WO2012139904A1 - Verfahren zur zyklischen bestimmung des ladezustandes eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

Verfahren zur zyklischen bestimmung des ladezustandes eines elektrischen energiespeichers Download PDF

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WO2012139904A1
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energy storage
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Klaus GREGER
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration

Definitions

  • the invention relates to a method for the cyclical determination of a state of charge of an electrical energy store, in particular ⁇ an electrochemical energy storage device for a motor vehicle with electric or hybrid drive.
  • the propulsion of the vehicle is carried out at least intermittently by an electric motor.
  • the electric motor is powered by a powerful Energyspei ⁇ chervorraum (battery) with electrical energy.
  • the electrical energy storage device comprises a larger number of series-connected, electrochemical and / or electrostatic energy stores (battery cells).
  • battery cells battery cells
  • the state of charge is understood to mean the charge currently stored in the individual energy store in relation to the capacity of the respective energy store. Often the state of charge is abbreviated by the letters SOC (State Of Charge). The capacity represents thereby the maximum of the energy storage device storable charge. Only by knowing the current state of charge of the energy ⁇ memory, for example, the maximum possible range of the motor vehicle when driven by the electric motor can be estimated. It is important to know the current state of charge as well for the control of the charging and discharging the energy ⁇ memory. 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 stores. For the same reason, overcharging of the energy store should also be avoided.
  • an output charge state is determined at a suitable moment-for example, when the energy store is neither charged nor discharged-based on the most accurate possible measurement of the rest voltage of the energy store.
  • Discharge processes changing state of charge of the energy storage is determined by the temporal integration of the incoming and outgoing current.
  • this method requires extremely high on ⁇ requirements on the accuracy of to taking place current measurement.
  • the cost of the necessary current measuring device are therefore considerable.
  • Even small measurement errors are accumulated by the integration of the flowing current to the extent that over a longer period of operation considerable errors in the determination of the state of charge result.
  • a current-based state of charge is determined for the current determination cycle based on the state of charge of the preceding determination cycle and a change in charge in the energy store between the current determination cycle and the preceding determination cycle. It will be one Quiescent voltage of the energy storage determined and based on a voltage-based state of charge determined. It will be
  • the charge ⁇ condition for the current cycle is determined based on the current-based state of charge and the correction value.
  • the underlying idea of the invention is the fact that the current-based state of charge is inaccurate due to the often error-prone ⁇ current measurement is corrected at j edem calculation cycle.
  • the correction value results from the current-based state of charge and a voltage-based state of charge, which is determined based on the rest voltage of the energy ⁇ memory.
  • This method allows a much more accurate determination of the state of charge of the energy storage, without that very high demands on the accuracy of the current measurement must be met. Thus, the costs incurred for the current measurement costs can be significantly reduced.
  • the rest voltage of the energy storage is determined at edem start of the method and based on an initialization value for the state of charge of the electrical energy storage determined.
  • an off ⁇ output value (initialization value) may be necessary for the state of charge.
  • initialization value For cyclic determination of the charge state of an off ⁇ output value (initialization value) may be necessary for the state of charge.
  • This functional relationship can be stored, for example, in the form of a value table in a correspondingly designed control device, wherein intermediate values can be determined by interpolation.
  • the current is measured to determine the change in charge, which flows to the energy store or flows away from it.
  • the voltage is measured at the energy storage to determine the quiescent voltage of the energy storage.
  • the quiescent voltage of the energy store is determined based on the measured value of the voltage at the energy store and a voltage drop across the internal resistance of the energy store. Otherwise, the quiescent voltage of the energy store is set equal to the measured value of the voltage at the energy store.
  • any inaccuracies in this type of quiescent voltage determination can be taken into account by a correspondingly weak weighting of the correction value in the determination of the state of charge.
  • the quiescent voltage of the energy store in the state in which the energy store is discharged or charged, is additionally determined based on a time-dependent correction term.
  • age-related influences e.g.
  • the time-dependent correction term can be determined experimental ⁇ Mentell for example, that the aging-related factors can be approximated to the rest voltage with good accuracy.
  • the correction value for determining the state of charge for the current determination cycle is weighted.
  • the method can be optimally adapted to different energy storage types or different environmental conditions.
  • the nature and value of the weight for example, experimentally, he ⁇ follow.
  • the accuracy of the method can be further improved.
  • a control device for an energy storage according to claim 7 is designed and provided with means that it can perform the method according to one of claims 1 to 6.
  • An energy storage device comprises at least one electrical energy store and a control device according to claim 7.
  • Figure 1 is a schematic representation of a Energyspei ⁇ chervorraum for a hybrid or electric vehicle, which has a plurality of energy storage;
  • Figure 3 is a schematic representation of a functional
  • Figure 4 shows an embodiment of a method for zyk ⁇ metallic charge state determination in the form of a flowchart.
  • the Energy 1 shows an embodiment of a Energyspei ⁇ chervorraum 1 is shown schematically.
  • the Energyspei ⁇ chervoroplasty 1 has a plurality of electrical energy storage ESI to ES6, which are connected in series and arranged within a housing 2 of the power storage device.
  • ESI to ES6 electrical energy storage
  • 1 For the energy saving, it is preferably elekt ⁇ Roche mix energy storage cells, for example to Lithi ⁇ -ion basis, but can also electrostatic energy ⁇ store, preferably double-layer capacitors or so-called super caps, may be used.
  • devices E1 to E6 are provided by means of which the voltages U1 to U6 measurable at the respective energy store ESI to ES6 can be measured.
  • Arranged on the outside of the housing poles 3, 4 are so electrically connected to the series circuit of the energy storage ESI to ES6 that a current drain (discharge) and a power supply (charging) from the outside is possible.
  • the energy storage device 1 has a control device 5, which is electrically connected to the poles 3, 4, energy storage ESI to ES6 and the devices for measuring voltage El to E6.
  • the control device 5 is designed and equipped with means that it can control the power supply (charging) to the energy storage ESI to ES6 and also the current drain (discharge) of the energy storage ESI to ES6. Furthermore, the control device 5 is designed and provided with means such that it can detect the voltages U1 to U6 measured by the devices E1 to E6 at the energy stores. The control device is further designed and provided with means that it can perform a method for determining the charge states of the energy storage ESI to ES6, as explained in more detail below with reference to Figure 4. For this purpose, the control device has, for example, a memory unit 6, a computer unit 7 and a
  • the current measuring device 8 on.
  • control and computing programs in the form of software and data are stored, which are called and executed by the arithmetic unit 7.
  • the current measuring device 8 is designed such that it can measure the current flowing to the energy stores ESI to ES6 (during charging processes) and the current flowing away from the energy stores (discharging processes).
  • ⁇ is diagram of the electrochemical energy storage ESI ES6 to the energy storage device 1 shown.
  • the voltage U which can be measured at the energy store is composed essentially of the rest voltage UR and, if a current I flows, of a voltage Uri dropping at an internal resistance Ri.
  • the internal resistance Ri of the energy storage can be determined experimentally and is therefore known. A different voltage proportion is dependent on numerous factors, such as environmental conditions (temperature), age of the energy storage device, the course of the charging and discharging processes, the amount of the flowing current, etc.) and the state of charge.
  • the other voltage component is shown in FIG. 2 by two RC elements RC1 and RC2 and symbolizes the voltage URC1, URC2 dropping across it (at current flow). This other voltage component is not measurable, but can only be approximated by suitable functions.
  • FIG. 3 shows such a functional relationship by way of example and purely schematically.
  • the functional relationship can be stored, for example, in the form of a table in the memory unit 6 of the control device 5. With knowledge of the rest voltage can thus be concluded in a simple way to the state of charge.
  • the method starts, for example, a short time before starting a hybrid or electric vehicle (not shown) to which the energy storage device 1 is assigned.
  • Triggers for the start of the process may be operations that on the early start of the hybrid or electric vehicle, such as opening a driver's door, plugging an ignition key or pressing a start button by the driver.
  • Electric vehicle are the energy storage device 1 and the energy storage ESI contained ESI to ES6 often load-free, ie the energy storage device 1 and the energy storage ESI to ES6 are neither charged nor discharged.
  • the current is measured continuously by means of the current measuring device 8, which current is fed to the energy storage device (charging process) or discharged therefrom (discharge process).
  • the current value of the current is available at any time.
  • the voltage Ul is measured at the energy store ESI by means of the associated measuring device El and based on this, the quiescent voltage of the energy store ESI is determined.
  • the energy storage ESI to this
  • the quiescent voltage URI of the energy store ESI is based on the value of the voltage U1 measured at step 400 on the energy store ESI and the voltage drop URil caused by the current flow Internal resistance Ri of the energy storage ESI determined (see Figure 2). This can be done with, for example, the following relationship:
  • a time-dependent correction term KRC which maps the other voltage component (see explanations to FIG. 2) in the energy store ESI, can additionally be taken into account when determining the rest voltage:
  • the correction term KRC may, for example, be an exponential function to be determined empirically.
  • the correction term KRC can depend on several parameters, such as the temperature of the energy store ESI, the time, the amount of the incoming and outgoing current or the time course of charging and discharging operations, etc.
  • the quiescent voltage URI of the energy storage ESI can also be determined during a loading or unloading process that is already taking place with better accuracy.
  • an initialization value (initial value) SOC0 for the state of charge of the energy storage ESI is determined. This is advantageously carried out on the basis of the functional relationship shown in FIG. By way of example, the determination of a state of charge SOC1 under the knowledge of a rest voltage UR1 is shown there.
  • step 410 a current-based state of charge is determined SOCI based on the determined in the preceding determination cycle state of charge of the energy storage ESI and made in the period between the preceding determination cycle and the current determination ⁇ cycle due to loading or unloading cargo change eq in the energy storage ESI. Because no determination cycle was passed through ⁇ prior to the first determination cycle yet, is used as the value for the state of charge of the previously ⁇ preceding determination cycle, alternatively, the determined in step 400, initialization SOC0 for the charging state.
  • the period of time elapsed between the determination of the initial value SOC0 for the state of charge and the first determination cycle is considered.
  • C represents the capacity (the maximum storable by the energy storage ESI amount of charge), which is known for each ⁇ cock energy storage ESI.
  • the charge change ⁇ Q can be determined, for example, by the time integration of the current supplied to the energy store ESI during a charging process and / or during a discharging process:
  • step 420 in which the voltage Ul at the energy store ESI is measured by means of the corresponding measuring device El.
  • step 430 in which the open-circuit voltage UR1 at the energy store ESI is determined based on the voltage U1 measured at the energy store ESI (step 420). Depending on whether or not the energy store ESI is load-free, the determination of the rest voltage is made in the two ways already described with reference to step 400.
  • step 440 in which a voltage based state of charge SOCU is determined based on the quiescent voltage UR1 determined in step 430. This too can be done on the basis of the functional relationship shown in FIG.
  • a correction value K is determined based on the voltage-based state of charge SOCU and the current-based state SOCI.
  • the correction value K can, for example, be based on a difference between the span voltage-based state of charge SOCU and the current-based state of charge SOCI.
  • the correction value K may also be based on a ratio of the voltage-based state of charge SOCU and the current-based state of charge SOCI.
  • step 460 in which the state of charge SOCI for the first determination cycle based on the current-based state of charge SOCI and the correction value K is a ⁇ mediated.
  • the state of charge SOCI for the first determination cycle can advantageously be determined by a difference between the current-based state of charge SOCI and the correction value K multiplied by a weighting factor w:
  • w 0.001 at a repetition rate for the determination cycles of 1 kHz
  • this procedure can be adapted to the actual conditions by a higher weighting of the correction value.
  • This may for example be based on bor needle La ⁇ .
  • the state of charge for a current passage of a determination ⁇ cycle based on a product of the flow-based charging ⁇ state and the correction value consisting of a weighted quotient of the voltage-based state of charge and the current-based state of charge:
  • the weak weighting of the correction value prevents a negative influence of a defect-adhering correction value on the accuracy of the method over a longer period.
  • the process returns to step 410 and the second determination cycle is started.
  • the determination of the current-based state of charge SOCI then takes place on the basis of the determined during the first cycle of determination state of charge SOCI and in the period between the first determination cycle and the second cycle of determination made charge change ⁇ Q.
  • the determination cycles can be performed periodically at predetermined time intervals from the start. Depending on the application, these time intervals can be carried out in the order of fractions of a second to minutes.
  • the described method offers the advantage of also determining the current state of charge of the energy store during charging or discharging operations with high accuracy. Due to the cyclic consideration of said correction value K, an accumulation of errors caused by inaccuracy in the current measurement is largely eliminated, so that costs can be saved due to the lower technical requirements for current measurement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zyklischen Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers (ES1). Dabei wird zum aktuellen Bestimmungszyklus ein strombasierter Ladezustand basierend auf dem Ladezustand des vorhergehenden Bestimmungszyklus und einer zwischen dem aktuellen Bestimmungszyklus und dem vorhergehenden Bestimmungszyklus erfolgten Ladungsänderung im Energiespeicher (ES1) bestimmt. Es werden eine Ruhespannung des Energiespeichers (ES1) und darauf basierend ein spannungsbasierter Ladezustand ermittelt. Es wird ein Korrekturwert basierend auf dem strombasierten Ladezustand und dem spannungsbasierten Ladezustand ermittelt. Der Ladezustand für den aktuellen Bestimmungszyklus wird basierend auf dem strombasierten Ladezustand und dem Korrekturwert ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur zyklischen Bestimmung des Ladezustandes
elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zyklischen Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers, ins¬ besondere eines elektrochemischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.
Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu reduzieren, kommen zunehmend Fahrzeuge mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb zum Einsatz. Beiden An¬ triebskonzepten ist gemein, dass der Vortrieb des Fahrzeugs zumindest zeitweise durch einen Elektromotor erfolgt. Der Elektromotor wird durch eine leistungsstarke Energiespei¬ chervorrichtung (Batterie) mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Energiespeichervorrichtung umfasst in der Regel eine größere Anzahl an in Reihe geschalteter, elektrochemischer und/oder elektrostatischer Energiespeicher (Batteriezellen) . Dabei kommen vorzugsweise elektrochemische Energiespeicher auf Lithium-Ionen-Basis und/oder elektrostatische Energiespeicher in Form von Doppelschichtkondensatoren oder sogenannten Su- perCaps zum Einsatz.
Sowohl für den Betrieb des Fahrzeugs als auch für das Ener¬ giemanagement der Energiespeichervorrichtung ist die Kenntnis des aktuellen Ladezustands der einzelnen Energiespeicher von herausragender Bedeutung. Unter Ladezustand ist dabei die in den einzelnen Energiespeicher aktuell gespeicherte Ladung im Verhältnis zur Kapazität der jeweiligen Energiespeicher 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¬ speicher kann beispielsweise die maximal mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs bei Antrieb mit dem Elektromotor abgeschätzt werden. Wichtig ist die Kenntnis der aktuellen Ladezustände auch für die Steuerung der Lade- und Entladevorgänge der Energie¬ speicher. Insbesondere ist ein Abfallen des Ladezustands unter einen kritischen Wert zu vermeiden, um eine Beschädigung der Energiespeicher vorzubeugen. Aus dem gleichen Grund sollte auch eine Überladung des Energiespeichers vermieden werden.
Gemäß einem bekannten Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers wird zu einem geeigneten Moment - beispielsweise, wenn der Energiespeicher weder geladen noch entladen wird - ein Ausgangsladezustand basierend auf einer möglichst präzisen Messung der Ruhespannung des Energiespeichers ermittelt. Der sich aufgrund nachfolgender Lade- und
Entladevorgänge ändernde Ladezustand des Energiespeichers wird durch die zeitliche Integration des zu- und abgeführten Stromes ermittelt. Dieses Verfahren erfordert jedoch extrem hohe An¬ forderungen an die Genauigkeit der zu erfolgenden Strommessung. Die Kosten der dazu notwendigen Strommesseinrichtung sind daher beträchtlich. Selbst kleine Messfehler werden durch die Integration des fließenden Stroms soweit akkumuliert, dass sich über eine längere Betriebsdauer beträchtliche Fehler bei der Bestimmung des Ladezustandes ergeben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Steuervorrichtung und eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, durch die die Bestimmung des Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Verfahren zur zyklischen Bestimmung eines Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem Anspruch 1 wird zum aktuellen Bestimmungszyklus ein strombasierter Ladezustand basierend auf dem Ladezustand des vorhergehenden Bestimmungszyklus und einer zwischen dem aktuellen Bestimmungszyklus und dem vorhergehenden Bestimmungszyklus erfolgten Ladungsänderung im Energiespeicher bestimmt. Es wird eine Ruhespannung des Energiespeichers ermittelt und basierend darauf ein spannungsbasierter Ladezustand ermittelt. Es wird
ein Korrekturwert basierend auf dem strombasierten Ladezustand und dem spannungsbasierten Ladezustand ermittelt. Der Lade¬ zustand für den aktuellen Zyklus wird basierend auf dem strombasierten Ladezustand und dem Korrekturwert ermittelt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist darin zu sehen, dass der strombasierte Ladezustand, der aufgrund der oft fehler¬ behafteten Strommessung ungenau ist, bei j edem Berechnungszyklus korrigiert wird. Der Korrekturwert ergibt sich aus dem strombasierten Ladezustand und einem spannungsbasierten Ladezustand, der basierend auf der Ruhespannung des Energie¬ speichers ermittelt wird. Dieses Verfahren erlaubt eine deutlich genauere Bestimmung des Ladezustands des Energiespeichers, ohne dass dabei sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Strommessung erfüllt sein müssen. Somit können die für die Strommessung anfallenden Kosten deutlich reduziert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird bei edem Start des Verfahrens die Ruhespannung des Energiespeichers ermittelt und darauf basierend ein Initialisierungswert für den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ermittelt.
Für die zyklische Bestimmung des Ladezustands kann ein Aus¬ gangswert (Initialisierungswert) für den Ladezustand notwendig sein. Bei elektrochemischen und elektrostatischen Energiespeichern besteht häufig ein funktionaler Zusammenhang zwischen der am Energiespeicher gemessenen Ruhespannung und dem Ladezustand. Dieser funktionale Zusammenhang kann beispielsweise in Form einer Wertetabelle in einer entsprechend ausgebildeten Steuervorrichtung abgespeichert werden, wobei Zwischenwerte durch Interpolation ermittelt werden können. Durch Ermittlung der Ruhespannung kann somit auf einfache Weise auf den Lade¬ zustand geschlossen werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird zur Ermittlung der Ladungsänderung der Strom gemessen, welcher dem Energiespeicher zufließt oder von diesem abfließt.
Da die Ladungsänderung im Energiespeicher unmittelbar von dem zu- oder abfließenden Strom abhängt, kann durch die Strommessung sehr leicht auf die Ladungsänderung im Energiespeicher rückgeschlossen werden, beispielsweise durch zeitliche Integration der Stromstärke .
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird zur Ermittlung der Ruhespannung des Energiespeichers die Spannung am Energiespeicher gemessen. In einem Zustand, in dem der Energiespeicher entladen oder geladen wird, wird die Ruhespannung des Energiespeichers basierend auf dem Messwert der Spannung am Energiespeicher und einem Spannungsabfall am Innenwiderstand des Energiespeichers ermittelt. Ansonsten wird die Ruhespannung des Energiespeichers gleich dem Messwert der Spannung am Energiespeicher gesetzt.
In einem Betriebszustand, in dem der Energiespeicher lastfrei ist, also weder geladen oder entladen wird, fließt kein Strom zum Energiespeicher oder von diesem weg. Die Ruhespannung des Energiespeichers kann in diesem Fall direkt am Energiespeicher mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden. In einem Betriebszustand, in dem der Energiespeicher geladen oder entladen wird, kann die Ruhespannung ohne erheblichen Genauigkeitsverlust nicht mehr unmittelbar am Energiespeicher gemessen werden. Daher wird in diesem Betriebszustand die Spannung am Energiespeicher ermittelt und unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an dem bekannten Innenwiderstand des Energiespeichers die Ruhespannung berechnet. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens kann daher die Ruhespannung des Energiespeichers in jedem Betriebszustand ermittelt werden, so dass die Bestimmung des Ladezustands zu jedem Zeitpunkt möglich ist. Eventuelle Ungenauigkeiten bei dieser Art der Ruhespannungsbestimmung können durch eine entsprechend schwache Gewichtung des Korrekturwerts bei der Ermittlung des Ladezustands berücksichtigt werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird in dem Zustand, in dem der Energiespeicher entladen oder geladen wird, die Ruhespannung des Energiespeichers zusätzlich basierend auf einen zeitabhängigen Korrekturterm ermittelt.
Durch die Berücksichtigung eines zusätzlichen zeitabhängigen Korrekturterms , können alterungsbedingte Einflüsse (z.B.
Veränderung der inneren Struktur oder der chemischen Zusammensetzung der inneren Komponenten des Energiespeichers) auf den Ladezustand zusätzlich berücksichtigt werden, wodurch die Genauigkeit der Ruhespannungsermittlung weiter verbessert wird. Der zeitabhängige Korrekturterm kann beispielsweise experi¬ mentell so bestimmt werden, dass die alterungsbedingte Einflüsse auf die Ruhespannung mit guter Genauigkeit angenähert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 wird der Korrekturwert zur Ermittlung des Ladezustands für den aktuellen Bestimmungszyklus gewichtet.
Durch die Gewichtung des Korrekturwerts kann das Verfahren an unterschiedliche Energiespeichertypen oder unterschiedliche Umgebungsbedingungen optimal angepasst werden. Die Art und der Wert der Gewichtung können beispielsweise experimentell er¬ folgen. Somit kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden.
Eine Steuervorrichtung für einen Energiespeicher nach Anspruch 7 ist derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen kann.
Eine Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8 umfasst zumindest einen elektrischen Energiespeicher und einen Steuervorrichtung nach Anspruch 7.
Bezüglich der Vorteile der Steuervorrichtung und der Energiespeichervorrichtung wird auf die Ausführungen zu den Ansprüche 1 bis 6 verwiesen, welche analog gelten. Im Folgenden wird der Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Energiespei¬ chervorrichtung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, welche mehrere Energiespeicher aufweist;
Figur 2 ein einfaches Ersatzschaltbild eines elektrochemi¬ schen Energiespeichers;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines funktionalen
Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur zyk¬ lischen Ladezustandsbestimmung in Form eines Ablaufdiagramms .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Energiespei¬ chervorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Energiespei¬ chervorrichtung 1 weist mehrere elektrische Energiespeicher ESI bis ES6 auf, welche in Reihe geschaltet und innerhalb eines Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind. Bei den Energiespeichern handelt es sich vorzugsweise um elekt¬ rochemische Energiespeicherzellen, beispielsweise auf Lithi¬ um-Ionen-Basis, jedoch können auch elektrostatische Energie¬ speicher, vorzugsweise Doppelschichtkondensatoren oder sogenannte SuperCaps, verwendet werden.
Für eden Energiespeicher ESI bis ES6 sind Einrichtungen El bis E6 vorgesehen, mittels denen die an dem jeweiligen Energiespeichern ESI bis ES6 messbare Spannungen Ul bis U6 messbar sind. An der Außenseite des Gehäuses angeordnete Pole 3, 4 sind mit der Reihenschaltung der Energiespeicher ESI bis ES6 derart elektrisch verbunden, dass eine Stromentnahme (Entladen) und auch eine Stromzufuhr (Laden) von außen möglich ist. Die Energiespeichervorrichtung 1 weist eine Steuereinrichtung 5 auf, welche mit den Polen 3, 4, Energiespeichern ESI bis ES6 und den Einrichtungen zur Spannungsmessung El bis E6 elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 5 ist derart ausgebildet und mit Mitteln ausgestattet, dass sie die Stromzufuhr (Ladevorgang) zu den Energiespeichern ESI bis ES6 und auch die Stromentnahme (Entladevorgang) von den Energiespeichern ESI bis ES6 steuern kann. Ferner ist die Steuereinrichtung 5 derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie die durch die Einrichtungen El bis E6 gemessenen Spannungen Ul bis U6 an den Energiespeichern erfassen kann. Die Steuervorrichtung ist weiterhin derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie ein Verfahren zur Ermittlung der Ladezustände der Energiespeicher ESI bis ES6 ausführen kann, wie es weiter unten mit Bezug auf Figur 4 näher erläutert ist. Dazu weist die Steuervorrichtung beispielsweise eine Speichereinheit 6, eine Rechnereinheit 7 und eine
Strommesseinrichtung 8 auf. In der Speichereinheit 6 sind Steuer- und Rechenprogramme in Form von Software und Daten abgespeichert, welche von der Recheneinheit 7 aufgerufen und ausgeführt werden. Die Strommesseinrichtung 8 ist darart ausgebildet, dass sie den zu den Energiespeichern ESI bis ES6 fließenden Strom (bei Ladevorgängen) und den von den Energiespeichern abfließenden Strom (Entladevorgänge) messen kann.
In Figur 2 ist ein vereinfachtes, rein schematisches Ersatz¬ schaltbild eines der elektrochemischen Energiespeicher ESI bis ES6 der Energiespeichervorrichtung 1 abgebildet.
Die an dem Energiespeicher messbare Spannung U setzt sich im Wesentlichen aus der Ruhespannung UR und, falls ein Strom I fließt, einer an einem Innenwiderstand Ri abfallenden Spannung Uri zusammen. Der Innenwiderstand Ri des Energiespeichers kann experimentell ermittelt werden und ist daher bekannt. Ein sonstiger Spannungsanteil ist abhängig von zahlreichen Faktoren, wie Umgebungsbedingungen (Temperatur) , Alter des Energiespeichers, Verlauf der Lade- und Entladevorgänge, Höhe des fließenden Stroms etc) und dem Ladezustand. Der sonstige Spannungsanteil ist in Figur 2 durch zwei RC-Glieder RC1 und RC2 und die (bei Stromfluss) darüber abfallenden Spannungen URC1 , URC2 symbolisiert. Dieser sonstige Spannungsanteil ist nicht messbar, sondern kann nur durch geeignete Funktionen angenähert werden .
Bei elektrochemischen Energiespeichern besteht im Allgemeinen ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Ruhespannung UR und dem Ladezustand (häufig als SOC abgekürzt) . Unter Ruhespannung UR ist im Folgenden die am lastfreien Energiespeicher messbare Spannung (ohne Stromentnahme oder Stromzufuhr) zu verstehen.
In Figur 3 ist ein solcher funktionaler Zusammenhang bei- spielshaft und rein schematisch dargestellt. Der funktionale Zusammenhang kann beispielsweise in Form einer Tabelle in der Speichereinheit 6 der Steuervorrichtung 5 abgespeichert sein. Bei Kenntnis der Ruhespannung kann somit auf einfach Weise auf den Ladezustand geschlossen werden.
Anhand des in Figur 4 dargestellten Ablaufdiagramms wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur zyklischen Bestimmung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers be¬ schrieben. Das Verfahren wird durch die Steuervorrichtung 5 der Energiespeichervorrichtung 1 (siehe Figur 1) ausgeführt. Im Folgenden wird das Verfahren nur für einen der Energiespeicher ESI bis ES6, nämlich dem Energiespeicher ESI, exemplarisch erläutert. Jedoch ist das Verfahren analog auf alle Energie¬ speicher ESI bis ES6 anwendbar.
Das Verfahren startet beispielsweise kurze Zeit vor dem Anlassen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) , dem die Energiespeichervorrichtung 1 zugeordnet ist. Auslöser für den Start des Verfahrens können Vorgänge sein, welche auf das baldige Anlassen bzw. Starten des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs , beispielsweise das Öffnen einer Fahrertür, das Einstecken eines Zündschlüssels oder das Drücken eines Startknopfes durch den Fahrer. Vor dem Anlassen bzw. Starten des Hybrid- oder
Elektrofahrzeugs sind die Energiespeichervorrichtung 1 und die darin enthaltenen Energiespeicher ESI bis ES6 häufig lastfrei, d.h. die Energiespeichervorrichtung 1 und die Energiespeicher ESI bis ES6 werden weder geladen noch entladen.
Ab dem Start des Bestimmungszyklus wird mittels der Strom- messeinrichtung 8 kontinuierlich der Strom gemessen, welcher der Energiespeichervorrichtung zugeführt (Ladevorgang) oder von dieser abgeführt wird (Entladevorgang) . Damit steht der aktuelle Wert der Stromstärke zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung. Nach dem Start des Verfahrens wird in Schritt 400 die Spannung Ul an dem Energiespeicher ESI mittels der zugeordneten Messeinrichtung El gemessen und basierend darauf die Ruhespannung des Energiespeichers ESI ermittelt. Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher ESI zu diesem
Zeitpunkt lastfrei (der Energiespeicher wird also weder geladen noch entladen, so dass der zum Energiespeicher fließende oder von diesem abfließende Strom gleich Null ist) . In diesem Fall wird für die Ruhespannung URl des Energiespeichers ESI der gemessene Wert für die Spannung Ul am Energiespeicher ESI übernommen.
Falls der Energiespeicher ESI jedoch bereits entladen oder geladen wird (der Strom ist also ungleich Null), wird die Ruhespannung URl des Energiespeichers ESI basierend auf dem in Schritt 400 gemessenen Wert der Spannung Ul am Energiespeicher ESI und dem durch den Stromfluss verursachten Spannungsabfall URil am bekannten Innenwiderstand Ri des Energiespeichers ESI ermittelt (siehe Figur 2) . Dies kann mit beispielsweise nach folgendem Zusammenhang erfolgen:
URl = URil + UI (3)
Zur Verbesserung der Genauigkeit kann bei der Bestimmung der Ruhespannung zusätzlich ein zeitabhängiger Korrekturterm KRC berücksichtigt werden, welcher den sonstigen Spannungsanteil (siehe Erläuterungen zu Figur 2) im Energiespeicher ESI abbildet:
URl = URil + UI + KRC (4) Bei dem Korrekturterm KRC kann es sich beispielsweise um eine Exponentialfunktion handeln, die empirisch zu bestimmen ist. Der Korrekturterm KRC kann dabei von mehreren Parametern abhängig sein, wie Temperatur des Energiespeichers ESI, der Zeit, der Höhe des zu- und abgeführten Stroms oder dem zeitlichen Verlauf von Lade- und Entladevorgängen usw.
Auf diese Weise kann die Ruhespannung URl des Energiespeichers ESI auch während eines bereits stattfindenden Lade- oder Entladevorgangs mit besserer Genauigkeit ermittelt werden. In diesem Zusammenhang wird zusätzlich auf die Erläuterung zu Figur 2 verwiesen.
Basierend auf der ermittelten Ruhespannung URl wird ein Initialisierungswert (Anfangswert) SOC0 für den Ladezustand des Energiespeicher ESI ermittelt. Dies erfolgt vorteilhafterweise anhand des in Figur 3 dargestellten funktionalen Zusammenhangs. Beispielhaft ist dort die Bestimmung eines Ladezustands SOC1 unter Kenntnis einer Ruhespannung URl dargestellt.
Das Verfahren beginnt nun mit dem ersten Bestimmungszyklus für den Ladezustand des Energiespeichers ESI. Dazu wird in Schritt 410 ein strombasierter Ladezustand SOCI basierend auf dem im vorhergehenden Bestimmungszyklus ermittelten Ladezustand des Energiespeichers ESI und der im Zeitraum zwischen dem vorhergehenden Bestimmungszyklus und dem aktuellen Bestimmungs¬ zyklus aufgrund von Lade- oder Entladevorgängen erfolgten Ladungsänderung ÄQ im Energiespeicher ESI ermittelt. Da vor dem ersten Bestimmungszyklus noch kein Bestimmungszyklus durch¬ geführt wurde, wird als Wert für den Ladezustand des vorher¬ gehenden Bestimmungszyklus ersatzweise der in Schritt 400 ermittelte Initialisierungswert SOC0 für den Ladezustand herangezogen. Für die Ladungsänderung ÄQ wird der zwischen der Bestimmung des Anfangswerts SOC0 für den Ladezustand und dem ersten Bestimmungszyklus vergangene Zeitraum betrachtet. Die Ermittlung des strombasierten Ladezustands SOCI im ersten Bestimmungszyklus kann beispielsweise gemäß dem folgenden Zusammenhang ermittelt werden: SOCI = SOC0 + = c^- (1)
Dabei stellt C die Kapazität (die durch den Energiespeicher ESI maximal speicherbare Ladungsmenge) dar, welche für den je¬ weiligen Energiespeicher ESI bekannt ist. Die Ladungsänderung ÄQ kann beispielsweise durch die zeitliche Integration des dem Energiespeicher ESI bei einem Ladevorgang zugeführten Strom und/oder bei einem Entladevorgang abgeführten Strom ermittelt werden :
Figure imgf000013_0001
Das Verfahren fährt mit Schritt 420 fort in dem die Spannung Ul am Energiespeicher ESI mittels der entsprechenden Messeinrichtung El gemessen wird.
Daraufhin fährt das Verfahren mit Schritt 430 fort, in dem die Ruhespannung UR1 am Energiespeicher ESI basierend auf der am Energiespeicher ESI gemessenen Spannung Ul (Schritt 420) ermittelt wird. In Abhängigkeit davon, ob der Energiespeicher ESI lastfrei ist oder nicht, erfolgt die Ermittlung der Ruhespannung auf die zwei, mit Bezug auf Schritt 400 bereits erläuterten Arten.
Das Verfahren fährt mit Schritt 440 fort, in dem ein span- nungsbasierter Ladezustand SOCU basierend auf der in Schritt 430 ermittelten Ruhespannung UR1 ermittelt wird. Auch dies kann anhand des in Figur 3 dargestellten funktionalen Zusammenhangs erfolgen .
Das Verfahren fährt mit Schritt 450 fort, in dem ein Korrekturwert K basierend auf dem spannungsbasierten Ladezustand SOCU und dem strombasierten Zustand SOCI ermittelt wird. Der Korrekturwert K kann beispielsweise auf einer Differenz zwischen dem span- nungsbasierten Ladezustand SOCU und dem strombasierten Ladezustand SOCI basieren. Alternativ kann der Korrekturwert K auch auf einem Verhältnis aus dem spannungsbasierten Ladezustand SOCU und dem strombasierten Ladezustand SOCI basieren.
Das Verfahren fährt mit Schritt 460 fort, in dem der Ladezustand SOCI für den ersten Bestimmungszyklus basierend auf dem strombasierten Ladezustand SOCI und dem Korrekturwert K er¬ mittelt wird. So kann der Ladezustand SOCI für den ersten Bestimmungszyklus vorteilhafterweise durch eine Differenz zwischen dem strombasierten Ladezustand SOCI und dem mit einem Gewichtungsfaktor w multiplizierten Korrekturwert K bestimmt werden :
SOCI = SOCI + wK = SOCI + w(SOCU - SOCI)
Dabei ist 0<w<l, beispielsweise w=0,001 bei einer Wiederholrate für die Bestimmungszyklen von 1kHz
Gegebenenfalls kann diese Vorgehensweise durch eine höhere Gewichtung des Korrekturwerts an die tatsächlichen Verhältnisse angepasst werden. Dies kann beispielsweise basierend auf La¬ borversuchen erfolgen. Alternativ ist es möglich, dass der Ladezustand für einen aktuellen Durchlauf eines Bestimmungs¬ zyklus basierend auf einem Produkt des strombasierten Lade¬ zustands und dem Korrekturwert, bestehend aus einem gewichteten Quotienten aus dem spannungsbasierten Ladezustand und dem strombasierten Ladezustand:
Figure imgf000014_0001
Durch die schwache Gewichtung des Korrekturwerts wird ein negativer Einfluss eines fehlerbhafteten Korrekturwerts auf die Genauigkeit des Verfahrens über einen längeren Zeitraum verhindert .
In Anschluss daran kehrt das Verfahren zu Schritt 410 zurück und der zweite Bestimmungszyklus wird begonnen. Die Ermittlung des strombasierten Ladezustands SOCI erfolgt dann basierend auf dem während des ersten Bestimmungszyklus ermittelten Ladezustands SOCI und der im Zeitraum zwischen dem ersten Bestimmungs zyklus und dem zweiten Bestimmungszyklus erfolgten Ladungsänderung ÄQ .
Die Bestimmungszyklen können ab dem Start periodisch in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführt werden. Je nach Anwendung können diese Zeitabstände in Größenordnung von Sekundenbruchteilen bis Minuten durchgeführt werden. Das beschriebene Verfahren bietet den Vorteil, den aktuellen Ladezustand der Energiespeicher auch während Lade- oder Entladevorgängen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Durch die zyklische Berücksichtigung des genannten Korrekturwerts K wird eine Fehlerakkumulation, verursacht durch Ungenauigkeit in der Strom- messung, weitgehend eliminiert, sodass aufgrund der geringeren technischen Anforderungen an die Strommessung Kosten gespart werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zyklischen Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers (ESI), wobei zum aktuellen Bestimmungszyklus
ein strombasierter Ladezustand (SOCI) basierend auf dem Ladezustand des vorhergehenden Bestimmungszyklus und einer zwischen dem aktuellen Bestimmungszyklus und dem vorhergehenden Bestimmungszyklus erfolgten La- dungsänderung (ÄQ) im Energiespeicher (ESI) bestimmt wird,
eine Ruhespannung (UR1) des Energiespeichers (ESI) ermittelt wird,
ein spannungsbasierter Ladezustand (SOCU) basierend auf der ermittelten Ruhespannung (UR1) ermittelt wird, ein Korrekturwert (K) basierend auf dem strombasierten Ladezustand (SOCI) und dem spannungsbasierten La¬ dezustand (SOCU) ermittelt wird,
der Ladezustand für den aktuellen Bestimmungszyklus basierend auf dem strombasierten Ladezustand und dem
Korrekturwert ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei jedem Start des
Verfahrens die Ruhespannung (UR1) des Energiespeichers (ESI) ermittelt und darauf basierend ein Initialisie¬ rungswert (SOC0) für den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei zur Ermittlung der Ladungsänderung (ÄQ) der Strom (I) gemessen wird, welcher dem Energiespeicher (ESI) zufließt oder von diesem abfließt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Ermittlung der Ruhespannung (UR1) des Energiespeichers
(ESI) die Spannung (Ul) am Energiespeicher (ESI) gemessen wird und in einem Zustand, in dem der Energiespeicher (ESI) entladen oder geladen wird, die Ruhespannung (URl) des Energiespeichers (ESI) basierend auf dem Messwert der Spannung (Ul) am Energiespeicher (ESI) und einem Spannungsabfall (URi) am Innenwiderstand (Ri) des Energiespeichers (ESI) ermittelt wird, und ansonsten die Ruhespannung (URl) des Energiespeichers (ESI) gleich dem Messwert der Spannung (Ul) am Energiespeicher (ESI) gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Zustand, in dem der Energiespeicher (ESI) entladen oder geladen wird, die Ruhespannung (URl) des Energiespeichers (ESI) zusätzlich basierend auf einen zeitabhängigen Korrekturterm ermittelt wird .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Ermittlung des Ladezustands für den aktuellen Bestimmungszyklus der Korrekturwert (K) gewichtet wird.
7. Steuervorrichtung (5) für einen Energiespeicher (ESI), welche derart ausgebildet und mit Mitteln versehen ist, dass sie das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen kann.
8. Energiespeichervorrichtung (1) mit zumindest einem
Energiespeicher (ESI) und einer Steuervorrichtung (5) gemäß Anspruch 7.
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