustand des Refe¬ renz-Energiespeichers (ZRef) zu dem ersten Zeitpunkt und dem Ladezustand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt
Ermitteln des Ladezustands der Energiespeichervor- richtung (1) zum zweiten Zeitpunkt basierend auf dem Ladezu¬ stand des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem zweiten Zeitpunkt und dem Ladezustand des mindestens einen Energie¬ speichers (ZI bis Z5) zu dem zweiten Zeitpunkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) zu dem ersten Zeitpunkt basierend auf einer zum ersten Zeitpunkt erfassten Ruhespannung des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) und dem ersten funktionalen Zusammenhangs (Kl) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Ermitt¬ lung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem ersten Zeitpunkt basierend auf einer zum ersten Zeit¬ punkt erfassten Ruhespannung des Referenz-Energiespeichers (ZRef) und dem zweiten funktionalen Zusammenhang (K2) erfolgt .
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) zu dem ersten Zeitpunkt und/oder die Ermittlung des Ladezustands des Referenz-Energiespeichers (ZRef) zu dem ersten Zeitpunkt nach einem vollständigen Laden der Energiespeichervorrichtung (1) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Steuerung eines Ladevorgangs der Energiespeichervorrichtung (1) der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung (1) gleich dem größten der Ladezustände von dem Referenz-Energiespeicher (ZRef) und dem mindestens einen Energiespeicher (ZI bis Z5) zum zweiten Zeitpunkt gleichgesetzt wird und zur Steuerung eines Entladevorgangs der Ener¬ giespeichervorrichtung der Ladezustand der Energiespeichervorrichtung (1) gleich dem kleinsten der Ladezustände von dem Referenz-Energiespeicher (ZRef) und dem mindestens einen Energiespeicher (ZI bis Z5) zum zweiten Zeitpunkt gleichgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
- die Ruhespannung des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) zum zweiten Zeitpunkt gemessen wird, - ein weiterer Ladezustand für den mindestens einen Energie¬ speicher (ZI bis Z5) zum zweiten Zeitpunkt basierend auf des¬ sen Ruhespannung und dem ersten funktionalen Zusammenhang (Kl) ermittelt wird,
- ein Korrekturwert basierend auf dem Ladezustand und dem weiteren Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) zum zweiten Zeitpunkt ermittelt wird,
- nachfolgende Ermittlungen des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers (ZI bis Z5) unter Berücksichtigung des Korrekturwerts erfolgen.
Elektrische Energiespeichervorrichtung (1) mit
- zumindest einem elektrischen Energiespeicher (ZI bis Z5) , zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein erster funktionaler Zusammenhang (Kl) besteht,
- zumindest einem elektrischen Referenz-Energiespeicher (ZRef ) , welcher mit dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher (ZI bis Z5) in Reihe geschaltet ist und zwischen dessen Ruhespannung und Ladezustand ein zweiter funktionaler Zusammenhang (K2) besteht, welcher sich vom ersten funktionalen Zusammenhang (Kl) unterscheidet
- einer Einrichtung (ERef) zur Erfassung der Ruhespannung des mindestens einen elektrischen Referenz-Energiespeichers (ZRef) .
Elektrische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 7 , mit mindestens einer weiteren Einrichtung (El bis E5) zur Erfassung der Ruhespannung des mindestens einen elektrischen Energiespeichers (ZI bis Z5) .
Elektrische Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei sich der erste funktionale Zusammen¬ hang (Kl) und der zweite funktionale Zusammenhang (K2) insofern unterscheiden, dass sich bei einer Änderung des Ladezustands gemäß dem ersten funktionalen Zusammenhang (Kl) eine kleinere Änderung der Ruhespannung ergibt wie gemäß dem zwei¬ ten funktionalen Zusammenhang (K2) . Elektrische Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, mit einer Steuervorrichtung (5), welche derart ausgebildet und mit Mitteln versehen ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen kann.
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