WO2019034363A1 - Verfahren zur ermittlung zumindest eines teilbereichs einer leerlaufspannungskurve einer elektrischen energiespeichereinheit sowie elektrisches energiespeichersystem und dessen verwendung - Google Patents

Verfahren zur ermittlung zumindest eines teilbereichs einer leerlaufspannungskurve einer elektrischen energiespeichereinheit sowie elektrisches energiespeichersystem und dessen verwendung Download PDF

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energy storage
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voltage curve
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Philipp Hagemann
Robert Manfred Zielke
Regine MANTEL
Jens WERNETH
Joerg Schneider
Joerg Nils ILLIG
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention is based on a method for determining at least one subarea of an open-circuit voltage curve of an electrical energy storage unit within an electrical energy storage system, which comprises at least a first electrical energy storage unit and a second electrical energy storage unit, as well as a device for
  • Battery cells for determining the state of charge also abbreviated to SOC in technical language. This happens, for example, by comparing the measured no-load voltage with values stored in a table.
  • This table thus depicts a relation between the values of the no-load voltage and the values of the state of charge, which are typically below
  • Blend electrodes In particular, in electrically powered vehicles, the correct state of charge determination is necessary in order to be able to determine the electrical residual range precisely, for example. For example, this is relevant in hybrid vehicles in order to be able to answer the question of whether a purely electric driving through an emission-relevant zone, for example an environmental zone, is possible. Furthermore, on the basis of the state of charge, typically an aging state or a state of health an electrical energy storage unit determined. Accurate knowledge of the course of the open-circuit voltage, the so-called open-circuit voltage curve, is therefore for a reliable operation of an electrical
  • Battery charger described which has a DC-DC converter, wherein the charging device is arranged, the
  • Lead acid battery is above a predefined threshold.
  • Disclosed is a method for determining at least a portion of an open circuit voltage of an electrical energy storage unit within an electrical energy storage system, which at least one first electrical
  • Energy storage unit and a second electrical energy storage unit comprises, and a corresponding to the implementation of the method
  • the electrical energy content of the first electrical energy storage unit is changed by supplying or removing an electrical energy amount. Furthermore, the electric
  • Energy content of the second electrical energy storage unit changed by removal or supply of at least a portion of the supplied or removed electrical energy.
  • the change in the electrical energy content of the second electrical energy storage unit can be carried out by the complete removal or complete supply of the amount of electrical energy.
  • the at least one first current value indicates the amount of electrical energy. Furthermore, based on the detected at least two first voltage values and / or based on the detected at least two second voltage values and the at least one current value at least a first portion of the open circuit voltage curve of the first electrical energy storage unit and / or at least a first portion of the open circuit voltage curve of the second electrical
  • Energy storage unit determined.
  • at least a portion of the no-load voltage curve of the first and / or the second electrical energy storage unit can advantageously be determined without expensive laboratory tests and / or workshop visits being necessary or a user of the energy storage system hearing about this.
  • no special hardware is needed in an existing energy storage system, which allows a simple implementation in existing systems.
  • the electrical energy content of the first electrical energy storage unit by supplying or removing the electrical
  • Amount of energy changed until a predefined voltage level is reached is reached.
  • particularly relevant voltage levels can be investigated, in which, for example, aging effects are particularly pronounced.
  • Amount of energy flowing electrical current amount not a predefined current limit As a result, it is advantageously ensured that the electrical energy storage units do not become excessively warm and there is no influence on the result of the determination. In addition, the measurement accuracy can be increased at lower current values, which has an advantageous effect on the determination result.
  • the change in the electrical energy content of the first electrical energy storage unit and / or the second electrical energy storage unit by means of a DC-DC converter.
  • Open circuit voltage curve is increased. Furthermore, it can be concluded by extrapolation to areas of the corresponding open-circuit voltage curve, for which no current measured values are available. Thus, the increased Scope of the disclosed method.
  • the mathematical model may include, for example, differential equations or algebraic equations.
  • a data-based map can also be part of the mathematical model.
  • At least one of the method steps described above is expediently carried out several times in succession, wherein at least a second subarea of the no-load voltage curve of the first electrical energy storage unit and / or at least a second subarea of the no-load voltage curve of the second electrical energy storage unit are based on the first determined during the repeated execution
  • Execution determined first portions of the open circuit voltage curve of the second electrical energy storage unit is determined. This has the advantage that, for example, stochastic measurement uncertainties and short-term
  • a temperature variable of the first electrical energy storage unit and / or a temperature variable of the second electrical energy storage unit is determined within the method. Subsequently, the temperature size of the first electrical energy storage unit and / or the temperature size of the second electrical energy storage unit with a predefined lower temperature threshold and / or with a
  • predefined upper temperature threshold compared. Depending on the exceeding of the lower temperature threshold and / or the
  • the method steps described above are performed below the upper temperature threshold.
  • the change in the corresponding electrical energy content and the detection of the corresponding measured values are maintained until the lower temperature threshold value is exceeded or the upper temperature threshold value is undershot.
  • the subject of the disclosure is an electrical
  • Energy storage unit and a second electrical energy storage unit comprises and further comprises means adapted to perform the disclosed method steps.
  • the at least one agent can
  • a battery management control unit and a corresponding power electronics for example, a DC-DC converter, and current sensors and / or voltage sensors and / or temperature sensors include.
  • an electronic control unit in particular in the
  • An electronic control unit may, in particular, be understood to mean an electronic control unit, which includes, for example, a microcontroller and / or an application-specific hardware component, for example an ASIC. Likewise, it may include a personal computer or a programmable logic controller. Thus are appropriate
  • An electrical energy storage unit may in particular be understood as meaning an electrochemical battery cell and / or a battery module having at least one electrochemical battery cell and / or a battery pack having at least one battery module.
  • Energy storage unit be a lithium-based battery cell or a lithium-based battery module or a lithium-based battery pack.
  • the electrical energy storage unit may be a lithium-ion battery cell or a lithium-ion battery module or a lithium-ion battery pack.
  • a capacitor is possible as an electrical energy storage unit.
  • the first electrical energy storage unit and the second electrical energy storage unit are different in their storage technologies. For example, the first electrical energy storage unit based on the lithium-ion technology and the second electrical
  • the subject matter of the disclosure is a use of the described electrical energy storage system in electrically driven vehicles including hybrid vehicles, in stationary electrical
  • Energy storage systems in electrically operated hand tools, in portable equipment for telecommunications or data processing and in
  • FIG. 1 shows a flow chart of the disclosed method according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart of the disclosed method according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart of the disclosed method according to a third embodiment.
  • Figure 4 is a schematic representation of the disclosed electrical
  • Figure 1 shows a flow chart of the disclosed method according to a first
  • Embodiment the method for determining at least a portion of an open circuit voltage curve of an electric
  • Energy storage unit within an electrical energy storage system which comprises at least a first electrical energy storage unit and a second electrical energy storage unit used.
  • Step Sil is taken from the first electrical energy storage unit, an electrical energy amount, the first electrical energy storage unit accordingly discharged.
  • the electrical energy quantity removed from the first electrical energy storage unit is fed to the second electrical energy storage unit via a DC-DC converter, the second electrical energy storage unit is consequently charged.
  • the third step S13 continuously
  • Step S14 is based on the detected voltage values of the first electrical energy storage unit and the detected current values, a first portion of the open circuit voltage curve of the first electrical
  • FIG. 2 shows a flowchart of the disclosed method according to a second embodiment.
  • Energy storage unit within an electrical energy storage system which comprises at least a first electrical energy storage unit and a second electrical energy storage unit used.
  • the first electrical energy storage unit is taken an electrical energy amount. This can be done by means of a DC-DC converter or via the existing potential difference between the first electrical energy storage unit and the second electrical
  • Removal process for example, a switch, such as a relay used.
  • a switch such as a relay used.
  • Energy storage unit taken electrical energy supplied to the second electrical energy storage unit. It will be in a third
  • Step S23 which proceeds at least partially in parallel with the second step S22, continuously voltage values of the second electrical
  • a fourth step S24 based on the detected voltage values of the second electrical energy storage unit and the detected current values, a first subregion of the
  • Open circuit voltage curve of the second electrical energy storage unit determined and stored in a data memory. Subsequently, it is checked in a fifth step S25 how often the steps S21, S22, S23 and S24 have already been executed. After reaching a predefined execution number, in a sixth step S26 a second subregion of the
  • FIG. 3 shows a flow chart of the disclosed method according to a third
  • Embodiment the method for determining at least a portion of an open circuit voltage curve of an electric
  • a temperature variable of the first electrical Energy storage unit determined. Subsequently, the determined
  • a break is optionally taken, for example in the range of 1 minute to 30 minutes, in particular 5 minutes to 10 minutes, and again with the first step S31 began. If the lower temperature threshold is exceeded or the upper temperature threshold is undershot, a fourth step is performed
  • step S36 which runs at least partially parallel to the fifth step S35, during the discharging process or during the charging process
  • a seventh step S37 based on the detected voltage values of the first electrical energy storage unit and the second electrical energy storage unit and the detected current values, a first subregion of the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the disclosed electrical
  • Energy storage system 70 which at least a first electrical
  • Energy storage unit and a second electrical energy storage unit and at least one means is arranged to carry out the disclosed method.
  • electrical variables are preferably detected by means of suitable sensors 71, for example by means of a current or voltage sensors, both electrical energy storage units.
  • the recorded Values are processed by means of an electronic control unit 72 according to the method steps described above and the corresponding quantities described are determined. Furthermore, corresponding control variables are determined in the control unit, which are used to control a
  • Power electronics 73 for example, a DC-DC converter, are used to achieve a change in the corresponding electrical energy content of the first and second electrical energy storage unit.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve einer elektrischen Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems (70) beschrieben, wobei das elektrische Energiespeichersystem (70) mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst. Dabei wird der elektrische Energieinhalt der ersten und der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit geändert (S11 S12) und durch Erfassung (S13) mindestens zweier Spannungswerte und mindestens eines Stromwertes eine Ermittlung (S14) zumindest eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve ermöglicht. Weiterhin werden ein elektrisches Energiespeichersystem (70) mit mindestens einem Mittel zur Durchführung des Verfahrens und eine entsprechende Verwendung des elektrischen Energiespeichersystems (70) beschrieben.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Teilbereichs einer
Leerlaufspannungskurve einer elektrischen Energiespeichereinheit sowie elektrisches Energiespeichersystem und dessen Verwendung Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve einer elektrischen Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems, welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst, sowie einem zur
Durchführung des Verfahrens entsprechend eingerichteten elektrischen
Energiespeichersystem sowie dessen Verwendung.
Stand der Technik Die Leerlaufspannung, in der Fachsprache auch mit OCV abgekürzt, wird bei
Batteriezellen zur Bestimmung des Ladezustandes, in der Fachsprache auch mit SOC abgekürzt, genutzt. Dies geschieht beispielsweise durch den Vergleich der gemessenen Leerlaufspannung mit in einer Tabelle hinterlegten Werten. Diese Tabelle bildet somit eine Relation zwischen den Werten der Leerlaufspannung und den Werten des Ladezustandes ab, die typischerweise unter
Laborbedingungen gemessen wurden. Über die Lebensdauer der Batteriezellen verändert sich der charakteristische Verlauf der Leerlaufspannung in
Abhängigkeit des Ladezustandes, beispielsweise durch chemische
Nebenreaktionen oder unterschiedliches Alterungsverhalten von
Blendelektroden. Insbesondere in elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist die korrekte Ladezustandsbestimmung notwendig, um beispielsweise die elektrische Restreichweite präzise bestimmen zu können. Beispielsweise ist dies bei Hybridfahrzeugen relevant, um die Frage beantworten zu können, ob ein rein elektrisches Durchfahren einer emissionsrelevanten Zone, beispielsweise einer Umweltzone, möglich ist. Weiterhin wird auf der Basis des Ladezustandes typischerweise ein Alterungszustand beziehungsweise ein Gesundheitszustand einer elektrischen Energiespeichereinheit bestimmt. Eine genaue Kenntnis des Verlaufs der Leerlaufspannung, die sogenannte Leerlaufspannungskurve, ist demzufolge für einen zuverlässigen Betrieb eines elektrischen
Energiespeichersystems sehr wichtig. Dabei ist eine einmalige Kalibrierung dieser Kurve zu Beginn der Nutzung der elektrischen Energiespeichereinheit möglicherweise nicht ausreichend, um dies zu gewährleisten. Weiterhin ist eine nachgelagerte Kalibrierung in einer Werkstatt zeitaufwendig und kostenintensiv und daher nur in großen zeitlichen Abständen durchführbar.
In der Druckschrift DE 10 2013 220 643 AI wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes beschrieben, wobei nach Abschalten eines
Verbrennungsmotors elektrische Energie von einer sekundären Batterie auf eine primäre Batterie erfolgt.
In der Druckschrift WO 2015/132625 AI wird eine hybride
Batterieladevorrichtung beschrieben, welche einen Gleichspannungswandler aufweist, wobei die Ladevorrichtung eingerichtet ist, den
Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass eine Bleisäurebatterie geladen wird, wenn ihr Ladezustand unterhalb einer vordefinierten Schwelle liegt und dass eine hochzyklusfähige Batterie geladen wird, wenn ihr Ladezustand unterhalb einer vordefinierten Schwelle liegt und der Ladezustand der
Bleisäurebatterie über einer vordefinierten Schwelle liegt.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Offenbart wird ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Teilbereichs einer Leerlaufspannung einer elektrischen Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems, welches mindestens eine erste elektrische
Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens entsprechend
eingerichtetes elektrisches Energiespeichersystem und dessen Verwendung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Innerhalb des Verfahrens wird der elektrische Energieinhalt der ersten elektrischen Energiespeichereinheit durch Zufuhr oder Entnahme einer elektrischen Energiemenge geändert. Weiterhin wird der elektrische
Energieinhalt der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit durch Entnahme oder Zufuhr zumindest eines Teils der zugeführten oder entnommenen elektrischen Energiemenge geändert. Insbesondere kann die Änderung des elektrischen Energieinhalts der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit durch die vollständige Entnahme oder vollständige Zufuhr der elektrischen Energiemenge erfolgen. Weiterhin werden mindestens zwei erste elektrische Spannungswerte der ersten elektrischen Energiespeichereinheit zu jeweils zwei unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder mindestens zwei zweite elektrische Spannungswerte der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit zu jeweils zwei unterschiedlichen Zeitpunkten sowie mindestens ein erster Stromwert während der Änderung des elektrischen Energieinhaltes der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit und/oder mindestens ein erster Stromwert während der Änderung des elektrischen Energieinhaltes der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit erfasst. Dabei kennzeichnet der mindestens eine erste Stromwert die elektrische Energiemenge. Weiterhin wird basierend auf den erfassten mindestens zwei ersten Spannungswerten und/oder basierend auf den erfassten mindestens zwei zweiten Spannungswerten sowie dem mindestens einen Stromwert zumindest ein erster Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder zumindest ein erster Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit ermittelt. Somit kann in vorteilhafter Weise zumindest ein Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der ersten und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit bestimmt werden, ohne dass aufwendige Laborversuche und/oder Werkstattbesuche notwendig sind oder ein Nutzer des Energiespeichersystems davon etwas mitbekommt. Weiterhin wird keine spezielle Hardware in einem bereits vorhandenen Energiespeichersystem benötigt, was eine einfache Umsetzung auch in bereits bestehenden Systemen ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche. Zweckmäßigerweise wird der elektrische Energieinhalt der ersten elektrischen Energiespeichereinheit durch Zufuhr oder Entnahme der elektrischen
Energiemenge so lange geändert, bis ein vordefiniertes Spannungsniveau erreicht wird. Somit können in vorteilhafter Weise gezielt besonders relevante Spannungsniveaus untersucht werden, an denen beispielsweise Alterungseffekte besonders deutlich in Erscheinung treten.
Zweckmäßigerweise überschreitet ein bei der Änderung der elektrischen
Energiemenge fließender elektrischer Strom betragsmäßig nicht einen vordefinierten Stromgrenzwert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass sich die elektrischen Energiespeichereinheiten nicht übermäßig stark erwärmen und es nicht zu einer Beeinflussung des Ermittlungsergebnisses kommt. Zusätzlich kann die Messgenauigkeit bei kleineren Stromwerten erhöht sein, was sich vorteilhaft auf das Ermittlungsergebnis auswirkt.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Änderung des elektrischen Energieinhaltes der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit mittels eines Gleichspannungswandlers. Somit ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass ein Energieaustausch auch bei unterschiedlichen elektrischen Spannungsniveaus möglich ist, was einen
Energieaustausch in bidirektionaler Richtung erlaubt. Dies verleiht dem
Verfahren eine sehr große Flexibilität.
Zweckmäßigerweise wird der erste Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der erste Teilbereich der
Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit basierend auf einer Extrapolation unter Verwendung eines in einem
Datenspeicher hinterlegten mathematischen Modells ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass bereits bekannte beziehungsweise vorab in Laborversuchen ermittelte oder untersuchte Änderungen oder Alterungsphänomene der entsprechenden Leerlaufspannungskurve in dem mathematischen Modell berücksichtigt werden und somit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ermittlung des entsprechenden Teilbereichs der entsprechenden
Leerlaufspannungskurve erhöht wird. Weiterhin kann durch die Extrapolation auf Bereiche der entsprechenden Leerlaufspannungskurve geschlossen werden, für die keine aktuellen Messwerte vorhanden sind. Somit vergrößert sich der Anwendungsbereich des offenbarten Verfahrens. Das mathematische Modell kann beispielsweise Differentialgleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein.
Zweckmäßigerweise wird zumindest einer der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte mehrmals hintereinander durchgeführt, wobei weiterhin zumindest ein zweiter Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder zumindest ein zweiter Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit basierend auf den bei der mehrmaligen Ausführung ermittelten ersten
Teilbereichen der Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit und/oder basierend auf den bei der mehrmaligen
Ausführung ermittelten ersten Teilbereichen der Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise stochastische Messunsicherheiten und kurzzeitig
vorhandene externe Einflüsse das Ermittlungsergebnis nur leicht beeinflussen beziehungsweise heraus gemittelt werden. Somit wird die Ermittlungsgenauigkeit des Verfahrens erhöht.
Zweckmäßigerweise wird innerhalb des Verfahrens eine Temperaturgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder eine Temperaturgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Anschließend wird die Temperaturgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder die Temperaturgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit mit einem vordefinierten unteren Temperaturschwellenwert und/oder mit einem
vordefinierten oberen Temperaturschwellenwert verglichen. In Abhängigkeit des Überschreitens des unteren Temperaturschwellenwertes und/oder des
Unterschreitens des oberen Temperaturschwellenwertes werden die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt. Vorteilhafterweise wird beispielsweise vorgesehen, dass mit der Änderung des entsprechenden elektrischen Energieinhaltes und der Erfassung der entsprechenden Messwerte so lange gewartet wird, bis der untere Temperaturschwellenwert überschritten beziehungsweise der obere Temperaturschwellenwert unterschritten wird. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die elektrischen
Energiespeichereinheiten bei einer zu niedrigen Temperaturen nicht geschädigt werden beziehungsweise bei einer erhöhten Temperatur durch den
Energietransfer nicht zusätzlich erwärmt werden.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches
Energiespeichersystem, welches mindestens eine erste elektrische
Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst und weiterhin ein Mittel aufweist, das eingerichtet ist, die offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Das mindestens eine Mittel kann
beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Gleichspannungswandler, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der
Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, zum Beispiel einen ASIC, umfasst, verstanden werden. Ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen. Somit sind entsprechende
Umsetzungsbeispiele gegeben, wie die vorstehend beschriebenen Vorteile des Verfahrens realisiert werden können.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische
Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium- Ionen- Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel- Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft- Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich. Zweckmäßigerweise sind die erste elektrische Energiespeichereinheit und die zweite elektrische Energiespeichereinheit in ihren Speichertechnologien unterschiedlich. Beispielsweise kann die erste elektrische Energiespeichereinheit auf der Lithiumionentechnologie basieren und die zweite elektrische
Energiespeichereinheit auf der Bleitechnologie basieren. Somit können die Vorteile beider Technologien realisiert werden, wie sie beispielsweise in Plugin- Hybridfahrzeugen häufig eingesetzt werden.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Verwendung des beschriebenen elektrischen Energiespeichersystems in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen
Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in
Haushaltsgeräten. Somit können die vorstehend beschriebenen Vorteile in einer Vielzahl von Anwendungen realisiert werden, was insbesondere bei Geräten oder Vorrichtungen, die über einen langen Zeitraum, beispielsweise 5 oder 10 Jahre genutzt werden, aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorteile vorteilhaft ist, da sich hier Alterungseffekte einer eingesetzten elektrischen Energiespeichereinheit deutlich zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
Es zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform; und Figur 4 eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen
Energiespeichersystems.
Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche
Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte. Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve einer elektrischen
Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems, welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst, eingesetzt. In einem ersten
Schritt Sil wird der ersten elektrischen Energiespeichereinheit eine elektrische Energiemenge entnommen, die erste elektrische Energiespeichereinheit demzufolge entladen. Über einen Gleichspannungswandler wird die der ersten elektrischen Energiespeichereinheit entnommene elektrische Energiemenge in einem zweiten Schritt S12 der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit zugeführt, die zweite elektrische Energiespeichereinheit wird demzufolge geladen. Dabei werden in einem dritten Schritt S13 kontinuierlich
Spannungswerte der ersten elektrischen Energiespeichereinheit sowie die elektrische Energiemenge kennzeichnende Stromwerte erfasst. Die Schritte Sil, S12 und S13 laufen demzufolge zumindest teilweise parallel ab. In einem vierten
Schritt S14 wird basierend auf den erfassten Spannungswerten der ersten elektrischen Energiespeichereinheit sowie den erfassten Stromwerten ein erster Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit ermittelt.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve einer elektrischen
Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems, welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst, eingesetzt. In einem ersten Schritt S21 wird der ersten elektrischen Energiespeichereinheit eine elektrische Energiemenge entnommen. Dies kann mittels eines Gleichspannungswandlers erfolgen oder auch über den vorhandenen Potenzialunterschied zwischen der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit. Bei letzterer Möglichkeit ist zur Steuerung des
Entnahmevorgangs beispielsweise ein Schalter, beispielsweise ein Relay, einsetzbar. In einem zweiten Schritt S22, welcher zumindest teilweise parallel zu dem ersten Schritt S21 abläuft, wird die der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit entnommene elektrische Energiemenge der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit zugeführt. Dabei werden in einem dritten
Schritt S23, welcher zumindest teilweise parallel zu dem zweiten Schritt S22 abläuft, kontinuierlich Spannungswerte der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit sowie die elektrische Energiemenge kennzeichnende Stromwert erfasst. Die Schritte S21, S22 und S23 laufen demzufolge zumindest teilweise parallel ab. In einem vierten Schritt S24 wird basierend auf den erfassten Spannungswerten der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit sowie den erfassten Stromwerten ein erster Teilbereich der
Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt und in einem Datenspeicher abgelegt. Anschließend wird in einem fünften Schritt S25 überprüft, wie oft die Schritte S21, S22, S23 und S24 bereits ausgeführt wurden. Nach Erreichen einer vordefinierten Durchführungsanzahl wird in einem sechsten Schritt S26 ein zweiter Teilbereich der
Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit basierend auf den bei der mehrmaligen Durchführung ermittelten ersten
Teilbereichen der Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit ermittelt. Solange die vordefinierte Durchführungsanzahl noch nicht erreicht ist, wird wieder mit dem ersten Schritt S21 gestartet und es werden die entsprechenden Schritte wie beschrieben durchgeführt. Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten
Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Teilbereichs einer Leerlaufspannungskurve einer elektrischen
Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems, welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit umfasst, eingesetzt. Dabei wird in einem ersten Schritt S31 eine Temperaturgröße der ersten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Anschließend wird die ermittelte
Temperaturgröße in einem zweiten Schritt S32 mit einem vordefinierten unteren Temperaturschwellenwert sowie einem vordefinierten oberen
Temperaturschwellenwert verglichen. Wird in einem dritten Schritt S33 festgestellt, dass der untere Temperaturschwellenwert unterschritten wird oder der obere Temperaturschwellenwert überschritten wird, wird gegebenenfalls eine Pause eingelegt beispielsweise im Bereich von 1 Minute bis 30 Minuten, insbesondere 5 Minuten bis 10 Minuten, und wieder mit dem ersten Schritt S31 begonnen. Wird der untere Temperaturschwellenwert überschritten oder der obere Temperaturschwellenwert unterschritten, wird mit einem vierten Schritt
S34 fortgefahren. In dem vierten Schritt S34 wird die erste elektrische
Energiespeichereinheit entladen, in dem eine elektrische Energiemenge entnommen wird. In einem fünften Schritt S35, welcher zumindest teilweise parallel zu dem vierten Schritt S34 abläuft, wird die der ersten elektrischen Energiespeichereinheit entnommene Energiemenge der zweiten elektrischen
Energiespeichereinheit zugeführt. Dabei werden in einem sechsten Schritt S36, welcher zumindest teilweise parallel zu dem fünften Schritt S35 abläuft, während des Entladevorgangs beziehungsweise während des Ladevorgangs
Spannungswerte der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit erfasst. Weiterhin werden ebenso
Stromwerte, welche die elektrische Energiemenge kennzeichnen, erfasst. Die Schritte S34, S35 und S36 laufen demzufolge zumindest teilweise parallel ab. In einem siebten Schritt S37 wird basierend auf den erfassten Spannungswerten der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit sowie der erfassten Stromwerte ein erster Teilbereich der
Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit sowie ein erster Teilbereich der Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt und in einem Datenspeicher abgelegt. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen
Energiespeichersystems 70, welches mindestens eine erste elektrische
Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit sowie mindestens ein Mittel umfasst, das eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dabei werden mittels geeigneter Sensoren 71, beispielsweise mittels eines Strom- beziehungsweise Spannungssensoren, elektrische Größen vorzugsweise beider elektrischen Energiespeichereinheiten erfasst. Die erfassten Werte werden mittels eines elektronischen Steuergeräts 72 entsprechend den oben beschriebenen Verfahrensschritten verarbeitet und die entsprechenden beschriebenen Größen ermittelt. Weiterhin werden in dem Steuergerät entsprechende Steuergrößen ermittelt, die zur Regelung einer
Leistungselektronik 73, beispielsweise eines Gleichspannungswandlers, eingesetzt werden, um eine Änderung des entsprechenden elektrischen Energieinhaltes der ersten und zweiten elektrischen Energiespeichereinheit zu erzielen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Teilbereichs einer
Leerlaufspannungskurve einer elektrischen Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems (70), welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische
Energiespeichereinheit umfasst, aufweisend die folgenden Schritte:
a) Ändern (Sil, S21, S34) des elektrischen Energieinhaltes der ersten
elektrischen Energiespeichereinheit durch Zufuhr oder Entnahme einer elektrischen Energiemenge;
b) Ändern (S12, S22, S35) des elektrischen Energieinhaltes der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit durch Entnahme oder Zufuhr zumindest eines Teils der in Schritt a) zugeführten oder entnommenen elektrischen Energiemenge;
c) Erfassen (S13, S23, S36) mindestens zweier ersten elektrischen
Spannungswerte der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder mindestens zweier zweiten elektrischen Spannungswerte der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit zu jeweils zwei unterschiedlichen Zeitpunkten sowie mindestens eines ersten Stromwertes während der Änderung des elektrischen Energieinhaltes in Schritt a) und/oder Schritt b), wobei der erste Stromwert die elektrische Energiemenge
kennzeichnet;
d) Ermitteln (S14, S24, S37) zumindest eines ersten Teilbereichs der
Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder zumindest eines ersten Teilbereichs der
Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit basierend auf den erfassten mindestens zwei ersten Spannungswerten und/oder den erfassten mindestens zwei zweiten Spannungswerten sowie dem erfassten Stromwert.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt a) solange elektrische Energie zugeführt oder entnommen wird, bis ein vordefiniertes erstes
Spannungsniveau erreicht wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein bei der Änderung der elektrischen Energiemenge fließender elektrischer Strom einen vordefinierten Stromgrenzwert betragsmäßig nicht überschreitet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Änderung des elektrischen Energieinhaltes in Schritt a) und/oder Schritt b) über einen Gleichspannungswandler erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln in Schritt d) auf einer Extrapolation unter Verwendung eines in einem
Datenspeicher hinterlegten mathematischen Modells beruht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte a), b), c) und d) mehrmals hintereinander durchgeführt werden und das Verfahren weiterhin umfasst:
e) Ermitteln (S26) zumindest eines zweiten Teilbereichs der
Leerlaufspannungskurve der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder zumindest eines zweiten Teilbereichs der
Leerlaufspannungskurve der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit basierend auf den bei der mehrmaligen Ausführung ermittelten ersten Teilbereichen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
f) Ermitteln (S31) einer Temperaturgröße der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit und/oder einer Temperaturgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit;
g) Vergleichen (S32) der Temperaturgröße der ersten elektrischen
Energiespeichereinheit und/oder der Temperaturgröße der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit mit einem vordefinierten unteren Temperaturschwellenwert und/oder einem vordefinierten oberen
Temperaturschwellenwert;
h) In Abhängigkeit des Überschreitens des unteren
Temperaturschwellenwertes und/oder des Unterschreitens des oberen Temperaturschwellenwertes Durchführen (S33) der Schritte a), b), c) und d). Elektrisches Energiespeichersystem (70), welches mindestens eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische
Energiespeichereinheit umfasst, aufweisend mindestens ein Mittel (72, 73), das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Elektrisches Energiespeichersystem (70) nach Anspruch 8, wobei die erste elektrische Energiespeichereinheit und die zweite elektrische
Energiespeichereinheit in ihren Speichertechnologien unterschiedlich sind, insbesondere die erste elektrische Energiespeichereinheit auf der
Lithiumionentechnologie basiert und die zweite elektrische
Energiespeichereinheit auf der Bleitechnologie basiert.
10. Verwendung eines elektrischen Energiespeichersystems (70) gemäß
Anspruch 8 oder 9 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich
Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.
PCT/EP2018/069659 2017-08-17 2018-07-19 Verfahren zur ermittlung zumindest eines teilbereichs einer leerlaufspannungskurve einer elektrischen energiespeichereinheit sowie elektrisches energiespeichersystem und dessen verwendung WO2019034363A1 (de)

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