DE102010031050A1 - Method for operating energy storage e.g. lithium ions battery, in e.g. motor car, involves determining prognosis error based on energy and model energy storage voltages, and determining current energy storage capacitance dependent on error - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers.The invention relates to a method and a device for operating an energy store.
In modernen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit eines Energiespeichers besonders hoch. Insbesondere bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit vorwiegend elektrischem Antrieb spielt die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers, der beispielsweise als Lithium-Ionen Akkumulator oder Nickel-Metall-Hybrid-Akkumulator ausgebildet ist, eine wichtige Rolle. Für einen Fahrzeugführer ist es vorteilhaft, während des Betreibens des Kraftfahrzeugs eine Information zu erhalten, welche Reichweite mit dem Kraftfahrzeug erzielt werden kann. Die Reichweite kann abhängig von einer Ladungsspeicherkapazität des Energiespeichers ermittelt werden.In modern motor vehicles, the requirements for the performance of an energy storage device are particularly high. In particular, in a hybrid or electric vehicle with predominantly electric drive, the performance of the energy storage, which is designed for example as a lithium-ion battery or nickel-metal hybrid accumulator plays an important role. For a driver, it is advantageous to obtain information during operation of the motor vehicle, which range can be achieved with the motor vehicle. The range can be determined depending on a charge storage capacity of the energy storage.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers zu schaffen, das beziehungsweise die einen zuverlässigen Betrieb des Energiespeichers ermöglicht.The object on which the invention is based is to provide a method and a corresponding device for operating an energy store, which enables reliable operation of the energy store.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers bei dem beziehungsweise bei der zu Beginn einer Betriebsphase ein Ladezustand des Energiespeichers erfasst wird. Abhängig von dem Ladezustand werden während der Betriebsphase des Energiespeichers in vorgegebenen Zeitabschnitten mehrere Schritte ausgeführt. Mittels einer Messeinheit werden eine Energiespeicherspannung und ein Energiespeicherstrom erfasst. Ferner wird abhängig von dem Energiespeicherstrom eine entnommene Ladungsmenge ermittelt. Abhängig von der entnommenen Ladungsmenge und einer zuvor ermittelten Energiespeicherkapazität wird ein Entladegrad ermittelt. Des Weiteren wird abhängig von dem Entladegrad eine Modellenergiespeicherspannung ermittelt. Abhängig von der Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung wird ein Prognosefehler ermittelt. Weiterhin wird abhängig von dem Prognosefehler eine aktuelle Energiespeicherkapazität ermittelt.The invention is characterized by a method and a corresponding device for operating an energy store in which or at the beginning of an operating phase, a state of charge of the energy storage is detected. Depending on the state of charge, several steps are carried out during predetermined periods of time during the operating phase of the energy store. By means of a measuring unit, an energy storage voltage and an energy storage current are detected. Furthermore, a withdrawn charge amount is determined depending on the energy storage current. Depending on the amount of charge taken and a previously determined energy storage capacity, a degree of discharge is determined. Furthermore, a model energy storage voltage is determined depending on the degree of discharge. Depending on the energy storage voltage and the model energy storage voltage, a prognosis error is determined. Furthermore, depending on the forecast error, a current energy storage capacity is determined.
Aufgrund irreversibler chemischer Prozesse in dem Energiespeicher verringert sich die Energiespeicherkapazität des Energiespeichers abhängig von einem Alter und/oder einer Belastung des Energiespeichers. Eine geringere Energiespeicherkapazität des Energiespeichers hat zur Folge, dass der Energiespeicher weniger Energie speichern kann und damit beispielsweise eine maximale Fahrstrecke, die ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit diesem Energiespeicher zurücklegen kann, kleiner wird. Eine maximale Reichweite, die mit einem heutigen Elektro- oder Hybridfahrzeug erzielt werden kann, ist im Vergleich zu einer Reichweite, die mit einem heutigen Benzin- oder Dieselkraftfahrzeug erzielt werden kann, gering. Für einen Nutzer eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ist es wichtig, zuverlässige Information zur Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu erhalten. Ein Ermitteln des Entladegrades abhängig von der ermittelten Energiespeicherkapazität kann einen Beitrag leisten dazu, dass die Reichweite eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sehr zuverlässig ermittelt werden kann. Des Weiteren ist es möglich, die ermittelte Energiespeicherkapazität für weitere Diagnosezwecke heranzuziehen, beispielsweise kann abhängig von der Energiespeicherkapazität mittels einer geeignet ausgebildeten Diagnosevorrichtung eine Bewertung einer Funktions- und Leistungsfähigkeit des Energiespeichers durchgeführt werden.Due to irreversible chemical processes in the energy store, the energy storage capacity of the energy store is reduced depending on an age and / or load of the energy store. A lower energy storage capacity of the energy storage has the consequence that the energy storage can store less energy and thus, for example, a maximum distance that can travel an electric or hybrid vehicle with this energy storage is smaller. A maximum range that can be achieved with today's electric or hybrid vehicle is low compared to a range that can be achieved with a gasoline or diesel vehicle today, low. For a user of an electric or hybrid vehicle, it is important to obtain reliable information about the range of the electric or hybrid vehicle. Determining the degree of discharge as a function of the determined energy storage capacity can make a contribution to the fact that the range of an electric or hybrid vehicle can be determined very reliably. Furthermore, it is possible to use the determined energy storage capacity for further diagnostic purposes, for example, depending on the energy storage capacity by means of a suitably designed diagnostic device, an evaluation of a functional and performance of the energy storage can be performed.
Die Energiespeicherkapazität repräsentiert die in dem Energiespeicher maximal speicherbare elektrische Ladungsmenge. Die physikalische Einheit der Energiespeicherkapazität wird in A·s angegeben. Zum Ermitteln des Entladegrades kann als Anfangswert für die Energiespeicherkapazität eine Nennspeicherkapazität des Energiespeichers genutzt werden. Die Energiespeicherkapazität kann vorteilhafterweise während der Betriebsphase des Kraftfahrzeugs rekursiv ermittelt werden. Es ist nicht erforderlich eine Ruhespannungsmessung durchzuführen, die eine längere Wartezeit erfordert. Das Ermitteln der Energiespeicherkapazität kann sehr flexibel und bedarfsgerecht erfolgen, da der Energiespeicher zum Bestimmen der Energiespeicherkapazität nicht vollständig geladen und anschließend vollständig entladen werden muss. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Energiespeicherkapazität sehr genau ermittelt werden kann unabhängig davon, ob die Ruhespannungscharakteristik einen linearen oder nichtlinearen Verlauf aufweist. Die Ruhespannungscharakteristik beschreibt einen Verlauf einer Ruhespannung des Energiespeichers abhängig von dem Entladegrad des Energiespeichers. Erfolgt das Ermitteln der Energiespeicherkapazität beispielsweise abhängig von einer Differenz zweier Arbeitspunkte der Ruhespannungscharakteristik, ist ein weitgehend linearer Verlauf der Ruhespannungscharakteristik erforderlich, um die Energiespeicherkapazität zuverlässig ermitteln zu können. Moderne Energiespeichertypen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien und Nickel-Metall-Hybrid-Batterien, die beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, weisen eine Ruhespannungscharakteristik mit einem teilweise sehr nichtlinearen Verlauf auf.The energy storage capacity represents the maximum amount of electrical charge that can be stored in the energy store. The physical unit of energy storage capacity is specified in A · s. To determine the degree of discharge, a nominal storage capacity of the energy store can be used as the initial value for the energy storage capacity. The energy storage capacity can advantageously be determined recursively during the operating phase of the motor vehicle. It is not necessary to perform a quiescent voltage measurement, which requires a longer waiting time. The determination of the energy storage capacity can be done very flexible and needs-based, since the energy storage for determining the Energy storage capacity must not be fully charged and then completely discharged. Another advantage is that the energy storage capacity can be determined very accurately regardless of whether the rest voltage characteristic has a linear or non-linear course. The quiescent voltage characteristic describes a profile of a quiescent voltage of the energy store as a function of the degree of discharge of the energy store. If, for example, the energy storage capacity is determined as a function of a difference between two operating points of the quiescent voltage characteristic, a largely linear course of the quiescent voltage characteristic is required in order to be able to reliably determine the energy storage capacity. Modern energy storage types, such as lithium-ion batteries and nickel-metal hybrid batteries, which are used for example in electric and hybrid vehicles, have a rest voltage characteristic with a partially very non-linear course.
Vorteilhafterweise wird der Ladezustand in gleich großen Abtastzeitschritten erfasst und die Schritte in den gleich großen Abtastzeitschritten ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich zu dem Ladezustand kann beispielsweise auch ein Entladezustand erfasst werden. Der Energiespeicherstrom kann während einer Betriebsphase des Energiespeichers den Energiespeicher sowohl entladen als auch laden. Die entnommene Ladungsmenge repräsentiert somit eine resultierende Ladungsmenge, die beispielsweise abhängig von einer zeitlichen Integration des Energiespeicherstroms ermittelt werden kann. Das Ermitteln der Energiespeicherkapazität basiert auf einem regelungstechnischen Modell. Ein Abgleich der erfassten Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung und einer damit verbundenen Korrektur der Energiespeicherkapazität erfolgt mit Hilfe eines Korrekturterms. Dieser kann beispielsweise mit Hilfe verschiedener Entwurfsmethoden aus der Theorie der Parameterschätzung und der Zustandsbeobachtung ausgelegt werden, wie zum Beispiel Least-Squares-optimaler Entwurf oder Sliding-Mode-Entwurf.Advantageously, the state of charge is detected in sampling steps of equal length and the steps are carried out in the same-sized sampling time steps. Alternatively or in addition to the state of charge, for example, a discharge state can also be detected. The energy storage current can both discharge and charge the energy store during an operating phase of the energy store. The amount of charge taken thus represents a resulting amount of charge, which can be determined, for example, depending on a temporal integration of the energy storage current. The determination of the energy storage capacity is based on a control engineering model. An adjustment of the detected energy storage voltage and the model energy storage voltage and an associated correction of the energy storage capacity takes place with the aid of a correction term. This can be designed, for example, using various design methods from the theory of parameter estimation and state observation, such as least-squares-optimal design or sliding-mode design.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung, werden, wenn der erfasste Ladezustand des Energiespeichers eine Vollladung des Energiespeichers repräsentiert, die Schritte ausgeführt. Ein Voll-Ladezustand des Energiespeichers kann sehr einfach und genau ermittelt werden. Der Voll-Ladezustand ist erreicht, wenn der Energiespeicher eine vorgegebene Ladeschlussspannung aufweist. Diese Ladeschlussspannung ist unabhängig von der Energiespeicherkapazität. Weist der Energiespeicher den Voll-Ladezustand auf, kann ein Anfangswert für die entnommene Ladungsmenge zu Null gesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Ladezustand kann beispielsweise auch ein Entladezustand ausgewertet werden.According to an advantageous embodiment, when the detected state of charge of the energy store represents a full charge of the energy store, the steps are executed. A full state of charge of the energy storage can be determined very easily and accurately. The full charge state is reached when the energy store has a predetermined charge end voltage. This end-of-charge voltage is independent of the energy storage capacity. If the energy store has the full charge state, an initial value for the amount of charge taken can be set to zero. Alternatively or in addition to the state of charge, for example, a discharge state can also be evaluated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Prognosefehler abhängig von der Differenz zwischen der Energiespeicherspannung und der Modellenergiespeicherspannung. Vorteilhaft ist, wenn der so ermittelte Prognosefehler einen Proportionalitätsfaktor aufweist, der anwendungsspezifisch festgelegt werden kann. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von einer Ausbildung des Energiespeichers. Der Proportionalitätsfaktor beeinflusst beim Ermitteln der Energiespeicherkapazität ein mögliches Einschwingverhalten hinsichtlich einer Einschwingdauer und einer Einschwinggenauigkeit. Der Proportionalitätsfaktor weist einen Betrag größer 0 auf.According to a further advantageous embodiment, the prediction error is dependent on the difference between the energy storage voltage and the model energy storage voltage. It is advantageous if the prediction error determined in this way has a proportionality factor which can be determined in an application-specific manner. The proportionality factor is dependent on a design of the energy storage. When determining the energy storage capacity, the proportionality factor influences a possible transient response with regard to a settling time and a transient accuracy. The proportionality factor has an amount greater than 0.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Ruhespannung ermittelt abhängig von dem Entladegrad und einer vorgegebenen Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers. Dies leistet vorteilhafterweise einen Beitrag zum genauen Ermitteln der Ruhespannung. Da der Entladegrad abhängig von der zuvor ermittelten Energiespeicherkapazität ermittelt wird, kann so beim Ermitteln der Ruhespannung eine Änderung der Energiespeicherkapazität aufgrund eines Alterungsprozesses des Energiespeichers berücksichtigt werden. Abhängig von einem Aufbau des Energiespeichers und von verwendeten Materialien kann der Energiespeicher eine Ruhespannungscharakteristik mit einer Hysterese aufweisen. Beim Ermitteln der Ruhespannung können weitere Betriebsgrößen, beispielsweise die Temperatur des Energiespeichers, und/oder weitere Betriebszustände des Energiespeichers, beispielsweise eine Hysterese der Ruhespannungscharakteristik und/oder eine Polarisation, berücksichtigt werden.According to a further advantageous embodiment, a rest voltage is determined depending on the degree of discharge and a predetermined rest voltage characteristic of the energy storage. This advantageously makes a contribution to the accurate determination of the quiescent voltage. Since the degree of discharge is determined as a function of the previously determined energy storage capacity, a change in the energy storage capacity due to an aging process of the energy storage can be taken into account when determining the quiescent voltage. Depending on a structure of the energy storage device and of materials used, the energy storage device may have a quiescent voltage characteristic with a hysteresis. When determining the rest voltage, further operating variables, for example the temperature of the energy store, and / or further operating states of the energy store, for example a hysteresis of the rest voltage characteristic and / or a polarization, can be taken into account.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von dem Energiespeicherstrom eine dynamische Energiespeicherspannung ermittelt. Die dynamische Energiespeicherspannung repräsentiert einen von dem Energiespeicherstrom verursachten Spannungsanteil der Energiespeicherspannung. Ein Ermitteln der dynamischen Energiespeicherspannung kann beispielsweise mittels eines Impedanzmodells, zum Beispiel mittels eines elektrischen Ersatzschaltbildes von Randles, erfolgen.According to a further advantageous embodiment, a dynamic energy storage voltage is determined depending on the energy storage current. The dynamic energy storage voltage represents a voltage fraction of the energy storage voltage caused by the energy storage current. Determining the dynamic energy storage voltage can, for example, by means of an impedance model, for example by means of an electrical equivalent circuit of Randles done.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Modellenergiespeicherspannung ermittelt abhängig von der Ruhespannung und der dynamischen Energiespeicherspannung. Die Modellenergiespeicherspannung weist somit statische als auch dynamische Spannungsanteile auf.According to a further advantageous embodiment, the model energy storage voltage is determined depending on the rest voltage and the dynamic energy storage voltage. The model energy storage voltage thus has static as well as dynamic voltage components.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Modellenergiespeicherspannung die Summe von der Ruhespannung und der dynamischen Energiespeicherspannung. Dies ermöglicht eine einfache Berechung der Modellenergiespeicherspannung. According to a further advantageous embodiment, the model energy storage voltage is the sum of the quiescent voltage and the dynamic energy storage voltage. This allows a simple calculation of the model energy storage voltage.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided across the figures with the same reference numerals.
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Einheit
Nach einem jeweiligen Vollladen des Energiespeichers
Die Entladezustandseinheit
Zum Ermitteln des Entladegrades DOD kann als Anfangswert C0 für die Energiespeicherkapazität C eine Nennspeicherkapazität C_nenn des Energiespeichers
Die Ruhespannungseinheit
Die Spannungseinheit
Die Summationseinheit
Die Vergleichseinheit
Die Verstärkungseinheit
Die Kapazitätseinheit
Das Ermitteln der Energiespeicherkapazität C gemäß Gl. 5 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel. Die angegebene Gleichung basiert auf einem Korrekturterm eines Parameterschätzers mit einer konstanten proportionalen Rückführung des Prognosefehlers err. Es ist auch möglich, dass ein Abgleich der erfassten Energiespeicherspannung U_Batt und der Modellenergiespeicherspannung U_Mod und einer damit verbundenen Korrektur der Energiespeicherkapazität C beispielsweise mit Hilfe eines anderen Korrekturterms erfolgt. Dieser kann beispielsweise mit Hilfe verschiedener Entwurfsmethoden aus der Theorie der Parameterschätzung und der Zustandsbeobachtung ausgelegt werden, wie zum Beispiel. Least-Squares-optimaler Entwurf oder Sliding-Mode-Entwurf.Determining the energy storage capacity C according to Eq. 5 is a possible embodiment. The given equation is based on a correction term of a parameter estimator with a constant proportional feedback of the forecast error err. It is also possible that an adjustment of the detected energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod and an associated correction of the energy storage capacity C, for example, by means of another correction term. This can be interpreted, for example, using various design methods from the theory of parameter estimation and state observation, such as. Least Squares Optimal Design or Sliding Fashion Design.
Die Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Energiespeicherenergy storage
- 100100
- Vorrichtung zum Betreiben eines EnergiespeichersDevice for operating an energy store
- 120120
- Kapazitätseinheitcapacity unit
- 125125
- Verstärkungseinheitamplification unit
- 130130
- Einheit zum Ermitteln der LadungsmengeUnit for determining the amount of charge
- 145145
- EntladezustandseinheitEntladezustandseinheit
- 150150
- RuhespannungseinheitOpen circuit voltage unit
- 160160
- Spannungseinheitvoltage unit
- 170170
- SummationseinheitSummation unit
- 180180
- Vergleichseinheitcomparing unit
- 200200
- Messeinheitmeasuring unit
- CC
- Energiespeicherkapazitätenergy storage
- C0 C 0
- Anfangswertinitial value
- C_nennC_nenn
- Nennspeicherkapazitätnominal capacity
- DODDOD
- Entladegradof discharge
- DOD_nennDOD_nenn
- Nenn-Entladegrad bezogen auf NennspeicherkapazitätNominal discharge rate based on nominal storage capacity
- errerr
- Prognosefehlerforecast error
- ES_altES_alt
- alter Energiespeicherold energy storage
- ES_neuES_neu
- neuer Energiespeichernew energy storage
- gG
- Proportionalitätsfaktorproportionality
- I_BattI_Batt
- EnergiespeicherstromEnergy storage power
- OCVOCV
- Ruhespannungopen circuit voltage
- OCV_entOCV_ent
- EntladeschlusspannungEntladeschlusspannung
- entnommene Ladungsmengetaken charge amount
- U_Battu_Batt
- EnergiespeicherspannungEnergy storage voltage
- U_dynU_dyn
- dynamische Energiespeicherspannungdynamic energy storage voltage
- U_ModU_Mod
- ModellenergiespeicherspannungModel energy storage voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1962099 A2 [0003] EP 1962099 A2 [0003]
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