DE102010038646A1 - Verfahren und Anordnung zum Abschätzen der Leistungsfähigkeit mindestens einer Batterieeinheit einer wiederaufladbaren Batterie - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Abschätzen der Leistungsfähigkeit mindestens einer Batterieeinheit einer wiederaufladbaren Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen des Ladezustands (SOC) mindestens einer Batterieeinheit (12) einer wiederaufladbaren Batterie (14) und mindestens einer den Alterungszustand (SOH) dieser Batterieeinheit beschreibenden Größe (Cakt, Ri,DC,B,akt) der Batterieeinheit in einem wählbaren Betriebspunkt mittels eines Modells (22), insbesondere mathematischen Modells, der Batterie (14) oder zumindest der Batterieeinheit (12), wobei zunächst der Ladezustand (SOC) abgeschätzt wird. Es ist vorgesehen, dass die den Alterungszustand (SOH) beschreibende Größe eine aktuelle Ladungskapazität (Cakt) der Batterieeinheit (12) ist, die aus dem Laststrom (IB) der Batterieeinheit im Betriebspunkt und dem Kehrwert der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands (SOC) der Batterieeinheit (12) abgeschätzt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Anordnung (10) zum Abschätzen des Ladezustands einer Batterieeinheit (12) einer wiederaufladbaren Batterie (14).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen des Ladezustands mindestens einer Batterieeinheit einer wiederaufladbaren Batterie und mindestens einer den Alterungszustand dieser Batterieeinheit beschreibenden Größe der Batterieeinheit in einem wählbaren Betriebspunkt mittels eines Modells, insbesondere mathematischen Modells, der Batterie oder zumindest der Batterieeinheit, wobei zunächst der Ladezustand abgeschätzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Abschätzen des Ladezustands mindestens einer Batterieeinheit einer wiederaufladbaren Batterie und mindestens einer den Alterungszustand dieser Batterieeinheit beschreibenden Größe der Batterieeinheit in einem wählbaren Betriebspunkt, mit der Batterieeinheit und einem in einer Recheneinrichtung der Anordnung implementierten Modell, insbesondere mathematischen Modell, der Batterie oder zumindest der Batterieeinheit, wobei ein erster Zustandsschätzer mittels des Modells zunächst den Ladezustand abschätzt.
  • Stand der Technik
  • Zur Reduktion der (lokalen) Emissionen von Kraftfahrzeugen werden derzeit verstärkt Hybridantriebskonzepte oder rein elektrische Antriebskonzepte entwickelt. Der Betrieb von elektrischen Maschinen im Motor- und Generatorbetrieb derartiger Antriebskonzepte setzt mindestens einen elektrischen Energiespeicher wie eine wiederaufladbare Batterie im Fahrzeug voraus. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Batteriesystemen hohen Energiedichte werden Lithium-Ionen-Zellen für mobile und stationäre Speicher elektrischer Energie, also elektrischer Energiespeicher, favorisiert. Um die installierte Speicherleistung und Speicherkapazität möglichst vollständig zu nutzen, wird mittels mathematischer Modelle das Ein-/Ausgangsverhalten der Batterie beziehungsweise ihrer Batterieeinheiten unter bestimmen Lastprofilen, das heißt entsprechenden Lade- und Erstladeströmen, vorhergesagt. Dies geschieht typischerweise mit einem sogenannten Zustandsschätzer der gemessene und simulierte Größen vergleicht und daraus zum Beispiel den aktuellen Ladezustand (SOC: State of Charge) berechnet. Bei diesem Vorgehen bleiben Degradationseffekte, welche die Leistung und Kapazität des Speichers betreffen, jedoch unberücksichtigt.
  • Aus der EP 01 231 476 A3 ist ein eingangs genanntes Verfahren und eine entsprechende Anordnung zum Abschätzen des Ladezustands einer Batterieeinheit einer wiederaufladbaren Batterie und mindestens einer den Alterungszustand dieser Batterieeinheit beschreibenden Größe der Batterieeinheit in einem wählbaren Betriebspunkt mittels eines Modells der Batterie oder zumindest ihrer Batterieeinheit bekannt, wobei zunächst der Ladezustand abgeschätzt wird. Bei diesem Verfahren wird neben dem aktuellen Ladezustand (SOC) auch eine weitere Größe abgeschätzt, die die aktuelle Leistungsfähigkeit beziehungsweise den aktuellen Alterungszustand (SOH: State of Health) beschreibt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Abschätzung der den Alterungszustand der Batterieeinheit beschreibenden Größe eine augenblickliche (instantane) und vom Lastfall unabhängige Bestimmung dieser Größe ist.
  • Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die den Alterungszustand beschreibende Größe eine aktuelle Ladungskapazität Cakt der Batterieeinheit ist, die aus dem Laststrom IB der Batterieeinheit im Betriebspunkt und dem Kehrwert der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands (SOC: State of charge) der Batterieeinheit abgeschätzt wird.
  • Ein derartiges Konzept ermöglicht es, die Leistungstragfähigkeit und die Restkapazität eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, bezogen auf den Neuzustand, direkt aus den geschätzten Zustandsgrößen eines Zustandsschätzers zu bestimmen. Damit kann zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Alterungszustand (SOH: State of Health) des Speichers auf Basis kennzeichnender Parameter bestimmt werden. Bei bekannter Anfangskapazität C0 genügen somit lediglich zwei im Zeitintervall Δt aufeinanderfolgende Zeitschritte k und k + 1 zur Bestimmung der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands mittels des Differenzenquotienten: dSOC/dt = (SOC(k + 1) – SOC(k))/Δt.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die aktuelle Ladungskapazität Cakt gemäß der Gleichung: Cakt = k1·IB·1/(dSOC/dt) abgeschätzt wird. Dabei ist k1 eine Batterietyp-spezifische Konstante.
  • Als Maß für die Restkapazität wird der Ladungs-Alterungszustand SOHQ definiert, i. e. SOHQ = Cakt/C0 wobei C0 die Kapazität der neuen Zelle und Cakt jene der gealterten Zelle zum betrachteten Zeitpunkt ist.
  • Generell kann mit diesem Verfahren der Ladezustand einer Speichereinheit eines beliebigen elektrischen(Energie-)Speichers und mindestens eine den Alterungszustand dieser Speichereinheit beschreibenden Größe abgeschätzt werden. Der elektrische Speicher ist dabei insbesondere besagte wiederaufladbare Batterie, also ein Akkumulator oder ein Element, welches elektrische Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichert, oder ein rein kapazitiver Speicher, bevorzugt ein Speicher- oder Doppelschichtkondensator.
  • Generell kann die Batterieeinheit eine einzelne Batteriezelle, eine Anordnung miteinander parallel und/oder seriell verschalteter Batteriezellen oder die gesamte Batterie sein. Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass die Batterieeinheit eine Batteriezelle ist. Somit wird bevorzugt die Leistungsfähigkeit jeder einzelnen Batteriezelle separat abgeschätzt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine weitere der den Alterungszustand beschreibenden Größen der aktuelle Innenwiderstand Ri,DC,B,akt der Batterieeinheit ist, der aus einem ermittelten Überpotential UOV und dem Laststrom IB der Batterieeinheit im Betriebspunkt abgeschätzt wird. Ein Betriebspunkt definiert sich über den aktuell geforderten Last-Strom IB, den aktuellen Ladezustand (engl. State of Charge = SOC) der Batterieeinheit, sowie die Temperatur von Umgebung T∞ und Temperatur T der Batterieeinheit selbst.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der aktuelle Innenwiderstand Ri,DC,B,akt der Batterieeinheit gemäß der Gleichung: Ri,DC,B,akt = UOV,B/(q3·IB) abgeschätzt wird. Dabei ist q3 ein aus einer Offline-Parametrierung bekannter Parameter, welcher charakteristisch für die bestimmte Batterieeinheit ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Überpotential UOV der Batterieeinheit aus dem Laststrom IB der Batterieeinheit im Betriebspunkt, der zeitlichen Ableitung der ermittelten Temperatur T und einer den Wärmetransport beschreibenden Funktion f(T) der Batterieeinheit abgeschätzt wird. Mittels dieses Überpotentials UOV lässt sich – wie gesagt – der aktuelle Innenwiderstand Ri,DC,B,akt als weitere den Alterungszustand beschreibende Größe bestimmen. Anstatt des aktuellen Innenwiderstandes Ri,DC,B,akt kann auch das bei einem bestimmten Laststrom auftretende Überpotential UOV, als Maß für die Leistungsfähigkeit verwendet werden. Der entsprechende Leistungs-Alterungszustand SOHP ist definiert als SOHP = (Ri,DC.akt/Ri,DC,0)–1 oder SOHP = (UOV,akt/UOV,0)–1.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass das Überpotential UOV gemäß der Gleichung: UOV,B(Ri,DC,B, IB) = 1/IB·(dT/dt + k2·f(T)) abgeschätzt wird. Dabei ist k2 eine weitere Batterietyp-spezifische Konstante.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich eine den Ladezustand SOCB der Batterieeinheit im Betriebspunkt beschreibende Größe aus der Summe eines alterungszustandsabhängigen Ruhepotentials U0 und eines lastabhängigen Überpotentials UOV der Batterieeinheit bestimmen lässt, i. e. SOCB = 1/q2·((y2 – UOV(Ri,DC,B,akt‚ IB)) – g1)
  • Dabei sind q1, q2 zwei weitere Parameter, welche im Rahmen einer Offline-Parametrierung abgeschätzt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Batteriemodell folgende Größen und funktionelle Zusammenhänge beschreibt:
    • (a) den (physikalischen) Ladezustand SOC,
    • (b) das Ruhepotential U0 als Funktion des Ladezustands SOC,
    • (c) die Temperatur T der Batterieeinheit,
    • (d) das Überpotential UOV unter Last und
    • (e) die Klemmenspannung Ukl der Batterieeinheit als Summe aus Ruhepotential und Überpotential.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Abschätzen des Ladezustands SOC mittels eines Zustandsschätzers erfolgt. Insbesondere ist vorgesehen, dass dieser Zustandsschätzer ein Zustandsschätzer nach Kalman oder ein Zustandsbeobachter nach Luenberger ist. Der Ansatz von Kalman (der Kalman-Filter) beruht auf einer Zustandsraummodellierung, bei der explizit zwischen der Dynamik des Systemzustands und dem Prozess seiner Messung unterschieden wird. Als Zustandsvektor eines Systems wird dabei häufig der kleinste, das System ausreichend genau beschreibende Satz von Bestimmungsstücken verstanden und im Rahmen der Modellbildung in Form eines mehrdimensionalen Vektors mit entsprechenden dynamischen Gleichungen, dem sogenannten Zustandsraummodell dargestellt. Der Ansatz von Luenberger wie auch der Ansatz von Kalman beruht auf einem Vergleich der Ausgangsgrößen des Zustandsschätzers mit jenen der Regelstrecke. Dabei wird die Differenz zwischen dem Messwert der Strecke und dem geschätzten Ausgang des Beobachters auf das Modell zurückgeführt. Der Beobachter ergibt sich aus dem Modell der Strecke und einem Korrekturterm, der den Zustandsvektor durch Vergleich von Streckenausgang und geschätztem Ausgang des Modells auf den wahren Zustandsvektor der Strecke führt. Der Korrekturterm, auch Rückführverstärkung genannt, kann nach Kalman mittels eines stochastischen Ansatzes über die Annahme von Mess- und Prozessrauschen oder nach Luenberger mittels eines deterministischen Ansatzes bestimmt werden. Die grundlegende Regelstruktur ist in beiden Fällen identisch. Damit kann der Beobachter/Zustandsschätzer Störungen sowie Mess- und Prozessrauschen, beziehungsweise Modellunsicherheiten kompensieren und der Zustandsvektor des Modells konvergiert gegen jenen der Strecke.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung mit den in Anspruch 9 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Abschätzung der den Alterungszustand, bestehend aus dem Kapazitätsalterungszustand SOHQ und dem Leistungsalterungszustand SOHP, der Batterieeinheit beschreibenden Größe eine augenblickliche (instantane) und vom Lastfall unabhängige Bestimmung dieser Größe ist.
  • Erfindungsgemäß ist bei der Anordnung vorgesehen, dass die den Kapazitätsalterungszustand SOHQ beschreibende Größe die aktuelle Ladungskapazität Cakt der Batterieeinheit und die Anordnung einen Alterungszustandsschätzer (SOH-Schätzer) aufweist, der derart eingerichtet ist, diese Ladungskapazität Cakt aus dem Laststrom IB der Batterieeinheit im Betriebspunkt, einer Batterietypspezifischen Konstante und dem Kehrwert der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands SOC der Batterieeinheit abzuschätzen.
  • Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die den Leistungsalterungszustand SOHP beschreibende Größe der aktuelle Innenwiderstand Ri,DC,B,akt oder das Überpotential Uov,B der Batterieeinheit ist. Der Alterungszustandsschätzer ist weiterhin derart eingerichtet, das Überpotential UOV der Batterieeinheit aus dem Laststrom IB der Batterieeinheit im Betriebspunkt, der zeitlichen Ableitung der ermittelten Temperatur T und einer den Wärmetransport beschreibenden Funktion f(T) der Batterieeinheit abzuschätzen. Mittels dieses Überpotentials UOV lässt sich – wie gesagt – der aktuelle Innenwiderstand Ri,DC,B,akt als weitere den Alterungszustand beschreibende Größe bestimmen. Anstatt des aktuellen Innenwiderstandes Ri,DC,B,akt kann auch das bei einem bestimmten Laststrom auftretende Überpotential UOV, als Maß für die Leistungsfähigkeit verwendet werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass sowohl der Zustandsschätzer als auch der Alterungszustandsschätzer (SOH-Schätzer) in der Recheneinrichtung der Anordnung implementiert sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass der Zustandsschätzer ein Zustandsschätzer nach Kalman oder ein Zustandsbeobachter nach Luenberger ist. Der Zustandsschätzer nach Kalman ist bevorzugt ein Zustandsvariablenfilter. Alternativ funktioniert der Zustandsschätzer auch nach einem anderen Verfahren, zum Beispiel dem „unscented tranformation”-Verfahren, d. h. als Unscented Kalman Filter (UKF).
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen einer Ausführungsvariante näher erläutert. Es zeigt die
  • Figur eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Abschätzung des Ladungszustandes und des Alterungszustandes eines als wiederaufladbare Batterie ausgebildeten elektrischen Speichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • Die Fig. zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung 10 zum Abschätzen des Ladezustands einer Batterieeinheit 12 mindestens einer wiederaufladbaren Batterie 14 und mindestens einer den Alterungszustand dieser Batterieeinheit 12 beschreibenden Größe der Batterieeinheit 12. Die Anordnung 10 weist neben der Batterieeinheit 12 auch eine Recheneinrichtung 16 auf, in der ein Zustandsschätzer 18 und ein Alterungszustandsschätzer (SOH-Schätzer) 20 implementiert sind. Der Zustandsschätzer 18 ist typischerweise als Ladungszustands-Schätzer (SOC-Schätzer) ausgebildet. Der Alterungszustandsschätzer 20 ist dem Zustandsschätzer 18 nachgeschaltet. Der Zustandsschätzer 18 weist ein Modell der Batterieeinheit 12 auf, das zumindest die folgenden Größen betrifft: den (physikalischen) Ladezustand SOC, das Überpotential UOV unter Last als Funktion von Innenwiderstand Ri,DC,B und Laststrom I, die Temperatur T der Batterieeinheit und das Ruhepotential U0 als Funktion des Ladezustands SOC.
  • Die Eingangsgröße der Batterieeinheit 12 und des zugeordneten Modells 22 ist der Laststrom I. Die entsprechenden Ausgangsgrößen y = [TUkl]T von Batterieeinheit 12 und Modell 22 werden mittels eines Komparators 24 verglichen und das Vergleichsergebnis über die Rückführverstärkung (Korrekturterm) 26 dem Modell 22 als weiterer Eingangswert zugeführt. Es ergibt sich ein geschlossener Regelkreis.
  • Die Ausgangsgrößen des Zustandsschätzers sind, (i) die Temperatur T und (ii) die Klemmenspannung UKL. Der SOC als interne Zustandsgröße, die Ausgangsgröße Temperatur T sowie das Überpotential UOV (gemäß der vorgenannten Formel zur Abschätzung des Überpotentials UOV) werden dem Alterungszustandsschätzer 20 zugeführt. Innerhalb des Alterungszustandsschätzers 20 werden die Größen Ladezustand SOC und Temperatur T mittels eines eines (zeitdiskreten) Differentiators 28 zeitlich abgeleitet. Die Ergebnisse dieser zeitlichen Ableitungen von Ladezustand SOC und Temperatur T werden – wie auch das Überpotential UOV – innerhalb des Alterungszustandsschätzers 20 einer Einrichtung 30 zum Invertieren des Modells und gegebenenfalls zur Durchführung eines Least-Squares-Verfahrens (LSQ) zugeführt. Diese Einrichtung 30 ermittelt daraus die den Alterungszustand SOH der Batterieeinheit 12 beschreibenden Größen Cakt und/oder Ri.DC.akt.
  • Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, die Größen dSOC/dt und dT/dt über einem Zeitintervall aus mehreren Zeitschritten und I = const. zu mitteln und erst daraus die Werte Cakt und/oder Ri,DC,B,akt zu bestimmen. Je nach Modellstruktur werden Cakt und/oder Ri,DC,B,akt direkt berechnet oder über ein Least-Squares-Verfahren (LSQ) bestimmt.
  • Im Folgenden sollen die Zusammenhänge am Beispiel einer als Batteriezelle ausgebildeten Batterieeinheit 12 einer wiederaufladbaren Batterie, insbesondere einer Li-Ionen-Batterie, diskutiert werden:
    Als Maß für die noch vorhandene Leistung und Kapazität einer elektrochemischen Batteriezelle wird beispielhaft die Kapazität C und der Innenwiderstand Ri,DC eingeführt. Letzterer betrachtet den rein ohmschen Beitrag verschiedener Effekte, die zum Spannungseinbruch der Klemmenspannung UKL der Zelle unter Last führen. Da bei Li-Ionen-Zellen aus Sicherheitsgründen immer die obere und untere Abbruchspannung eingehalten werden müssen, ist der aus Ri,DC resultierende Spannungseinbruch kennzeichnend für das Leistungsverhalten der Batterie 14. Alternativ kann auch das bei einem bestimmten Laststrom auftretende Überpotential U0 für die Leistungsbetrachtung herangezogen werden.
  • Als Maß für die Restkapazität wird, wie eingangs bereits erwähnt, der Kapazitäts-Alterungszustand SOHQ definiert, i. e. SOHQ = Cakt/C0 (1) wobei C0 die Kapazität der neuen Zelle und Cakt jene der gealterten Zelle zum betrachteten Zeitpunkt ist.
  • Gleichermaßen wird der Leistungs-Alterungszustand SOH definiert als SOHP = (Ri,DC,akt/Ri,DC,0)–1 (2) oder SOHP = (UOV,akt/UOV,0)–1 (2')
  • Im Folgenden wird die Berechnung der Größen Cakt und UOV,akt beziehungsweise Ri,DC,akt beispielhaft für ein einfaches, physikalisches Speichermodell 22 durchgeführt. Das schematische Vorgehen ist in der Fig. dargestellt.
  • Dazu kann das Speichermodell (Akkumulatormodell) 22 wie folgt betrachtet werden: Die Eingangsgröße u ist der Laststrom I; wodurch das Zustandsraum-Modell dann dSOC/dt = k1·(1/C)·I (3) dT/dt = –k2·f(T) + UOV(Ri,DC, I)·I (4) lautet.
  • Die Ausgangsgrößen des Modells 22 sind: y1 die Temperatur T und y2 die Klemmenspannung Ukl = U0(SOC) + U0(Ri,DC, I).
  • Hierbei sind die Konstanten k1 und k2 zwei Batterietyp-spezifische Konstanten, die Funktion f(T) eine Funktion, welche den Abtransport von Wärme beschreibt (z. B. mittels freier Konvektion, Strahlung, Wärmeleitung). C die Kapazität und Ri,DC der Innenwiderstand der wiederaufladbaren Batterie. Da die Temperatur T direkt messbar ist, ist hierfür die Beobachtungsaufgabe trivial. Allgemein ermittelt der Zustandschätzer 18 (SOC-Schätzung in Fig.) aus u, y1 und y2 die (internen) Größen SOC und T.
  • Es stellt sich nun die Frage, ob aus den vorhandenen Messinformationen die Kapazität C und der Innenwiderstand Ri,DC eindeutig bestimmt werden können. Hierfür werden folgende Annahmen getroffen:
    Die Parametrierung inklusive {C0, Ri,DC,0} des Modells für eine neue Batterieeinheit, insbesondere Batteriezelle, ist bekannt, der Zustandsschätzer (SOC-Zustandsschätzer) 18 ist konvergent, d. h. die geschätzten Zustände nähern sich asymptotisch jenen des echten Systems an und die Linearisierung der zweiten Ausgangsgröße y2 im Betriebspunkt (IB, TB, SOCB, Ri,DC,B) ergibt: y2B = –q1 + q2·SOCB + q3·Ri,DC,B·IB (5) Dann lassen sich die gesuchten Größen {Cakt, Ri,DC,akt) gemäß nachstehendem Schema bestimmen:
    • 1. direkte Ermittlung des Überpotentials aus der Definition von y1: UOV.B(Ri,DC.B, IB) = 1/IB·(dT/dt + k2·f(T)) (6)
    • 2. daraus erhält man den aktuellen Innenwiderstand nach: Ri,DC,B,akt = UOV,B/(q3·IB) (7)
    • 3. Gleichermaßen erhält man den Ladezustand aus (6) in (5): SOCB = 1/q2·((y2 – UOV(Ri,DC,B,akt, IB)) – q1) (8)
    • 4. abschließend kann nun die aktuelle Kapazität der Batterieeinheit (insbesondere Zelle) aus (3) bestimmt werden: Cakt = k1·IB·1/(dSOC/dt) (9)
  • Mit den Schritten 1 bis 4 ist das Parameter-Paar {Cakt, Ri,DC,akt} eindeutig aus den vorhandenen Informationen bestimmbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 01231476 A3 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abschätzen des Ladezustands (SOC) mindestens einer Batterieeinheit (12) einer wiederaufladbaren Batterie (14) und mindestens einer den Alterungszustand (SOH) dieser Batterieeinheit beschreibenden Größe (Cakt, Ri,DC,B,akt) der Batterieeinheit in einem wählbaren Betriebspunkt mittels eines Modells (22), insbesondere mathematischen Modells, der Batterie (14) oder zumindest der Batterieeinheit (12), wobei zunächst der Ladezustand (SOC) abgeschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die den Alterungszustand (SOH) beschreibende Größe eine aktuelle Ladungskapazität (Cakt) der Batterieeinheit (12) ist, die aus dem Laststrom (IB) der Batterieeinheit im Betriebspunkt und dem Kehrwert der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands (SOC) der Batterieeinheit (12) abgeschätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit eine Batteriezelle ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere der den Alterungszustand beschreibenden Größen (Cakt, Ri,DC,B,akt) der aktuelle Innenwiderstand (Ri,DC,B,akt) der Batterieeinheit ist, der aus einem ermittelten Überpotential (UOV) und dem Laststrom (IB) der Batterieeinheit (12) im Betriebspunkt abgeschätzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überpotential (UOV) der Batterieeinheit (12) aus dem Laststrom (IB) der Batterieeinheit (12) im Betriebspunkt, der zeitlichen Ableitung der ermittelten Temperatur (T) und einer den Wärmetransport beschreibenden Funktion (f(T)) der Batterieeinheit (12) abgeschätzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine den Ladezustand (SOCB) der Batterieeinheit (12) im Betriebspunkt beschreibende Größe eine sich aus der Summe eines alterungszustandsabhängigen Ruhepotentials (U0) und eines lastabhängigen Überpotentials (UOV) der Batterieeinheit (12) ergibt.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodell (22) folgende Größen und funktionelle Zusammenhänge beschreibt: – den physikalischen Ladezustand (SOC), – das Ruhepotential (U0) als Funktion des Ladezustands (SOC), – die Temperatur (T) der Batteriezelle, – das Überpotential (UOV) unter Last und – die Klemmenspannung (Um) als Summe aus Ruhepotential (U0) und Überpotential (UOV).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschätzen des Ladezustands (SOC) mittels eines Zustandsschätzers (18) erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsschätzer (18) ein Zustandsschätzer nach Kalman oder ein Zustandsbeobachter nach Luenberger ist.
  9. Anordnung (10) zum Abschätzen des Ladezustands (SOC) mindestens einer Batterieeinheit (12) einer wiederaufladbaren Batterie (14) und mindestens einer den Alterungszustand (SOH) dieser Batterieeinheit (12) beschreibenden Größe (Cakt, Ri,DC,B,akt) der Batterieeinheit (12) in einem wählbaren Betriebspunkt, mit der Batterieeinheit (12) und einem in einer Recheneinrichtung (16) der Anordnung (10) implementierten Modell (22), insbesondere mathematischen Modell, der Batterie (14) oder zumindest der Batterieeinheit (12), wobei ein Zustandsschätzer (18) mittels des Modells (22) zunächst den Ladezustand (SOC) abschätzt, dadurch gekennzeichnet, dass die den Alterungszustand (SOH) beschreibende Größe die aktuelle Ladungskapazität (Cakt) der Batterieeinheit ist, und die Anordnung (10) einen Alterungszustandsschätzer (20) aufweist, der derart eingerichtet ist, diese Ladungskapazität (Cakt) aus dem Laststrom (IB) der Batterieeinheit im Betriebspunkt, einer Batterietyp-spezifischen Konstante (k1) und dem Kehrwert der zeitlichen Ableitung des zuvor abgeschätzten Ladezustands (SOC) der Batterieeinheit abzuschätzen.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsschätzer (18) ein Zustandsschätzer nach Kalman oder Zustandsbeobachter nach Luenberger ist.
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