DE102005026077A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Ladungs- und/oder Alterungszustands eines Energiespeichers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Ladungs- und/oder Alterungszustands eines Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (19, 20, 21) zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustands eines Energiespeichers, bei denen der Ladungs-/Alterungszustand von einer Steuereinheit (23) auf Basis einer mittels eines Spannungsmesssensors (22) messbaren offenen Klemmenspannung des Energiespeichers in einem lastfreien Zustand ermittelbar ist. Es ist vorgesehen, dass mittels der Steuereinheit (23) zu einem ersten Zeitpunkt eine Messung einer ersten offenen Klemmenspannung nach einem Eintreten des lastfreien Zustands des Energiespeichers veranlasst wird und anhand der gemessenen ersten offenen Klemmenspannung von der Steuereinheit (23) mittels eines Prädiktionsmodells ein späterer Zeitpunkt für mindestens eine weitere Messung der offenen Klemmenspannung festgelegt wird und zu dem späteren Zeitpunkt mindestens eine weitere offene Klemmenspannung gemessen wird und der Ladungs-/Alterungszustand des Energiespeichers anhand der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
  • Bei der Verwendung von elektrischen Energiespeichern ist es wichtig, deren Ladungs- und Alterungszustand zu kennen. Elektrische Energiespeicher können beispielsweise elektrochemische Energiespeicher oder Kapazitätsspeicher sein. Die genaue Kenntnis des Ladungszustands (SOC-state of charge) bzw. des Alterungszustands (SOH-state of health) ist beispielsweise beim Betreiben eines Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug wichtig, welches eine Verbrennungsmaschine und mindestens eine Elektromaschine als alternative oder kumulative Antriebsmaschinen umfasst. Insbesondere für ein energiesparendes Fahrmanagement ist es notwendig, den Ladungs- bzw. Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers möglichst gut zu kennen.
  • Bekannte Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustands oder des Energiegehalts eines Energiespeichers basieren auf einer Strom- bzw. Spannungsmessung an den Batterieklemmen. Im Falle einer Strommessung wird durch Integration des Batteriestroms über der Zeit der Anteil der entnommenen bzw. zugeführten Ladung zur Nennkapazität bestimmt. Wird die reine Strommessung zusätzlich mit einer Spannungsmessung an den Batterieklemmen verknüpft, so lässt sich zusätzlich eine Abhängigkeit des Energieinhaltes von der Entladeleistung P berücksichtigen. Bei beiden Verfahren können zusätzlich Einflüsse, wie ein Alter des Energiespeichers, eine Selbstentladung des Energiespeichers, eine Temperatur des Energiespeichers usw., über entsprechende Berechnungsverfahren berücksichtigt werden.
  • Die entnehmbare Ladungsmenge aus einem Energiespeicher, insbesondere einem elektrochemischen Energiespeicher, wie einer Batterie, weist jedoch eine ausgeprägte Abhängigkeit vom Entladestrom auf. So tritt bei den meisten Batterien mit steigendem Entladestrom eine Verringerung der entnehmbaren Kapazität auf (dies ist allgemein als Peukert-Verhalten bekannt). Weiterhin sinkt mit zunehmender Entladetiefe die Klemmenspannung der Batterie. In Abhängigkeit des Entladestroms aus der Batterie steigt der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie. Hierdurch wird die Klemmenspannung zusätzlich reduziert und führt somit zu einer ungenauen Bestimmung des Energieinhalts. Eine Energieinhaltsbestimmung eines elektrischen Energiespeichers enthält somit systematische Fehler, da lediglich die Kapazität, nicht jedoch die Abhängigkeit des Spannungsverlaufes von verschiedenen Einflüssen berücksichtigt wird.
  • Die Energieinhaltsbestimmung erfolgt daher nach dem Stand der Technik im normalen Fahrbetrieb durch eine Strom- oder Ladungsintegration (Ah-Integration) und wird durch eine zusätzliche Messung der offenen Klemmenspannung des Energiespeichers im Ruhezustand des Energiespeichers, z.B. bei abgeschaltetem System, korrigiert. Eine Messung der Klemmenspannung in einem lastfreien Zustand des elektrischen Energiespeichers wird als Messung einer offenen Klemmenspannung (OCV – open-circuit-voltage) oder Leerlaufspannung bezeichnet. Durch eine kontinuierliche Messung der offenen Klemmenspannung bei stehendem oder deaktiviertem Fahrzeug ist somit eine Möglichkeit vorhanden, Einflüsse wie eine Selbstentladung oder eine Temperatur des Energiespeichers in zeitdiskreten Schritten anzupassen. Hierdurch wird der Fehler der Stromintegration im Fahrbetrieb nachträglich kompensiert.
  • Die offene Klemmenspannung eines Energiespeichers im lastfreien Zustand ist jedoch nicht konstant. Beispielsweise steigt die Klemmenspannung in einem lastfreien Zustand unmittelbar nach einem Öffnen eines Stromkreises aufgrund interner Ausgleichsvorgänge gewöhnlich an, wenn dem Energiespeicher bei geschlossenem Stromkreis Energie entzogen wurde. Ferner beeinflussen äußere Randbedingungen, beispielsweise eine Temperatur des Energiespeichers, ein Alter des Energiespeichers usw., das Verhalten des Energiespeichers im lastfreien Zustand.
  • Eine Relation zwischen dem Ladungs-/Alterungszustand (SOC/SOH) ist nur für eine offene Klemmenspannung eindeutig, wenn sich der elektrische Energiespeicher im Ruhezustand befindet. Bei einem elektrochemischen Energiespeicher ist der Ruhezustand erreicht, wenn sich ein chemisches Äquilibrium bei Normalbedingungen der Umgebungsgrößen eingestellt hat. Somit ist es nicht ausreichend, eine offene Klemmenspannung unmittelbar im Anschluss an einen Entlade- oder Ladevorgang des Energiespeichers zu messen.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um dieses technische Problem zu lösen. Die Druckschrift DE 102 08 652 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem mindestens zwei Messwertepaare für Spannung und Strom erfasst werden. Die erfassten Messwertepaare für Strom und Spannung werden unter Berücksichtigung einer Batterieersatzschaltung auf einen sich im eingeschwungenen Zustand befindlichen Energiespeicher korrigiert. Die korrigierten Messwertepaare werden interpoliert und so ein Ruhespannungswert bei einem Stromwert 0 ermittelt. Anhand dieses ermittelten Ruhespannungswerts wird der Ladungszustand mittels eines zuvor ermittelten Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung und dem Ladungszustand ermittelt.
  • Aus der Druckschrift WO 02/091007 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladungszustandes einer Batterie mittels des Messens einer offenen Klemmenspannung beschrieben. Zunächst wird für verschiedene Ladungszustände eine offene Klemmenspannung der Batterie jeweils im Ruhezustand gemessen und so eine Beziehung zwischen der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand und dem Ladungszustand hergestellt. Um den Zusammenhang zwischen der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand des Energiespeichers und dem jeweiligen Ladungszustand zu ermitteln, wird die Batterie schrittweise aufgeladen und entladen. Nach jedem Auf- bzw. Entladeschritt wird der Spannungsverlauf gegen die Zeit sowie ein Temperaturverhalten gegen die Zeit bis zum Erreichen der Ruhespannung in Zeitintervallen aufgezeichnet. Anhand dieser Daten, d.h. der offenen Klemmenspannung, der Änderung der offenen Klemmenspannung und der Temperatur der Batterie werden Relaxationskurven für die offene Klemmenspannung ermittelt. Diese ermittelten Kurven und die ermittelte Relation zwischen der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand und dem Ladungszustand der Batterie werden verwendet, um anhand von Messungen, die in einem kurzen Zeitabstand (100 bis 500 Sekunden) nach einem Entlade- oder Ladevorgang gemessen werden, die offene Klemmenspannung im Ruhezustand und hieraus den jeweiligen Ladungszustand des Energiespeichers zu bestimmen.
  • Aus DE 101 28 033 A1 ist ein Verfahren zur Vorhersage der äquilibrierten Ruhespannung eines elektrochemischen Energiespeichers durch Messung des Spannungs-Einstellverhaltens in einer lastfreien Periode bekannt, bei dem eine formelmäßige Beziehung zwischen der äquilibrierten Ruhespannung und der abklingenden Spannung genutzt wird. Diese ist von zwei zeitlich getrennten Messwerten der Klemmenspannung in der lastfreien Periode und einer Temperatur des Energiespeichers sowie von mehreren experimentell zu bestimmenden Konstanten abhängig.
  • Diese Messverfahren nach dem Stand der Technik weisen jedoch noch eine hohe Unsicherheit bezüglich der tatsächlichen offenen Klemmenspannung im Ruhezustand auf. Daher wird bei bekannten Vorrichtungen, die Energiespeicher verwenden, die offene Klemmenspannung in Zeitintervallen während eines lastfreien Zustandes bestimmt, um so jeweils die Ruhespannung und den Ladungszustand bzw. Alterungszustand des Energiespeichers genau bestimmen zu können. Hierbei wird jedoch bei längeren Ruhephasen oder unter ungünstigen Anfangsbedingungen, z.B. bei einer Energieentnahme bei hohen Strömen und bei einer hohen Temperatur des Energiespeichers, eine große Anzahl von Messungen durchgeführt, die keine brauchbaren Ergebnisse liefern. Diese Messungen selbst verbrauchen elektrische Energie, so dass für ein energiesparendes Energiemanagement ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen des Landungszustandes und/oder Alterungszustand eines Energiespeichers benötigt werden.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustands eines Energiespeichers auf einfache und zuverlässige Art, ohne dass eine Vielzahl unnötiger Messungen ausgeführt wird, zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu ist vorgesehen, dass zu einem ersten Zeitpunkt eine erste offene Klemmenspannung gemessen wird und anhand der gemessenen ersten offenen Klemmenspannung mittels eines Prädiktionsmodells ein späterer Zeitpunkt für mindestens eine weitere Messung der offenen Klemmenspannung festgelegt wird und zu dem späteren Zeitpunkt mindestens eine weitere offene Klemmenspannung gemessen wird und der Ladungs-/Alterungszustand des Energiespeichers anhand der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung ermittelt wird. Hierdurch wird vermieden, dass unnötige Messungen ausgeführt werden, während sich der Energiespeicher in seinen Ruhezustand relaxiert. Ebenso werden zusätzliche Messungen vermieden, die bei Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vorgenommen werden, nachdem der Energiespeicher seinen Ruhezustand erreicht hat. Unter der Messung einer offenen Klemmenspannung wird jeweils die Messung der Klemmenspannung eines Energiespeichers in einem lastfreien Zustand, d. h. bei einem offenen Stromkreis, verstanden, der ansonsten zur Energieentnahme/Energiezufuhr vorgesehen ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der spätere Zeitpunkt so festgelegt wird, dass anhand des Prädiktionsmodells ein Ruhezustand des Energiespeichers für den späteren Zeitpunkt vorausgesagt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die mindestens eine weitere Messung der offenen Klemmenspannung zu dem späteren Zeitpunkt erfolgt, an dem sich der Energiespeicher in seinem Ruhezustand befindet, so dass eine zuverlässige Aussage über den Ladungszustand bzw. Alterungszustand des Energiespeichers möglich ist.
  • Um die Aussagestabilität für die mindestens eine weitere Messung zu erhöhen, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zu dem späteren Zeitpunkt zusätzliche offene Klemmenspannungen gemessen werden. Hierbei kann vorgesehen sein, die zusätzlichen offenen Klemmenspannungen und die mindestens eine weitere Klemmenspannung zu mitteln und diesen Bemittelten Wert zur Bestimmung des Ladungszustands bzw. des Alterungszustands des Energiespeichers zu verwenden.
  • Bei einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine weitere offene Klemmenspannung mit einer anhand des Prädiktionsmodells vorausgesagten offenen Klemmenspannung zu dem späteren Zeitpunkt verglichen wird und bei einer Abweichung der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung von der vorausgesagten offenen Klemmenspannung über eine vorgegebene Toleranz das Prädiktionsmodell angepasst wird. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise Serienstreuungen, die bei der Herstellung der Energiespeicher auftreten, zu berücksichtigen. Das Verfahren ist somit lernfähig und kann sich in gewissen Grenzen an leicht unterschiedliche Energiespeicher anpassen. Ferner ist diese Weiterbildung der Erfindung in der Lage, Veränderungsprozesse, die beispielsweise aufgrund einer Alterung des Energiespeichers stattfinden, zu berücksichtigen.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass weitere physikalische und/oder statistische Größen gemessen oder erfasst werden und in dem Prädiktionsmodell berücksichtigt werden, wobei die physikalischen Größen insbesondere eine Energiespeichertemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder einen Lade-/Entladestrom und/oder eine Lade-/Entladeleistung vor dem Eintreten des lastfreien Zustandes und die statistischen Größen insbesondere eine Tageszeit- und/oder eine Jahreszeitangabe und/oder Informationen über ein Fahrverhalten umfassen. Mittels dieser physikalischen und/oder statistischen Größen kann das Prädiktionsmodell stark verfeinert werden. So kann beispielsweise die Temperatur des Energiespeichers berücksichtigt werden. Wird zusätzlich eine Umgebungstemperatur oder beispielsweise eine Temperatur eines Motorblocks, in dessen Nähe der Energiespeicher eingebaut ist, mitberücksichtigt, so kann ein Temperaturverhalten des Energiespeichers in das Prädiktionsmodell mit einbezogen werden. Ebenso kann ein Fahrverhalten oder eine Tages- und Jahreszeitangabe eine Bestimmung des späteren Zeitpunkts beeinflussen. Wird z. B. ein Firmenfahrzeug an Wochenenden nie bewegt, so kann dies berücksichtigt werden, um den späteren Zeitpunkt zu bestimmen, wenn das Fahrzeug freitags abends auf dem Werksgelände des Betriebes abgestellt wird. Hierdurch ist es möglich, den späteren Zeitpunkt beispielsweise am folgenden Tag in den frühen Morgenstunden festzulegen, wenn zu erwarten ist, dass sich der Energiespeicher aufgrund der Umgebungstemperatur dann in einem Ruhezustand bei Normalbedingungen befinden wird. Wird das erfindungsgemäße Verfahren für einen Energiespeicher eingesetzt, der beispielsweise in einem Fahrzeug eingebaut ist, welches als Taxi genutzt wird, so sind die lastfreien Zustände des Energiespeichers in der Regel kürzer als ein Tag. Wird das Verfahren mit einem Energiespeicher angewendet, der in einem Hybridfahrzeug eingebaut ist und zu dem ein Kondensatorspeicher parallel geschaltet ist, der einen Großteil beispielsweise mehr als 80 % oder mehr als 90 % der Energieabgabe und Energieausnahme während des Fahrbetriebs übernimmt, ist die durchschnittliche Dauer eines lastfreien Zustands stark von dem Fahrverhalten des Fahrers des Fahrzeugs abhängig.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Prädiktionsmodell mathematisch auswertbare Gleichungen umfasst. Ein Prädiktionsmodell kann beispielsweise ein physikalisches Model sein, welches sowohl den Energiespeicher als auch dessen Umgebung, z. B. das Temperaturverhalten, modelliert.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Prädiktionsmodell Nachschlagetabellen umfasst, die in einem Speicher abgelegt sind. Bei dieser Ausführungsform kann das Prädiktionsmodell ganz oder teilweise auf empirisch ermittelten Größen basieren.
  • Die im Prädiktionsmodell berücksichtigten physikalischen und/oder statistischen Größen können entweder durch eigene Messsensoren erfasst werden oder aus anderen Komponenten eines Fahrzeugs, in dem der Energiespeicher eingebaut ist, übernommen werden. So kann beispielsweise die Umgebungstemperatur einer Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Temperatursensoren an oder in dem Energiespeicher, in der Umgebung des Energiespeichers oder an Wärmequellen, beispielsweise einem Motor, in der Nähe des Energiespeichers angeordnet sind.
  • Die übrigen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 einen schematischen Aufbau eines Hybridfahrzeugs, in dem eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustandes eines Energiespeichers vorhanden ist; und
  • 2 eine grafische Darstellung der Spannungsabweichung der offenen Klemmenspannung von der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand gegenüber der Zeit;
  • 3 eine grafische Darstellung der Spannungsabweichung der offenen Klemmenspannung von der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand und des entsprechenden Ladungszustands jeweils gegenüber der Zeit; und
  • 4 einen Graphen eines Ladungszustandes eines Kondensatorspeichers aufgetragen gegen die Zeit.
  • In 1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 1 mit einem Hybridantriebssystem 2 dargestellt. Das Hybridantriebssystem 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 3, der über eine optionale Kupplung 4 mit einer Elektromaschine 5 verbunden ist. Anstelle der optionalen Kupplung 4 kann auch ein Riemenantrieb, eine starke Verbindung oder ein Getriebe vorgesehen sein. Die Elektromaschine 5 ist über eine Fahrzeugkupplung 6 und ein Fahrzeuggetriebe 7 mit angetriebenen Rädern (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 1 verbunden. Ein Hybridenergiespeicher 8 ist über eine Leistungselektronik 9 mit der Elektromaschine 5 verbunden. Der Hybridenergiespeicher 8 umfasst einen Kondensatorspeicher 10, der direkt mit einem Anschluss 11 des Hybridenergiespeichers 8 verbunden ist. Der Hybridenergiespeicher 8 umfasst ferner eine Batterie 12, die über einen DC/DC-Wandler 13 und einen Schalter 14 mit dem Kondensatorspeicher 10 parallel geschaltet ist. Die Batterie 12 kann als Batteriemodul ausgestattet sein. Ist der Schalter 14 in einer geschlossenen Stellung, so existiert eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 11 des Hybridenergiespeichers 8 und der Batterie 12. In einer geöffneten Stellung des Schalters 14 kann Energie zwischen dem Kondensatorspeicher 10 und der Batterie 12 nur über den DC/DC-Wandler 13 ausgetauscht werden.
  • Zusätzlich zu dem Hybridenergiespeicher 8 verfügt das Fahrzeug 1 über ein Bordnetz 15, das einen elektrischen Energiespeicher aufweist, der als Pufferbatterie 16 ausgebildet ist. Die Pufferbatterie 16 des Bordnetzes 15 ist in der Regel eine 12V-Batterie, die Verbraucher 17 mit Energie versorgt, sofern das Bordnetz 15 nicht über einen weiteren DC/DC-Wandler 18 mit Energie versorgt wird. Der weitere DC/DC-Wandler 18 ist mit der Leistungselektronik 9 verbunden. Wird die Elektromaschine 5 generatorisch betrieben, so kann eine Versorgung des Bordnetzes 5 über den weiteren DC/DC-Wandler 18 erfolgen. Andernfalls kann die elektrische Energie aus dem Hybridenergiespeicher 8 über den weiteren DC/DC-Wandler 18 in das Bordnetz 15 geliefert werden.
  • Im Betrieb wird der Kondensatorspeicher 10 vorzugsweise zum Einspeichern bzw. Ausspeichern von elektrischer Energie aus dem Hybridenergiespeicher 8 verwendet. Vor einem Starten des Hybridantriebssystems 2 ist in dem Kondensatorspeicher 10 vorzugsweise eine Energiemenge gespeichert, die ausreicht, um die Elektromaschine 5 motorisch zu betreiben und hierdurch den Verbrennungsmotor 3 zu starten. Ist die in dem Kondensatorspeicher 10 gespeicherte Energiemenge hierfür nicht ausreichend, so kann vor dem Starten über den DC/DC-Wandler 13 Energie aus der Batterie 12 in den Kondensatorspeicher 10 übertragen werden. Alternativ kann beim Starten der Schalter 14 geschlossen werden, wenn eine Spannung des Kondensatorspeichers 10 auf eine Nennbatteriespannung der Batterie 12 abgefallen ist. In diesem Fall wird ein Teil der zum Starten des Verbrennungsmotors 3 benötigten Energie aus der Batterie 12 entnommen.
  • Wird die die Elektromaschine 5 generatorisch betrieben, beispielsweise bei einem Bremsvorgang, wird über die Leistungselektronik elektrische Energie in den Hybridenergiespeicher 8 eingespeist. Um die Batterie 12 zu schonen, wird der Kondensatorspeicher 10 in der Regel bei einer Spannung oberhalb eines Nennspannungsniveaus der Batterie 12 betrieben. Der Schalter 14 befindet sich dann in seiner offenen Stellung, so dass ein Einspeichern der elektrischen Energie in den Kondensatorspeicher 10 erfolgt. Ist die Batterie 12 nicht voll aufgeladen, so kann Energie aus dem Speicherkondensator 10 über den DC/DC-Wandler 13 in die Batterie 12 übertragen werden.
  • Bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen kann die Elektromaschine zusätzlich als Vortriebsmittel benutzt werden. Hierzu wird die Elektromaschine 5 motorisch betrieben. Der gleichzeitige motorische Betrieb des Verbrennungsmotors 3 und der Elektromaschine 5 wird als Boost-Betrieb bezeichnet. Die hierbei freigesetzten hohen Drehmomente des Hybridantriebssystems 2 werden in der Regel nur für kurze Beschleunigungsphasen benötigt, so dass in der Regel die in dem Kondensatorspeicher 10 gespeicherte Energie ausreicht. Lediglich bei länger anhaltenden starken Beschleunigungsphasen oder länger anhaltenden Bergfahrten reicht die in dem Kondensatorspeicher 10 gespeicherte Energie nicht aus, so dass, sobald die Spannung an dem Kondensatorspeicher auf das Nennspannungsniveau der Batterie 12 abgefallen ist, der Schalter 14 geschlossen wird. Nun wird zusätzlich elektrische Energie der Batterie 12 verwendet, um den Boost-Betrieb des Hybridantriebssystems 2 aufrechtzuerhalten. Die hierbei entnommene Energie senkt einen Ladungszustand der Batterie (SOC – state of charge). Wird der Verbrennungsmotor anschließend bei höheren Verbrennungsmotordrehzahlen betrieben, ist ein zusätzlicher motorischer Antrieb der Elektromaschine 5 aufgrund der Drehmomentcharakteristik von Elektromaschinen nicht sinnvoll. In diesem höheren Verbrennungsmotordrehzahlbereich ist es daher nicht erforderlich, in dem Kondensatorspeicher 10 Energie für einen elektromotorischen Vortrieb zu speichern. Vielmehr ist es sinnvoll, den Kondensatorspeicher 10 soweit zu entladen, dass er Speicherkapazität für die Einspeicherung von Rekuperationsenergie aus Bremsvorgängen aufweist.
  • Wie sich aus obiger Beschreibung der Wirkungsweise eines Hybridantriebskonzepts ergibt, ist es notwendig, den Ladungs- und/oder Alterungszustand der einzelnen Energiespeicher, d. h. der Batterie 12, des Kondensatorspeichers 10 und der Pufferbatterie 16, gut zu kennen.
  • 2 zeigt allgemein den Zusammenhang der gemessen offenen Klemmenspannung einer Batterie bezogen auf die Ruhespannung in einem lastfreien Zustand nach einer Ladungsentnahme aus der Batterie. Aufgetragen ist die Spannungsabweichung ΔU der offenen Klemmenspannung von der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand (Ruhespannung) gegen die Zeit. Zu erkennen ist, dass die Abweichung zwischen der offenen Klemmenspannung und der Ruhespannung mit der Zeit abnimmt.
  • Um den Ladungs- und/oder Alterungszustand der einzelnen Energiespeicher bei dem Hybridfahrzeug nach 1 zu bestimmen, sind jeweils Vorrichtungen 19, 20, 21 zum Bestimmen des Ladungs-/Alterungszustands der jeweiligen Energiespeicher vorhanden. Nachfolgend wird beispielhaft die Vorrichtung 19 zum Bestimmen des Ladungs-/Alterungszustands der Batterie 12 beschrieben.
  • Die Vorrichtung 19 zum Bestimmen des Ladungs-/Alterungszustands umfasst einen Spannungsmesssensor 22 und eine Steuereinheit 23. Gelangt die Batterie 12 in einen lastfreien Zustand, so veranlasst die Steuereinheit 23 eine Messung einer offenen Klemmenspannung der Batterie 12 durch den Spannungsmesssensor 22. Ein Eintreten eines lastfreien Zustandes kann der Steuereinheit beispielsweise über ein Signal einer Energiemanagementsteuerung 24 mitgeteilt werden. Die Steuereinheit 23 ermittelt anhand der gemessenen offenen Klemmenspannung mittels eines Prädiktionsmodells einen späteren Zeitpunkt, zu dem anhand des Prädiktionsmodells zu erwarten ist, dass die Batterie 12 sich in einem Ruhezustand befindet. Das Prädiktionsmodell kann mathematisch auswertbare Gleichungen und/oder Nachschlagetabellen umfassen, die in einem Speicher 25 abgelegt sind. Das Prädiktionsmodell kann in Software oder auch in Hardware ausgeführt sein. Das Prädiktionsmodell kann weitere physikalische Größen, beispielsweise eine Temperatur der Batterie 12, die mittels eines Temperatursensors 26 gemessen wird, eine Temperatur des Verbrennungsmotors 3, die mittels eines Motortemperatursensors 27 gemessen wird, sowie beispielsweise eine Umgebungstemperatur berücksichtigen, die von anderen Fahrzeugkomponenten bereitgestellt wird, die mittels eines Kastens 28 repräsentiert sind. Die anderen Fahrzeugkomponenten können zusätzlich weitere Informationen beispielsweise über ein Fahrverhalten, eine Tageszeit- und/oder Jahreszeitangabe an die Vorrichtung 19 zum Bestimmen des Ladungs- und/oder Alterungszustands übermitteln. Zu dem anhand des Prädiktionsmodells bestimmten späteren Zeitpunkt wird auf Veranlassung der Steuereinheit 23 von dem Spannungsmesssensor 22 mindestens eine weitere offene Klemmenspannung bestimmt. Diese wird verwendet, um anhand einer vorbekannten Relation, die beispielsweise in dem Speicher 25 in Form von Tabellen abgelegt ist oder mittels einer mathematischen Gleichung berechnet werden kann, den Ladungszustand der Batterie 12 zu bestimmen. Das Prädiktionsmodell bestimmt den späteren Zeitpunkt so, dass zu erwarten ist, dass die Batterie 12 sich in einem Ruhezustand befindet, so dass die zu dem späteren Zeitpunkt gemessene offene Klemmenspannung eine exakte Ermittlung des Ladungs-/Alterungszustands ermöglicht. Die Vorrichtungen 20, 21 zur Bestimmung des Ladungs- und/oder Alterungszustands sind hier nur mittels eines Kastens symbolisiert, sind jedoch gleich oder ähnlich wie die Vorrichtung 19 zum Bestimmen des Alterungs- und/oder Ladungszustands ausgebildet.
  • In 3 ist der Zusammenhang zwischen der Abweichung der offenen Klemmenspannung von der Ruhespannung und des entsprechend ermittelten Ladungszustands grafisch gegen die Zeit aufgetragen. Zu dem Zeitpunkt T1 wird die offene Klemmenspannung gemessen. Das Prädiktionsmodell sagt voraus, dass zu dem Zeitpunkt T2 annähernd ein Ruhezustand des Energiespeichers erreicht ist. Anhand der zu dem Zeitpunkt T2 gemessenen offenen Klemmenspannung wird dann der Ladungszustand (SOC) bestimmt. Dieser stimmt wesentlich besser mit dem tatsächlichen Ladungszustand des Energiespeichers im Ruhezustand überein als der Ladungszustand, der zum Zeitpunkt T1 anhand der gemessenen offenen Klemmenspannung ermittelt wird.
  • Anhand von 4 soll erläutert werden, wie das Prädiktionsmodell angepasst werden kann, wenn die Messung der offenen Klemmenspannung zu dem späteren Zeitpunkt von einer vorausgesagten offenen Klemmenspannung abweicht, die für diesen späteren Zeitpunkt anhand des Prädiktionsmodells vorausgesagt ist. In 4 ist der Ladungszustand eines Kondensatorspeichers, beispielsweise des Kondensatorspeichers 10 nach 1, gegen die Zeit aufgetragen. Der Ladungszustand eines lastfreien Kondensatorspeichers ist im Wesentlichen durch eine Selbstentladungscharakteristik bestimmt. Um in dem Kondensatorspeicher immer eine vorgegebene Energiemenge bereitzuhalten, die beispielsweise ausreicht, um die Elektromaschine 5 nach 1 motorisch anzutreiben, um wiederum den Verbrennungsmotor 3 nach 1 zu starten, ist vorgesehen, dass der Kondensatorspeicher immer einen angestrebten Sollladungszustand (SOC-Soll) aufweist. Um den Kondensatorspeicher nicht kontinuierlich mit einem schwachen Ladestrom nachzuladen, der die Selbstentladung kompensiert, ist es vorteilhaft, den Kondensatorspeicher auf einen maximalen Sollladungszustand S2 aufzuladen, dessen Ladungszustand größer als der angestrebte Sollladungszustand SOC-Soll ist. Nach dem Aufladen gelangt der Kondensatorspeicher in einen lastfreien Zustand und die offene Klemmenspannung wird bestimmt. Anhand eines Prädiktionsmodells, das im Wesentlichen die Selbstentladungscharakteristik des Kondensatorspeichers umfasst, wird ein späterer Zeitpunkt tS festgelegt, zu dem eine weitere offene Klemmenspannungsmessung an dem Kondensatorspeicher durchgeführt wird, um dessen Ladungszustand zu ermitteln. Wird anhand der Messung festgestellt, dass der Ladungszustand des Kondensatorspeichers noch nicht auf einen vorgegebenen minimalen Sollladungszustand S1 abgesunken ist, so wird das Prädiktionsmodell so angepasst, dass der spätere Zeitpunkt um eine Zeitspanne Δt1 verlängert wird. Die Zeitspanne Δt1 entspricht jener Zeit, die noch vergeht, bis der Ladungszustand des Kondensatorspeichers auf den minimale Sollladungszustand S1 abgefallen ist. Wird hingegen anhand des Prädiktionsmodells der spätere Zeitpunkt tS' festgelegt, um die weitere offene Klemmenspannung zu bestimmen, und anhand der weiteren offenen Klemmenspannung ermittelt, dass der Ladungszustand des Kondensatorspeichers bereits unterhalb des minimalen Sollladungszustands S1 abgesunken ist, so wird das Prädiktionsmodell so verändert, dass der spätere Zeitpunkt um eine Zeitspanne Δt2 früher festgelegt wird, so dass zukünftig eine Bestimmung des späteren Zeitpunkts tS" anhand des Prädiktionsmodells optimal wird, d. h., eine Festlegung genau auf den Zeitpunkt erfolgt, an dem der Ladungszustand des Kondensatorspeichers auf den minimalen Sollladungszustand S1 abgefallen ist. Wird anhand der Messung der offenen Klemmenspannung des Kondensatorspeichers festgestellt, dass der Ladungszustand dem minimalen Sollladungszustand S1 entspricht oder darunter liegt, wird der Kondensatorspeicher erneut auf den maximalen Sollladungszustand S2 aufgeladen.
  • Anschließend wird zur Überprüfung erneut die offene Klemmenspannung gemessen, um festzustellen, dass der maximale Sollladungszustand S2 erreicht worden ist. Anhand des Prädiktionsmodells wird nun erneut ein späterer Zeitpunkt festgelegt, zu dem erneut die offene Klemmenspannung des Kondensatorspeichers gemessen wird, um festzustellen, ob der Ladungszustand des Kondensatorspeichers auf den minimalen Sollladungszustand S1 abgefallen ist.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustands eines Energiespeichers, bei dem der Ladungs-/Alterungszustand auf Basis einer Messung der offenen Klemmenspannung des Energiespeichers in einem lastfreien Zustand ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem ersten Zeitpunkt eine erste offene Klemmenspannung gemessen wird und anhand der gemessenen ersten offenen Klemmenspannung mittels eines Prädiktionsmodells ein späterer Zeitpunkt für mindestens eine weitere Messung der offenen Klemmenspannung festgelegt wird und zu dem späteren Zeitpunkt mindestens eine weitere offene Klemmenspannung gemessen wird und der Ladungs-/Alterungszustand des Energiespeichers anhand der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt so festgelegt wird, dass anhand des Prädiktionsmodells ein Ruhezustand des Energiespeichers für den späteren Zeitpunkt vorausgesagt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruhezustand dadurch festgelegt ist, dass die offene Klemmenspannung zeitlich nahezu konstant ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem späteren Zeitpunkt zusätzliche offene Klemmenspannungen gemessen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere offene Klemmenspannung mit einer anhand des Prädiktionsmodells vorausgesagten offenen Klemmenspannung zu dem späteren Zeitpunkt verglichen wird, und bei einer Abweichung der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung von der vorausgesagten offenen Klemmenspannung über eine vorgegebene Toleranz das Prädiktionsmodell angepasst wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere physikalische und/oder statistische Größen gemessen oder erfasst werden und in dem Prädiktionsmodell berücksichtigt werden, wobei die physikalischen Größen insbesondere eine Energiespeichertemperatur, eine Umgebungstemperatur, einen Lade-/Entladestrom und/oder eine Lade-/Entladeleistung vor dem Eintreten des lastfreien Zustands und die statistischen Größen insbesondere eine Tageszeit-, eine Jahreszeitangabe und/oder Informationen über ein Fahrverhalten umfassen.
  7. Vorrichtung (19, 20, 21) zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustands eines Energiespeichers, bei dem der Ladungs-/Alterungszustand von einer Steuereinheit (23) auf Basis einer mittels eines Spannungsmesssensors (22) messbaren offenen Klemmenspannung des Energiespeichers in einem lastfreien Zustand ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (23) zu einem ersten Zeitpunkt ein Messen einer ersten offenen Klemmenspannung nach einem Eintreten des lastfreien Zustands des Energiespeichers veranlassbar ist und anhand der gemessenen ersten offenen Klemmenspannung von der Steuereinheit (23) mittels eines Prädiktionsmodells ein späterer Zeitpunkt für mindestens eine weitere Messung der offenen Klemmenspannung festlegbar ist und zu dem späteren Zeitpunkt mindestens eine weitere offene Klemmenspannung messbar ist und der Ladungs-/Alterungszustand des Energiespeichers anhand der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung ermittelbar ist.
  8. Vorrichtung (19, 20, 21) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt so festlegbar ist, dass anhand des Prädiktionsmodells ein Ruhezustand des Energiespeichers für den späteren Zeitpunkt vorausgesagt ist.
  9. Vorrichtung (19, 20, 21) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruhezustand dadurch festegelegt ist, dass die offene Klemmenspannung zeitlich nahezu konstant ist.
  10. Vorrichtung (19, 20, 21) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem späteren Zeitpunkt zusätzliche offene Klemmenspannungen messbar sind, um die Aussagefähigkeit der zu dem späteren Zeitpunkt gemessenen mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung zu erhärten.
  11. Vorrichtung (19, 20, 21) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (23) eine Anpasseinheit umfasst, mittels der die mindestens eine weitere offene Klemmenspannung mit einer anhand des Prädiktionsmodells vorausgesagten offenen Klemmenspannung zu dem späteren Zeitpunkt vergleichbar ist und mittels der bei einer Abweichung der mindestens einen weiteren offenen Klemmenspannung von der vorausgesagten offenen Klemmenspannung über eine vorgegebene Toleranz das Prädiktionsmodell anpassbar ist.
  12. Vorrichtung (19, 20, 21) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass weitere physikalische und/oder statistische Größen in dem Prädiktionsmodell berücksichtigbar sind, wobei die physikalischen Größen insbesondere eine Energiespeichertemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder einen Lade-/Entladestrom und/oder eine Lade-/Entladeleistung vor dem Eintreten des lastfreien Zustands und die statistischen Größen insbesondere eine Tageszeit- und/oder eine Jahreszeitangabe und/oder Informationen über ein Fahrverhalten umfassen.
  13. Vorrichtung (19, 20, 21) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch weitere Sensoren, mit denen die weiteren physikalischen Größen messbar sind, und/oder Erfassungsmittel, mit denen statistische Größen erfassbar sind.
  14. Vorrichtung (19, 20, 21) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Sensoren mindestens einen Temperatursensor umfassen.
  15. Vorrichtung (19, 20, 21) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Prädiktionsmodell mathematisch auswertbare Gleichungen umfasst.
  16. Vorrichtung (19, 20, 21) nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Prädiktionsmodell Nachschlagetabellen umfasst, die in einem Speicher (25) abgelegt sind.
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