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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
7.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die übrigen Merkmale
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines Hybridfahrzeugs, in dem eine Vorrichtung
zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustandes eines Energiespeichers
vorhanden ist; und
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2 eine
grafische Darstellung der Spannungsabweichung der offenen Klemmenspannung von
der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand gegenüber der Zeit;
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3 eine
grafische Darstellung der Spannungsabweichung der offenen Klemmenspannung von
der offenen Klemmenspannung im Ruhezustand und des entsprechenden
Ladungszustands jeweils gegenüber
der Zeit; und
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4 einen
Graphen eines Ladungszustandes eines Kondensatorspeichers aufgetragen
gegen die Zeit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.