WO2022242926A1 - Verfahren und steuergerät zum bestimmen einer energiemenge in einer batterie oder batteriezelle - Google Patents

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WO2022242926A1
WO2022242926A1 PCT/EP2022/056242 EP2022056242W WO2022242926A1 WO 2022242926 A1 WO2022242926 A1 WO 2022242926A1 EP 2022056242 W EP2022056242 W EP 2022056242W WO 2022242926 A1 WO2022242926 A1 WO 2022242926A1
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battery
voltage
state
charge state
rcx
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PCT/EP2022/056242
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Marian VLCEK
Jiri VALTR
Adam Hrazdira
Stefan Aust
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm

Definitions

  • the invention relates to a method and a control unit for determining an amount of energy in a battery or battery cell.
  • An important parameter is an amount of energy that is taken from or added to the battery when it is in operation.
  • a remaining range, an operating time or an amount of energy required to fully charge the battery can be determined with the aid of energy quantities.
  • a quantity of energy can be determined both in the charging direction and in the discharging direction.
  • an amount of energy can also be determined in intervals between states of charge (SOC) of the battery. Determining amounts of energy accurately is crucial for determining a (current) state of the battery.
  • a recursive method for adaptive multi-parameter regression is known from US Pat. No. 7,612,532 B2, which is expanded by forgetting factors that are unique for each regressive parameter.
  • Applications of this process can include lead-acid batteries, nickel-metal hydride batteries, and lithium-ion batteries, among others.
  • a control method is presented that has an arbitrary number of model parameters, each with its own time weighting factor.
  • a method for determining optimal values for the time weighting factors is included to give more effect to recently obtained system state determination data.
  • a weighted recursive least squares method is used, with time weighting conforming to the exponential forgetting formalism. The derived result does not involve any matrix inversion and the procedure is iterative, ie each parameter is fed back individually at each time step.
  • the invention is based on the object of creating a method and a control device for determining an amount of energy in a battery or battery cell, in which the amount of energy can be reliably determined.
  • a method for determining an amount of energy in a battery or battery cell is provided, with a starting charge state being received, with a discharging state being received, with a load profile between the starting charge state and the discharging state being received, with intermediate charging states between the starting charge state and the discharging state and associated weighting factors are determined, with parameters of an equivalent circuit model of the battery or battery cell being estimated for each of the intermediate charge states determined, and with an amount of energy in the battery or battery cell between the starting charge state and the discharge state being determined on the basis of the load profile, the weighting factors and the parameters, and as an energy quantity signal provided.
  • control unit for determining an amount of energy in a battery or battery cell
  • the control unit being set up to receive an initial charge state, to receive an end charge state, to receive a load profile between the initial charge state and the end charge state, to receive intermediate charge states between the initial charge state and the To determine the final state of charge and associated weighting factors, to estimate parameters of an equivalent circuit model of the battery or battery cell for each of the intermediate states of charge determined, and to determine an amount of energy in the battery or battery cell between the initial state of charge and the final state of charge on the basis of the load profile, the weighting factors and the parameters and as provide energy quantity signal.
  • the method and the control unit make it possible to determine, in particular to estimate, an amount of energy in an improved manner.
  • parameters of an equivalent circuit model of the battery or the battery cell are estimated for intermediate charging states that lie within an interval between a starting charging state and an end charging state.
  • the parameters are estimated, in particular, as a function of the intermediate charge state considered in each case.
  • a temperature or a temperature dependency is taken into account when estimating the parameters.
  • the parameters are therefore dependent in particular on the respective intermediate charging state and the prevailing temperature.
  • the temperature can be detected, for example, by means of a temperature sensor on the battery or battery cell, or it can be provided in some other way, for example, it can be estimated.
  • the amount of energy in the battery or battery cell between the starting charge state and the end charge state is determined.
  • the determined amount of energy is provided as an energy amount signal.
  • the energy quantity signal can be analog or digital.
  • the energy quantity signal can be transmitted to a battery controller and/or a vehicle controller or a charging infrastructure, for example.
  • One advantage of the method and the control unit is that losses occurring in the battery or battery cell can be taken into account in an improved manner by taking into account state-of-charge-dependent and, in particular, also temperature-dependent parameters. The amount of energy between the initial charging state and the final charging state can therefore be determined in an improved manner.
  • the starting state of charge and the discharge state are in particular between a minimum state of charge and a maximum state of charge of the battery or battery cell.
  • the starting state of charge and the discharged state of charge are received, for example, as an analog or digital signal from the initial state of charge and as an analog or digital signal from the discharged state of charge, for example from a battery controller and/or a vehicle controller.
  • the starting state of charge and the discharge state can also be queried from a battery controller or a vehicle controller.
  • a load profile refers in particular to a current during charging and/or during discharging between the initial charging state and the final charging state.
  • the load profile can be based on recorded sensor data (current measurement) as well as on specified, e.g. simulated or estimated data.
  • the load profile can be time-resolved.
  • the parameters of the equivalent circuit model can, for example, have been determined empirically for different states of charge and temperatures of the battery.
  • the parameters determined are then stored in a memory, in particular in the control unit, and can be called up as required and, if necessary, made available in an interpolated form if the parameters are to be estimated for an intermediate charging state. It is however, alternatively or additionally, it is also possible to determine and/or estimate the parameters by simulation.
  • the determined intermediate charge states form, in particular, interpolation points in a numerical integration carried out to determine the amount of energy.
  • the selected numerical integration method specifies the intermediate charge states and the associated weighting factors as support points.
  • an amount of energy can be determined within any desired state of charge interval by integration over a voltage of the battery or battery cell.
  • open or closed Newton-Cotes formulas can be selected as numerical integration methods, in which uniformly distributed interpolation points are used. Support points that are not uniformly distributed can also be used by means of Gauss-Legendre squaring. The methods differ in the choice of support points, but the rest of the procedure is the same.
  • the integral is always calculated as the weighted sum of the stresses at the interpolation points. In principle, however, other numerical integration methods can also be used.
  • Parts of the control device can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor. However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC) or field-programmable gate array (FPGA).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • the method and the control device can be used in particular in a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • a vehicle can also be another land, rail, water, air or space vehicle, for example a drone or an air taxi.
  • the method and the control unit can also be used in other mobile or stationary energy stores.
  • an amount of energy can be calculated as follows:
  • Q N0 mmai is a capacity of the battery or battery cell with the unit Ah (ampere hours)
  • SOC start is the starting charge level
  • SOC End is the final charge level (each without a unit as a percentage or value between 0 and 1)
  • U is the voltage of the battery or Battery cell
  • SOC the state of charge of the battery or battery cell.
  • the integral is solved using a numerical integration method, for example using one of the open or closed Newton-Cotes formulas:
  • w t is the weighting factor at the interpolation point i corresponding to an intermediate charge state SOC t .
  • the equivalent circuit model includes at least one open-circuit voltage as a voltage source, a series resistance and at least one RC element.
  • the essential effects in the battery or battery cell can be taken into account; in particular, a time-dependent behavior can be taken into account by means of the at least one RC element.
  • the equivalent circuit model has more than one RC element, so that multiple time-dependent processes within the battery or battery cell can also be taken into account.
  • a total voltage of the battery or battery cell is determined at least from the open-circuit voltage, a series resistance voltage drop across the series resistance and an RC element voltage drop across the at least one RC element. This enables the amount of energy to be determined particularly efficiently.
  • the RC elements are connected in series.
  • the no-load voltage t/ ocv is estimated as a parameter by the equivalent circuit model as a function of the intermediate charge state SO.
  • the load profile is received in the form of a root mean square value of a current and a mean value of the current, with the series resistance voltage dropping across the series resistance being determined from the root mean square of the current and the mean value of the current for the intermediate charging states. This allows the series resistance voltage to be reliably determined, particularly in the case of load profiles with a non-constant current curve.
  • R 0 is the series resistance dependent on the intermediate charging state SO
  • I RMS is the root mean square of the current
  • I Avg is the mean value of the current.
  • R 0 is a parameter that is estimated using the equivalent circuit model for the respective intermediate charge state.
  • the average values can also be average values over a few interpolation points around the interpolation point under consideration (for example in the form of a moving average that takes into account a predetermined number of interpolation points).
  • a time is determined until reaching the intermediate charge state considered in each case, with the RC element voltage starting from the certain time and a time constant of the at least one RC element is determined.
  • the RC element voltage of the at least one RC element can be estimated in an improved manner and the total voltage can subsequently also be determined in an improved manner.
  • t h is the time constant for the nth RC element.
  • the RC element resistance R ßC n is estimated as a parameter depending on the intermediate charge state SO using the equivalent circuit model.
  • the RC elements are saturated so that they can be replaced by constant resistors.
  • Such a procedure is possible in particular with a constant load (constant current in the load profile) and/or large intervals between the initial charge state and the end charge state.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of the control device for determining an amount of energy in a battery or battery cell
  • FIG. 2 shows a schematic flow chart of processing in the control unit according to an embodiment of the method
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an equivalent circuit model.
  • control unit 1 shows a schematic representation of an embodiment of control unit 1 for determining an amount of energy 20 in a battery or battery cell.
  • the control device 1 comprises a computing device 2 and a memory 3.
  • the computing device 2 is, for example, a microprocessor or a microcontroller on which program code is executed in order to carry out the method described in this disclosure.
  • hard-wired hardware components can also be provided, which partially or fully execute the method.
  • Control unit 1 can be part of a battery control system.
  • An initial charge state 10, an end charge state 11 and a load profile 12 are supplied to control unit 1. Provision can also be made for a current temperature 13 of the battery or battery cell to be fed to control unit 1 .
  • the current temperature of the battery or battery cell can be detected and/or estimated using a temperature sensor 50, for example.
  • the control unit 1 can also form a common device together with the temperature sensor 50 .
  • the starting state of charge 10, the final state of charge 11 and the load profile 12 are queried and/or provided, for example, by an energy management system (not shown) or a vehicle controller 51 of a vehicle (not shown).
  • the starting charge state 10, the end charge state 11 and the load profile 12 are received by the control unit 1 and processed by the computing device 2.
  • Control unit 1 is set up to determine intermediate charging states 14 between starting charging state 11 and final charging state 12 and associated weighting factors 15 . This takes place in a module 100. For each of the intermediate charging states 14 determined, the control unit 1 estimates parameters 16 of an equivalent circuit model of the battery or the battery cell in a module 101. This also happens in particular taking into account the temperature 13. The estimation is carried out, for example, on the basis of empirically determined parameters of the equivalent circuit model. Provision can be made here for empirically determined parameters to be interpolated. Alternatively or additionally, provision can also be made for the parameters to be estimated on the basis of a simulation.
  • an exemplary equivalent circuit model 30 is shown schematically in FIG. 3 . It is provided in the example that the equivalent circuit model 30 comprises at least one open-circuit voltage U ocv modeled in the form of a capacitance C as a voltage source, a series resistance R 0 and two RC elements RC1, RC2 with the resistances R1, R2 and the capacitances C1, C2 . In principle, however, the equivalent circuit model 30 can also have more or fewer RC elements RC1, RC2.
  • Parameters 16 are in particular open-circuit voltage U ocv (Fig. 3), series resistance R 0 (Fig. 3), a resistance R1, R2 of RC elements RC1, RC2 (Fig 3) and estimated time constants of the RC elements RC1, RC2. Furthermore, a voltage across the RC elements RC1, RC2 for the starting state of charge 10 is also estimated.
  • the weighting factors 15 and the parameters 16 Based on the load profile 12 (Fig. 2), which is provided in particular as a mean value 12-1 of the current and as a root mean square 12-2 of the current, the weighting factors 15 and the parameters 16, an amount of energy 20 of the battery or in a module 102 Battery cell between the starting state of charge 10 and the discharge state 11 determined.
  • the determined amount of energy 20 is provided as an energy amount signal 21 .
  • a total voltage U (Fig. 3) of the battery or battery cell for each intermediate charging state 14 is determined from at least the open-circuit voltage U ocv , a series resistance voltage U R0 dropping across the series resistor R 0 and a series resistance voltage U R0 across the RC elements RC1 , RC2 falling RC element voltage U RC1 , U RC2 is determined.
  • the series resistance voltage U R0 dropping across the series resistor R 0 is determined from the root mean square 12-2 (FIG. 2) of the current and the mean value 12-1 (FIG. 2) of the current .
  • the RC element voltage U RC1 , U RC2 dropping across the at least one RC element RC1, RC2 (Fig. 3)
  • a time is determined until the intermediate charge state 14 under consideration is reached is, wherein the RC element voltage U RC1 , U RC2 is determined based on the specific time and a time constant of the at least one RC element RC1, RC2.
  • the resulting total voltage U of the battery or battery cell is then integrated numerically over the interval between the initial charging state 10 and the final charging state 11 in order to obtain the amount of energy 20 .
  • This can be done, for example, using open or closed Newton-Cotes formulas. In principle, however, other numerical integration methods can also be used.
  • the energy quantity signal 21 is then generated, which encodes the value of the energy quantity 20 in a suitable form.
  • the energy amount signal 21 can be fed to a battery controller 52 or the vehicle controller 51, for example.
  • the method and the control unit enable an improved determination of amounts of energy in batteries or battery cells.
  • the method and the control unit can advantageously be used in particular at different temperatures and state of charge intervals of different sizes.
  • non-constant load profiles can also be taken into account, so that losses that occur can be better taken into account.
  • Different charging histories can also be taken into account, since the current state of charge of the battery is always taken into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Energiemenge (20) in einer Batterie oder Batteriezelle, wobei ein Startladezustand (10) empfangen wird, wobei ein Endladezustand (11) empfangen wird, wobei ein Lastprofil (12) zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) empfangen wird, wobei Zwischenladezustände (14) zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) und zugehörige Gewichtungsfaktoren (15) bestimmt werden, wobei für jeden der bestimmten Zwischenladezustände (14) Parameter (16) eines Ersatzschaltungsmodells (30) der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden, und wobei ausgehend von dem Lastprofil (12), den Gewichtungsfaktoren (15) und den Parametern (16) eine Energiemenge (20) der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) bestimmt und als Energiemengensignal (21) bereitgestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät (1) zum Bestimmen einer Energiemenge (20) in einer Batterie oder Batteriezelle.

Description

Beschreibung
Verfahren und Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder
Batteriezelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle.
Durch eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen werden Batterien, insbesondere Li- lonen-Batterien, immer wichtiger. Eine wichtige Kenngröße ist eine Energiemenge, die beim Betrieb der Batterie dieser entnommen oder hinzugefügt wird. Mit Hilfe von Energiemengen lässt sich eine verbleibende Reichweite, eine Betriebszeit oder eine zum vollständigen Laden der Batterie benötigte Energiemenge bestimmen. Eine Energiemenge kann hierbei sowohl in Laderichtung als auch in Entladerichtung bestimmt werden. Darüber hinaus kann eine Energiemenge auch in Intervallen zwischen Ladezuständen (engl state of Charge, SOC) der Batterie bestimmt werden. Das genaue Bestimmen von Energiemengen ist entscheidend für das Bestimmen eines (aktuellen) Zustands der Batterie.
Aus der US 7612 532 B2 ist ein rekursives Verfahren für die adaptive Mehrparameter- Regression bekannt, welches durch Vergessensfaktoren erweitert wird, die für jeden regressiven Parameter eindeutig sind. Anwendungen dieses Verfahrens können unter anderem Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien umfassen. Es wird ein Steuerverfahren vorgestellt, das eine beliebige Anzahl von Modellparametern mit jeweils einem eigenen Zeitgewichtungsfaktor aufweist. Ein Verfahren zum Bestimmen optimaler Werte für die Zeitgewichtungsfaktoren ist enthalten, um kürzlich erhaltenen Daten zur Bestimmung des Systemzustands eine größere Wirkung zu verleihen. Eine Methode der gewichteten rekursiven kleinsten Quadrate wird verwendet, wobei die Zeitgewichtung dem exponentiell vergessenden Formalismus entspricht. Das abgeleitete Ergebnis beinhaltet keine Matrixinversion, und das Verfahren ist iterativ, d. h. jeder Parameter wird bei jedem Zeitschritt einzeln zurückgeführt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle zu schaffen, bei denen die Energiemenge zuverlässig bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle zur Verfügung gestellt, wobei ein Startladezustand empfangen wird, wobei ein Endladezustand empfangen wird, wobei ein Lastprofil zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand empfangen wird, wobei Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und zugehörige Gewichtungsfaktoren bestimmt werden, wobei für jeden der bestimmten Zwischenladezustände Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden, und wobei ausgehend von dem Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den Parametern eine Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand bestimmt und als Energiemengensignal bereitgestellt wird.
Ferner wird insbesondere ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle geschaffen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Startladezustand zu empfangen, einen Endladezustand zu empfangen, ein Lastprofil zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand zu empfangen, Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und zugehörige Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, für jeden der bestimmten Zwischenladezustände Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle zu schätzen, und ausgehend von dem Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den Parametern eine Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand zu bestimmen und als Energiemengensignal bereitzustellen.
Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen es, eine Energiemenge verbessert zu bestimmen, insbesondere zu schätzen. Hierzu ist vorgesehen, dass für Zwischenladezustände, die innerhalb eines Intervalls zwischen einem Startladezustand und einem Endladezustand liegen, jeweils Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden. Die Parameter werden hierbei insbesondere in Abhängigkeit des jeweils betrachteten Zwischenladezustands geschätzt. Ferner wird insbesondere auch eine Temperatur bzw. eine Temperaturabhängigkeit beim Schätzen der Parameter berücksichtigt. Die Parameter sind daher insbesondere abhängig von dem jeweiligen Zwischenladezustand und der jeweils vorliegenden Temperatur. Die Temperatur kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors an der Batterie oder Batteriezelle erfasst werden oder auf andere Weise bereitgestellt werden, beispielsweise geschätzt werden. Ausgehend von einem empfangenen Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den geschätzten Parametern wird die Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand bestimmt. Die bestimmte Energiemenge wird als Energiemengensignal bereitgestellt. Das Energiemengensignal kann analog oder digital sein. Das Energiemengensignal kann beispielsweise einer Batteriesteuerung und/oder einer Fahrzeugsteuerung oder einer Ladeinfrastruktur übermittelt werden.
Ein Vorteil des Verfahrens und des Steuergerätes ist, dass durch Berücksichtigung von ladezustandsabhängigen und insbesondere auch temperaturabhängigen Parametern in der Batterie oder Batteriezelle auftretende Verluste verbessert berücksichtigt werden können. Die Energiemenge zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand kann daher verbessert bestimmt werden.
Der Startladezustand und der Endladezustand liegen insbesondere zwischen einem minimalen Ladezustand und einem maximalen Ladezustand der Batterie oder Batteriezelle. Der Startladezustand und der Endladezustand werden beispielsweise als analoges oder digitales Startladezustandssignal und als analoges oder digitales Endladezustandssignal empfangen, beispielsweise von einer Batteriesteuerung und/oder einer Fahrzeugsteuerung. Der Startladezustand und der Endladezustand können auch bei einer Batteriesteuerung oder einer Fahrzeugsteuerung abgefragt werden.
Ein Lastprofil bezeichnet insbesondere einen Strom beim Laden und/oder beim Entladen zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand. Das Lastprofil kann sowohl auf erfassten Sensordaten (Strommessung) als auch auf vorgegebenen, z.B. simulierten oder geschätzten, Daten basieren. Das Lastprofil kann insbesondere zeitaufgelöst sein.
Die Parameter des Ersatzschaltungsmodells können beispielsweise empirisch für unterschiedliche Ladezustände und Temperaturen der Batterie bestimmt worden sein. Die bestimmten Parameter werden dann in einem Speicher, insbesondere des Steuergeräts, hinterlegt und können nach Bedarf abgerufen und gegebenenfalls interpoliert bereitgestellt werden, wenn die Parameter für einen Zwischenladezustand geschätzt werden sollen. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Parameter durch Simulation zu bestimmen und/oder zu schätzen.
Die bestimmten Zwischenladezustände bilden insbesondere Stützstellen bei einer zum Bestimmen der Energiemenge durchgeführten numerischen Integration. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und die zugehörigen Gewichtungsfaktoren als Vorgabe durch ein gewähltes numerisches Integrationsverfahren bestimmt werden. Anders ausgedrückt: das gewählte numerische Integrationsverfahren gibt die Zwischenladezustände und die zugehörigen Gewichtsfaktoren als Stützstellen vor. Hierdurch kann eine Energiemenge innerhalb jedes beliebigen Ladezustandsintervalls durch Integration über eine Spannung der Batterie oder Batteriezelle bestimmt werden. Beispielsweise können als numerische Integrationsverfahren offene oder geschlossene Newton-Cotes-Formeln gewählt werden, bei denen gleichverteilte Stützstellen verwendet werden. Mittels der Gauss-Legendre-Quadratur können auch nicht gleichverteilte Stützstellen verwendet werden. Die Verfahren unterscheiden sich in der Wahl der Stützstellen, das sonstige Vorgehen ist jedoch gleich. Insbesondere wird das Integral stets als gewichtete Summe der Spannungen bei den Stützstellen berechnet. Grundsätzlich können jedoch auch andere numerische Integrationsverfahren verwendet werden.
Teile des Steuergeräts können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.
Das Verfahren und das Steuergerät können insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Ein Fahrzeug kann grundsätzlich aber auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi. Grundsätzlich können das Verfahren und das Steuergerät aber auch bei anderen mobilen oder stationären Energiespeichern eingesetzt werden.
Generell lässt sich eine Energiemenge wie folgt berechnen:
Figure imgf000006_0001
Hierbei ist QN0mmai eine Kapazität der Batterie oder Batteriezelle mit der Einheit Ah (Amperestunden), SOCstart ist der Startladezustand, SOCEnd ist der Endladezustand (jeweils einheitslos als Prozentangabe oder Wert zwischen 0 und 1), U ist die Spannung der Batterie oder Batteriezelle und SOC der Ladezustand der Batterie oder Batteriezelle.
Das Integral wird mittels eines numerischen Integrationsverfahrens, beispielsweise mittels einer der offenen oder geschlossenen Newton-Cotes-Formeln, gelöst:
Figure imgf000007_0001
Hierbei ist wt der Gewichtungsfaktor an der mit einem Zwischenladezustand SOCt korrespondierenden Stützstelle i.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ersatzschaltungsmodell zumindest eine Leerlaufspannung als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand und mindestens ein RC-Glied umfasst. Hierdurch können die wesentlichen Effekte in der Batterie oder Batteriezelle berücksichtigt werden, insbesondere kann mittels des mindestens einen RC-Gliedes ein zeitabhängiges Verhalten berücksichtigt werden. Insbesondere weist das Ersatzschaltungsmodell mehr als ein RC-Glied auf, sodass auch mehrere zeitabhängige Prozesse innerhalb der Batterie oder Batteriezelle berücksichtigt werden können.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Energiemenge für jeden Zwischenladezustand eine Gesamtspannung der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung, einer an dem Serienwiderstand abfallenden Serienwiderstandsspannung und einer an dem mindestens einen RC-Glied abfallenden RC-Glied-Spannung bestimmt wird. Dies ermöglicht ein besonders effizientes Bestimmen der Energiemenge. Die RC-Glieder sind insbesondere in Reihe geschaltet.
Die Spannung der Batterie oder Batteriezelle ergibt sich dann als:
Figure imgf000007_0002
Hierbei ist Uocv die Leerlaufspannung, UR0 die Serienwiderstandsspannung und URC n die an dem n-ten RC-Glied abfallende RC-Glied-Spannung. Dies gilt für jeden Zwischenladezustand SO :
Figure imgf000008_0001
Die Leerlaufspannung t/ocv wird in Abhängigkeit des Zwischenladezustands SO als Parameter von dem Ersatzschaltungsmodell geschätzt.
Es ergibt sich dann für die Energiemenge E\
Figure imgf000008_0002
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Lastprofil in Form eines quadratischen Mittelwertes eines Stroms und eines Mittelwertes des Stroms empfangen wird, wobei für die Zwischenladezustände die jeweils an dem Serienwiderstand abfallende Serienwiderstandsspannung aus dem quadratischen Mittelwert des Stromes und dem Mittelwert des Stroms bestimmt wird. Dies erlaubt ein zuverlässiges Bestimmen der Serienwiderstandsspannung insbesondere auch bei Lastprofilen mit nicht-konstantem Stromverlauf.
Es ergibt sich für die vom Zwischenladezustand SO abhängige Serienwiderstandspannung URO-
Figure imgf000008_0003
Hierbei sind R0 der vom Zwischenladezustand SO abhängige Serienwiderstand, IRMS der quadratische Mittelwert des Stromes und IAvg der Mittelwert des Stroms. R0 ist ein Parameter, der mittels des Ersatzschaltungsmodells für den jeweiligen Zwischenladezustand geschätzt wird. Die Mittelwerte können auch Mittelwerte über wenige Stützstellen um die betrachtete Stützstelle herum sein (z.B. in Form eines gleitenden Mittelwertes, der eine vorgegebene Anzahl Stützstellen berücksichtigt). In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC-Glied abfallenden RC-Glied-Spannung ausgehend von dem Startladezustand eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands bestimmt wird, wobei die RC-Glied-Spannung ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC-Gliedes bestimmt wird. Hierdurch kann die RC-Glied- Spannung des mindestens einen RC-Gliedes verbessert geschätzt und in der Folge auch die Gesamtspannung verbessert bestimmt werden.
Für die Zeit tj zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenzustandes SO ergibt sich:
Figure imgf000009_0001
Die vom Zwischenladezustand SO abhängige RC-Glied-Spannung URC n ergibt sich dann zu:
Figure imgf000009_0002
Hierbei ist th die Zeitkonstante für das n-te RC-Glied. Der RC-Glied- Widerstand RßC n wird als Parameter in Abhängigkeit von dem Zwischenladezustand SO mittels des Ersatzschaltungsmodells geschätzt.
Um eine benötigte Rechenleistung zu reduzieren, kann in einer Ausführungsform auch angenommen werden, dass die RC-Glieder gesättigt sind, sodass diese durch konstante Wderstände ersetzt werden können. Ein solches Vorgehen ist insbesondere bei konstanter Last (konstantem Strom im Lastprofil) und/oder großen Intervallen zwischen Startladezustand und Endladezustand möglich.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Steuergeräts ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Steuergeräts sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle;
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Verarbeitung im Steuergerät gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltungsmodells.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts 1 zum Bestimmen einer Energiemenge 20 in einer Batterie oder Batteriezelle gezeigt.
Das Steuergerät 1 umfasst eine Recheneinrichtung 2 und einen Speicher 3. Die Recheneinrichtung 2 ist beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller, auf dem Programmcode ausgeführt wird, um das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren auszuführen. Es können jedoch auch festverdrahtete Hardwarekomponenten vorgesehen sein, die das Verfahren teilweise oder vollständig ausführen. Das Steuergerät 1 kann Teil einer Batteriesteuerung sein.
Dem Steuergerät 1 werden ein Startladezustand 10, ein Endladezustand 11 und ein Lastprofil 12 zugeführt. Ferner kann vorgesehen sein, dass dem Steuergerät 1 eine aktuelle Temperatur 13 der Batterie oder Batteriezelle zugeführt wird. Die aktuelle Temperatur der Batterie oder Batteriezelle kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors 50 erfasst und/oder geschätzt werden. Das Steuergerät 1 kann zusammen mit dem Temperatursensor 50 auch eine gemeinsame Vorrichtung ausbilden. Der Startladezustand 10, der Endladezustand 11 und das Lastprofil 12 werden beispielsweise von einem Energiemanagementsystem (nicht gezeigt) oder einer Fahrzeugsteuerung 51 eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) abgefragt und/oder bereitgestellt. Der Startladezustand 10, der Endladezustand 11 und das Lastprofil 12 werden von dem Steuergerät 1 empfangen und mittels der Recheneinrichtung 2 verarbeitet.
Eine Verarbeitung im Steuergerät 1 gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist schematisch als Ablaufdiagramm in der Fig. 2 gezeigt, die einen Signalfluss verdeutlicht. Das Steuergerät 1 ist dazu eingerichtet, Zwischenladezustände 14 zwischen dem Startladezustand 11 und dem Endladezustand 12 und zugehörige Gewichtungsfaktoren 15 zu bestimmen. Dies erfolgt in einem Modul 100. Für jeden der bestimmten Zwischenladezustände 14 schätzt das Steuergerät 1 in einem Modul 101 Parameter 16 eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle. Dies erfolgt insbesondere auch unter Berücksichtigung der Temperatur 13. Das Schätzen erfolgt beispielsweise ausgehend von empirisch bestimmten Parametern des Ersatzschaltungsmodells. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass empirisch bestimmte Parameter interpoliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, die Parameter ausgehend von einer Simulation zu schätzen.
Ein beispielhaftes Ersatzschaltungsmodell 30 ist schematisch in der Fig. 3 gezeigt. Es ist in dem Beispiel vorgesehen, dass das Ersatzschaltungsmodell 30 zumindest eine in Form einer Kapazität C modellierte Leerlaufspannung Uocv als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand R0 und zwei RC-Glieder RC1, RC2 mit den Widerständen R1, R2 und den Kapazitäten C1, C2 umfasst. Grundsätzlich kann das Ersatzschaltungsmodell 30 aber auch mehr oder weniger RC- Glieder RC1, RC2 aufweisen.
Als Parameter 16 (Fig. 2) werden in Abhängigkeit eines jeweiligen Zwischenladezustands 14 insbesondere die Leerlaufspannung Uocv (Fig. 3), der Serienwiderstand R0 (Fig. 3), ein Wderstand R1, R2 der RC-Glieder RC1, RC2 (Fig. 3) und Zeitkonstanten der RC-Glieder RC1, RC2 geschätzt. Ferner wird auch eine Spannung an den RC-Gliedern RC1, RC2 für den Startladezustand 10 geschätzt.
Ausgehend von dem Lastprofil 12 (Fig. 2), welches insbesondere als Mittelwert 12-1 des Stroms und als quadratischer Mittelwert 12-2 des Stromes bereitgestellt wird, den Gewichtungsfaktoren 15 und den Parametern 16 wird in einem Modul 102 eine Energiemenge 20 der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand 10 und dem Endladezustand 11 bestimmt. Die bestimmte Energiemenge 20 wird als Energiemengensignal 21 bereitgestellt.
Zum Bestimmen der Energiemenge ist insbesondere vorgesehen, dass für jeden Zwischenladezustand 14 eine Gesamtspannung U (Fig. 3) der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung Uocv, einer an dem Serienwiderstand R0 abfallenden Serienwiderstandsspannung UR0 und einer an den RC-Gliedern RC1, RC2 abfallenden RC- Glied-Spannung URC1, URC2 bestimmt wird.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass für die Zwischenladezustände 14 die jeweils an dem Serienwiderstand R0 abfallende Serienwiderstandsspannung UR0 aus dem quadratischen Mittelwert 12-2 (Fig. 2) des Stromes und dem Mittelwert 12-1 (Fig. 2) des Stroms bestimmt wird. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC- Glied RC1, RC2 (Fig 3) abfallenden RC-Glied-Spannung URC1, URC2 ausgehend von dem Startladezustand 10 eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands 14 bestimmt wird, wobei die RC-Glied-Spannung URC1, URC2 ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC-Gliedes RC1, RC2 bestimmt wird.
Die resultierende Gesamtspannung U der Batterie oder Batteriezelle wird dann numerisch über das Intervall zwischen dem Startladezustand 10 und dem Endladezustand 11 integriert, um die Energiemenge 20 zu erhalten. Dies kann beispielsweise mittels offener oder geschlossener Newton-Cotes-Formeln erfolgen. Grundsätzlich können jedoch auch andere numerische Integrationsverfahren verwendet werden. Aus der erhaltenen Energiemenge 20 wird dann das Energiemengensignal 21 erzeugt, welche den Wert der Energiemenge 20 in geeigneter Form kodiert. Das Energiemengensignal 21 kann beispielsweise einer Batteriesteuerung 52 oder der Fahrzeugsteuerung 51 zugeführt werden.
Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen insbesondere ein verbessertes Bestimmen von Energiemengen in Batterien oder Batteriezellen. Mit Vorteil können das Verfahren und das Steuergerät insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladezustandsintervallen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden. Ferner können auch nicht-konstante Lastprofile berücksichtigt werden, sodass auftretende Verluste verbessert berücksichtigt werden können. Auch verschiedene Ladehistorien können berücksichtigt werden, da stets ein aktueller Ladezustand der Batterie berücksichtigt wird.
Bezugszeichenliste
1 Steuergerät
2 Recheneinrichtung
3 Speicher
10 Startladezustand
11 Endladezustand
12 Lastprofil
12-1 Mittelwert des Stroms
12-2 quadratischer Mittelwert des Stroms
13 Temperatur
14 Zwischenladezustand
15 Gewichtungsfaktor
16 Parameter 20 Energiemenge 21 Energiemengensignal 30 Ersatzschaltungsmodell
50 Temperatursensor
51 Fahrzeugsteuerung
52 Batteriesteuerung
100-102 Module
Cx Kapazität
C Kapazität (Leerlaufspannung)
RCx RC-Glied
Rx Widerstand
U Gesamtspannung
Uocv Leerlaufspannung
R0 Serienwiderstand
URO Serienwiderstandsspannung
URCX RC-Glied-Spannung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen einer Energiemenge (20) in einer Batterie oder Batteriezelle, wobei ein Startladezustand (10) empfangen wird, wobei ein Endladezustand (11) empfangen wird, wobei ein Lastprofil (12) zwischen dem Startladezustand (10) und dem
Endladezustand (11) empfangen wird, wobei Zwischenladezustände (14) zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) und zugehörige Gewichtungsfaktoren (15) bestimmt werden, wobei für jeden der bestimmten Zwischenladezustände (14) Parameter (16) eines Ersatzschaltungsmodells (30) der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden, und wobei ausgehend von dem Lastprofil (12), den Gewichtungsfaktoren (15) und den Parametern (16) eine Energiemenge (20) der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) bestimmt und als Energiemengensignal (21) bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltungsmodell (30) zumindest eine Leerlaufspannung (Uocv) als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand (R0) und mindestens ein RC-Glied (RCx) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Energiemenge (20) für jeden Zwischenladezustand (14) eine Gesamtspannung (U) der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung (Uocv), einer an dem Serienwiderstand (R0) abfallenden Serienwiderstandsspannung ( UR0 ) und einer an dem mindestens einen RC-Glied (RCx) abfallenden RC-Glied-Spannung ( URCx ) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastprofil (12) in Form eines quadratischen Mittelwertes (12-2) eines Stroms und eines Mittelwertes (12-1) des Stroms empfangen wird, wobei für die Zwischenladezustände (14) die jeweils an dem Serienwiderstand (R0) abfallende Serienwiderstandsspannung (UR0) aus dem quadratischen Mittelwert (12-2) des Stromes und dem Mittelwert (12-1) des Stroms bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC-Glied (RCx) abfallenden RC-Glied-Spannung (URCx) ausgehend von dem Startladezustand (10) eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands (14) bestimmt wird, wobei die RC-Glied- Spannung ( URCx ) ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC-Gliedes (RCx) bestimmt wird.
6. Steuergerät (1) zum Bestimmen einer Energiemenge (20) in einer Batterie oder Batteriezelle, wobei das Steuergerät (1) dazu eingerichtet ist, einen Startladezustand (10) zu empfangen, einen Endladezustand (11) zu empfangen, ein Lastprofil (12) zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) zu empfangen,
Zwischenladezustände (14) zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) und zugehörige Gewichtungsfaktoren (15) zu bestimmen, für jeden der bestimmten Zwischenladezustände (14) Parameter (16) eines Ersatzschaltungsmodells (30) der Batterie oder der Batteriezelle zu schätzen, und ausgehend von dem Lastprofil (12), den Gewichtungsfaktoren (15) und den Parametern (16) eine Energiemenge (20) der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand (10) und dem Endladezustand (11) zu bestimmen und als Energiemengensignal (21) bereitzustellen.
7. Steuergerät (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltungsmodell (30) zumindest eine Leerlaufspannung ( Uocv ) als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand (R0) und mindestens ein RC-Glied (RCx) umfasst.
8. Steuergerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) ferner dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der Energiemenge (20) für jeden Zwischenladezustand (14) eine Gesamtspannung (U) der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung ( Uocv ), einer an dem Serienwiderstand (R0) abfallenden Serienwiderstandsspannung ( UR0 ) und einer an dem mindestens einen RC- Glied (RCx) abfallenden RC-Glied-Spannung ( URCx ) zu bestimmen.
9. Steuergerät (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) ferner dazu eingerichtet ist, das Lastprofil (12) in Form eines quadratischen Mittelwertes (12-2) eines Stroms und eines Mittelwertes (12-1) des Stroms zu empfangen, und für die Zwischenladezustände (14) die jeweils an dem Serienwiderstand (R0) abfallende Serienwiderstandsspannung ( UR0 ) aus dem quadratischen Mittelwert (12-2) des Stromes und dem Mittelwert (12-1) des Stroms zu bestimmen.
10. Steuergerät (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (1) ferner dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC-Glied (RCx) abfallenden RC-Glied-Spannung (URCx) ausgehend von dem Startladezustand (10) eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands (14) zu bestimmen, und die RC-Glied-Spannung ( URCx ) ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC- Gliedes (RCx) zu bestimmen.
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