-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft netzunabhängig betriebene elektrische Geräte mit Gerätebatterien, insbesondere elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, und weiterhin Maßnahmen zur Bestimmung eines Alterungszustands (SOH: State of Health) der Gerätebatterie.
-
Technischer Hintergrund
-
Die Energieversorgung von netzunabhängig betriebenen elektrischen Geräten und Maschinen, wie z. B. elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, erfolgt häufig mithilfe von Gerätebatterien bzw. Fahrzeugbatterien. Diese liefern elektrische Energie zum Betrieb der Geräte bzw. Maschinen.
-
Der Alterungszustand einer Gerätebatterie nimmt im Laufe ihrer Lebensdauer zusehends ab, was sich in einer abnehmenden maximalen Speicherkapazität auswirkt. Ein Maß der Alterung der Gerätebatterie hängt von einer individuellen Belastung der Gerätebatterie, d. h. bei Fahrzeugbatterien von Kraftfahrzeugen vom Nutzungsverhalten eines Fahrers, externen Umgebungsbedingungen und vom Fahrzeugbatterietyp ab.
-
Zwar kann mithilfe eines empirischen Alterungszustandsmodells der momentane Alterungszustand der Gerätebatterie basierend auf historischen Betriebszustandsverläufen bestimmt werden, jedoch ist dieses Modell in bestimmten Situationen ungenau. Zudem hängt die Alterung der Gerätebatterie von einer individuellen Belastung der Gerätebatterie, d. h. vom Nutzungsverhalten eines Nutzers und vom Batterietyp ab. Die resultierende Ungenauigkeit des herkömmlichen Alterungszustandsmodells erschwert eine Prädiktion des Alterungszustandsverlaufs. Jedoch ist die Prädiktion des Verlaufs des Alterungszustands der Energiespeicher eine wichtige technische Größe, da mit ihr eine Restlebensdauerermittlung und eine wirtschaftliche Bewertung eines Restwerts der Gerätebatterie möglich ist.
-
Die Druckschrift
US 2016 214 500 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Schätzung der Batterielebensdauer mit einem Batterieladegerät, das konfiguriert ist, um eine Batterie unter Verwendung einer normalen Laderate (C-Rate) während eines Ladeintervalls eines Ladezyklus und einer niedrigen C-Rate während eines Ladeintervalls mit niedriger Rate des Ladezyklus zu laden; und einen Lebensdauerschätzer, der konfiguriert ist, um mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung zu verwenden, um eine Lebensdauer der Batterie basierend auf einer bestimmten Änderung einer elektrischen physikalischen Größe der Batterie über die Zeit im Ladeintervall mit niedriger Rate zu schätzen.
-
Die Druckschrift
EP 3 331 124 A1 offenbart ein Batterieladeverfahren, umfassend: Messen einer Temperatur einer Batterie; Schätzen eines Ladezustands (SOC) und eines Gesundheitszustands (SOH) der Batterie; Erfassen einer F-Abbildungsbeziehung, die F-Werte auf C-Raten und SOCs bei der Temperatur und der SOH abbildet, wobei der F-Wert ein Verhältnis der Variation des SOC zur Variation der Spannung bezeichnet; und Erzeugen eines Ladeprofils, das eine Folge von Lade-C-Raten für jeden der SOCs zum Laden der Batterie ist, basierend auf dem geschätzten SOC und der F-Abbildungsbeziehung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Ermitteln eines Alterungszustands einer Gerätebatterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, gemäß Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Ermitteln eines Alterungszustands einer Gerätebatterie eines Geräts, insbesondere einer Fahrzeugbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bestimmen einer zugeführten Ladungsmenge für einen oder mehrere vorgegebene Spannungsbereiche während eines Ladevorgangs der Gerätebatterie, wobei die Spannungsbereiche jeweils durch eine untere und obere Bezugsspannung definiert sind, wobei das Bestimmen der zugeführten Ladungsmenge ab dem Erreichen der unteren Bezugsspannung bis zum Erreichen der oberen Bezugsspannung durchgeführt wird,
- - Bestimmen eines Alterungszustands abhängig von dem Spannungsbereich und der bestimmten zugeführten Ladungsmenge mithilfe eines vorgegebenen Alterungszustandsmodells.
-
Ein entscheidendes Merkmal für die Akzeptanz von batteriebetriebenen Geräten, wie beispielsweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, ist die Lebensdauer der Gerätebatterie (Fahrzeugbatterie). Daher ist die Bestimmung eines Alterungszustands der Gerätebatterie eine wichtige Kenngröße, die eine Abschätzung einer Lebensdauer ermöglicht.
-
Die Bestimmung des Alterungszustands wird bislang mit an einen bestimmten, vorbekannten Batterietyp angepassten Alterungszustandsmodellen vorgenommen. Für derartige Fahrzeugbatterien bekannten Batterietyps stehen ausreichend Batterieparameter und Batterie-Messsignale zur Verfügung, so dass die Bestimmung des Alterungszustands mithilfe eines dem Batterietyp zugeordneten Alterungszustandsmodells mit hinreichender Genauigkeit durchgeführt werden kann.
-
Der Alterungszustand (SOH: state of health) ist die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibende Batterieladung. Der Alterungszustand kann als Kapazitätserhaltungsrate (capacity retention rate, SOH-C) oder als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an.
-
In künftigen elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugen können jedoch unterschiedlichste Batterietypen eingesetzt werden. So ist abzusehen, dass Elektrofahrzeuge auch mit Austauschbatterien betrieben werden, wobei unterschiedlichste Batterietypen unterschiedlicher Hersteller eingesetzt werden können. Diese stellen eine große Herausforderung an entsprechende den Batterietyp beschreibende Modelle, insbesondere an ein Alterungszustandsmodell, dar, da grundlegende Batterieparameter nicht bekannt sind. Die Batterieparameter hängen erheblich von der Zellchemie und von dem Aufbau und der Verschaltung der Batteriezellen ab und können sich daher von Batterietyp zu Batterietyp erheblich unterscheiden.
-
Bereits mit herkömmlichen Modellen ist die Ermittlung des Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie schwierig. Die Implementierung eines einfachen physikalischen oder empirischen Alterungszustandsmodells in einem Kraftfahrzeug unterliegt erheblichen Ungenauigkeiten, sodass die maximale Modellabweichung häufig 5 % nicht unterschreitet, da diese im Wesentlichen vom nutzungsindividuellen Betriebsverlauf abhängig ist. Bei unbekannten Typen von elektrischen Energiespeichern (Batterietypen und dergleichen), d. h. das elektrochemische Modell ist nicht bekannt, ist die Herausforderung zur modellbasierten Bestimmung des Alterungszustands noch größer, da in der Regel kein domänenspezifisches Wissen zur physikalischen Beschreibung, speziell der elektrochemischen Größen, verwendet werden kann. Zudem werden üblicherweise stark verrauschte bzw. unvollständige Daten verwendet, die durch unterschiedliche Lastprofile, wie z. B. bei einem Kraftfahrzeug Außentemperaturen, Strecken, gefahrene Streckenabschnitte und dergleichen, Nutzerprofile, wie beispielsweise Ladeverhalten, Häufigkeit eines Schnellladens, Fahrverhalten und dergleichen sowie weiterhin durch Seriensteuerung des elektrischen Energiespeichers beeinflusst werden.
-
Gerätebatterien für batteriebetriebene Geräte weisen nicht in jedem Fall ein Batteriesteuergerät auf, das eine Bestimmung des Alterungszustands selbst vornimmt. Die Funktionalität des Batteriesteuergeräts ist herstellerabhängig, und aus Kostengründen können derartige Batteriesteuergeräte nur mit sehr eingeschränkter Funktionalität ausgestattet sein.
-
Bei Fahrzeugbatterien unbekannten Batterietyps sehen entsprechende Batteriesteuergeräte je nach Hersteller insbesondere vor, nur die gängigsten Betriebsgrößen, wie den momentanen Batteriestrom, die momentane Batteriespannung (Klemmenspannung), die momentane Batterietemperatur und den aktuellen Ladezustand zu erfassen und auszugeben. Während für bekannte Batterietypen weitere Batterieparameter in dem Batteriesteuergerät oder in der Zentraleinheit zur Verfügung stehen, fehlen bei unbekannten Batterietypen alle Angaben zur Zellchemie und zum internen Aufbau der Batteriezellen, so dass eine Erkennung eines Batterietyps und eine Modellierung des Alterungszustands schwierig sind.
-
Für unbekannte Batterietypen muss daher die Ermittlung des Alterungszustands zudem vollständig anhand von Betriebsgrößen erfolgen, die von dem entsprechenden Batteriesteuergerät bereitgestellt werden. Diese lassen in der Regel keinen tiefergehenden Einblick in die Zellchemie und den internen Aufbau der Fahrzeugbatterie zu.
-
Wird folglich kein Alterungszustand von dem Batteriesteuergerät zur Verfügung gestellt und sind ansonsten nur wenige Informationen über den verwendeten Batterietyp vorhanden, ist eine Abschätzung des Alterungszustands schwierig. Um trotzdem eine Aussage über den Alterungszustand der Gerätebatterie vornehmen zu können, sieht obiges Verfahren vor, mithilfe eines Alterungszustandsmodells, das einen Zusammenhang zwischen einer Spannungsänderung während eines Ladevorgangs und einer Ladungsänderung abhängig von der Temperatur und einem Alterungszustand der Gerätebatterie abbildet, den Alterungszustand zu ermitteln. Dies kann durch ein- oder mehrmaliges Vermessen der Gerätebatterie während eines Aufladevorgangs durchgeführt werden.
-
Das Alterungszustandsmodell kann beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle oder eines Kennfeldes mit Stützstellen für die vordefinierten Spannungsbereiche dargestellt werden. Das Alterungszustandsmodell wird vorzugsweise auf an einem Prüfstand durchgeführten Messung mit einer Referenz-Gerätebatterie unter kontrollierten Bedingungen erstellt. Dabei erfolgt ein Aufladen der Gerätebatterie durch einen konstanten Ladestrom. Während des Aufladens steigt die Batteriespannung kontinuierlich an. Dabei wird für einen oder mehrere Spannungsbereiche zwischen den zu diesen fest definierten Bezugsspannungen, die der resultierenden Klemmenspannungen der Gerätebatterie entsprechen, die der Batterie zugeführte Ladungsmenge bis zu der oberen Bezugsspannung des Spannungsbereichs, bestimmt. Die Ladungsmenge kann aus einem zeitlichen Integral über den konstanten Ladestrom ermittelt werden.
-
Um das Erreichen der oberen Bezugsspannung zu bestimmen, wird die Batteriespannung unrelaxiert mit der oberen Bezugsspannung verglichen, da ansonsten (bei Abwarten einer Relaxationszeitdauer) der Ladevorgang zu lange dauern würde. In einer alternativen Ausführungsform kann zwischen dem Vermessen der Spannungsbereiche der Ladevorgang für eine Relaxationszeitdauer für ausgewählte Ladevorgänge pausiert werden und für diese Spannung die Ladungsmenge bestimmt werden. Die ausgewählten Ladevorgänge können mit einer vorgegebenen Häufigkeit wie z.B. einmal im Monat oder nach 20 Ladezyklen durchgeführt werden.
-
Für die Modellerstellung des Alterungszustandsmodells kann eine Variation des konstanten Ladestroms sowie eine Variation der Gerätebatterietemperatur bei Aufladen auf verschiedene Bezugsspannungen und verschiedenen Alterungszuständen von auf dem Prüfstand vermessenen Referenz-Gerätebatterien vorgenommen werden. Dadurch ergibt sich ein Kennfeld mit Stützstellen, die den Spannungsbereichen, dem konstanten Ladestrom, der Batterietemperatur und der zugeführten Ladungsmenge einen Alterungszustand zuordnen. Die Spannungsbereiche können durch die erste Bezugsspannung und/oder die zweite Bezugsspannung identifiziert werden.
-
Das obige Verfahren sieht nun vor, während eines Aufladevorgangs eine zugeführte Ladungsmenge zwischen einer erreichten ersten Bezugsspannung und einer erreichten zweiten Bezugsspannung zu messen und den Spannungsbereich und die zugehörigen zugeführte Ladungsmenge dem Alterungszustand zuzuordnen.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verfahren für mehrere Spannungsbereiche zwischen jeweils zwei Bezugsspannungen durchgeführt wird, wobei das Verfahren erst nach Erreichen einer vorgegebenen Mindestbezugsspannung gestartet wird. Die Mindestbezugsspannung ist vorzugsweise so zu wählen, dass diese mindestens einer Spannung entspricht, die sich bei einem Ladezustand der Gerätebatterie von mindestens 50 % bei einem Alterungszustand ergibt, der durch einen SoH-Wert zwischen 80 und 100 % vorgegeben ist. Insbesondere kann die Mindestbezugsspannung einer Batteriespannung zwischen 3,7 und 3,9 V entsprechen.
-
Zur genaueren Bestimmung des Alterungszustands können also Ladungsmengen für verschiedene Spannungsbereiche ermittelt werden. Diese Spannungsbereiche können zusammenhängen, d. h. die obere Bezugsspannung eines Spannungsbereichs entspricht der unteren Bezugsspannung eines darauffolgenden Spannungsbereichs, sich überlappen oder durch einen weiteren Spannungsbereich voneinander beabstandet sein, d. h. die obere Bezugsspannung eines Spannungsbereichs ist kleiner als die untere Bezugsspannung eines darauffolgenden Spannungsbereichs.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Alterungszustand weiterhin abhängig von einer Batterietemperatur bestimmt wird, die sich als Batterietemperatur bei Erreichen der unteren oder der oberen Batteriespannung oder als Mittelwert der Batterietemperatur während des Bestimmens der zugeführten Ladungsmenge innerhalb des betreffenden Spannungsbereichs ergibt.
-
Bis zum Erreichen einer oberen vorgegebenen Bezugsspannung, die größer ist als die untere Bezugsspannung und geringer als eine CC-Ladeschlussspannung (Spannungsniveau, zu dem das Aufladen mit einem konstanten Strom beendet wird), wird durch Integrieren des Stromflusses die gesamte Ladungsmenge, die während des Ladens über den Spannungsbereich in die Gerätebatterie fließt, gemessen. Je nach Alterungszustand ist die Ladungsmenge unterschiedlich groß, da eine nicht gealterte Gerätebatterie eine größere Ladungsmenge aufnehmen kann als eine gealterte Batterie.
-
Bei mehreren während eines Ladevorgangs erhaltenen Alterungszuständen können diese durch Mittelwertbildung oder Medianbildung kombiniert werden, um einen bereinigten bzw. zu ermittelnden Alterungszustand zu erhalten. Zudem kann ein von einem Batteriesteuergerät (Batterie-Managementsystem) ermittelter Alterungszustand und ein aus dem Alterungszustandsmodell ermittelter Alterungszustand miteinander verglichen werden und der von dem Batteriesteuergerät berechnete Alterungszustand auf den durch das Alterungszustandsmodell ermittelte Alterungszustand angepasst werden. Der korrigierte Alterungszustand in dem Batteriesteuergerät kann nun als Basis für weitere Batteriefunktionen herangezogen werden. So kann der Betrieb der Gerätebatterie, wie beispielsweise eine Wahl des Umschaltzeitpunkts während eines Ladevorgangs von einem Laden mit konstantem Strom zu einem Laden mit konstanter Spannung (CC- zu einem CV-Ladevorgang), eine Variation der Höhe des konstanten Ladestroms und dergleichen abhängig vom Alterungszustand der Gerätebatterie vorgenommen werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass eine Angabe zu dem betreffenden Spannungsbereich zwischen der vermessenen unteren und oberen Bezugsspannung und der entsprechend zugeführten Ladungsmenge an eine geräteexterne Zentraleinheit übermittelt wird, wobei das Alterungszustandsmodell in der Zentraleinheit ausgeführt wird und der ermittelte Alterungszustand an das Gerät übermittelt wird. Somit kann das Alterungszustandsmodell in einer geräteexternen Zentraleinheit (Cloud) vorgesehen sein, um von den Ergebnissen weiterer Geräte zu profitieren. Dazu können von allen Geräten, die mit der Zentraleinheit in Verbindung stehen, Ladungsmengen, Batterietemperaturen und den Spannungsbereichen bei neuen Gerätebatterien erfasst werden und diese entsprechend zum Aktualisieren des Alterungszustandsmodells verwendet werden.
-
Auch die zuvor ermittelten Alterungszustände der Gerätebatterien gleichen Batterietyps können zum Nachtrainieren des Alterungszustandsmodells zur Verfügung gestellt werden, so dass aufgrund der Flottenbeziehung ein einheitlicher Wert bestimmt werden kann (ggfs. durch Mittelwert-/Medianbestimmung). Da sich das Verfahren bei jedem Ladevorgang anwenden lässt und der Alterungszustand sich nur langsam verändert, kann selbst in Bereichen des Alterungszustandsmodells, in dem die Datenbasis spärlich ist, anhand der berechneten Ladungsmenge eine Alterungszustandsbestimmung vorgenommen werden, wenn in dem Ladevorgang zuvor eine Bestimmung des Alterungszustands vorgenommen worden ist.
-
Auch ermöglicht die Auswertung in der Zentraleinheit, dass ein Software-Update des Batteriesteuergeräts im batteriebetriebenen Gerät nicht erforderlich ist, da für die genaue Bestimmung des Alterungszustands auf die Zentraleinheit zugegriffen werden kann. Der genaue Wert des Alterungszustands ermöglicht eine genauere Reichweitenbestimmung und hat den Vorteil, dass ein Sicherheitsbereich bezüglich der zu ladenden benötigten Energiemenge verringert werden kann, was zu kürzeren Ladezeiten führt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Alterungszustands einer Gerätebatterie eines Geräts, insbesondere einer Fahrzeugbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- - Bestimmen einer zugeführten Ladungsmenge für einen oder mehrere vorgegebene Spannungsbereiche während eines Ladevorgangs der Gerätebatterie, wobei die Spannungsbereiche jeweils durch eine untere und obere Bezugsspannung definiert sind, wobei das Bestimmen der zugeführten Ladungsmenge ab dem Erreichen der unteren Bezugsspannung bis zum Erreichen der oberen Bezugsspannung durchgeführt wird,
- - Bestimmen eines Alterungszustands abhängig von dem Spannungsbereich und der bestimmten zugeführten Ladungsmenge mithilfe eines vorgegebenen Alterungszustandsmodells.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von Betriebsgrößen von Fahrzeugbatterien von Fahrzeugen einer Fahrzeugflotte in einer Zentraleinheit;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Ermittlung eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug; und
- 3 ein Diagramm zur Darstellung von Leerlaufspannungskennlinien von Fahrzeugbatterien unterschiedlichen Alterungszuständen aus einer Vielzahl von Messungen von Leerlaufspannungen bei verschiedenen Ladezuständen.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als Gerätebatterien in einem Kraftfahrzeug als batteriebetriebenes Gerät bzw. batteriebetriebene Maschine beschrieben. Dieses Beispiel steht stellvertretend für eine Vielzahl von stationären oder mobilen batteriebetriebenen Maschinen und Geräten mit netzunabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Pedelecs, usw.), Anlagen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, IOT-Geräte, eine Gebäudeenergieversorgungen, Fluggeräte, insbesondere Drohnen, autonome Roboter und Geräte der Unterhaltungselektronik, insbesondere Mobiltelefone, und dergleichen, die über eine entsprechende Kommunikationsverbindung (z. B. LAN, Internet) mit einer Zentraleinheit (Cloud) in Verbindung stehen.
-
1 zeigt ein System 1 zum Ermitteln von Alterungszuständen von Fahrzeugbatterien einer Vielzahl von Fahrzeugen in einer Zentraleinheit 2. Die Zentraleinheit 2 ermöglicht die Bestimmung von Alterungszuständen von Fahrzeugbatterien. 1 zeigt eine Fahrzeugflotte 3 mit mehreren Kraftfahrzeugen 4. In der Zentraleinheit 2 soll basierend auf den Daten von jedem der Fahrzeuge eine Bestimmung eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie des jeweiligen Kraftfahrzeugs 4 der Fahrzeugflotte 3 vorgenommen werden.
-
Eines der Kraftfahrzeuge 4 ist in 1 detaillierter dargestellt. Die Kraftfahrzeuge 4 weisen jeweils eine Fahrzeugbatterie 41 als wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Antriebsmotor 42 und eine Steuereinheit 43 auf. Die Steuereinheit 43 ist mit einem Kommunikationsmodul 44 verbunden, das geeignet ist, Daten zwischen dem jeweiligen Kraftfahrzeug 4 und der Zentraleinheit 2 (einer sogenannten Cloud) zu übertragen. Die Steuereinheit 43 ist mit einer Sensorik 45 verbunden, die einen oder mehrere Sensoren aufweist, um Betriebsgrößen kontinuierlich zu erfassen.
-
Ferner kann ein in der Fahrzeugbatterie 41 implementiertes Batteriesteuergerät 46 vorgesehen sein, das batteriespezifische Funktionen, wie z.B. ein Balancing, Zellenspannungsmessungen, Ladezustandsbestimmung und dergleichen ausführen kann.
-
Mithilfe einer Sensorik 45 an der Fahrzeugbatterie 41 werden Betriebsgrößen F durch die Steuereinheit 43 erfasst. Die Kraftfahrzeuge 4 senden an die Zentraleinheit 2 die Betriebsgrößen F, die zumindest Größen angeben, von denen der Alterungszustand der Fahrzeugbatterie abhängt. Die Betriebsgrößen F können im Falle einer Fahrzeugbatterie einen momentanen Batteriestrom, eine momentane Batteriespannung U, eine momentane Batterietemperatur und einen momentanen Ladezustand (SOC: State of Charge) angeben, sowohl auch Pack-, Modul- und/oder Zellebene. Die Betriebsgrößen F werden in einem schnellen Zeitraster von 1 Hz bis 100 Hz erfasst und können in unkomprimierter und/oder komprimierter Form regelmäßig an die Zentraleinheit 2 übertragen werden. Beispielsweise können die Zeitreihen im Abstand von 10 min bis mehreren Stunden blockweise an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.
-
Für das nachstehend beschriebene Verfahren senden die Fahrzeuge weiterhin Kenngrößen während oder nach einem Ladevorgang, die den Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 41 charakterisieren. So kann während des Ladevorgangs die zugeführte Ladungsmenge Q in einem vorgegebenen Spannungsbereich SB bestimmt und diese mit einer Angabe zu dem betreffenden Spannungsbereich SB und einer Batterietemperatur T, die einer durchschnittlichen Batterietemperatur während des Ladevorgangs entsprechend kann, einem Alterungszustandsmodell zugeführt werden. Das Alterungszustandsmodell ist vorzugsweise in der Zentraleinheit 2 implementiert.
-
Die Zentraleinheit 2 weist eine Datenverarbeitungseinheit 21, in der das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, und eine Datenbank 22 zum Speichern des implementierten Alterungszustandsmodells von Fahrzeugbatterien einer Vielzahl von Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 auf.
-
Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Fahrzeugbatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle dar und kann als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOH-C) oder als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an.
-
Wurde der Alterungszustand SOH in der Zentraleinheit 2 ermittelt, so kann dieser an das betreffende Fahrzeug zurückübermittelt werden.
-
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln eines Alterungszustands der Fahrzeugbatterie 41. Das Verfahren kann in der Steuereinheit 43 des Fahrzeugs oder in der Zentraleinheit 2 ausgeführt werden, je nachdem wo das Alterungszustandsmodell implementiert ist.
-
In Schritt S1 wird überprüft, ob sich das Fahrzeug 4 in einem Ladezustand befindet. Dies wird beispielsweise erkannt, wenn sich das Fahrzeug 4 an einer Ladestation befindet und eine externe Stromversorgung angeschlossen ist. Wird das Vorliegen eines Ladezustands erkannt (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
-
In Schritt S2 wird die Fahrzeugbatterie 41 mit dem einem vorgegebenen Ladestrom, der insbesondere einem konstanten Ladestrom entspricht, aufgeladen.
-
In Schritt S3 wird überprüft, ob während des Aufladens eine vorbestimmte untere Bezugsspannung eines oder mehrerer vordefinierter Spannungsbereiche erreicht worden ist. Die untere Bezugsspannung U1, U2, U3 kann einer Batteriespannung U aus einer Reihe von vorgegebenen Batteriespannungen U1, U2, U3, U4 entsprechen.
-
Wird eine der unteren Bezugsspannungen U1, U2, U3 erreicht (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
-
In Schritt S4 wird das Aufladen der Fahrzeugbatterie 41 fortgesetzt und gleichzeitig die der Fahrzeugbatterie 41 zugeführte Ladungsmenge Q durch Integration des Stromflusses in die Fahrzeugbatterie 41 ermittelt.
-
In Schritt S5 wird überprüft, ob die Batteriespannung die obere Bezugsspannung U2, U3, U4 desjenigen Spannungsbereichs SB erreicht hat, der durch das Erreichen der unteren Bezugsspannung U1, U2, U3 in Schritt S3 bestimmt wird. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, andernfalls wird zu Schritt S5 zurückgesprungen.
-
In Schritt S6 wird die Batterietemperatur T gemessen. Alternativ kann eine gemittelte Batterietemperatur während des Ladevorgangs, insbesondere während des Aufladens innerhalb des betreffenden Spannungsbereichs SB bestimmt werden.
-
In Schritt S7 werden die ermittelte Ladungsmenge Q, die Batterietemperatur T und eine Angabe zu dem betreffenden Spannungsbereich SB zwischen der vermessenen unteren und oberen Bezugsspannung, für den die zugeführte Ladungsmenge Q berechnet worden ist, an die Zentraleinheit 2 übermittelt.
-
In der Zentraleinheit 2 wird nun in Schritt S8 mithilfe eines vorgegebenen Alterungszustandsmodells aus der Batterietemperatur T, der zugeführten Ladungsmenge Q und der Angabe zu dem Spannungsbereich SB ein Alterungszustand SOH ermittelt.
-
Das Alterungszustandsmodell kann als Kennfeldmodell, als Lookup-Tabelle oder dergleichen ausgebildet sein und ermöglicht es, basierend auf der Angabe zu dem betreffenden Spannungsbereich SB, der zugeführten Ladungsmenge Q und der Batterietemperatur T, einen Alterungszustand SOH der Fahrzeugbatterie 41 zu ermitteln.
-
Das Modell kann letztlich basierend auf Leerlaufspannungskennlinien für verschiedene Alterungszustände der Fahrzeugbatterie 41 angeben, wie sie schematisch in 3 dargestellt sind. Aufgrund der fest vorgegebenen Bezugsspannungen sind die Spannungsbereiche SB, bezüglich denen der Ladevorgang vermessen wird, fest vorgegeben und ermöglicht es somit, das Alterungszustandsmodell kompakt in Form eines Kennfeldes anzugeben.
-
In Schritt S9 wird der in der Zentraleinheit 2 ermittelte Alterungszustand SOH an das Batteriesteuergerät 41 zurückübermittelt.
-
In Schritt S10 wird in dem Batteriesteuergerät 47 überprüft, ob der Ladevorgang fortgesetzt wird und ob zwischen der erreichten oberen Bezugsspannung U2, U3, U4 des zuletzt vermessenen Spannungsbereichs SB ein weiterer Spannungsbereich SB in dem Alterungszustandsmodell definiert ist, wozu ein Alterungszustand SOH ermittelbar ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren zur Bestimmung der Ladungsmenge Q mit Rücksprung zu Schritt S2 erneut durchgeführt, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S11 fortgesetzt.
-
In Schritt S11 werden die bisher mithilfe des Alterungszustandsmodells ermittelten Alterungszustände plausibilisiert bzw. miteinander verrechnet. Beispielsweise kann ein Mittelwert oder ein Median aus den so erhaltenen Alterungszuständen bestimmt werden. Alternativ können aus der Reihe von Alterungszustandswerten unplausible Werte, insbesondere Ausreißer, mithilfe des Ausreißer-Eliminierungsverfahrens entfernt werden und anschließend die Mittelwertbildung bzw. Medianbildung vorgenommen werden.
-
In Schritt S12 wird der so erhaltene plausibilisierte Alterungszustand zur Korrektur eines Alterungsmodells, das in dem Batteriesteuergerät implementiert ist, verwendet. Auf diese Weise kann dort das Alterungsmodell verbessert werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der durch das Alterungszustandsmodell in der Zentraleinheit erhaltene Alterungszustand auch für nachgelagerte Funktionen, die von dem ermittelten Alterungszustand der Fahrzeugbatterie 41 abhängen, verwendet werden. So kann der Betrieb der Fahrzeugbatterie 41, wie beispielsweise eine Wahl des Umschaltzeitpunkts während eines Ladevorgangs von einem Laden mit konstantem Strom zu einem Laden mit konstanter Spannung (CC- zu einem CV-Ladevorgang), eine Variation der Höhe des konstanten Ladestroms und dergleichen abhängig vom Alterungszustand SOH der Fahrzeugbatterie 41 vorgenommen werden.
-
Die an die Zentraleinheit 2 übermittelten Daten, die Bezugsspannung, die den Spannungsbereich SB angibt, die zugeführte Ladungsmenge Q und die Batterietemperatur T können zur Verbesserung des Alterungszustandsmodells verwendet werden. Dies ist insbesondere möglich für Fahrzeugbatterien 41, die neu sind, d. h. einen Alterungszustand von 100 % aufweisen. Für diese kann das Alterungszustandsmodell durch Parametervariation kontinuierlich verbessert werden.
-
Da sich das Verfahren bei jedem Ladevorgang anwenden lässt und der Alterungszustand sich nur langsam verändert, kann selbst in Bereichen fehlender Daten in dem Alterungszustandsmodell anhand der berechneten Ladungsmenge Q eine Bestimmung des Alterungszustands SOH vorgenommen werden, wenn in dem vorangegangenen Ladevorgang eine Bestimmung des Alterungszustands stattgefunden hat. Hier kann ein durch Interpolation der ermittelten Alterungszustände aus verschiedenen Flottenfahrzeuge vor und nach den betreffenden Bereichen, in denen nicht genügend Daten vorhanden sind, der Alterungszustand ermittelt werden.
-
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
-
- US 2016214500 A1 [0005]
- EP 3331124 A1 [0006]
