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

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 Download PDF

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Dr. Aßfalg Jochen
Michael Roscher
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Abstract

The method involves detecting voltage and current (U Batt, I Batt) of an energy storage by a measurement unit (200). A removable charge amount (Q) is determined dependent on the current, and an unloading degree (DOD) is determined dependent on the charge amount and before determining an energy storage capacitance. A model energy storage voltage (U Mod) is determined dependent on the unloading degree, and a prognosis error (err) is determined based on the voltages. A current energy storage capacitance is determined dependent on the prognosis error. An independent claim is also included for a device for operating energy storage, comprising a measurement unit.

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.

EP 1 962 099 A2 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln einer Energiekapazität einer Batterie. Es werden ein erster und ein zweiter Ruhespannungswert des Energiespeichers gemessen, wobei zwischen den Messungen der Energieinhalt des Energiespeichers um einen vorgegebenen Betrag geändert wird. Dem ersten Rühespannungswert ist ein erster Ladezustand zugeordnet und dem zweiten Ruhespannungswert ist ein zweiter Ladezustand zugeordnet. Um die Energiekapazität der Batterie zu ermitteln, wird der vorgegebene Betrag, um den der Energieinhalt geändert wird, dividiert durch die Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand. EP 1 962 099 A2 discloses a method for determining an energy capacity of a battery. A first and a second quiescent voltage value of the energy store are measured, wherein the energy content of the energy store is changed by a predetermined amount between the measurements. The first annealing voltage value is assigned a first state of charge and the second rest voltage value is assigned a second state of charge. To determine the energy capacity of the battery, the predetermined amount by which the energy content is changed is divided by the difference between the first state of charge and the second state of charge.

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:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10 in Verbindung mit einer Messeinheit 200 und dem Energiespeicher 10 und 1 a first embodiment of a device 100 to operate an energy storage 10 in connection with a measuring unit 200 and the energy storage 10 and

2 einen Verlauf von Ruhespannungskennlinien des Energiespeichers 10. 2 a course of rest voltage characteristics of the energy storage 10 ,

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.

1 zeigt eine Messeinheit 200 und eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Energiespeichers 10. Die Messeinheit 200 ist beispielsweise ausgebildet, eine Energiespeicherspannung U_Batt und einen Energiespeicherstrom I_Batt in vorgegebenen Zeitabschnitten ts zu erfassen. Die Messeinheit 200 kann beispielsweise auch ausgebildet sein, weitere Betriebsgrößen, beispielsweise eine Energiespeichertemperatur, zu ermitteln. 1 shows a measuring unit 200 and a device 100 to operate an energy storage 10 , The measuring unit 200 For example, it is designed to detect an energy storage voltage U_Batt and an energy storage current I_Batt in predetermined time intervals ts. The measuring unit 200 For example, it may also be designed to determine further operating variables, for example an energy storage temperature.

Die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 ist beispielsweise ausgebildet, zu Beginn einer Betriebsphase ein Ladezustand des Energiespeichers 10 zu erfassen und abhängig von dem Ladezustand während der Betriebsphase des Energiespeichers 10 in vorgegebenen Zeitabschnitten ts Schritte auszuführen, beispielsweise zum Ermitteln einer entnommen Ladungsmenge Q, eines Entladegrades DOD, einer dynamischen Energiespeicherspannung U_dyn, einer Ruhespannung OCV, einer Modellenergiespeicherspannung U_Mod, eines Prognosefehlers err und einer Energiespeicherkapazität C. Alternativ oder zusätzlich zu dem Ladezustand kann die Vorrichtung 100 ausgebildet sein, ein Entladezustand des Energiespeichers 10 zu erfassen und abhängig von dem Entladezustand und/oder dem Ladezustand während der Betriebsphase des Energiespeichers 10 in vorgegebenen Zeitabschnitten ts die Schritte auszuführen. Beispielsweise ist die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 ausgebildet, die Schritte auszuführen, wenn der Ladezustand des 10 einen Voll-Ladezustand repräsentiert.The device 100 to operate the energy storage 10 is formed, for example, at the beginning of an operating phase, a state of charge of the energy storage 10 to detect and depending on the state of charge during the operating phase of the energy storage 10 For example, to determine an extracted charge quantity Q, a discharge DOD, a dynamic energy storage voltage U_dyn, a rest voltage OCV, a model energy storage voltage U_Mod, a forecast error err and an energy storage capacity C. Alternatively or in addition to the state of charge, the device 100 be formed, a discharge state of the energy storage 10 to detect and depending on the discharge state and / or the state of charge during the operating phase of the energy storage 10 to perform the steps in predetermined periods of time ts. For example, the device 100 to operate the energy storage 10 configured to perform the steps when the state of charge of 10 represents a full state of charge.

Die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 weist beispielsweise eine Einheit 130 zum Ermitteln einer Ladungsmenge, eine Entladezustandseinheit 145, eine Ruhespannungseinheit 150, eine Spannungseinheit 160, eine Summationseinheit 170, eine Vergleichseinheit 180, eine Verstärkungseinheit 125 und eine Kapazitätseinheit 120 auf.The device 100 to operate the energy storage 10 has, for example, a unit 130 for determining a charge amount, a discharge state unit 145 , a rest voltage unit 150 , a voltage unit 160 , a summation unit 170 , a comparison unit 180 , an amplification unit 125 and a capacity unit 120 on.

Die Einheit 130 zum Ermitteln der Ladungsmenge ist beispielsweise gekoppelt mit der Messeinheit 200. Der Einheit 130 zum Ermitteln der Ladungsmenge wird der Energiespeicherstrom I_Batt zugeführt. Die Einheit 130 zum Ermitteln der Ladungsmenge ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt und abhängig von einer zuvor ermittelten entnommenen Ladungsmenge Q eine entnommene Ladungsmenge Q zu ermitteln. Beispielsweise kann die entnommene Ladungsmenge Q gemäß Gl. 1 ermittelt werden, wobei k den k-ten Zeitabschnitt ts repräsentiert. Qk = Qk-1 + I_Battk·tsk|Q0 Gl. 1 The unit 130 for determining the amount of charge is coupled, for example, with the measuring unit 200 , The unit 130 For determining the amount of charge, the energy storage current I_Batt is supplied. The unit 130 for determining the amount of charge is formed, for example, depending on the energy storage current I_Batt and dependent on a previously determined extracted charge amount Q to determine a withdrawn charge amount Q. For example, the extracted charge Q according to Eq. 1, where k represents the k-th time period ts. Q k = Q k-1 + I_Batt k * ts k | Q 0 Eq. 1

Nach einem jeweiligen Vollladen des Energiespeichers 10, beispielsweise durch Laden des Energiespeichers 10 des Kraftfahrzeugs an einer Ladestation, wird die entnommene Ladungsmenge Q0 zu Null gesetzt. Dadurch können kumulierte Messfehler beispielsweise bei der Messung des Energiespeicherstrom I_Batt eliminiert werden.After a respective full charge of the energy storage 10 , For example, by loading the energy storage 10 of the motor vehicle at a charging station, the withdrawn charge amount Q 0 is set to zero. As a result, cumulative measurement errors can be eliminated, for example when measuring the energy storage current I_Batt.

Die Entladezustandseinheit 145 ist beispielsweise gekoppelt mit der Einheit 130 zum Ermitteln der Ladungsmenge und der Kapazitätseinheit 120. Der Entladezustandseinheit 145 wird beispielsweise die entnommene Ladungsmenge Q und die Energiespeicherkapazität C zugeführt. Die Entladezustandseinheit 145 ist beispielsweise ausgebildet, abhängig von der entnommenen Ladungsmenge Q und der zuvor ermittelten Energiespeicherkapazität Ck-1 den Entladegrad DOD zu ermitteln. Beispielsweise kann der Entladegrad DOD gemäß Gl. 2 ermittelt werden.The discharge state unit 145 is for example coupled with the unit 130 for determining the amount of charge and the capacity unit 120 , The discharge state unit 145 For example, the extracted charge amount Q and the energy storage capacity C are supplied. The discharge state unit 145 For example, it is designed to determine the degree of discharge DOD as a function of the amount of charge Q removed and the previously determined energy storage capacity C k-1 . For example, the discharge DOD according to Eq. 2 are determined.

Figure 00090001
Figure 00090001

Zum Ermitteln des Entladegrades DOD kann als Anfangswert C0 für die Energiespeicherkapazität C eine Nennspeicherkapazität C_nenn des Energiespeichers 10 eingesetzt werden.For determining the degree of discharge DOD, the initial value C 0 for the energy storage capacity C can be a nominal storage capacity C_nenn of the energy store 10 be used.

Die Ruhespannungseinheit 150 ist beispielsweise gekoppelt mit der Entladezustandseinheit 145. Der Ruhespannungseinheit 150 wird so der Entladegrad DOD zugeführt. Alternative ist möglich, dass der Ruhespannungseinheit 150 zusätzlich zumindest eine weitere Betriebsgröße, beispielsweise ein Hysteresezustand, die Energiespeichertemperatur und/oder ein Polarisationszustand, zugeführt wird. Die Ruhespannungseinheit 150 ist ausgebildet, abhängig von dem Entladegrad DOD eine Ruhespannung OCV zu ermitteln. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Ruhespannungseinheit 150 ausgebildet ist, abhängig von dem Entladegrad DOD und zumindest einer weiteren Betriebsgröße, beispielsweise dem Hysteresezustand und/oder der Energiespeichertemperatur und/oder dem Polarisationszustand die Ruhespannung OCV zu ermitteln. Die Ruhespannungseinheit 150 weist beispielsweise eine Speichereinheit auf, in der Werte der Ruhespannungscharakteristik gespeichert sind.The rest voltage unit 150 is for example coupled to the discharge state unit 145 , The rest voltage unit 150 Thus, the discharge DOD is supplied. Alternative is possible, that of the rest voltage unit 150 additionally at least one further operating variable, for example a hysteresis state, the energy storage temperature and / or a polarization state, is supplied. The rest voltage unit 150 is designed to determine a rest voltage OCV depending on the degree of discharge DOD. It is also possible, for example, for the quiescent voltage unit 150 is designed to determine the rest voltage OCV, depending on the degree of discharge DOD and at least one further operating variable, for example, the hysteresis state and / or the energy storage temperature and / or the polarization state. The rest voltage unit 150 has, for example, a memory unit in which values of the rest voltage characteristic are stored.

Die Spannungseinheit 160 ist mit der Messeinheit 200 gekoppelt. Der Spannungseinheit 160 wird der Energiespeicherstrom I_Batt zugeführt. Die Spannungseinheit 160 ist ausgebildet, abhängig von dem Energiespeicherstrom I_Batt eine dynamische Energiespeicherspannung U_dyn zu ermitteln, beispielsweise mittels eines geeignet ausgebildeten Impedanzmodells.The voltage unit 160 is with the measurement unit 200 coupled. The tension unit 160 the energy storage current I_Batt is supplied. The voltage unit 160 is designed to determine, depending on the energy storage current I_Batt, a dynamic energy storage voltage U_dyn, for example by means of a suitably designed impedance model.

Die Summationseinheit 170 ist beispielsweise gekoppelt mit der Ruhespannungseinheit 150 und der Spannungseinheit 160. Der Summationseinheit 170 werden so die ermittelte Ruhespannung OCV und die ermittelte dynamische Energiespeicherspannung U_dyn zu geführt. Abhängig von diesen beiden Größen wird beispielsweise eine Modellenergiespeicherspannung U_Mod ermittelt. Die Modellenergiespeicherspannung U_Mod kann beispielsweise durch eine Addition der Ruhespannung OCV und der dynamischen Energiespeicherspannung U_dyn, wie in Gl. 3 dargestellt, ermittelt werden. Dabei repräsentiert k den k-ten Zeitabschnitt ts. U_Modk = OCVk + U_dynk Gl. 3 The summation unit 170 is for example coupled with the rest voltage unit 150 and the tension unit 160 , The summation unit 170 Thus, the determined rest voltage OCV and the determined dynamic energy storage voltage U_dyn to be performed. Depending on these two variables, for example, a model energy storage voltage U_Mod is determined. The model energy storage voltage U_Mod, for example, by an addition of the rest voltage OCV and the dynamic energy storage voltage U_dyn, as in Eq. 3, are determined. K represents the k-th time interval ts. U_Mod k = OCV k + U_dyn k Eq. 3

Die Vergleichseinheit 180 ist gekoppelt mit der Messeinheit 200 und der Summationseinheit 170. Der Vergleichseinheit 180 werden beispielsweise die Energiespeicherspannung U_Batt und die Modellenergiespeicherspannung U_Mod zugeführt. Die Vergleichseinheit 180 ist ausgebildet, abhängig von der Energiespeicherspannung U_Batt und der Modellenergiespeicherspannung U_Mod einen Prognosefehler err zu ermitteln. Der Prognosefehler err kann beispielsweise abhängig von einer Differenz zwischen der Energiespeicherspannung U_Batt und der Modellenergiespeicherspannung U_Mod, wie in Gl. 4 dargestellt, ermittelt werden. errk = (U_Battk – U_Modk) Gl. 4 The comparison unit 180 is coupled with the measuring unit 200 and the summation unit 170 , The comparison unit 180 For example, the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod are supplied. The comparison unit 180 is designed to determine a forecast error err depending on the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod. For example, the prediction error err may depend on a difference between the energy storage voltage U_Batt and the model energy storage voltage U_Mod, as shown in Eq. 4, are determined. err k = (U_Batt k - U_Mod k ) Eq. 4

Die Verstärkungseinheit 125 ist gekoppelt mit der Vergleichseinheit 180. Die Verstärkungseinheit ist beispielsweise ausgebildet, den Prognosefehler err mit einem Proportionalitätsfaktor g zu verstärken. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von einer Ausbildung des Energiespeichers 10 und kann anwendungsspezifisch festgelegt werden. Der Proportionalitätsfaktor g weist einen Betrag größer 0 auf. Mittels des Proportionalitätsfaktor g kann ein mögliches Einschwingverhalten beim Ermitteln des Ladezustands hinsichtlich einer Einschwingdauer und Einschwinggenauigkeit beeinflusst werden.The reinforcement unit 125 is coupled with the comparison unit 180 , The amplification unit is designed, for example, to amplify the prediction error err with a proportionality factor g. The proportionality factor is dependent on a design of the energy storage 10 and can be specified application-specific. The proportionality factor g has an amount greater than 0. By means of the proportionality factor g, a possible transient response in determining the state of charge with regard to a settling time and transient accuracy can be influenced.

Die Kapazitätseinheit 120 ist gekoppelt mit der Verstärkungseinheit 125. Der Kapazitätseinheit 120 wird beispielsweise der verstärkte Prognosefehler err zugeführt. Die Kapazitätseinheit 120 ist ausgebildet, die Energiespeicherkapazität C abhängig von dem Prognosefehler err zu ermitteln. Beispielsweise kann für den k-ten Zeitabschnitt die Energiespeicherkapazität C gemäß Gl. 5 ermittelt werden: Ck = Ck-1 + g·errk-1 Gl. 5 The capacity unit 120 is coupled to the amplification unit 125 , The capacity unit 120 For example, the augmented forecast error err is applied. The capacity unit 120 is designed to determine the energy storage capacity C as a function of the forecast error err. For example, for the k th time period, the energy storage capacity C according to Eq. 5 are determined: C k = C k-1 + g * err k-1 Eq. 5

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 100 zum Betreiben des Energiespeichers 10 kann beispielsweise als Recheneinheit mit einem Programm- und Datenspeicher ausgebildet sein.The device 100 to operate the energy storage 10 For example, it can be designed as a computer unit with a program and data memory.

2 zeigt einen Verlauf von Ruhespannungskennlinien des Energiespeichers 10 abhängig von einem Alterungszustand und einem Nenn-Entladegrad DOD_nenn, der den Entladegrad DOD bezogen auf die Nennspeicherkapazität C_nenn des Energiespeichers 10 charakterisiert. Die Ruhespannungskennlinie eines alten Energiespeichers ES_alt fällt stärker ab, mit einem größeren Gradienten, als die Ruhespannungskennlinie eines neuen Energiespeichers ES_neu. Dadurch weist der alte Energiespeicher ES_alt eine Entladeschlussspannung OCV_ent bereits bei einem geringeren Nenn-Entladegrad DOD_nenn auf. 2 shows a course of rest voltage characteristics of the energy storage 10 depending on an aging state and a nominal discharge DOD_nenn, the degree of discharge DOD relative to the nominal storage capacity C_nenn the energy storage 10 characterized. The quiescent voltage characteristic of an old energy store ES_alt decreases more sharply, with a larger gradient than the quiescent voltage characteristic of a new energy store ES_new. As a result, the old energy store ES_alt already has a discharge end voltage OCV_ent at a lower nominal discharge DOD_nenn.

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
QQ
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]

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (10), bei dem zu Beginn einer Betriebsphase ein Ladezustand des Energiespeichers (10) erfasst wird und abhängig von dem Ladezustand während der Betriebsphase des Energiespeichers (10) in vorgegebenen Zeitabschnitten (ts) folgende Schritte ausgeführt werden: – mittels einer Messeinheit (200) wird eine Energiespeicherspannung (U_Batt) und ein Energiespeicherstrom (I_Batt) erfasst, – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) wird eine entnommene Ladungsmenge (Q) ermittelt, – abhängig von der entnommenen Ladungsmenge (Q) und einer zuvor ermittelten Energiespeicherkapazität (Ck-1) wird ein Entladegrad (DOD) ermittelt, – abhängig von dem Entladegrad (DOD) wird eine Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ermittelt, – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) wird ein Prognosefehler (err) ermittelt und – abhängig von dem Prognosefehler (err) wird eine aktuelle Energiespeicherkapazität (Ck) ermittelt.Method for operating an energy store ( 10 ), in which at the beginning of an operating phase, a state of charge of the energy storage ( 10 ) and depending on the state of charge during the operating phase of the energy store ( 10 ) in predetermined time intervals (ts) the following steps are carried out: - by means of a measuring unit ( 200 ) an energy storage voltage (U_Batt) and an energy storage current (I_Batt) is detected, - depending on the energy storage current (I_Batt) a withdrawn charge quantity (Q) is determined, - depending on the amount of charge taken (Q) and a previously determined energy storage capacity (C k-) 1 ), a degree of discharge (DOD) is determined, - depending on the degree of discharge (DOD) a model energy storage voltage (U_Mod) is determined, - depending on the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod) a forecast error (err) is determined and - dependent from the forecast error (err) a current energy storage capacity (C k ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem, wenn der erfasste Ladezustand des Energiespeichers (10) eine Vollladung des Energiespeichers (10) repräsentiert, die Schritte ausgeführt werden.The method of claim 1, wherein when the detected state of charge of the energy store ( 10 ) a full charge of the energy store ( 10 ), the steps are performed. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Prognosefehler (err) abhängig ist von der Differenz zwischen der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod).Method according to one of the preceding claims, in which the prediction error (err) is dependent on the difference between the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Ruhespannung (OCV) ermittelt wird abhängig von dem Entladegrad (DOD) und einer vorgegebenen Ruhespannungscharakteristik des Energiespeichers (10).Method according to one of the preceding claims, in which a rest voltage (OCV) is determined depending on the degree of discharge (DOD) and a predetermined rest voltage characteristic of the energy store ( 10 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) eine dynamische Energiespeicherspannung (U_dyn) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein depending on the energy storage current (I_Batt) a dynamic energy storage voltage (U_dyn) is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ermittelt wird abhängig von der Ruhespannung (OCV) und der dynamischen Energiespeicherspannung (U_dyn).Method according to one of the preceding claims, in which the model energy storage voltage (U_Mod) is determined as a function of the rest voltage (OCV) and the dynamic energy storage voltage (U_dyn). Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) die Summe ist von der Ruhespannung (OCV) und der dynamischen Energiespeicherspannung (U_dyn).The method of claim 6, wherein the model energy storage voltage (U_Mod) is the sum of the quiescent voltage (OCV) and the dynamic energy storage voltage (U_dyn). Vorrichtung (100) zum Betreiben eines Energiespeichers (10), die ausgebildet ist, zu Beginn einer Betriebsphase ein Ladezustand des Energiespeichers (10) zu erfassen und abhängig von dem Ladezustand während der Betriebsphase des Energiespeichers (10) in vorgegebenen Zeitabschnitten (ts) folgende Schritte auszuführen: – mittels einer Messeinheit (200) eine Energiespeicherspannung (U_Batt) und einen Energiespeicherstrom (I_Batt) zu erfassen, – abhängig von dem Energiespeicherstrom (I_Batt) eine entnommene Ladungsmenge (Q) zu ermitteln, – abhängig von der entnommenen Ladungsmenge (Q) und einer zuvor ermittelten Energiespeicherkapazität (Ck-1) ein Entladegrad (DOD) zu ermitteln, – abhängig von dem Entladegrad (DOD) eine Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) zu ermitteln, – abhängig von der Energiespeicherspannung (U_Batt) und der Modellenergiespeicherspannung (U_Mod) ein Prognosefehler (err) zu ermitteln und – abhängig von dem Prognosefehler (err) eine aktuelle Energiespeicherkapazität (Ck) zu ermitteln.Contraption ( 100 ) for operating an energy store ( 10 ), which is designed, at the beginning of an operating phase, a state of charge of the energy store ( 10 ) and depending on the state of charge during the operating phase of the energy store ( 10 ) in predetermined time intervals (ts) to carry out the following steps: - by means of a measuring unit ( 200 ) to detect an energy storage voltage (U_Batt) and an energy storage current (I_Batt), - to determine a withdrawn charge quantity (Q) as a function of the energy storage current (I_Batt), - depending on the amount of charge taken (Q) and a previously determined energy storage capacity (C k-) 1 ) determine a degree of discharge (DOD), - depending on the degree of discharge (DOD) to determine a model energy storage voltage (U_Mod), - depending on the energy storage voltage (U_Batt) and the model energy storage voltage (U_Mod) to determine a forecast error (err) and - dependent from the forecast error (err) to determine a current energy storage capacity (C k ).
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