WO2012171730A2 - VERFAHREN ZUM ABSCHÄTZEN VON ZUSTANDSGRÖßEN EINES ELEKTRISCHEN ENERGIESPEICHERS - Google Patents

VERFAHREN ZUM ABSCHÄTZEN VON ZUSTANDSGRÖßEN EINES ELEKTRISCHEN ENERGIESPEICHERS Download PDF

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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

Definitions

  • the invention relates to a method for estimating at least one state variable describing the state of an electrical energy store by comparing at least one first operating variable determined by measurement of a plurality of operating variables of the energy store with at least one corresponding comparison variable determined by means of a mathematical model of the energy store, wherein the determination the one operating variable and / or the determination of the comparison variable and / or the comparison of operating and comparison variable is time-discrete.
  • BMS battery management systems
  • control devices typically consist of hardware components for detecting operating variables such as current, voltage and temperature at the battery or their cells, for suitable signal processing and for implementing control and regulating algorithms.
  • a hardware component is for example a control and / or regulating device (a so-called “control device”).
  • this controller is used primarily for estimating the cell or battery state of charge and or other state variables of the individual cells of the battery or the entire battery. For this purpose, as a rule at least one of the operating variables load current I and terminal voltage U S is determined and the terminal voltage U S (of the battery / cell) influenced by the load current I is compared with that of a mathematical model at regular time intervals.
  • the state of charge is an internal size of the respective model and is determined from the operating variables of load current I, applied voltage U S (and possibly the temperature T) reconstructs the real cell. These operating variables are all time-dependent operating variables I (t), U S (t) and T (t).
  • the method according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that the load of a hardware performing the method for estimating the state of the energy store is variably adjustable.
  • a time interval ⁇ t of the time-discrete determination of the first operating variable and / or the determination of the comparison variable and / or the discrete-time comparison as a function of (a) the size of the first determined operating variable and / or a second determined operating variable of the operating variables and / or (b) the magnitude of the time derivative of the first and / or second determined first and / or higher order operating variables and / or (c) the magnitude of the local derivative of the first and / or second determined first and / or higher order operating quantities and / or (D) the derivative of the first and / or second determined operating variable, in particular a terminal voltage, according to the removed from the energy storage and / or fed into the energy storage charge changes.
  • the dependency can be a continuous dependency or a discontinuous dependency.
  • the time interval is changed as a function of the derivative of a terminal voltage according to the charge taken from the energy store and / or charged into the energy store (dU / dQ) i, where Q is the removed or fed in electrical charge.
  • this expression describes just the so-called rest voltage characteristic, ie the voltage behavior of the energy store without load over the state of charge.
  • the time interval ⁇ t of the time-discrete determination of the first operating variable and / or the time interval ⁇ t of the determination of the comparison variable and / or the time interval ⁇ t of the discrete-time comparison with increasing size of the determined first and / or second operating variable and / or with increasing temporal change of the size the temporal derivative of the first and / or higher order of the first and / or second determined operating size reduced.
  • the first or second operating variable is in particular a load current of the energy store. Critical states of the energy storage arise in particular by high load current I and / or by high temporal change of the load current dl / dt.
  • this reduction in the time interval ⁇ t has the advantage, on increasing the determined load current I and / or the temporal change of the determined load current dl / dt, that the hardware is burdened less on average with the same reliability in critical states.
  • the operating variables determined by measurement (in particular I, U S and T) of the energy store are time-dependent variables (corresponding to L (t), U S (t) and T (t)).
  • the energy store is in particular a rechargeable battery or a cell of a rechargeable battery.
  • the size of the time interval ⁇ t is indirectly proportional (inversely proportional). for temporal derivation of the first and / or second determined operating quantity of the first and / or higher order.
  • the maximum allowable value of the first and / or second operating variable (that is, for example, the maximum permissible current I max) is determined, the system design, that is, the highest sampling rate or the smallest to realize time interval At min.
  • the first and / or the second operating variable (a) is a temperature T and / or (b) a load current I and / or (c) a terminal voltage U S of the energy store is / are.
  • the state variable is a variable describing the state of charge of the energy store, ie the state of charge (SOC) of the energy store.
  • the state variable is a variable describing the aging or health state, ie the state of health (SOH) of the energy store.
  • the estimation of the state variable SOC, SOH takes place by means of an observation device.
  • the observation device is in particular a state estimator according to Kalman or a condition observer to Luenberger.
  • the time interval At continues to be dependent also on at least one further parameter, in particular a specific parameter.
  • safety-critical parameter, the energy storage and / or the time derivative of the first and / or higher order of this parameter and / or the local derivative of first and / or higher order of this parameter is changed.
  • this further parameter is an internal pressure of the energy store and / or an acceleration of the energy store
  • the invention further relates to a control and / or regulating device for controlling and / or regulating a power flow in a circuit having at least one electrical energy store and at least one consumer connected to the electrical energy store. It is provided that the control and / or regulating device is set up or designed to carry out the above-mentioned method.
  • a control and / or regulating device is used in motor vehicles with purely electric drive or hybrid drive as a control unit of the electrical energy storage and the electric machine of this drive.
  • this control device is primarily used to estimate the cell or storage charge state and / or other state variables of the individual cells of the energy store or of the energy store as a whole.
  • an observation device in particular a state estimator according to Kalman or a condition observer according to Luenberger, is implemented in the control and / or regulating device.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram for illustrating an embodiment of the estimation according to the invention of a state variable of an electrical energy store
  • FIG Figures 2 and 3 Diagrams illustrating the load current-dependent change of the time interval of the estimation.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram for illustrating an embodiment of the estimation according to the invention of a state variable of an electrical energy store
  • FIG. 2 and 3 Diagrams illustrating the load current-dependent change of the time interval of the estimation.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram for illustrating an embodiment of the estimation according to the invention of a state variable of an electrical energy store
  • FIG. 2 and 3 Diagrams illustrating the load current-dependent change of the time interval of the estimation.
  • FIG. 10 designed as a rechargeable battery electrical energy storage is designated as a whole with 10.
  • the energy storage device 10 has a load current I, temperature T and a terminal voltage U S on as operating variables, wherein at least a portion of these variables are determined by measuring respectively.
  • the aforesaid determined operating variables are given to an observation device, generally designated 1 1, for example a state estimator according to Kalman.
  • the observation device 1 1 is implemented in a control and / or regulating device (control device) for controlling and / or regulating a power flow in a circuit having at least one electrical energy store 10 and at least one electrical machine connected to the electrical energy store 10.
  • the electric machine and the control and / or regulating device are, for example
  • Parts of an electric drive or a hybrid drive of a motor vehicle Parts of an electric drive or a hybrid drive of a motor vehicle.
  • the observation device 1 1 sets a model of the energy storage 10, here for simplicity, 12 denotes a.
  • the model 12 is a mathematical model that estimates an energy storage voltage (battery voltage) U M on the basis of the input variable T and I.
  • the model calculation is carried by feedback of the discrete-time comparison by means of a comparator is com- 13 determined difference U S - U M between measured and calculated power storage voltage matched.
  • the state of charge (SOC) is an internal quantity of the model 12 and is the operating variables current l (t), (terminal) voltage U S (t) (and possibly temperature T (t)) of each cell or the entire energy storage reconstructed.
  • the determination of a quantity that is inaccessible to measurement for technical (but also for economic) reasons is called in control engineering as an observation task, the resulting algorithm as state estimator (eg Kalman filter) or condition observer.
  • state estimator eg Kalman filter
  • the actual state estimation is based on minimizing the deviation from model 12 and measurement.
  • these algorithms are always executed in a discrete-time manner, ie the comparison of model measurement takes place at defined time intervals ⁇ t (or corresponding ones)
  • a resting voltage value U R resulting from the calculation or estimation by means of the device 11 is subjected to a further functional application to obtain the battery state of charge SOC.
  • UR.min or UR , max denote the minimum or maximum permissible terminal voltage U s during operation.
  • the observation device 1 1 further has a module 15 for specifying a
  • the change or adaptation of the time interval At is advantageously a continuous change / adaptation with the size of the load current.
  • different current ranges can also be defined, so that switching back and forth between a few sample rate levels is possible.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the voltage U S of the energy store 10 determined by measurement is plotted over the time t. Entered are the start times t s of a start of the comparison and the adaptation of the corresponding time interval ⁇ t (sampling time) of the used state of charge estimation algorithm.
  • ⁇ t sampling time
  • FIG. 3 shows a diagram in which the current I determined by the measurement of the energy store 10 is plotted over the time t.
  • its time derivative dl / dt can also be used to adapt the time interval (the sampling time) ⁇ t of the charge state estimation algorithm.
  • the time interval At is correspondingly increased (At 4 > At 3 ) with respect to situations with a higher temporal change of the current dl (t) / dt 1 3 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers (10) beschreibenden Zustandsgröße (SOC, SOH) durch Vergleich von mindestens einer durch Messung ermittelten ersten Betriebsgröße (USp) von mehreren Betriebsgrößen (T, I, USp) des Energiespeichers (10) mit mindestens einer entsprechenden Vergleichsgröße (UM), die mittels eines mathematischen Modells (12) des Energiespeichers bestimmt wird, wobei die Ermittlung der einen Betriebsgröße (USp) und/oder das Bestimmen der Vergleichsgröße (UM) und/oder der Vergleich von Betriebs- und Vergleichsgröße (USp; UM) zeitdiskret erfolgt. Es ist vorgesehen, dass ein Zeitintervall (Δt) der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße (USp) und/oder der Bestimmung der Vergleichsgröße (UM) und/oder des zeitdiskreten Vergleichs in Abhängigkeit von der Größe der ersten ermittelten Betriebsgröße und/oder einer zweiten ermittelten Betriebsgröße (I) der Betriebsgrößen (T, I, USp) und/oder der Größe der zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße (dxl/dtx) erster und/oder höherer Ordnung und/oder der Größe der Ortsableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder der Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße, insbesondere einer Klemmenspannung (USp), nach der aus dem Energiespeicher (10) entnommenen und/oder in den Energiespeicher (10) eingespeisten Ladung verändert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Abschätzen von Zustandsgrößen eines elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers beschreibenden Zustandsgroße durch Vergleich von mindestens einer durch Messung ermittelten ersten Betriebsgröße von mehreren Betriebsgrößen des Energiespeichers mit mindestens einer entsprechenden Vergleichsgröße, die mittels eines mathematischen Modells des Energiespeichers bestimmt wird, wobei die Ermittlung der einen Betriebsgröße und/oder das Bestimmen der Vergleichsgröße und/oder der Vergleich von Betriebs- und Vergleichsgröße zeitdiskret erfolgt.
Stand der Technik
Zur Emissionsreduktion bei Kraftfahrzeugen werden derzeit verstärkt Hybridantriebskonzepte oder rein elektrische Antriebskonzepte entwickelt. Der Betrieb von elektrischen Maschinen im Motor- und Generatorbetrieb setzt einen elektrischen Energiespeicher wie zum Beispiel wiederaufladbare Batterien im Fahrzeug voraus. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Speichersystemen hohen Energiedichte werden Lithium-Ionen-Zellen für mobile und stationäre Speicher elektrischer Energie favorisiert. Um einerseits die notwendige Betriebssicherheit durch Einhaltung der zulässigen Spannungsbereiche der einzelnen Zellen zu gewährleisten und andererseits den Ladezustand (SOC: State of Charge) der Speicher zu verfolgen, werden sogenannte Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet.
Diese bestehen typischerweise aus Hardwarekomponenten zur Erfassung von Betriebsgrößen wie Strom, Spannung und Temperatur an der Batterie beziehungsweise deren Zellen, zur geeigneten Signalverarbeitung und zur Implementierung von Steuer- und Regelalgorithmen. Eine derartige Hardwarekomponente ist zum Beispiel eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (ein sogenanntes "Steuergerät"). Neben dem Feststellen der allgemeinen Funktionsfähigkeit der Batterie dient dieses Steuergerät vor Allem zur Abschätzung des Zell- beziehungsweise Batterieladezustands und oder anderer Zustandsgroßen der einzelnen Zellen der Batterie beziehungsweise der gesamten Batterie. Hierfür wird in der Regel mindestens eine der Betriebsgrößen Laststrom I und Klemmenspannung US ermittelt und die durch den Laststrom I beeinflusste Klemmenspannung US (der Batterie/Zelle) mit jener eines mathematischen Modells in regelmäßigen zeitlichen Abständen verglichen. Der Ladezustand ist dabei eine interne Größe des jeweiligen Modells und wird aus den Betriebsgrößen Laststrom I, Klemmenspannung US (und eventuell der Temperatur T) der echten Zelle rekonstruiert. Diese Betriebsgrößen sind alle zeitabhängige Betriebsgrößen l(t), US (t) und T(t).
Eine zeitnahe Abschätzung des Zustande des Energiespeichers per Abgleich zwischen Modell und Messung geht jedoch mit einer nicht unerheblichen Leistungsbelastung der entsprechenden Hardware einher.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Belastung einer das Verfahren durchführenden Hardware zur Abschätzung des Zustande des Energiespeichers variabel einstellbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zeitintervall At der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße und/oder der Bestimmung der Vergleichsgröße und/oder des zeitdiskreten Vergleichs in Abhängigkeit von (a) der Größe der ersten ermittelten Betriebsgröße und/oder einer zweiten ermittelten Betriebsgröße der Betriebsgrößen und/oder (b) der Größe der zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder (c) der Größe der Ortsableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder (d) der Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße, insbesondere einer Klemmenspannung, nach der aus dem Energiespeicher entnommenen und/oder in den Energiespeicher eingespeisten Ladung verändert. Die Abhängigkeit kann dabei eine stetige Abhängigkeit oder eine unstetige Abhängigkeit sein. Insbeson- dere wird das Zeitintervall in Abhängigkeit der Ableitung einer Klemmenspannung nach der aus dem Energiespeicher entnommenen und/oder in den Energiespeicher eingespeisten Ladung (d U / d Q)i verändert, wobei Q die entnommene oder eingespeiste elektrische Ladung ist. Dieser Gradient ist immer bei einem gegebenen Laststrom I zu betrachten, inbesondere auch für 1=0. Dann beschreibt dieser Ausdruck gerade die sogenannte Ruhespannungskennlinie, also das Spannungsverhalten des Energiespeichers ohne Last über dem Ladezustand.
Bevorzugt wird das Zeitintervall At der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße und/oder das Zeitintervall At der Bestimmung der Vergleichsgröße und/oder das Zeitintervall At des zeitdiskreten Vergleichs mit zunehmender Größe der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße und/oder mit zunehmender zeitlicher Änderung der Größe der zeitlichen Ableitung erster und/oder höherer Ordnung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße verkleinert. Die erste oder zweite Betriebsgröße ist insbesondere ein Laststrom des Energiespeichers. Kritische Zustände des Energiespeichers ergeben sich insbesondere durch hohen Laststrom I und/oder durch hohe zeitliche Änderung des Laststroms dl/dt. Daher hat diese Verkleinerung des Zeitintervalls At bei Vergrößerung des ermittelten Laststroms I und/oder der zeitlichen Änderung des ermittelten Laststroms dl/dt den Vorteil, dass die Hardware -bei gleicher Zuverlässigkeit in kritischen Zuständen - im Durchschnitt weniger belastet wird. Die durch Messung ermittelten Betriebsgrößen (insbesondere I, US und T) des Energiespeichers sind zeitabhängige Größen (entsprechend l(t), US (t) und T(t)).
Der Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie oder eine Zelle einer wiederaufladbaren Batterie.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional (umgekehrt proportional) zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße ist. Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt also: At = 1 ■ const. beziehungsweise I -At = const.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese- hen, die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional (umgekehrt proportional) zur zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung ist. Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt also: At = (dxl/dtx)"1 ■ const. beziehungsweise dxl/dtx -At = const , wobei die Variable x die Ordnung der zeitlichen Ableitung beschreibt.
Insbesondere ist die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional zu einer Summe aus einem zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße proportionalen ersten Parameter und einem zur zeitlichen Ableitung der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung proportionalen zweiten Parameter Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt At■ (I + A-(dxl/dtx))-B = const.
Der maximal zulässige Wert der ersten und/oder zweiten Betriebsgröße (also zum Beispiel die maximal zulässige Stromstärke lmax) bestimmt die Systemauslegung, also die höchste Samplingrate beziehungsweise das kleinste zu realisierende Zeitintervall Atmin.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Betriebsgröße (a) eine Temperatur T und/oder (b) ein Laststrom I und/oder (c) eine Klemmenspannung US des Energiespeichers ist/sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsgroße eine den Ladezustand des Energiespeichers beschreibende Größe, also der Ladezustand (SOC: State of Charge) des Energiespeichers ist. Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Zustandsgroße eine den Alterungs- beziehungsweise Gesundheitszustand beschreibende Größe, also der Alterungszustand (SOH: State of Health) des Energiespeichers ist.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Abschätzen der Zustandsgroße SOC, SOH mittels einer Beobachtungseinrichtung erfolgt. Die Beobachtungseinrichtung ist insbesondere ein Zustandsschätzer nach Kaiman oder ein Zustandsbeobachter nach Luenberger.
Des Weiteren ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Zeitintervall At weiterhin auch in Abhängigkeiten mindestens einer weitere Kenngröße, insbesondere einer si- cherheitskritischen Kenngröße, des Energiespeichers und/oder der zeitlichen Ableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße und/oder der Ortsableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße verändert wird. Dabei ist zum Beispiel vorgesehen, dass diese weitere Kenngröße ein Innen- druck des Energiespeichers und/oder eine Beschleunigung des Energiespeichers
(z.B. bei einem Einbau in einem Fahrzeug eine Fahrzeugverzögerung im Crash- Fall) sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Leistungsflusses in einem Stromkreis mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher und mindestens einem an den elektrischen Energiespeicher angeschlossenen Verbraucher. Es ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet beziehungsweise ausgebildet ist. Eine derartige Steuer- und/oder Regeleinrichtung wird in Kraftfahrzeugen mit rein elektrischem Antrieb oder mit Hybridantrieb als Steuergerät des elektrischen Energiespeichers und der elektrischen Maschine dieses Antriebs verwendet. Neben dem Feststellen der allgemeinen Funktionsfähigkeit des Energiespeichers dient dieses Steuergerät vor Allem zur Abschätzung des Zell- beziehungsweise Speicherladezu- stands und oder anderer Zustandsgrößen der einzelnen Zellen des Energiespeichers beziehungsweise des Energiespeichers insgesamt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Beobachtungseinrichtung, insbe- sondere einen Zustandsschätzer nach Kaiman oder einen Zustandsbeobachter nach Luenberger implementiert ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschätzung einer Zustandsgröße eines elektrischen Energiespeichers und Figuren 2 und 3: Diagramme zur Verdeutlichung der Laststrom-abhängigen Änderung des Zeitintervalls der Abschätzung. Zur Illustration der allgemeinen Vorgehensweise bei der Abschätzung mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers 10 beschreibenden Zustandsgroße ist in Fig. 1 ein entsprechendes Blockschaltbild gezeigt. Dabei ist der als wiederaufladbare Batterie ausgebildete elektrische Energiespeicher insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Energiespeicher 10 weist einen Laststrom I, eine Temperatur T und eine Klemmenspannung US als Betriebsgrößen auf, wobei zumindest ein Teil dieser Größen jeweils durch Messung ermittelt werden.
Die genannten ermittelten Betriebsgrößen werden auf eine insgesamt mit 1 1 bezeichnete Beobachtungseinrichtung, beispielsweise einen Zustandsschätzer nach Kaiman, gegeben. Die Beobachtungseinrichtung 1 1 ist in einer Steuer und/oder Regeleinrichtung (Steuergerät) zur Steuerung und/oder Regelung eines Leistungsflusses in einem Stromkreis mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher 10 und mindestens einer an den elektrischen Energiespeicher 10 angeschlossenen elektrischen Maschine implementiert. Die elektrische Maschine und die Steuer und/oder Regeleinrichtung (das Steuergerät) sind beispielsweise
Teile eines elektrischen Abtriebs oder eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs.
Die Beobachtungseinrichtung 1 1 setzt ein den Energiespeicher 10 abbildendes Modell, hier der Einfachheit halber mit 12 bezeichnet, ein. Das Modell 12 ist ein mathematisches Modell, das aufgrund der Eingangsgröße T und I eine Energiespeicherspannung (Batteriespannung) UM schätzt. Hierbei wird die Modellrechnung durch Rückkopplung der durch zeitdiskreten Vergleich mittels eines Kom- parators 13 bestimmten Differenz US - UM zwischen gemessener und berechneter Energiespeicherspannung abgeglichen.
Der Ladezustand (SOC: State of Charge) ist eine interne Größe des Modells 12 und wird aus den Betriebsgrößen Strom l(t), (Klemmen-)Spannung US (t) (und eventuell Temperatur T(t)) der einzelnen Zelle beziehungsweise des gesamten Energiespeichers rekonstruiert. Die Bestimmung einer Größe, die der Messung aus technischen (aber auch aus ökonomischen) Gründen nicht zugänglich ist, bezeichnet man in der Regelungstechnik als Beobachtungsaufgabe, den resultie- renden Algorithmus als Zustandsschätzer (z.B. Kaiman-Filter) oder Zustandsbe- obachter. Die eigentliche Zustandsschätzung beruht auf der Minimierung der Abweichung von Modell 12 und Messung. In Steuergeräten sind diese Algorithmen immer zeitdiskret ausgeführt, d.h. der Abgleich Modell-Messung findet je- weils nach festgelegten Zeitintervallen At (beziehungsweise entsprechenden
Samplingraten) statt.
Ein sich aus der Rechnung bzw. Abschätzung mittels der Einrichtung 1 1 ergebende Ruhespannungswert UR wird einer weiteren funktionalen Beaufschlagung zum Erhalt des Batterieladezustands SOC unterzogen. Der Batterieladezustand kann beispielsweise gemäß einer Gleichung der Formel SOC = f(UR) = (UR - UR,min) (UR,max - U R,min) bestimmt werden; der Zusammenhang ist aber häufig - wie auch im Fall einer Lithium-Ionen-Batterie- nichtlinearer Natur, folglich kann der Zusammenhang f(UR) eine beliebige nichtlineare Funktion sein. Alternativ zur (analytischen) Bestimmung dieser Funktion kann diese auch als Datensatz einer
Kennlinie oder eines Kennfeldes abgelegt/abgespeichert sein. Die funktionale Beaufschlagung des ermittelten Ruhespannungswertes UR erfolgt in Modul 14.
UR.min beziehungsweise U R,max bezeichnen hierbei die minimale beziehungsweise maximal im Betrieb zulässige Klemmenspannung Us .
Mittels des Modells 12 werden im Allgemeinen zusätzlich zur Ruhespannung UR auch weitere Kenngrößen (Innenwiderstand R und Klemmenspannung USp) des Energiespeichers geschätzt. Mit diesen Abschätzungsergebnissen des Modells 12 liegen die wesentlichen Parameter zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der
Batterie vor. Mittels weiterer (nicht dargestellter) Beobachtungseinrichtungen können weitere Zustandsgrößen (zum Beispiel der Alterungszustand SOH) bestimmt werden. Die Beobachtungseinrichtung 1 1 weist weiterhin ein Modul 15 zur Vorgabe eines
Zeitintervalls At des zeitdiskreten Vergleichs mittels des Komparators 13 auf. Mittels dieses Moduls 15 wird das Zeitintervall At des zeitdiskreten Vergleichs mit zunehmender Größe der zweiten ermittelten Betriebsgröße (hier des Laststroms I) und/oder mit zunehmender zeitlicher Ableitung der ermittelten zweiten Be- triebsgröße (des Laststroms dl/dt) verkleinert. Alternativ oder zusätzlich zur gezeigten Anpassung des Zeitintervalls At des zeitdiskreten Vergleichs kann sowohl das Zeitintervall At der Ermittlung der Betriebsgrößein) (also eine Messdaten-Akquisition) als auch das das Zeitintervall At des Bestimmens der Vergleichsgröße(n) (also eines Updates des Zustands- Schätzers beziehungsweise Zustandsbeobachters) der zweiten ermittelten Betriebsgröße und/oder deren zeitlicher Änderung angepasst werden.
Die Veränderung beziehungsweise Anpassung des Zeitintervalls At (oder dem reziproken Wert: der Samplingrate) ist mit Vorteil eine kontinuierliche Verände- rung/Anpassung mit der Größe des Laststroms. Statt einer kontinuierlichen Anpassung des Zeitintervalls / der Samplingrate können auch verschiedene Strombereiche definiert werden, so dass zwischen einigen wenigen Abtastratenstufen hin und her geschalten wird. Mit dem entsprechenden Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers 10 beschreibenden Zustandsgröße wird die Belastung von Steuergeräten, die zur Ladezustandsschätzung von Energiespeichern 10 verwendet werden, reduziert, indem die Samplingrate der Lastromgröße und/oder deren zeitlicher Änderung wie Folgt angepasst wird:
(a) At = 1 ■ const. beziehungsweise I -At = const. und/oder
(b) At = (dl/dt)"1 ■ const. beziehungsweise dl/dt -At = const. und/oder (c) At■ (I + A-(dl/dt))-B = const. wobei A und B zu bestimmende Konstanten sind. Hierbei bestimmt die maximale zulässige Strom- stärke lmax die Systemauslegung, d.h. die höchste Samplingrate bzw. das kleinste zu realisierende Zeitintervall At.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
• Deutlich reduzierte Beanspruchung des Steuergeräts, vor allem bei Niedrigstrombetrieb (geparktes Fahrzeug, Gleitphasen während der Fahrt, etc. ) und • kein Verlust der aktuellen Ladezustandsinformation wie beim vollständigen Abschalten des Steuergeräts.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die durch Messung ermittelte Spannung US des Energiespeichers 10 über der Zeit t aufgetragen ist. Eingetragen sind die Startzeiten ts eines Starts des Vergleichs und die Anpassung des entsprechenden Zeitintervalls At (Sampling-Zeit) des verwendeten Algorithmus zur Ladezustandsschätzung. Bei niedriger Laststromstärke I sind Spannungseinbrüche an den Batteriepolen und die entnommene Ladung geringer. Daher kann At für kleinere Ströme erhöht (At-ι > At2) und die Anzahl Rechenoperationen pro Zeiteinheit reduziert werden. Die Systemauslegung (Atmin) des Batteriemanagementsystems (BMS) erfolgt anhand des maximal zulässigen Stroms lmax.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei dem der durch Messung ermittelte Strom I des Energiespeichers 10 über der Zeit t aufgetragen ist. Zusätzlich oder alternativ zur Laststromstärke l(t) kann auch dessen zeitliche Ableitung dl/dt zur Anpassung des Zeitintervalls (der Sampling-Zeit) At des Algorithmus zur Ladezustandsschätzung verwendet werden. Bei Situationen geringer oder keiner zeitlichen Änderung des Stroms dl(t)/dt 14 wird das Zeitintervall At gegenüber Situationen mit höherer zeitlichen Änderung des Stroms dl(t)/dt 13 entsprechend vergrößert (At4 > At3).

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers (10) beschreibenden Zustandsgröße (SOC, SOH) durch Vergleich von mindestens einer durch Messung ermittelten ersten Betriebsgröße (US ) von mehreren Betriebsgrößen (T, I, US ) des Energiespeichers (10) mit mindestens einer entsprechenden Vergleichsgröße (UM), die mittels eines mathematischen Modells (12) des Energiespeichers bestimmt wird, wobei die Ermittlung der einen Betriebsgröße (US ) und/oder das Bestimmen der Vergleichsgröße (UM) und/oder der Vergleich von Betriebs- und Vergleichsgröße (Us ;UM) zeitdiskret erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitintervall (At) der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße (USp) und/oder der Bestimmung der Vergleichsgröße (UM) und/oder des zeitdiskreten Vergleichs in Abhängigkeit von
der Größe der ersten ermittelten Betriebsgröße und/oder einer zweiten ermittelten Betriebsgröße (I) der Betriebsgrößen (T, I, US ) und/oder
der Größe der zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße (dxl/dtx) erster und/oder höherer Ordnung und/oder
der Größe der Ortsableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder
der Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße, insbesondere einer Klemmenspannung (US ), nach der aus dem Energiespeicher (10) entnommenen und/oder in den Energiespeicher (10) eingespeisten Ladung
verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall (At) mit zunehmender Größe der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße (I) und/oder der zunehmender zeitlichen Änderung der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße (dl/dt) verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Zeitintervalls (At) indirekt proportional zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße (I) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Zeitintervalls (At) indirekt proportional zur zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße (dxl/dtx) erster und/oder höherer Ordnung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Zeitintervalls (At) indirekt proportional zu einer Summe aus einem zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße (I) proportionalen ersten Parameter und einem zur zeitlichen Ableitung der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße (dxl/d ) erster und/oder höherer Ordnung proportionalen zweiten Parameter ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Betriebsgröße
eine Temperatur (T) und/oder
ein Laststrom (I) und/oder
eine Klemmenspannung (US )
des Energiespeichers (10) ist/sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße (SOC, SOH) eine den Ladezustand des Energiespeichers (10) beschreibende Größe (SOC) ist und/oder eine den Al- terungs- und/oder Gesundheitszustand des Energiespeichers (10) beschreibende Größe (SOH) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschätzen der Zustandsgröße (SOC, SOH) mittels einer Beobachtungseinrichtung (1 1 ), insbesondere eines Zustandsschätzers oder Zustandsbeobachters, erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall (At) weiterhin auch in Abhängigkeit mindestens einer weiteren Kenngröße, insbesondere einer sicherheitskritischen Kenngröße, des Energiespeichers (10) und/oder der zeitlichen Ableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße und/oder der Ortsableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße verändert wird.
10. Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Leistungsflusses in einem Stromkreis mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher (10) und mindestens einem an den elektrischen Energiespeicher (10) angeschlossenen Verbraucher, insbesondere einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
1 1 . Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Beobachtungseinrichtung (1 1 ), insbesondere einen Zustandsschätzer nach Kaiman oder einen Zustandsbeobachter nach Luenberger.
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