DE102016224380B4

DE102016224380B4 - Verfahren und Steuereinheit zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102016224380B4
Application number: DE102016224380.2A
Authority: DE
Inventors: Vivek Subramaniam Maiyappan; Matthias Höller; Tobias Hollweg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: DE102016224380A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers beschrieben, wobei der Energiespeicher zumindest eine Speicherzelle umfasst. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand eines Speichermodells des Energiespeichers, einer Ruhespannung der Speicherzelle und einer Anschlussspannung an der Speicherzelle. Außerdem umfasst das Verfahren das Detektieren eines Mess-Zeitpunktes, an dem die Ruhespannung der Speicherzelle zumindest näherungsweise der Anschlussspannung an der Speicherzelle gleicht. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln eines Zustands des Energiespeichers an dem Mess-Zeitpunkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Ermittlung des Zustands eines Stationärspeichers, insbesondere einer als Stationärspeicher genutzten Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs.
Fahrzeuge werden vermehrt mit elektrischen Energiespeichern ausgestattet, um elektrische Energie für den Betrieb von elektrischen Antriebsmaschinen der Fahrzeuge bereitzustellen. Ein elektrischer Energiespeicher, z.B. ein Lithium-Ionen basierter Energiespeicher, ist typischerweise einer Alterung ausgesetzt, so dass der Energiespeicher mit der Zeit eine sinkende Kapazität aufweist. Beispielsweise kann ein Energiespeicher ggf. nach einer bestimmten Betriebszeit nur noch einen Bruchteil der ursprünglichen Kapazität aufweisen.
Eine reduzierte Kapazität des Energiespeichers führt zu einer reduzierten Reichweite eines Fahrzeugs. Als Folge daraus ist eine Wiederverwendung von gebrauchten elektrischen Energiespeichern in einem Fahrzeug typischerweise nicht sinnvoll. Andererseits können die gebrauchten Energiespeicher aus Fahrzeugen weiterhin für stationäre Anwendungen (z.B. zur Speicherung von Solarenergie in einem Haushalt) verwendet werden.
Im stationären Betrieb ist es wünschenswert, in präziser Weise den Zustand eines Energiespeichers zu bestimmen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, den Alterungszustand und/oder die verbleibende Kapazität eines Energiespeichers zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann es erforderlich sein, Asymmetrien in unterschiedlichen Speicherzellen des Energiespeichers zu erkennen und ggf. zu beseitigen.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren und eine Steuereinheit bereitzustellen, die es ermöglichen, den Zustand eines stationär und/oder kontinuierlich betriebenen Energiespeichers in präziser Weise zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers beschrieben. Der Energiespeicher umfasst zumindest eine Speicherzelle, z.B. eine Lithium Ionen basierte Speicherzelle. Der Energiespeicher kann z.B. stationär betrieben werden (z.B. in einem Haushalt). Des Weiteren kann der Energiespeicher kontinuierlich betrieben werden. Insbesondere kann das Verfahren darauf ausgelegt sein, den Zustand eines Energiespeichers während des Betriebs (d.h. während der Aufnahme bzw. der Abgabe von elektrischer Energie) des Energiespeichers zu ermitteln. Außerdem kann der Energiespeicher einen (zuvor) für ein Kraftfahrzeug (insbesondere für ein Straßenkraftfahrzeug) genutzten Energiespeicher umfassen.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand eines Speichermodells des Energiespeichers, einer Ruhespannung der Speicherzelle und einer Anschlussspannung an der Speicherzelle, insbesondere an ein oder mehreren Anschlüssen (z.B. Klemmen) der Speicherzelle. Die Anschlussspannung kann auch als Klemmenspannung bezeichnet werden. Die Ruhespannung kann auch als Leerlaufspannung oder Englisch als Open-Circuit Voltage (OCV) bezeichnet werden. Dabei kann die Ruhespannung der Speicherzelle der Spannung entsprechen, die an den Anschlüssen der Speicherzelle anliegen würde, wenn der Speicherzelle keine elektrische Leistung entnommen bzw. zugeführt würde, bzw. wenn kein Strom in bzw. aus der Speicherzelle fließen würde. Andererseits entspricht die Anschlussspannung der Spannung, die tatsächlich an den Anschlüssen der Speicherzelle (während des Betriebs des Energiespeichers) anliegt.
Der Energiespeicher kann ggf. insgesamt als „Speicherzelle“ betrachtet werden, so dass die Ruhespannung der Speicherzelle der Ruhespannung des gesamten Energiespeichers und so dass die Anschlussspannung der Spannung an den Anschlüssen des Energiespeichers entsprechen. Alternativ oder ergänzend können einzelne Speicherzellen (z.B. einzelne Lithium-Ionen Zellen) des Energiespeichers betrachtet werden, und es können die Ruhespannung bzw. die Anschlussspannung für ein oder mehrere Speicherzellen des Energiespeichers ermittelt werden.
Das Speichermodell kann eingerichtet sein, ein elektrisches Verhalten des Energiespeichers und/oder der Speicherzelle zu modellieren bzw. zu beschreiben. Dazu kann das Speichermodell eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten, z.B. ein oder mehrere ideale Spannungsquellen, ein oder mehrere ideale elektrische Widerstände, ein oder mehrere ideale Induktivitäten, ein oder mehrere ideale Kapazitäten und/oder ein oder mehrere Warburg-Impedanzen, umfassen. Außerdem kann das Speichermodell ein oder mehrere mathematische Formeln umfassen.
Das Verfahren umfasst weiter, das Detektieren eines Mess-Zeitpunktes, an dem eine Mess-Bedingung in Bezug auf die Ruhespannung und in Bezug auf die Anschlussspannung erfüllt ist oder erfüllt sein wird. Es kann somit ein Moment detektiert oder ermittelt werden, an dem die Mess-Bedingung erfüllt ist oder erfüllt sein wird. Beispielsweise kann detektiert werden, dass die Mess-Bedingung an einem bestimmten Moment bzw. Zeitpunkt erfüllt ist, und es kann in Reaktion darauf eine Messung in Bezug auf den Zustand des Energiespeichers erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann ein genauer Zeitpunkt bestimmt werden, an dem die Mess-Bedingung erfüllt sein wird. Die Messung in Bezug auf den Zustand des Energiespeichers kann dann an dem zuvor ermittelten Zeitpunkt erfolgen.
Die Mess-Bedingung kann die Bedingung umfassen, dass die Ruhespannung der Speicherzelle zumindest näherungsweise der Anschlussspannung an der Speicherzelle gleicht. Es kann somit ermittelt werden, wann sich die Anschlussspannung der Ruhespannung annähert. Die Ermittlung des Zustands des Energiespeichers kann dann an dem ermittelten Zeitpunkt erfolgen.
Alternativ oder ergänzend kann die Mess-Bedingung die Bedingung umfassen, dass die Ruhespannung der Speicherzelle von der Anschlussspannung an der Speicherzelle um höchstens einen vordefinierten Abweichungswert abweicht. Mit anderen Worten, es kann ermittelt werden, wann die Anschlussspannung um den Abweichungswert oder um weniger als den Abweichungswert von der Ruhespannung abweicht. Der Abweichungswert kann z.B. 10%, 5% oder weniger des Wertes der Anschlussspannung sein.
Es kann somit ein Mess-Zeitpunkt ermittelt werden, an dem die Anschlussspannung der Speicherzelle zumindest annähernd der Ruhespannung der Speicherzelle entspricht (und somit anzunehmen ist, dass sich die Speicherzelle am Mess-Zeitpunkt zumindest annähernd in einem Ruhezustand befindet).
Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln eines Zustands des Energiespeichers an dem Mess-Zeitpunkt. Da sich die Speicherzelle an dem Mess-Zeitpunkt zumindest annähernd im Ruhezustand befindet, kann der Zustand des Energiespeichers (insbesondere der Alterungszustand des Energiespeichers und/oder eine Asymmetrie von Speicherzellen des Energiespeichers) in präziser Weise ermittelt werden. Die Ermittlung des Zustands des Energiespeichers wird dabei während des laufenden Betriebs des Energiespeichers ermöglicht.
Das Ermitteln des Zustands kann umfassen, das Ermitteln, auf Basis einer Ladezustands-Kennlinie des Energiespeichers (insbesondere einer Ladezustands-Kennlinie der Speicherzelle), eines berechneten Ladezustands der Speicherzelle an dem Mess-Zeitpunkt. Die Ladezustands-Kennlinie kann dabei die Ruhespannung an den Anschlüssen des Energiespeichers bzw. an den Anschlüssen der Speicherzelle als Funktion des Ladezustands des Energiespeichers bzw. der Speicherzelle anzeigen. Typischerweise wird die Ladezustands-Kennlinie eines Energiespeichers bzw. einer Speicherzelle experimentell ermittelt. Der berechnete Ladezustand kann einen Soll-Ladezustand des Energiespeichers bzw. der Speicherzelle anzeigen, die der Energiespeicher bzw. die Speicherzelle aufweisen sollte, wenn keine Alterung des Energiespeicher bzw. der Speicherzelle erfolgt ist.
Das Ermitteln des Zustands kann weiter umfassen, das Ermitteln von Energieinformation in Bezug auf eine Energiemenge, die zwischen einem Anfangs-Zeitpunkt und dem Mess-Zeitpunkt von der Speicherzelle insgesamt (d.h. kumuliert) aufgenommen oder abgegeben wurde. Die Energieinformation kann z.B. auf Basis des zeitlichen Verlaufs der aufgenommenen bzw. der abgegebenen Leistung und/oder auf Basis des zeitlichen Verlaufs des aufgenommenen Stroms bzw. des abgegebenen Stroms ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Energieinformation die kumulierte aufgenommene bzw. abgegebene Energie und/oder den kumulierten aufgenommenen bzw. abgegebenen Strom seit dem Anfangs-Zeitpunkt anzeigen.
Es kann dann auf Basis der Energieinformation ein gemessener Ladezustand der Speicherzelle an dem Mess-Zeitpunkt ermittelt werden. Insbesondere kann ausgehend von einem Anfangs-Ladezustand der Speicherzelle am Anfangs-Zeitpunkt anhand der Energieinformation der gemessene Ladezustand der Speicherzelle ermittelt werden. Der Zustand des Energiespeichers (und insbesondere der Speicherzelle) an dem Mess-Zeitpunkt kann dann auf Basis des gemessenen Ladezustands ermittelt werden. Insbesondere kann der Zustand des Energiespeichers (und insbesondere der Zustand der Speicherzelle) an dem Mess-Zeitpunkt auf Basis des gemessenen Ladezustands und auf Basis des berechneten Ladezustands ermittelt werden. Beispielsweise kann durch Vergleich des berechneten Ladezustands und des gemessenen Ladezustands ein Alterungszustand des Energiespeichers bzw. der Speicherzelle ermittelt werden. Insbesondere kann eine Differenz des berechneten Ladezustands und des gemessenen Ladezustands ein Ausmaß der Alterung des Energiespeichers bzw. der Speicherzelle zwischen dem Anfangs-Zeitpunkt und dem Mess-Zeitpunkt anzeigen.
Beispielsweise kann auf eine Vielzahl von Ladezustands-Kennlinien für eine Vielzahl von unterschiedlichen Alterungszuständen des Energiespeichers zugegriffen werden. Es kann dann die Ladezustands-Kennlinie aus der Vielzahl von Ladezustands-Kennlinien selektiert werden, durch die der gemessene Ladezustand am besten approximiert wird. Der Alterungszustand des Energiespeichers kann dann anhand der selektierten Ladezustands-Kennlinie ermittelt werden.
Der Alterungszustand kann durch das beschriebene Verfahren während des Betriebs des Energiespeichers ermittelt werden. Insbesondere kann während des Betriebs ein geeigneter Mess-Zeitpunkt ermittelt werden. Des Weiteren können während des Betriebs der gemessene Ladezustand und der berechnete Ladezustand ermittelt werden. Basierend darauf kann dann während des Betriebs des Energiespeichers der Alterungszustand ermittelt werden. Eine Abschaltung des Energiespeichers und/oder die dedizierte Durchführung eines Referenztests sind für die Alterungsbestimmung nicht erforderlich. So können die Betriebszeit eines Energiespeichers erhöht und die Betriebskosten eines Energiespeichers reduziert werden.
Der Energiespeicher kann eine erste Speicherzelle und eine zweite Speicherzelle umfassen. Es können dann an dem Mess-Zeitpunkt ein erster Ladezustand der ersten Speicherzelle und ein zweiter Ladezustand der zweiten Speicherzelle ermittelt werden. Insbesondere können, wie oben dargelegt, ein gemessener und/oder ein berechneter Ladezustand für die erste Speicherzelle und für die zweite Speicherzelle ermittelt werden. Es kann dann, auf Basis des ersten Ladezustands und auf Basis des zweiten Ladezustands, ein Symmetrierungsbedarfs des Energiespeichers ermittelt werden. Insbesondere können zur Ermittlung des Symmetrierungsbedarfs der erste Ladezustand und der zweite Ladezustand miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand ermittelt werden. Wenn der Betrag der Differenz über einem bestimmten Differenz-Schwellenwert von z.B. 10% oder mehr des ersten Ladezustands liegt, so kann bestimmt werden, dass ein Symmetrierungsbedarf vorliegt. Es kann dann automatisch eine passive oder aktive Symmetrierung der ersten Speicherzelle und der zweiten Speicherzelle (während des Betriebs des Energiespeichers) durchgeführt werden.
Alternativ oder ergänzend können an dem Mess-Zeitpunkt die erste Ruhespannung der ersten Speicherzelle und die zweite Ruhespannung der zweiten Speicherzelle ermittelt werden. Der Symmetrierungsbedarf kann dann auf Basis der ersten Ruhespannung und auf Basis der zweiten Ruhespannung ermittelt werden. Insbesondere können zur Ermittlung des Symmetrierungsbedarfs die erste Ruhespannung und die zweite Ruhespannung miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen der ersten Ruhespannung und der zweiten Ruhespannung ermittelt werden. Wenn der Betrag der Differenz über einem bestimmten Differenz-Schwellenwert von z.B. 10% oder mehr der ersten Ruhespannung liegt, so kann bestimmt werden, dass ein Symmetrierungsbedarf vorliegt. Es kann dann automatisch eine passive oder aktive Symmetrierung der ersten Speicherzelle und der zweiten Speicherzelle (während des Betriebs des Energiespeichers) durchgeführt werden.
Des Weiteren kann der Symmetrierungsbedarf quantifiziert werden. Insbesondere kann der Betrag der Differenz der Ladezustände und/oder der Ruhespannungen ermittelt werden. Es kann dann ermittelt werden, ob die erste Speicherzelle oder die zweite Speicherzelle entladen werden muss, um die Ladezustände bzw. Ruhespannungen anzugleichen. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass die erste Speicherzelle zur Symmetrierung des Energiespeichers entladen werden muss. Des Weiteren kann (z.B. auf Basis eines Zellenmodells) eine Symmetrierungszeit für das Entladen der ersten Speicherzelle berechnet werden. Bei der Ermittlung der Symmetrierungszeit kann auch der aktuelle Zustand der ersten Speicherzelle, insbesondere der aktuelle Ladezustand, die aktuelle Ruhespannung und/oder das Alter der ersten Speicherzelle, berücksichtigt werden.
Es kann dann veranlasst werden, dass die erste Speicherzelle für die Symmetrierungszeit entladen wird. Das Entladen kann dabei autonom durch eine Zellen-Steuereinheit der ersten Speicherzelle erfolgen. Insbesondere kann das Entladen während des Betriebs des Energiespeichers erfolgen. Nach Ablauf der Symmetrierungszeit kann dann das Entladen wieder beendet werden. Es kann nach Ablauf der Symmetrierungszeit davon ausgegangen werden, dass der Energiespeicher symmetriert wurde.
Der Symmetrierungsbedarf kann somit durch das beschriebene Verfahren während des Betriebs des Energiespeichers ermittelt werden. Des Weiteren kann auch die Symmetrierung selbst während des Betriebs des Energiespeichers durchgeführt werden. Insbesondere kann während des Betriebs ein geeigneter Mess-Zeitpunkt ermittelt werden. Des Weiteren kann während des Betriebs ermittelt werden, ob ein Symmetrierungsbedarf zwischen der ersten Speicherzelle und der zweiten Speicherzelle besteht und wie hoch der Symmetrierungsbedarf ist. Außerdem kann während des Betriebs die Symmetrierungszeit für eine der Speicherzellen ermittelt werden. Die Symmetrierungsmaßnahme, z.B. das Entladen einer Speicherzelle, kann dann auch während des Betriebs des Energiespeichers (bis Ablauf der zuvor ermittelten Symmetrierungszeit) erfolgen. So können die Betriebszeit eines Energiespeichers erhöht und die Betriebskosten eines Energiespeichers reduziert werden.
Typischerweise erfolgt auch während des Entladens der ersten Speicherzelle eine Überwachung des Energiespeichers (z.B. eine Temperaturüberwachung, eine Stromüberwachung und/oder eine Spannungsüberwachung). Der autonome Entladevorgang kann bei Bedarf durch eine Steuereinheit des Energiespeichers abgebrochen oder unterbrochen werden.
Der Energiespeicher kann somit eine Mehrzahl von Speicherzellen umfassen. Für jede Speicherzelle der Mehrzahl von Speicherzellen kann dann (während des Betriebs des Energiespeichers) jeweils eine Ruhespannung und eine Anschlussspannung ermittelt sowie zumindest ein Mess-Zeitpunkt detektiert werden. Die Mess-Zeitpunkte können dabei (z.B. je nach Anordnung der Speicherzellen innerhalb des Energiespeichers) für unterschiedliche Speicherzellen unterschiedlich sein. Zur Ermittlung der Ruhespannungen, der Anschlussspannungen und der Mess-Zeitpunkte kann ein Speichermodell des Energiespeicher und/oder der einzelnen Speicherzellen verwendet werden.
Es kann dann für jede Speicherzelle an dem jeweiligen Mess-Zeitpunkt ein Zustand ermittelt werden. Der Zustand des Energiespeichers kann dann auf Basis der Zustände der Mehrzahl von Speicherzellen ermittelt werden. So wird eine präzise Ermittlung eines Energiespeichers mit mehreren Speicherzellen ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur Steuerung eines elektrischen Energiespeichers beschrieben, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 einen beispielhaften elektrischen Energiespeicher;
2 eine beispielhafte Ladezustands-Kennlinie;
3a einen beispielhaften Energiespeicher mit mehreren Speicherzellen;
3b eine beispielhafte Speicherzelle; und
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen und effizienten Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Energiespeichers 100. Der Energiespeicher 100 umfasst typischerweise Anschlüsse (insbesondere Klemmen) 101, über die dem Energiespeicher elektrische Leistungen entnommen bzw. zugeführt werden kann. Der Energiespeicher 100 weist an den Anschlüssen 101 eine Anschlussspannung U_K 105 auf. Des Weiteren fließt an den Anschlüssen 101 ein Anschlussstrom (bzw. ein Klemmenstrom) I_K 107. Die Leistung P_K an den Anschlüssen 101 des Energiespeichers 100 ergibt sich dann als P_K=I_K·U_K.
Während des Betriebs des Energiespeichers 100 kann dem Energiespeicher 100 eine Leistung P_K(t) zugeführt bzw. entnommen werden, wobei sich die Leistung P_K(t) mit der Zeit ändern kann. Für die Leistung P_K(t) ergeben sich an den Anschlüssen 101 eine bestimmte Anschlussspannung U_K(t) 105 und ein bestimmter Anschlussstrom I_K(t) 107. Bei einem Entladevorgang (d.h. bei einer entnommenen Leistung) sinkt dabei die Anschlussspannung U_K(t) 105 typischerweise mit der Zeit. Umgekehrt steigt die Anschlussspannung U_K(t) 105 typischerweise bei einem Ladevorgang (d.h. bei zugeführter Leistung) mit der Zeit.
Ein Energiespeicher 100 weist meist eine untere Grenz-Anschlussspannung und eine obere Grenz-Anschlussspannung für die Anschlussspannung 105 auf, die während des Betriebs des Energiespeichers 100 an den Anschlüssen 101 nicht unter- bzw. überschritten werden dürfen. Der Energiespeicher 100 ermöglicht somit die Entnahme der Leistung P_K(t) bis die Anschlussspannung U_K(t) 105 die untere Grenz-Anschlussspannung erreicht bzw. die Aufnahme der Leistung P_K(t) bis die Anschlussspannung U_K(t) 105 die obere Grenz-Anschlussspannung erreicht.
Ein Energiespeicher 100 kann typischerweise durch ein Speichermodell 102 beschrieben werden. 1 veranschaulicht ein beispielhaftes (vereinfachtes) Speichermodell 102 mit einer idealen Spannungsquelle und einem idealen Innenwiderstand. Das Speichermodell 102 kann somit das Verhalten des Energiespeichers 100 durch eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten beschreiben. Beispielhafte elektronische Komponenten sind: eine ideale Spannungsquelle, ein idealer elektrischer Widerstand, eine ideale Induktivität, eine ideale Kapazität, eine Warburg-Impedanz, etc. Alternativ oder ergänzend kann das Speichermodell 102 das Verhalten des Energiespeichers 100 durch ein oder mehrere mathematische Formeln beschreiben.
Das Speichermodell 102 des elektrischen Energiespeichers 100 kann eingerichtet sein, für eine bestimmte Leistung P_K an den Anschlüssen 101 und für einen bestimmten Anfangs-Zustand des Energiespeichers 100 (insbesondere für einen bestimmten Anfangs-Ladezustand bzw. State of Charge, SOC, des Energiespeichers 100) die Anschlussspannung 105 zu ermitteln, die sich bei der bestimmte Leistung P_K an den Anschlüssen 101 einstellt. Insbesondere kann auf Basis des Anfangs-Ladezustands des Energiespeichers 100 eine interne Spannung 106 ermittelt werden, die sich z.B. an der idealen Spannungsquelle des Speichermodells einstellt. Auf Basis des Speichermodells 102 kann dann für die Leistung P_K an den Anschlüssen 101 die Anschlussspannung 105 (und der Anschlussstrom 107) ermittelt werden. In analoger Weise kann auf Basis des Speichermodells 102 ermittelt werden, welche interne Spannung 106 vorliegt, wenn bei der aktuellen Leistung P_K eine bestimmte Anschlussspannung 105 an den Anschlüssen 101 anliegt.
Die interne Spannung 106 zeigt typischerweise die Ruhespannung des Energiespeichers 100 an, die an den Anschlüssen 101 anliegt, wenn kein Anschlussstrom 107 fließt. In diesem Dokument wird daher die Ruhespannung mit dem Referenzzeichen 106 identifiziert. Auf Basis des Speichermodells 102 kann somit die Ruhespannung 106 des Energiespeichers 100 bei einer bestimmten Leistung P_K und bei einer bestimmten Anschlussspannung 105 ermittelt werden.
Die ermittelte Ruhespannung 106 kann dann dazu verwendet werden, den Ladezustand des Energiespeichers 100 zu ermitteln. Insbesondere kann eine Ladezustands-Kennlinie 202 des Energiespeichers 101 verwendet werden, wobei die Ladezustands-Kennlinie 202 die Ruhespannung 106 des Energiespeichers 100 für unterschiedliche Ladezustände 201 anzeigt. Die Ladezustands-Kennlinie 202 kann typischerweise experimentell im Vorfeld für einen Energiespeicher 100 ermittelt werden. Die Ladezustands-Kennlinie 202 zeigt somit in direkter Weise den Ladezustand 201 für die ermittelte Ruhespannung 106 an.
Es kann somit auf Basis eines Speichermodells 102, auf Basis der Anschlussspannung 105 und auf Basis der Leistung bzw. des Anschlussstroms 107 zu jedem Zeitpunkt die Ruhespannung 106 des Energiespeichers 100 ermittelt werden.
Ein Energiespeicher 100 ist typischerweise aus mehreren Speicherzellen 310, 320, 330 aufgebaut, die, wie beispielhaft in 3a dargestellt, in Reihe und/oder ggf. parallel zueinander geschaltet sein können. Das Speichermodell 102 des Energiespeichers 100 kann dann Zellenmodelle 312, 322, 332 für die einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 aufweisen. Mit anderen Worten, das Speichermodell 102 des Energiespeichers 100 kann sich aus Zellenmodellen 312, 322, 332 für die einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 zusammensetzen. Auf Basis der Zellenmodelle 312, 322, 332 können dann auch die einzelnen Anschlussspannungen 315, 325, 335 an den einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 sowie die einzelnen Ruhespannungen 316, 326, 336 der einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 ermittelt werden.
Um den Zustand einer einzelnen Speicherzelle 310, 320, 330 zu ermitteln, kann ein Mess-Zeitpunkt detektiert werden, an dem die Anschlussspannung 315, 325, 335 der Speicherzelle 310, 320, 330 substantiell der Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzell 310, 320, 330 entspricht, bzw. an dem der Absolutwert der Differenz zwischen der Anschlussspannung 315, 325, 335 und der Ruhespannung 316, 326, 336 gleich wie oder kleiner als ein vordefinierter (kleiner) Abweichungswert ist. Es kann somit ein Zeitpunkt detektiert werden, an dem sich eine Speicherzelle 310, 320, 330 substantiell im Ruhezustand befindet.
Der Zustand der Speicherzelle 310, 320, 330 kann dann auf Basis von Messungen an dem detektierten Mess-Zustand ermittelt werden. So kann der Zustand einer Speicherzelle 310, 320, 330 in präziser Weise ermittelt werden. Aus den Zuständen der einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 kann dann der Zustand des Energiespeichers 100 ermittelt werden.
Beispielsweise kann an einem Anfangs-Zeitpunkt ein Anfangs-Zustand einer Speicherzelle 310, 320, 330 ermittelt werden. Insbesondere kann auf Basis der Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzelle 310, 320, 330 und auf Basis einer Ladezustands-Kennlinie 202 der Speicherzelle 310, 320, 330 ein Anfangs-Ladezustand 201 der Speicherzelle 310, 320, 330 an dem Anfangs-Zeitpunkt ermittelt werden.
An einem späteren Mess-Zeitpunkt kann dann wiederum auf Basis der Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzelle 310, 320, 330 und auf Basis der Ladezustands-Kennlinie 202 der Speicherzelle 310, 320, 330 ein berechneter Ladezustand 201 der Speicherzelle 310, 320, 330 an dem Mess-Zeitpunkt ermittelt werden.
Des Weiteren kann auf Basis der zeitlichen Verläufe des Anschlussstroms 107 und der Anschlussspannung 315, 325, 335 an der Speicherzelle 310, 320, 330 die Energiemenge ermittelt werden, die zwischen dem Anfangs-Zeitpunkt und dem Mess-Zeitpunkt von der Speicherzelle 310, 320, 330 aufgenommen bzw. abgegeben wurde. Auf Basis der aufgenommenen bzw. abgegebenen Energiemenge und dem Anfangs-Ladezustand am Anfangs-Zeitpunkt kann dann ein gemessener Ladezustand an dem Mess-Zeitpunkt ermittelt werden.
Der gemessene Ladezustand an dem Mess-Zeitpunkt kann mit dem berechneten Ladezustand 201 an dem Mess-Zeitpunkt verglichen werden. Wenn beide Ladezustände übereinstimmen, dann kann daraus geschlossen werden, dass die Speicherzelle 310, 320, 330 zwischen dem Anfangs-Zeitpunkt und dem Mess-Zeitpunkt nicht gealtert ist. Andererseits kann aus einer Differenz zwischen dem berechneten Ladezustand 201 und dem (typischerweise niedrigeren) gemessenen Ladezustand ein Ausmaß der Alterung (insbesondere ein Ausmaß des Kapazitätsverlusts) der Speicherzelle 310, 320, 330 ermittelt werden.
Es kann somit während des laufenden Betriebs eines Energiespeichers 100 erkannt werden, wenn sich die Zellspannung 315, 325, 335 einer Speicherzelle 310, 320, 330 des Energiespeichers 100 der Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzelle 310, 320, 330 annähert. Wenn dies der Fall ist, kann ein Datenpunkt zur Bestimmung der Kapazität der Speicherzelle 310, 320, 330 aufgezeichnet werden. Mit Hilfe des Stromdurchsatzes zwischen den aufgezeichneten Datenpunkten kann dann die tatsächliche Kapazität der einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 und damit des Energiespeichers 100 ermittelt werden, ohne dass dadurch der laufende Betrieb des Energiespeichers 100 unterbrochen werden muss. Es können somit ohne Betriebsunterbrechung eines Energiespeichers 100 der Zustand und insbesondere die Kapazität bzw. die Alterung des Energiespeichers 100 ermittelt werden.
An einem detektierten Mess-Zeitpunkt (an dem die Ruhespannung 316, 326, 336 einer Speicherzelle 310, 320, 330 substantiell der Anschlussspannung 315, 325, 335 der Speicherzelle 310, 320, 330 entspricht) kann auch ermittelt werden, ob sich Asymmetrien zwischen den einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330 ergeben haben (insbesondere Asymmetrien in Bezug auf den Ladezustand 201 der einzelnen Speicherzellen 310, 320, 330).
Insbesondere kann ein Mess-Zeitpunkt detektiert werden, an dem sich eine erste Speicherzelle 310 und eine zweite Speicherzelle 320 (annähernd) im Ruhezustand befinden bzw. an dem die Ruhespannung 316, 326 annähernd der Anschlussspannung 315, 325 entspricht (sowohl für die erste Speicherzelle 310 als auch für die zweite Speicherzelle 320). Es können dann auf Basis der jeweiligen Ruhespannungen 316, 326 und auf Basis der (ggf. unterschiedlichen) Ladezustands-Kennlinien 202 die jeweiligen Ladezustände 201 der erste Speicherzelle 310 und der zweiten Speicherzelle 320 ermittelt werden.
Wenn Ruhespannungen 316, 326 der Speicherzellen 310, 320 und/oder die Ladezustände 201 der beiden Speicherzellen 310, 320 (substantiell) voneinander abweichen kann eine passive oder eine aktive Symmetrierung der beiden Speicherzellen 310, 320 durchgeführt werden, um die Ladezustände 201 der beiden Speicherzellen 310, 320 anzugleichen. Die Erkennung eines Symmetrierungsbedarfs und die Durchführung der Symmetrierung können dabei automatisch während des laufenden Betriebs des Energiespeichers 100 erfolgen. Eine Abschaltung des Energiespeichers 100 ist nicht erforderlich.
3b zeigt eine beispielhafte erste Speicherzelle 310. Es kann erkannt worden sein, dass die erste Speicherzelle 310 einen zu hohen Ladezustand und/oder eine zu hohe Ruhespannung 316 aufweist (im Vergleich zu den ein oder mehreren anderen Speicherzellen 320 des Energiespeichers 100). Des Weiteren kann ein Symmetrierungsbedarf für die erste Speicherzelle 310 ermittelt werden. Beispielsweise kann als Symmetrierungsbedarf ermittelt worden sein, dass die Ruhespannung 316 der ersten Speicherzelle 310 um eine bestimmte Differenzspannung und/oder der Ladezustand der ersten Speicherzelle 310 um eine bestimmte Differenzladung zu reduzieren ist. Außerdem kann auf Basis eines Zellenmodells 312 ermittelt werden, welche Symmetrierungszeit benötigt wird, um den Symmetrierungsbedarf für die erste Speicherzelle 310 umzusetzen, z.B. wie viel Zeit benötigt wird, um die Differenzspannung und/oder die Differenzladung abzubauen. Dabei können auch ein oder mehrere Ladezustands-Kennlinien 202 der ersten Speicherzelle 310 berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Symmetrierungszeit in Abhängigkeit von dem Zustand (z.B. Alter, Ladezustand, etc.) der ersten Speicherzelle 310 ermittelt werden.
Die erste Speicherzelle 310 kann eine Zellen-Steuereinheit 319 umfassen, die eingerichtet ist, den Symmetrierungsbedarf der ersten Speicherzelle 310 autonom umzusetzen. Beispielsweise kann die Zellen-Steuereinheit 319 ein Schaltelement 317 der ersten Speicherzelle 310 ansteuern, über das ein Entlade-Widerstand 318 parallel zu der ersten Speicherzelle 310 geschaltet werden kann. Die Zellen-Steuereinheit 319 kann dann veranlassen, dass der Entlade-Widerstand 318 für die zuvor ermittelte Symmetrierungszeit parallel zu der ersten Speicherzelle 310 geschalten wird, um den Symmetrierungsbedarf umzusetzen. Die Symmetrierung kann somit autonom durch die erste Speicherzelle 310 erfolgen. Insbesondere kann die Symmetrierung während des Betriebs des Energiespeichers 100 erfolgen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers 100, wobei der Energiespeicher 100 zumindest eine Speicherzelle 310, 320, 330 (z.B. eine Lithium Ionen basierte Zelle) umfasst. Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401, anhand eines Speichermodells 102 des Energiespeichers 100, einer Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzelle 310, 320, 330 und einer Anschlussspannung 315, 325, 335 an Anschlüssen der Speicherzelle 310, 320, 330. Insbesondere kann die Anschlussspannung 315, 325, 335 gemessen werden. Des Weiteren kann anhand des Speichermodells 102 und ggf. anhand der gemessenen Anschlussspannung 315, 325, 335 die Ruhespannung 316, 326, 336 ermittelt werden. Außerdem umfasst das Verfahren 400 das Detektieren 402 eines Mess-Zeitpunktes, an dem die Ruhespannung 316, 326, 336 der Speicherzelle 310, 320, 330 von der Anschlussspannung 315, 325, 335 an den Anschlüssen der Speicherzelle 310, 320, 330 um höchstens einen vordefinierten Abweichungswert abweicht. Das Verfahren 400 umfasst weiter das Ermitteln 403 eines Zustands des Energiespeichers 100 an dem Mess-Zeitpunkt.
Mit dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren 400 kann der Zustand eines Energiespeichers 100 bzw. der Zustand einer Speicherzelle 310, 320, 330 in zuverlässiger und präziser Weise während des laufenden Betriebs des Energiespeichers 100 ermittelt werden. So können die Betriebszeiten eines Energiespeichers 100 erhöht und damit die Betriebskosten reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Verfahren (400) zur Ermittlung des Zustands eines Energiespeichers (100), wobei der Energiespeicher (100) zumindest eine Speicherzelle (310, 320, 330) umfasst, wobei das Verfahren (400) umfasst, - Ermitteln (401), anhand eines Speichermodells (102) des Energiespeichers (100), einer Ruhespannung (316, 326, 336) der Speicherzelle (310, 320, 330) und Ermitteln einer Anschlussspannung (315, 325, 335) an der Speicherzelle (310, 320, 330); - Detektieren (402) eines Mess-Zeitpunktes, an dem die Ruhespannung (316, 326, 336) der Speicherzelle (310, 320, 330) zumindest näherungsweise der Anschlussspannung (315, 325, 335) an der Speicherzelle (310, 320, 330) gleicht; und - Ermitteln (403) eines Zustands des Energiespeichers (100) an dem Mess-Zeitpunkt.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, wobei das Ermitteln (403) des Zustands umfasst, Ermitteln, auf Basis einer Ladezustands-Kennlinie (202) des Energiespeichers (100), eines berechneten Ladezustands (201) der Speicherzelle (310, 320, 330) an dem Mess-Zeitpunkt.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 2, wobei das Ermitteln (403) des Zustands umfasst, - Ermitteln von Energieinformation in Bezug auf eine Energiemenge, die zwischen einem Anfangs-Zeitpunkt und dem Mess-Zeitpunkt von der Speicherzelle (310, 320, 330) insgesamt aufgenommen oder abgegeben wurde; - Ermitteln eines gemessenen Ladezustands der Speicherzelle (310, 320, 330) an dem Mess-Zeitpunkt auf Basis der Energieinformation; und - Ermitteln des Zustands des Energiespeichers (100) an dem Mess-Zeitpunkt auf Basis des gemessenen Ladezustands.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 3, wobei das Ermitteln (403) des Zustands umfasst, Ermitteln eines Alterungszustands des Energiespeichers (100) durch Vergleich des berechneten Ladezustands (201) und des gemessenen Ladezustands.
Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Energiespeicher (100) eine erste Speicherzelle (310) und eine zweite Speicherzelle (320) umfasst; - das Ermitteln (403) des Zustands umfasst, Ermitteln, an dem Mess-Zeitpunkt, eines ersten Ladezustands und/oder einer ersten Ruhespannung (316) der ersten Speicherzelle (310) und eines zweiten Ladezustands und/oder einer zweiten Ruhespannung 326) der zweiten Speicherzelle (320); - Ermitteln eines Symmetrierungsbedarfs des Energiespeichers (100) auf Basis des ersten Ladezustands und auf Basis des zweiten Ladezustands und/oder auf Basis der ersten Ruhespannung (316) und auf Basis der zweiten Ruhespannung (326).
Verfahren (400) gemäß Anspruch 5, wobei das Ermitteln des Symmetrierungsbedarfs das Vergleichen des ersten Ladezustands und des zweiten Ladezustands und/oder das Vergleichen der ersten Ruhespannung (316) und der zweiten Ruhespannung (326) umfasst.
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei - das Ermitteln eines Symmetrierungsbedarfs umfasst, Ermitteln, dass die erste Speicherzelle (310) zur Symmetrierung des Energiespeichers (100) entladen werden muss; - das Verfahren (400) weiter umfasst, Ermitteln einer Symmetrierungszeit für das Entladen der ersten Speicherzelle (310); und - das Verfahren (400) weiter umfasst, Veranlassen, dass die erste Speicherzelle (310) für die Symmetrierungszeit entladen wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Energiespeicher (100) eine Mehrzahl von Speicherzellen (310, 320, 330) umfasst; - für jede Speicherzelle (310, 320, 330) der Mehrzahl von Speicherzellen (310, 320, 330) eine Ruhespannung (316, 326, 336) und eine Anschlussspannung (315, 325, 335) ermittelt sowie zumindest ein Mess-Zeitpunkt detektiert wird; - für jede Speicherzelle (310, 320, 330) an dem jeweiligen Mess-Zeitpunkt ein Zustand ermittelt werden; und - der Zustand des Energiespeichers (100) auf Basis der Zustände der Mehrzahl von Speicherzellen (310, 320, 330) ermittelt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speichermodell (102) - eingerichtet ist, ein elektrisches Verhalten des Energiespeichers (100) zu modellieren; - eine Mehrzahl von idealisierten elektronischen Komponenten, insbesondere eine ideale Spannungsquelle, einen idealen elektrischen Widerstand, eine ideale Induktivität, eine ideale Kapazität und/oder eine Warburg-Impedanz, umfasst; und/oder - ein oder mehrere mathematische Formeln umfasst.
Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (100) - stationär und/oder kontinuierlich betrieben wird; und/oder - einen Energiespeicher (100) für ein Kraftfahrzeug umfasst.
Steuereinheit zur Steuerung eines elektrischen Energiespeichers (100); wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.