EP3977587A1 - Batteriemanagementsystem und betrieb eines energiespeichers für elektrische energie - Google Patents

Batteriemanagementsystem und betrieb eines energiespeichers für elektrische energie

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Publication number
EP3977587A1
EP3977587A1 EP20727608.0A EP20727608A EP3977587A1 EP 3977587 A1 EP3977587 A1 EP 3977587A1 EP 20727608 A EP20727608 A EP 20727608A EP 3977587 A1 EP3977587 A1 EP 3977587A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
aging
charge
state
energy store
operating range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20727608.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Kloepfer
Simon KOLB
Eric Hartmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP3977587A1 publication Critical patent/EP3977587A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/12—Recording operating variables ; Monitoring of operating variables
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/13—Maintaining the SoC within a determined range
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/16—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to battery ageing, e.g. to the number of charging cycles or the state of health [SoH]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an energy store for electrical energy, the energy store having a state of charge range and an operating range being specified which lies within the state of charge range.
  • the invention also relates to a corresponding battery management system as well as a motor vehicle and a computer program.
  • Accumulators or rechargeable batteries age due to different physical effects.
  • an electrolyte in lithium-ion batteries can age more intensely at high cell voltages, i.e. in particular at high states of charge, and at high temperatures, while, for example, a copper arrester at the anode can age more intensely at a lower cell voltage, i.e. at a lower state of charge.
  • an operating range for the rechargeable battery is therefore permanently specified, so that specific partial areas of the state of charge range, in particular in an area of maximum and minimum charge, are left out in order to prevent excessive aging.
  • Opposite user behavior could, for example, be such that a user only charges the battery for a short time in order to ensure a minimum necessary capacity, but usually charges the battery the lower part of the state of charge or operating range, which, depending on temperature zones or seasons, can have a negative impact on the service life.
  • this object is achieved by a method
  • the improved concept is based on the idea of determining cumulative aging indicators and adapting the operating area, in particular a position of the operating area, as a function of the aging indicators in order to adapt the user behavior
  • a method for operating an energy store for electrical energy that is to say an accumulator, or a battery for short, is specified, the energy store having a state of charge range.
  • an operating range of the energy store is specified, in particular by means of a battery management system, the operating range within, in particular completely within, the
  • Aging functions are each determined by means of a control unit, in particular the battery management system, one or more aging indicators accumulated over an operating period of the energy store.
  • An upper limit value and / or a lower limit value of the operating range is adapted as a function of the one or more accumulated aging indicators by means of the control unit in order to define an adapted operating range, that is to say to adapt the operating range.
  • a state of charge of the energy store is indicated by means of the control unit adapted operating range limited, in particular during charging and / or discharging of the energy store.
  • the state of charge range is in particular a range of values that a state of charge (SOC) of the energy store can assume. It is therefore a range of values between complete discharge and complete charge of the energy store.
  • the state of charge can be specified as a percentage of the maximum possible charge of the energy store, so that the state of charge range by definition extends from 0% to 100%.
  • the state of charge can also be specified in relation to the electrical charge stored in the energy store, for example in Ah, so that the state of charge range extends from 0 Ah to a maximum charge of the energy store in Ah.
  • the state of charge of the energy store can be understood as that charge capacity of the energy store that is required for the respective
  • Time is available in relation to a nominal maximum charge value.
  • a state of charge of X% therefore means that the energy store is still one
  • the operating range of the energy store is, in particular, a range to which the state of charge is limited in an actual operation of the energy store by means of a battery management system.
  • the operating range lies completely within the state of charge range. That is, the lower limit of the operating range is greater than or equal to a minimum value of the
  • State of charge range that is greater than or equal to 0%
  • the upper limit value of the operating range is less than or equal to a maximum value of the state of charge range, that is to say less than or equal to 100%. For example, if the state of charge reaches the lower limit of the operating range, the control unit ensures that the
  • Energy store no further charge is taken, further use of the energy store for supplying energy to an electrical consumer is then no longer possible. If the state of charge reaches the upper limit of the operating range by charging the energy store, the control unit ensures that no further charge can be introduced into the energy store, so that charging can no longer be continued.
  • the lower limit value can have a first distance of 0% and the upper limit value a second distance of 100%. This will avoid that the state of charge is too close to the values 0% and 100%, which can be associated with particularly severe aging of the energy storage device.
  • Operating range are, for example, symmetrically within the state of charge range, so that the first and the second distance are the same.
  • the energy store is in particular an accumulator or storage battery or a rechargeable battery.
  • it can be a battery for driving an at least partially electrically operated motor vehicle or a battery for an electronic device, for example a computer or a mobile radio device, a smartphone, a notebook or the like.
  • the energy store can contain, for example, a lithium ion accumulator, for example a lithium polymer accumulator, a lithium cobalt dioxide accumulator, a lithium iron phosphate accumulator or another
  • Accumulator which shows increased aging at a state of charge close to 0% and / or a state of charge close to 100%, in particular in comparison to a state of charge of about 50%.
  • the aging index can be, for example, a relative aging rate of the energy store due to one or more specific aging mechanisms, which contributes to an overall aging rate of the energy store.
  • the aging of the energy store can result, for example, in a reduced total charge capacity or in a reduced remaining service life of the energy store.
  • the aging index can, for example, indicate how great the aging rate is Is compared to a reference aging rate.
  • the reference aging rate can be, for example, a relative aging rate of the energy store due to one or more specific aging mechanisms, which contributes to an overall aging rate of the energy store.
  • the aging of the energy store can result, for example, in a reduced total charge capacity or in a reduced remaining service life of the energy store.
  • the aging index can, for example, indicate how great the aging rate is Is compared to a reference aging rate.
  • the reference aging rate can
  • the reference state of charge can for example be in a range from 30 to 60%.
  • the aging index indicates in particular how much the energy store ages in a given state, for example a given temperature and / or a given state of charge, due to the corresponding aging mechanisms. In particular, the aging index is not an actually given aging of the energy store.
  • An aging function is, in particular, a function which assigns a corresponding aging index to a charge state of the energy store.
  • aging mechanisms for example reflect one or more aging mechanisms.
  • a first aging function can be used for relatively small values of the
  • the state of charge can be relatively large and decrease as the state of charge increases.
  • the first aging function thus describes, for example, an aging mechanism that leads to severe aging in the case of relatively small states of charge and is less important in the case of larger states of charge.
  • a second aging function can, for example, be relatively small in the case of low state of charge values and increase as the state of charge rises, and can assume a relatively large value itself in the case of relatively large states of charge.
  • the second aging function can therefore describe, for example, one or more aging mechanisms that occur more intensely with high states of charge and are less important for smaller states of charge.
  • each aging function can be assigned to a sub-area of the state of charge area, that is to say a sub-area in which the energy store ages particularly strongly.
  • the operating time of the energy store is in particular a time that has elapsed since a reference point in time, with periods of time within which the energy store was neither charged nor discharged, for example from the
  • Aging functions can be determined by means of the control unit.
  • the function values determined in this way are, for example, added up over the operating period for each aging function and then represent the one or more accumulated aging indicators.
  • Aging functions precisely determine a cumulative aging index over the operating life of the energy storage device.
  • Each of the aging functions can, for example, be defined and specified continuously or discretely, in particular uniformly, over the entire state of charge range.
  • the control unit restricts the state of charge of the energy store to the operating range, for example.
  • a position of the operating range can advantageously be adjusted depending on user behavior, which is directly included in the determination of the accumulated aging indicators, that one or more critical parts of the
  • State of charge area can be specifically left out.
  • the aging rate of the energy store can be particularly high, for example, so that the overall aging rate, in particular the average aging rate, is reduced and the service life of the
  • the user behavior decides whether the state of charge is more frequently in an upper or in a lower sub-range of the state of charge range or the operating range.
  • a symmetrical positioning of the operating area is therefore not necessarily optimal.
  • the cumulative aging indicators reflect how often
  • Operating range can then take place specifically in such a way that less severe aging, so less strongly increasing cumulative aging indicators are to be expected over the further operation of the energy storage device.
  • a time profile of the cumulative aging indicators can be taken into account.
  • it can be taken into account whether past adjustments to the limit values of the operating range resulted in a slowing down of the increase in the cumulative aging indicators. If this is not the case, the direction of the adaptation of the limit values can be inverted when there is a renewed adaptation.
  • Aging function is used. By including the time profile, a basis for comparison can be created for the single cumulative aging indicator.
  • the lower limit value is increased by means of the control unit depending on a result of the comparison, the upper limit value not being changed, or the upper limit value being reduced, the lower limit value not being changed, or the lower and upper limit values in each case, that is to say in particular both, reduced or in each case, that is to say in particular both, increased.
  • the variable that is dependent on the cumulative aging index can be the corresponding cumulative aging index itself, in particular if only one accumulated aging index and only one associated aging function are used. If two aging functions are used and there are correspondingly two accumulated aging indicators, the size can in particular be a difference between the accumulated aging indicators.
  • the operating range is adapted in such a way that it differs from a critical sub-range of the
  • a first cumulative aging index of the cumulative aging index is determined by means of the control unit on the basis of a first aging function of the predefined aging functions.
  • the control unit is specified using a second aging function
  • Aging functions a second cumulative aging indicator of the cumulative
  • the control unit determines a difference between the first and the second cumulative aging index, and the difference is compared, in particular, with a predetermined maximum difference value. If the difference is greater than the predetermined maximum difference value, the lower and the upper limit value of the operating range are increased by means of the control unit or the lower and the upper limit value of the operating range are decreased.
  • the first aging function relates to a
  • Energy store in a first sub-area of the state of charge range, and the second aging function relates to an aging behavior, in particular an aging rate, of the energy store in a second sub-range of the state of charge range.
  • the first sub-area lies below the second sub-area.
  • both limit values can be increased so that the operating range is shifted overall to higher state of charge values. If, on the other hand, the sign of the difference is such that the first aging index is smaller than the second aging index, then, for example, the two limit values are reduced, that is, the operating range is shifted to smaller state of charge values.
  • the method can regulate itself, in particular if it is carried out iteratively several times, so that after a certain time or a certain amount of time Number of adjustments of the operating range an optimal position of the
  • Operating range can be set, in particular without affecting the entire
  • an automatic adjustment of the operating range can also take place in the event of changing user behavior, since, by taking into account the difference, the limit values of the operating range, for example, always take place in such a way that an increase in the difference in the aging indicators is counteracted.
  • the first sub-range of the state of charge range lies in particular in an area around the minimum value of the state of charge range, that is to say in an area of 0%, or the first sub-range is itself limited by the minimum value, that is, it begins at 0%.
  • the second sub-range of the state of charge range lies in particular in the vicinity of the maximum value of the state of charge range or the minimum value itself is limited, that is to say ends at 100%.
  • each state of charge value that lies in the first sub-range is smaller than each state of charge value that lies in the second sub-range.
  • the first aging function has an absolute maximum in the first partial range, in particular at the minimum value, for example at 0%.
  • the first aging function thus describes one or more aging mechanisms that lead to increased aging at low state of charge values.
  • Aging mechanisms can include anode corrosion, for example.
  • the second aging function has an absolute maximum in the second sub-range, in particular at the maximum value
  • the second aging function describes in particular one or more
  • Such aging mechanisms can include electrolyte aging, for example.
  • the first and / or the second aging function can in particular be determined empirically or be determined by experimental measurements. This enables a particularly exact description of the aging of the energy store as a function of the state of charge.
  • the first and / or the second aging function can also be based on
  • the first aging function can decrease linearly or quadratically from the absolute maximum in the first partial area.
  • the second aging function can, for example, increase linearly or quadratically up to the absolute maximum in the second partial range.
  • the upper and lower limit values of the operating range are increased or decreased by the same value in each case.
  • the state of charge range which is allocated to the operating range, remains constant as a result of the adjustment.
  • the steps of determining the cumulative aging indicators, adapting the operating range and limiting the state of charge of the energy store are repeated iteratively.
  • a value of the charge state of the energy store is determined by means of the control unit for a plurality of repetitions, a function value for the value of the charge state is determined for each of the one or more aging functions, and each of the function values is added to a respective sum variable.
  • the one or more cumulative aging indicators are determined by means of the control unit as a function of the sum variables.
  • the sum variables can, for example, be equal to zero at the reference operating time and then be filled up over the operation of the energy store as described.
  • the function value for the value of the state of charge is in particular the respective function value of the aging function at the given value of the state of charge.
  • the respective cumulative aging index can therefore in particular be the respective sum variable after a certain number of repetitions. That is, the comparison of the difference with the maximum difference value is
  • the respective cumulative aging index of the sum variables can be made accordingly after each repetition, so that the comparison and the adjustment of the operating range can take place after each repetition.
  • the aging indicators are determined in particular by simply adding up aging-specific indicators, so that an actual analysis of the aging status of the energy store is not required.
  • a size is the adapted
  • the size of the operating range or the adapted operating range corresponds in particular to a difference between the upper limit value and the lower limit value or the upper adapted and the lower adapted limit value.
  • a first distance of the lower limit value from a minimum value of the state of charge range is determined by means of the control unit and / or a second distance of the upper limit value from a maximum value of the state of charge range is determined.
  • the control unit does not reduce the lower limit value to define the adapted operating range if the first distance is smaller than a predefined first minimum distance and / or the upper limit value is not increased to define the adapted operating range if the second distance is greater than a predefined one second
  • the minimum value and the maximum value of the state of charge range can in particular be the lower and the upper limit of the state of charge range.
  • the minimum value is therefore in particular 0%, the maximum value in particular 100%.
  • Operating range can be limited to the minimum distances.
  • a battery management system for an energy store for electrical energy is specified, the energy store having a state of charge range.
  • the battery management system includes a state of charge sensor and a
  • the state of charge sensor is set up to determine a state of charge of the energy store and to generate a sensor signal based thereon, that is to say on the determined state of charge.
  • the control unit is set up to limit operation of the energy store as a function of the sensor signal to a predetermined operating range, the predetermined operating range being within the state of charge range.
  • the control unit is designed to use one or more aging functions to determine one or more cumulative aging indicators, in particular as a function of the sensor signal.
  • the control unit is set up to set an upper limit value or a lower limit value
  • the state of charge sensor contains a voltage sensor which is set up and arranged to determine an output voltage or a counting voltage of the energy store and to generate the sensor signal based thereon. According to at least one embodiment, it is the
  • Battery management system to a battery management system for a fully or partially electrically driven motor vehicle or an electronic device, for example a smartphone, a tablet computer or a notebook.
  • the battery management system can be set up or programmed to carry out a method according to the improved concept, or the battery management system carries out such a method.
  • a motor vehicle which has an energy store for at least partially electrically driving the motor vehicle, the motor vehicle having a battery management system for the energy store according to the improved concept.
  • a computer program is specified with commands which, when the
  • Computer program by means of a computer system, in particular by means of a control unit of a battery management system according to the improved concept, cause the computer system to carry out a method for operating an energy store according to the improved concept.
  • a computer-readable storage medium is specified on which a computer program according to the improved concept is stored.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a motor vehicle according to the
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the improved concept
  • the motor vehicle 1 shows an exemplary embodiment of a motor vehicle 1 according to the improved concept.
  • the motor vehicle 1 has a
  • Energy store 2 which can be designed, for example, as a lithium ion battery, and a battery management system 3 based on the improved concept in order to control operation of the energy store 2.
  • the battery management system 3 has a state of charge sensor 4 which is set up, for example, to determine a cell voltage of the energy store 2.
  • the battery management system 3 also has a control unit 5 which is connected to the charge state sensor 4 in order to receive a sensor signal generated by the charge state sensor 4 as a function of the determined cell voltage.
  • the control unit 5 can depending on the sensor signal
  • the charge characteristic can, for example, be stored in an optional storage medium 6 of the
  • the storage medium 6 can for example also contain a computer program according to the improved concept.
  • the control unit 5 can, in particular, have read access to the storage medium 6 in order to carry out a method according to the improved concept.
  • FIG. 2 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method according to the improved concept, as it is, for example, from a
  • Battery management system 3 as shown in FIG. 1, can be executed.
  • a state of charge area 7 of the energy store 2 is shown by way of example as a bar.
  • the state of charge range 7 has a minimum value 7a and a
  • Maximum value 7b the minimum value 7a, for example, corresponding to 0% and the maximum value 7b, for example, corresponding to 100% of the maximum available charging capacity of the energy store 2.
  • step 13 of the method in particular by means of the control unit 5, a
  • Operating range 8 corresponds, for example, to a part, in particular to one
  • State of charge range 7 for example, the same distance as a lower limit value 8a of the operating range 8 from a minimum value 7a of the state of charge range 7. It should be noted that the initial position of the operating range is not relevant for the improved concept and is only assumed to be typically symmetrical.
  • the lithium-ion battery of the energy store 2 can show increased aging in the case of particularly small and particularly large states of charge.
  • first aging function 9 and a second aging function 10 which can be stored, for example, on the storage medium 6 and are shown schematically in Figure a) of FIG. 2.
  • the aging functions 9, 10 assign a respective aging index to a state of charge value SOC in percent.
  • the aging functions 9, 10 can be determined empirically, for example.
  • the first aging function 9 is in particular at a maximum at a state of charge of 0%, then drops and is then approximately negligibly small at values of 40% or greater.
  • the second aging function 10 is at very low state of charge values negligible, increases at values from approx. 30 to 40% and finally reaches its absolute maximum at 100%.
  • the first aging function 9 can, for example, describe corrosion of a copper conductor on an anode of the energy store 2, which can lead to increased aging at low cell voltages, that is to say in particular at a low state of charge.
  • the second aging function 10, can, for example, be a
  • the control unit 5 can, for example, determine a first and a second cumulative aging index 11, 12 based on the aging functions 9, 10 and an actual usage behavior of the energy store 2.
  • a time profile of the cumulative aging indicators 11, 12 is shown as an example.
  • the time course of the cumulative aging indicators 11, 12 can be determined, for example, in such a way that the state of charge of the energy store 2 is determined by means of the state of charge sensor 4 and the control unit 5 in accordance with a sampling scheme, in particular in accordance with a predetermined sampling rate, and respective functional values in accordance with the aging functions 9, 10 be calculated.
  • the function values are summed up over an operating period of the energy store 2, for example, and rise accordingly, the rise in the different accumulated aging indicators over time depending on the specific user behavior.
  • the first cumulative aging index increases more strongly the more often or the longer the energy store 2 is in a low state of charge, that is to say in particular in the vicinity of the lower limit value 8a.
  • the second cumulative aging index 12 then rises all the more the more often or the longer the energy store 2 is in a relatively high state of charge, that is to say in particular in the vicinity of the upper limit value 8b.
  • the energy store 2 is more frequently in high charge state ranges than in low charge state ranges.
  • This can be the case with motor vehicle 1, for example, when it regularly only covers relatively short distances before energy store 2 is recharged.
  • the second cumulative aging index rises more strongly over time than the first cumulative aging index 11.
  • the difference between the two aging indexes also increases over time, the difference being calculated from the second cumulative aging index minus the first cumulative aging index 11, for example positive.
  • step 15 of the method the difference between the cumulative aging indicators 11, 12 is determined by means of the control unit 5.
  • the determined difference is compared with a predetermined maximum difference value.
  • the maximum difference value can correspond, for example, to a maximum tolerated difference between the cumulative aging indicators 11, 12, up to which there is still no reaction by means of an adaptation of the limit values 8a, 8b. This can be advantageous because the difference between the two cumulative aging indicators 11, 12 does not necessarily increase continuously and, in particular, can also decrease depending on user behavior.
  • step 16 If it is determined in step 16 that the difference between the accumulated data
  • Aging indicators 11, 12 is greater than the maximum difference value, the position of the operating range 8 is shifted, for example, in such a way that a smaller increase in the difference is to be expected in the future.
  • the direction of the shift depends on whether the difference is positive or negative, i.e. whether the second cumulative aging index is greater or less than the second cumulative aging index 11.
  • step 16 the two current limit values 8a, 8b with the corresponding minimum and maximum values 7a, 7b of the
  • State of charge area 7 are compared. For example, a distance between the upper limit value 8b and the maximum value 7b can be calculated and compared with an associated minimum distance. Correspondingly, a distance between the lower limit value 8a and the minimum value 7a can be determined and compared with a further associated minimum distance.
  • FIG. 3 Different situations are shown in FIG. In figure a) of FIG. 3, the second aging function 10 and the operating range 8 are shown. In Figure b) of FIG. 3, the first aging function 9 and also the operating range 8 are shown.
  • Aging indicators 11, 12 are shown, as they are also shown in Figure b) of FIG. 2 is shown, that is, the second aging index 12 is greater than the first cumulative aging index 11, so that the difference is positive.
  • the operating range 8 is adapted in step 17 of the method, for example, in such a way that an adapted operating range 8 'results in that the two limit values 8a, 8b of the operating range 8 are each reduced by the same value to match the adapted limit values 8a', 8b '
  • Figure d) of FIG. 3 shows the opposite situation in which the first cumulative aging index 11 is greater than the second cumulative aging index 12, so that the difference that was formed in step 15 of the method is negative.
  • Figure c) of FIG. 3 shows a user behavior which is opposite to that shown in Figure c) of FIG. 3, according to which therefore rather low states of charge of the energy store 2 prevail.
  • the operating range 8 can be shifted upwards, i.e. to larger values of the state of charge, by the adapted operating range 8 "with associated upper and lower limit values 8a", 8b " to obtain.
  • the adaptation can optionally be omitted if the associated minimum distance between the upper limit value 8b and the maximum value 7b of the state of charge range 7 has already been reached.
  • steps 14, 15 and 16 can be carried out again, so that a continuous adjustment of the Operating area 8 takes place, for example, in order to gradually achieve an optimal position of operating area 8 in accordance with the current user situation or current user behavior.
  • the aging of the energy store can thus be achieved by adapting the position of the operating range, for example using a
  • the software function determines, for example, the optimal position of the operating range with regard to aging by adding two
  • Damage sizes are determined and compared. If faster aging is identified at the upper limit of the operating range than at the lower limit, the position of the operating range is shifted downwards, otherwise it is shifted upwards.
  • the aging of energy stores is reduced according to the improved concept by a position of the operating area that is adapted to the actual conditions of use.
  • the battery life can be increased even with very different user behavior.
  • This increase in service life is advantageous, for example, for various electronic devices, for example computers or smartphones, and in particular for fully electric motor vehicles or plug-in hybrids.
  • the improved concept can, however, be used to advantage for all corresponding aging mechanisms

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Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers (2) mit einem Ladezustandsbereich (7) wird angegeben. Dabei wird ein Betriebsbereich (8) innerhalb des Ladezustandsbereichs (7) vorgegeben, anhand einer oder mehrerer vorgegebener Alterungsfunktionen (9, 10) werden jeweils eine oder mehrere über eine Betriebsdauer des Energiespeichers (2) kumulierte Alterungskennzahlen (11, 12) mittels einer Steuereinheit (5) bestimmt. Der Betriebsbereich (8) wird abhängig von den Alterungskennzahlen (11, 12) angepasst, und ein Ladezustand des Energiespeichers (2) wird auf den angepassten Betriebsbereich (8', 8'') beschränkt.

Description

Batteriemanagementsystem und Betrieb eines Energiespeichers für elektrische Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers für elektrische Energie, wobei der Energiespeicher einen Ladezustandsbereich aufweist und ein Betriebsbereich vorgegeben wird, der innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Batteriemanagementsystem sowie ein Kraftfahrzeug und ein Computerprogramm.
Akkus beziehungsweise wiederaufladbare Batterien altern durch unterschiedliche physikalische Effekte. Beispielsweise kann ein Elektrolyt in Lithiumionen-Akkus bei hohen Zellspannungen, also insbesondere bei hohen Ladezuständen, und hoher Temperatur verstärkt altern, während beispielsweise ein Kupferableiter an der Anode bei niedrigerer Zellspannung, also bei einem niedrigeren Ladezustand, verstärkt altern kann. In bekannten Batteriemanagementsystemen wird daher ein Betriebsbereich für den Akku fest vorgegeben, so dass gezielt bestimmte Teilbereiche des Ladezustandsbereichs, insbesondere in einer Umgebung der maximalen und der minimalen Ladung, ausgespart werden, um eine übermäßig starke Alterung zu verhindern.
Je nach Nutzerverhalten werden jedoch bestimmte Bereiche des Ladezustandsbereichs des Akkus häufiger und andere Bereiche weniger eingenommen. Daher ist eine feste Vorgabe des Betriebszustandsbereichs notwendigerweise nicht optimal, so dass ein Kompromiss eingegangen werden muss, der verschiedene Nutzerverhalten jeweils höchstens teilweise berücksichtigt, keines jedoch in optimaler Weise. Entlädt der Nutzer den Akku in der Regel nur in geringem Maße bevor er ihn wieder voll auflädt, so befindet sich der Akku hauptsächlich im oberen Teil des Ladezustands- beziehungsweise
Betriebsbereichs. Ein entgegengesetztes Nutzerverhalten könnte beispielsweise dergestalt sein, dass ein Nutzer jeweils nur eine kurze Ladung des Akkus vornimmt, um eine minimale notwendige Kapazität zu gewährleisten, dem Akku aber in der Regel im unteren Teil des Ladezustands- beziehungsweise Betriebsbereichs hält, was sich, abhängig von Temperaturzonen oder Jahreszeiten, negativ auf die Lebensdauer auswirken kann.
Durch den nicht optimal auf das jeweilige Nutzerverhalten abgestimmten
Betriebszustandsbereich tritt nach wie vor eine erhöhte Alterung auf.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Konzept zum Betrieb eines Energiespeichers für elektrische Energie anzugeben, durch welches eine erhöhte Lebensdauer des Energiespeichers erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, ein
Batteriemanagementsystem, ein Kraftfahrzeug und ein Computerprogramm nach den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, kumulierte Alterungskennzahlen zu bestimmen und den Betriebsbereich, insbesondere eine Position des Betriebsbereichs, abhängig von den Alterungskennzahlen anzupassen, um einem Nutzerverhalten
Rechnung zu tragen
Gemäß einem ersten unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein
Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers für elektrische Energie, also eines Akkumulators, kurz Akku, oder einer Batterie, angegeben, wobei der Energiespeicher einen Ladezustandsbereich aufweist. Nach dem Verfahren wird ein Betriebsbereich des Energiespeichers vorgegeben, insbesondere mittels eines Batteriemanagementsystems, wobei der Betriebsbereich innerhalb, insbesondere vollständig innerhalb, des
Ladezustandsbereichs liegt. Anhand einer oder mehrerer vorgegebener
Alterungsfunktionen werden jeweils eine oder mehrere über eine Betriebsdauer des Energiespeichers kumulierte Alterungskennzahlen mittels einer Steuereinheit, insbesondere des Batteriemanagementsystems, bestimmt. Ein oberer Grenzwert und/oder ein unterer Grenzwert des Betriebsbereichs wird abhängig von der einen oder der mehreren kumulierten Alterungskennzahlen mittels der Steuereinheit angepasst, um einen angepassten Betriebsbereich zu definieren, den Betriebsbereich also anzupassen. Ein Ladezustand des Energiespeichers wird mittels der Steuereinheit auf den angepassten Betriebsbereich beschränkt, insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens des Energiespeichers.
Bei dem Ladezustandsbereich handelt es sich insbesondere um einen Wertebereich, den ein Ladezustand (englisch„state of Charge“, SOC) des Energiespeichers annehmen kann. Es handelt sich also um einen Wertebereich zwischen vollständiger Entladung und vollständiger Ladung des Energiespeichers. Beispielsweise kann der Ladezustand in Prozent als Anteil von einer maximal möglichen Ladung des Energiespeichers angegeben werden, so dass der Ladezustandsbereich per Definition von 0% bis 100% reicht. Alternativ kann der Ladezustand auch bezogen auf die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Ladung beispielsweise in Ah angegeben werden, so dass der Ladezustandsbereich von 0 Ah bis zu einer Maximalladung des Energiespeichers in Ah reicht. Mit anderen Worten kann der Ladezustand des Energiespeichers als diejenige Ladungskapazität des Energiespeichers verstanden werden, die zum jeweiligen
Zeitpunkt zur Verfügung steht, im Verhältnis zu einem nominalen Maximalladungswert. Ein Ladezustand von X % bedeutet somit, dass der Energiespeicher noch eine
Restladung von X % bezogen auf eine Maximalladung von 100% hat.
Bei dem Betriebsbereich des Energiespeichers handelt es sich insbesondere um einen Bereich, auf den der Ladezustand in einem tatsächlichen Betrieb des Energiespeichers mittels eines Batteriemanagementsystems beschränkt wird. Der Betriebsbereich liegt insbesondere vollständig innerhalb des Ladezustandsbereichs. Das heißt, der untere Grenzwert des Betriebsbereichs ist größer oder gleich einem Minimalwert des
Ladezustandsbereichs, also größer oder gleich 0%, und der obere Grenzwert des Betriebsbereichs ist kleiner oder gleich einem Maximalwert des Ladezustandsbereichs, also kleiner oder gleich 100%. Erreicht der Ladezustand beispielsweise die untere Grenze des Betriebsbereichs, so sorgt die Steuereinheit dafür, dass dem
Energiespeicher keine weitere Ladung entnommen wird, eine weitere Benutzung des Energiespeichers zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers ist dann nicht mehr möglich. Erreicht der Ladezustand durch Laden des Energiespeichers den oberen Grenzwert des Betriebsbereichs, so sorgt die Steuereinheit dafür, dass keine weitere Ladung in den Energiespeicher eingebracht werden kann, so dass das Laden nicht mehr fortgeführt werden kann.
Beispielsweise kann der untere Grenzwert einen ersten Abstand von 0 % und der obere Grenzwert einen zweiten Abstand von 100 % aufweisen. Dadurch wird vermieden, dass der Ladezustand sich zu nahe an den Werten 0% und 100% befindet, welche mit einer besonders starken Alterung des Energiespeichers einhergehen können.
Initial, also bevor der Betriebsbereich erstmalig angepasst wurde, kann der
Betriebsbereich beispielsweise symmetrisch innerhalb des Ladezustandsbereichs liegen, so dass der erste und der zweite Abstand gleich sind.
Unter einem Betrieb des Energiespeichers kann insbesondere das Laden des
Energiespeichers sowie das Entladen des Energiespeichers, insbesondere durch Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, verstanden werden.
Dass der Ladezustand des Energiespeichers auf den angepassten Betriebsbereich beschränkt wird, kann derart verstanden werden, dass die Steuereinheit dazu
eingerichtet ist, ein Laden des Energiespeichers über den angepassten oberen
Grenzwert zu unterbinden und ein Entladen des Energiespeichers, insbesondere durch Entnahme elektrischer Ladung mittels eines elektrischen Verbrauchers, unter den angepassten unteren Grenzwert des Betriebsbereichs zu unterbinden.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich insbesondere um einen Akkumulator oder Akku oder um eine wiederaufladbare Batterie. Insbesondere kann es sich um einen Akku zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs handeln oder um einen Akku für ein elektronisches Gerät, beispielsweise einen Computer oder ein Mobilfunkgerät, ein Smartphone, ein Notebook oder dergleichen.
Der Energiespeicher kann beispielsweise einen Lithiumionen-Akkumulator beinhalten, beispielsweise einen Lithium-Polymer-Akkumulator, einen Lithium-Kobaltdioxid- Akkumulator, einen Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator oder einen sonstigen
Akkumulator, der bei einem Ladezustand nahe 0% und/oder einem Ladezustand nahe 100% eine verstärkte Alterung zeigt, insbesondere im Vergleich zu einem Ladezustand von etwa 50%.
Bei der Alterungskennzahl kann es sich beispielsweise um eine relative Alterungsrate des Energiespeichers aufgrund eines oder mehrerer bestimmter Alterungsmechanismen handeln, die zu einer Gesamtalterungsrate des Energiespeichers beiträgt. Die Alterung des Energiespeichers kann beispielsweise in einer reduzierten Gesamtladungskapazität oder in einer reduzierten verbleibenden Lebensdauer des Energiespeichers resultieren. Die Alterungskennzahl kann beispielsweise angeben, wie groß die Alterungsrate im Vergleich zu einer Referenzalterungsrate ist. Die Referenzalterungsrate kann
beispielsweise einer Alterungsrate bei einem vorgegebenen Referenzladezustand des Energiespeichers entsprechen, wobei der Referenzladezustand beispielsweise in einem Bereich von 30 bis 60% liegen kann.
Die Alterungskennzahl gibt also insbesondere an, wie stark der Energiespeicher bei gegebenem Zustand, beispielsweise gegebener Temperatur und/oder gegebenem Ladezustand, aufgrund der entsprechenden Alterungsmechanismen altert. Insbesondere handelt es sich bei der Alterungskennzahl nicht um eine tatsächlich gegebene Alterung des Energiespeichers.
Bei einer Alterungsfunktion handelt es sich insbesondere um eine Funktion, welche einem Ladezustand des Energiespeichers eine entsprechende Alterungskennzahl zuordnet. Dabei kann jede der einen oder der mehreren Alterungsfunktionen
beispielsweise einen oder mehrere Alterungsmechanismen wiederspiegeln.
Beispielsweise kann eine erste Alterungsfunktion bei relativ kleinen Werten des
Ladezustands relativ groß sein und mit steigendem Wert des Ladezustands abfallen. Die erste Alterungsfunktion beschreibt also beispielsweise einen Alterungsmechanismus, der zu einer starken Alterung bei relativ kleinen Ladezuständen führt und bei größeren Ladezuständen weniger stark ins Gewicht fällt. Eine zweite Alterungsfunktion kann beispielsweise bei geringen Ladezustandswerten relativ klein sein und mit steigendem Ladezustand ansteigen und bei relativ großen Ladezuständen selbst einen relativ großen Wert annehmen. Die zweite Alterungsfunktion kann also beispielsweise einen oder mehrere Alterungsmechanismen beschreiben, die bei hohen Ladezuständen verstärkt auftreten und bei kleineren Ladezuständen weniger stark ins Gewicht fallen.
Insbesondere kann jede Alterungsfunktion einem Teilbereich des Ladezustandsbereichs zugeordnet sein, also einem Teilbereich, in dem der Energiespeicher besonders stark altert.
Bei der Betriebsdauer des Energiespeichers handelt es sich insbesondere um eine Zeit, die seit einem Referenzzeitpunkt verstrichen ist, wobei Zeiträume, innerhalb derer der Energiespeicher weder geladen noch entladen wurde, beispielsweise aus der
Betriebsdauer ausgenommen sein können.
Über die Betriebsdauer hinweg kann beispielsweise der Ladezustand des
Energiespeichers wiederholt, insbesondere mit einer vorgegebenen Abtastrate, bestimmt werden und die zugehörigen Funktionswerte der einen oder mehreren
Alterungsfunktionen können mittels der Steuereinheit bestimmt werden. Die so bestimmten Funktionswerte werden beispielsweise über die Betriebsdauer hinweg für jede Alterungsfunktion aufsummiert und stellen dann die eine oder die mehreren kumulierten Alterungskennzahlen dar. Insbesondere wird also aus jeder der
Alterungsfunktionen genau eine kumulierte Alterungskennzahl über die Betriebsdauer des Energiespeichers hinweg bestimmt.
Jede der Alterungsfunktionen kann beispielsweise kontinuierlich oder diskret, insbesondere gleichmäßig, auf dem gesamten Ladezustandsbereich definiert und vorgegeben sein.
Bevor die Grenzwerte des Betriebsbereichs angepasst werden, insbesondere bevor sie zum erstmalig angepasst werden, beschränkt die Steuereinheit den Ladezustand des Energiespeichers beispielsweise auf den Betriebsbereich.
Durch die Definition der Alterungsfunktionen und die entsprechende Bestimmung der kumulierten Alterungskennzahlen gefolgt von einer entsprechenden Anpassung des Betriebsbereichs beziehungsweise der Grenzwerte des Betriebsbereichs kann eine Position des Betriebsbereichs abhängig von einem Nutzerverhalten, welches in die Bestimmung der kumulierten Alterungskennzahlen direkt eingeht, mit Vorteil derart angepasst werden, dass einer oder mehrere kritische Teilbereiche des
Ladezustandsbereichs gezielt ausgespart werden. In den kritischen Teilbereichen kann die Alterungsrate des Energiespeichers beispielsweise besonders hoch sein, so dass durch die Anpassung der Grenzwerte des Betriebsbereichs die gesamte Alterungsrate, insbesondere mittlere Alterungsrate, reduziert und die Lebensdauer des
Energiespeichers entsprechend vergrößert werden kann.
Das Nutzerverhalten entscheidet insbesondere darüber, ob sich der Ladezustand häufiger in einen oberen oder in einem unteren Teilbereich des Ladezustandsbereichs beziehungsweise des Betriebsbereichs befindet. Eine symmetrische Positionierung des Betriebsbereichs ist daher nicht notwendigerweise optimal.
Die kumulierten Alterungskennzahlen reflektieren insbesondere, wie häufig
beziehungsweise wie lange sich der Energiespeicher in den jeweiligen kritischen Ladezustandsteilbereichen befindet. Die Anpassung der Grenzwerte des
Betriebsbereichs kann dann gezielt derart erfolgen, dass eine weniger starke Alterung, also weniger stark ansteigende kumulierte Alterungskennzahlen, über den weiteren Betrieb des Energiespeichers hinweg zu erwarten sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens kann bei der Anpassung der Grenzwerte ein zeitlicher Verlauf der kumulierten Alterungskennzahlen berücksichtigt werden. Insbesondere kann berücksichtigt werden, ob bei vergangenen Anpassungen der Grenzwerte des Betriebsbereichs eine Verlangsamung des Anstiegs der kumulierten Alterungskennzahlen erzielt werden konnte. Ist dies nicht der Fall, so kann bei einer erneuten Anpassung eine Richtung der Anpassung der Grenzwerte invertiert werden.
Solche Ausführungsformen können insbesondere vorteilhaft sein, wenn nur eine
Alterungsfunktion eingesetzt wird. Durch den Einbezug des zeitlichen Verlaufs kann entsprechend für die einzige kumulierte Alterungskennzahl eine Vergleichsbasis geschaffen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine von den kumulierten
Alterungskennzahlen abhängige Größe mit einem zugehörigen vorgegebenen
Maximalwert verglichen. Um den angepassten Bezugsbereich zu definieren, wird mittels der Steuereinheit abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs der untere Grenzwert vergrößert, wobei der obere Grenzwert nicht verändert wird, oder es wird der obere Grenzwert verkleinert, wobei der untere Grenzwert nicht verändert wird, oder es werden der untere und der obere Grenzwert jeweils, also insbesondere beide, verkleinert oder jeweils, also insbesondere beide, vergrößert.
Bei der von den kumulierten Alterungskennzahlen abhängigen Größe kann es sich um die entsprechende kumulierte Alterungskennzahl selbst handeln, insbesondere falls nur eine kumulierte Alterungskennzahl und nur eine zugehörige Alterungsfunktion eingesetzt werden. Werden zwei Alterungsfunktionen eingesetzt und liegen entsprechend zwei kumulierte Alterungskennzahlen vor, so kann es sich bei der Größe insbesondere um eine Differenz der kumulierten Alterungskennzahlen handeln.
Durch die Verkleinerung oder Vergrößerung der Grenzwerte wie beschrieben wird der Betriebsbereich derart angepasst, dass er von einem kritischen Teilbereich des
Ladezustandsbereichs, insbesondere von einem nach dem Nutzerverhalten besonders relevanten kritischen Teilbereich, weiter entfernt wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Steuereinheit anhand einer ersten Alterungsfunktion der vorgegebenen Alterungsfunktionen eine erste kumulierte Alterungskennzahl der kumulierten Alterungskennzahlen bestimmt. Mittels der
Steuereinheit wird anhand einer zweiten Alterungsfunktion der vorgegebenen
Alterungsfunktionen eine zweite kumulierte Alterungskennzahl der kumulierten
Alterungskennzahlen bestimmt. Mittels der Steuereinheit wird eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten kumulierten Alterungskennzahl bestimmt, und die Differenz wird insbesondere mit einem vorgegebenen maximalen Differenzwert verglichen. Wenn die Differenz größer ist als der vorgegebene maximale Differenzwert, werden der unteren und der obere Grenzwert des Betriebsbereichs mittels der Steuereinheit vergrößert oder es werden der untere und der obere Grenzwert des Betriebsbereichs verkleinert.
Ob die beiden Grenzwerte vergrößert oder verkleinert werden, hängt dabei insbesondere von einem Vorzeichen der Differenz ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform betrifft die erste Alterungsfunktion ein
Alterungsverhalten des Energiespeichers, insbesondere eine Alterungsrate des
Energiespeichers, in einem ersten Teilbereich des Ladezustandsbereichs, und die zweite Alterungsfunktion betrifft ein Alterungsverhalten, insbesondere eine Alterungsrate, des Energiespeichers in einem zweiten Teilbereich des Ladezustandsbereichs. Dabei liegt der erste Teilbereich unterhalb des zweiten Teilbereichs.
Beispielsweise können, wenn das Vorzeichen der Differenz derart ist, dass die erste kumulierte Alterungskennzahl größer ist als die zweite kumulierte Alterungskennzahl, beide Grenzwerte vergrößert werden, so dass der Betriebsbereich insgesamt zu höheren Ladezustandswerten verschoben wird. Ist das Vorzeichen der Differenz dagegen derart, dass die erste Alterungskennzahl kleiner ist als die zweite Alterungskennzahl, so werden beispielsweise die beiden Grenzwerte verkleinert, der Betriebsbereich also zu kleineren Ladezustandswerten verschoben.
Durch die Berücksichtigung der Differenz der beiden kumulierten Alterungskennzahlen kann insbesondere identifiziert werden, welche der beiden Alterungskennzahlen kritischer ist, also welcher kritische Teilbereich des Ladezustandsbereichs gemäß dem konkreten Nutzerverhalten häufiger auftritt und daher besonders relevant ist.
Entsprechend kann sich das Verfahren, insbesondere wenn es iterativ mehrmals durchgeführt wird, selbst regeln, so dass nach einer gewissen Zeit oder einer gewissen Anzahl von Anpassungen des Betriebsbereichs eine optimale Position des
Betriebsbereichs eingestellt sein kann, insbesondere ohne dass die gesamte
Ausdehnung des Betriebsbereichs verkleinert werden muss. Auch eine manuelle
Kontrolle oder Anpassung des Betriebsbereichs ist nicht erforderlich.
Ferner kann eine automatische Anpassung des Betriebsbereichs auch bei sich änderndem Nutzerverhalten erfolgen, da durch die Berücksichtigung der Differenz die der Grenzwerte des Betriebsbereichs beispielsweise immer derart erfolgt, dass einer Vergrößerung der Differenz der Alterungskennzahlen entgegengewirkt wird.
Der erste Teilbereich des Ladezustandsbereichs liegt insbesondere in einer Umgebung des Minimalwerts des Ladezustandsbereichs, also in einer Umgebung von 0%, oder der erste Teilbereich ist selbst durch den Minimalwert begrenzt, beginnt also bei 0%.
Der zweite Teilbereich des Ladezustandsbereichs liegt insbesondere in einer Umgebung des Maximalwerts des Ladezustandsbereichs oder wird den Minimalwert selbst begrenzt, endet also bei 100%.
Dass der erste Teilbereich unterhalb des zweiten Teilbereichs liegt, bedeutet
insbesondere, dass jeder Ladezustandswert, der in dem ersten Teilbereich liegt, kleiner ist als jeder Ladezustandswert, der in dem zweiten Teilbereich liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat die erste Alterungsfunktion ein absolutes Maximum in dem ersten Teilbereich, insbesondere bei dem Minimalwert, beispielsweise bei 0%.
Die erste Alterungsfunktion beschreibt also einen oder mehrere Alterungsmechanismen, die zu einer erhöhten Alterung bei niedrigen Ladezustandswerten führen. Solche
Alterungsmechanismen können beispielsweise eine Anodenkorrosion beinhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat die zweite Alterungsfunktion ein absolutes Maximum in dem zweiten Teilbereich, insbesondere bei dem Maximalwert,
beispielsweise bei 100%.
Die zweite Alterungsfunktion beschreibt insbesondere einen oder mehrere
Alterungsmechanismen, die zu einer hohen Alterungsrate bei relativ hohen Ladezustandswerten führen. Solche Alterungsmechanismen können beispielsweise eine Elektrolytalterung beinhalten.
Die erste und/oder die zweite Alterungsfunktion können insbesondere empirisch bestimmt sein oder durch experimentelle Messungen bestimmt sein. Dadurch lässt sich eine besonders exakte Beschreibung der Alterung des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem Ladezustand erreichen.
Die erste und/oder die zweite Alterungsfunktion können auch anhand von
Modellannahmen oder hypothetischen Annahmen bestimmt werden.
Beispielsweise kann die erste Alterungsfunktion von dem absoluten Maximum im ersten Teilbereich linear oder quadratisch abfallen. Die zweite Alterungsfunktion kann beispielsweise linear oder quadratisch ansteigen bis zu dem absoluten Maximum im zweiten Teilbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden der obere und der untere Grenzwert des Betriebsbereichs um jeweils denselben Wert vergrößert oder verkleinert. Die gesamte Ausdehnung des Betriebsbereichs beziehungsweise der Anteil des
Ladezustandsbereichs, der auf den Betriebsbereich entfällt, bleibt dadurch durch die Anpassung konstant.
Mit Vorteil wird dadurch eine Reduktion der verfügbaren Gesamtladungskapazität des Energiespeichers durch die Anpassung an das Nutzerverhalten vermieden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Schritte des Bestimmens der kumulierten Alterungskennzahlen, des Anpassens des Betriebsbereichs sowie des Beschränkens des Ladezustands des Energiespeichers iterativ wiederholt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Steuereinheit für eine Vielzahl von Wiederholungen jeweils ein Wert des Ladezustands des Energiespeichers bestimmt, für jede der einen oder der mehreren Alterungsfunktionen ein Funktionswert zu dem Wert des Ladezustands bestimmt, und jeder der Funktionswerte wird zu einer jeweiligen Summenvariablen addiert. Mittels der Steuereinheit werden die eine oder die mehreren kumulierten Alterungskennzahlen abhängig von den Summenvariablen bestimmt. Die Summenvariablen können beispielsweise zu dem Referenzbetriebszeitpunkt gleich Null sein und dann über den Betrieb des Energiespeichers hinweg wie beschrieben aufgefüllt werden.
Bei dem Funktionswert zu dem Wert des Ladezustands handelt es sich insbesondere um den jeweiligen Funktionswert der Alterungsfunktion bei dem gegebenen Wert des Ladezustands.
Bei der jeweiligen kumulierten Alterungskennzahl kann es sich also insbesondere um die jeweilige Summenvariable nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen handeln. Das heißt, der Vergleich der Differenz mit dem maximalen Differenzwert wird
beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen durchgeführt.
Alternativ kann die jeweilige kumulierte Alterungskennzahl der Summenvariablen nach jeder Wiederholung entsprechend, so dass der Vergleich sowie die Anpassung des Betriebsbereichs nach jeder Wiederholung erfolgen können.
In solchen Ausführungsform werden die Alterungskennzahlen insbesondere durch eine einfache Aufsummierung alterungsspezifischer Kennzahlen ermittelt, so dass eine tatsächliche Analyse des Alterungszustands des Energiespeichers nicht erforderlich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Größe des angepassten
Betriebsbereichs gleich einer Größe des Betriebsbereichs.
Die Größe des Betriebsbereichs beziehungsweise des angepassten Betriebsbereichs entspricht dabei insbesondere einer Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert beziehungsweise dem oberen angepassten und dem unteren angepassten Grenzwert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Steuereinheit ein erster Abstand des unteren Grenzwerts von einem Minimalwert des Ladezustandsbereichs bestimmt und/oder es wird ein zweiter Abstand des oberen Grenzwerts von einem Maximalwert des Ladezustandsbereichs bestimmt. Der untere Grenzwert wird mittels der Steuereinheit nicht zum Definieren des angepassten Betriebsbereichs verkleinert, wenn der erste Abstand kleiner ist als ein vorgegebener erster Minimalabstand und/oder der obere Grenzwert wird nicht zum Definieren des angepassten Betriebsbereichs vergrößert, wenn der zweite Abstand größer ist als ein vorgegebener zweiter
Minimalabstand. Bei dem Minimalwert und dem Maximalwert des Ladezustandsbereichs kann es sich insbesondere um die untere und die obere Grenze des Ladezustandsbereichs handeln. Der Minimalwert beträgt also insbesondere 0%, der Maximalwert insbesondere 100%.
Bei der Verschiebung beider Grenzwerte des Betriebsbereichs wird im konkreten Fall das Alterungsverhalten bezogen auf einen der kritischen Teilbereiche des
Ladezustandsbereichs verbessert, bezüglich des weiteren kritischen Teilbereichs aber verschlechtert. Zwar handelt es sich bei dem letzteren Teilbereich um den nach dem konkreten Nutzerverhalten weniger relevanten, in einzelnen Fällen kann jedoch auch dieser nicht vollständig vermieden werden. Um eine zu extreme Alterung in solchen Ausnahmefällen zu verhindern, können die Abstände der Grenzwerte des
Betriebsbereichs auf die Minimalabstände beschränkt werden.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Batteriemanagementsystem für einen Energiespeicher für elektrische Energie angegeben, wobei der Energiespeicher einen Ladezustandsbereich aufweist. Das Batteriemanagementsystem beinhaltet einen Ladezustandssensor und eine
Steuereinheit. Der Ladezustandssensor ist dazu eingerichtet, einen Ladezustand des Energiespeichers zu bestimmen und basierend auf darauf, also auf dem bestimmten Ladezustand, ein Sensorsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, einen Betrieb des Energiespeichers abhängig von dem Sensorsignal auf einen vorgegebenen Betriebsbereich zu beschränken, wobei der vorgegebene Betriebsbereich innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, anhand einer oder mehrerer Alterungsfunktionen jeweils eine oder mehrere kumulierte Alterungskennzahlen zu bestimmen, insbesondere abhängig von dem Sensorsignal. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, einen oberen Grenzwert oder einen unteren
Grenzwert des Betriebsbereichs abhängig von der einen oder den mehreren kumulierten Alterungskennzahlen anzupassen, um einen angepassten Betriebsbereich zu definieren und den Ladezustand abhängig von dem Sensorsignal auf den angepassten
Betriebsbereich zu beschränken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Ladezustandssensor einen Spannungssensor, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Ausgangsspannung oder eine Zählspannung des Energiespeichers zu bestimmen und basierend darauf das Sensorsignal zu erzeugen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem
Batteriemanagementsystem um ein Batteriemanagementsystem für ein vollständig oder teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug oder ein elektronisches Gerät, beispielsweise ein Smartphone, einen Tablet-Computer oder ein Notebook.
Weitere Ausführungsformen des Batteriemanagementsystems folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des Verfahrens zum Betrieb eines
Energiespeichers nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere kann das Batteriemanagementsystem dazu eingerichtet oder programmiert sein, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen oder das Batteriemanagementsystem führt ein solches Verfahren durch.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Kraftfahrzeug angegeben, welches einen Energiespeicher zum wenigstens teilweise elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs aufweist, wobei das Kraftfahrzeug ein Batteriemanagementsystem für den Energiespeicher gemäß dem verbesserten Konzept aufweist.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben, welche bei Ausführung des
Computerprogramms mittels eines Computersystems, insbesondere mittels einer Steuereinheit eines Batteriemanagementsystems nach dem verbesserten Konzept, das Computersystem dazu veranlassen, ein Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein computerlesbares Speichermedium angegeben, auf welchem ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept gespeichert ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs nach dem
verbesserten Konzept;
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept; und
Fig. 3 verschiedene Aspekte einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 1 nach dem verbesserten Konzept gezeigt. Insbesondere weist das Kraftfahrzeug 1 einen
Energiespeicher 2 auf, der beispielsweise als Lithiumionen-Akku ausgebildet sein kann, sowie ein Batteriemanagementsystem 3 nach dem verbesserten Konzept, um einen Betrieb des Energiespeichers 2 zu steuern.
Das Batteriemanagementsystem 3 weist einen Ladezustandssensor 4 auf, der beispielsweise dazu eingerichtet ist, eine Zellenspannung des Energiespeichers 2 zu bestimmen. Das Batteriemanagementsystem 3 weist außerdem eine Steuereinheit 5 auf, die mit dem Ladezustandssensor 4 verbunden ist, um ein von dem Ladezustandssensor 4 in Abhängigkeit von der bestimmten Zellenspannung erzeugtes Sensorsignal zu empfangen. Die Steuereinheit 5 kann abhängig von dem Sensorsignal einen
Ladezustand des Energiespeichers 2 bestimmen, beispielsweise durch Abgleich mit einer vorgegebenen Ladecharakteristik des Energiespeichers 2. Die Ladecharakteristik kann beispielsweise in einem optionalen Speichermedium 6 des
Batteriemanagementsystems 3 gespeichert sein.
Das Speichermedium 6 kann beispielsweise auch ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept beinhalten. Die Steuereinheit 5 kann insbesondere lesend auf das Speichermedium 6 zugreifen, um ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
Für weitere Einzelheiten der Funktion des Batteriemanagementsystems 3 wird auf die Ausführungen zu den Figuren Fig. 2 und Fig. 3 verwiesen. In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept dargestellt, wie es beispielsweise von einem
Batteriemanagementsystem 3, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ausgeführt werden kann.
Ein Ladezustandsbereich 7 des Energiespeichers 2 ist beispielhaft als Balken dargestellt. Der Ladezustandsbereich 7 weist einen Minimalwert 7a und einen
Maximalwert 7b auf, wobei der Minimalwert 7a beispielsweise 0% und der Maximalwert 7b beispielsweise 100% der maximal verfügbaren Ladekapazität des Energiespeichers 2 entspricht.
In Schritt 13 des Verfahrens wird insbesondere mittels der Steuereinheit 5 ein
Betriebsbereich 8 des Energiespeichers 2 vorgegeben. Der vorgegebene
Betriebsbereich 8 entspricht beispielsweise einem Teil, insbesondere einem
zusammenhängenden Teil, des Ladezustandsbereichs 7, welcher beispielsweise zentral innerhalb des Ladezustandsbereichs 7 angeordnet ist. Dementsprechend weist ein oberer Grenzwert 8b des Betriebsbereichs von dem Maximalwert 7b des
Ladezustandsbereichs 7 zum Beispiel denselben Abstand auf wie ein unterer Grenzwert 8a des Betriebsbereichs 8 von einem Minimalwert 7a des Ladezustandsbereichs 7. Es wird darauf hingewiesen, dass die initiale Lage des Betriebsbereichs für das verbesserte Konzept nicht relevant ist und lediglich als typischerweise symmetrisch angenommen wird.
Die Aussparung der Bereiche zwischen den Ladezustandswerten 7b und 8b
beziehungsweise 7a und 8a bei der Vorgabe des Betriebsbereichs 8 geht insbesondere darauf zurück, dass der Lithiumionen-Akku des Energiespeichers 2 bei besonders kleinen und bei besonders großen Ladezuständen erhöhte Alterung zeigen kann.
Dies spiegeln auch eine erste Alterungsfunktion 9 und eine zweite Alterungsfunktion 10 wieder, die beispielsweise auf dem Speichermedium 6 gespeichert sein können und in Abbildung a) der Fig. 2 schematisch dargestellt sind. Die Alterungsfunktionen 9, 10 ordnen einem Ladezustandswert SOC in Prozent eine jeweilige Alterungskennzahl zu. Die Alterungsfunktionen 9, 10 können beispielsweise empirisch bestimmt sein. Die erste Alterungsfunktion 9 ist insbesondere maximal bei einem Ladezustand von 0%, fällt dann ab und ist dann bei Werten von 40% oder größer näherungsweise vernachlässigbar klein. Die zweite Alterungsfunktion 10 ist dagegen bei sehr kleinen Ladezustandswerten vernachlässigbar, steigt bei Werten ab ca. 30 bis 40% an und erreicht schließlich bei 100% ihr absolutes Maximum.
Die erste Alterungsfunktion 9 kann beispielsweise eine Korrosion eines Kupferableiters an einer Anode des Energiespeichers 2 beschreiben, die zu einer erhöhten Alterung bei niedrigen Zellenspannungen, also insbesondere bei niedrigem Ladezustand, führen kann. Die zweite Alterungsfunktion 10 kann dagegen beispielsweise eine
Elektrolytalterung des Energiespeichers 2 beschreiben, die bei höheren
Zellenspannungen und entsprechend höheren Ladezuständen zu einer verstärkten Alterung des Energiespeichers führt.
In Schritt 14 kann die Steuereinheit 5 beispielsweise eine erste und eine zweite kumulierte Alterungskennzahl 11 , 12 anhand der Alterungsfunktionen 9, 10 und einem tatsächlichen Nutzungsverhalten des Energiespeichers 2 bestimmen. In Abbildung b) der Fig. 2 ist beispielhaft ein zeitlicher Verlauf der kumulierten Alterungskennzahlen 11 , 12 dargestellt. Der zeitliche Verlauf der kumulierten Alterungskennzahlen 11 , 12 kann beispielsweise derart bestimmt werden, dass entsprechend eines Abtastschemas, insbesondere entsprechend einer vorgegebenen Abtastrate, der Ladezustand des Energiespeichers 2 mittels des Ladezustandssensors 4 und der Steuereinheit 5 bestimmt wird und entsprechend der Alterungsfunktionen 9, 10 jeweilige Funktionswerte berechnet werden. Die Funktionswerte werden beispielsweise über eine Betriebsdauer des Energiespeichers 2 hinweg aufsummiert und steigen dementsprechend an, wobei der Anstieg der unterschiedlichen kumulierten Alterungskennzahlen über die Zeit von dem konkreten Nutzerverhalten abhängt. Insbesondere steigt die erste kumulierte Alterungskennzahl 11 im gezeigten Beispiel umso stärker an, je öfter oder je länger sich der Energiespeicher 2 in einem geringen Ladezustand, also insbesondere in der Nähe des unteren Grenzwertes 8a, befindet. Die zweite kumulierte Alterungskennzahl 12 steigt dann umso stärker an, je öfter oder je länger sich der Energiespeicher 2 in einem relativ hohen Ladezustand befindet, also insbesondere in der Nähe des oberen Grenzwerts 8b.
Im gezeigten Beispiel liegt insbesondere ein Nutzerverhalten vor, bei dem sich der Energiespeicher 2 häufiger in hohen Ladezustandsbereichen befindet als in niedrigen Ladezustandsbereichen. Dies kann beispielsweise bei dem Kraftfahrzeug 1 der Fall sein, wenn es regelmäßig nur relativ kurze Strecken zurücklegt, bevor der Energiespeicher 2 wieder aufgeladen wird. Entsprechend steigt die zweite kumulierte Alterungskennzahl 12 über die Zeit stärker an als die erste kumulierte Alterungskennzahl 11. Die Differenz der beiden Alterungskennzahlen steigt über die Zeit ebenfalls an, wobei die Differenz, berechnet aus der zweiten kumulierten Alterungskennzahl 12 minus der ersten kumulierten Alterungskennzahl 11 , beispielsweise positiv ist.
In Schritt 15 des Verfahrens wird die Differenz der kumulierten Alterungskennzahlen 11 , 12 mittels der Steuereinheit 5 bestimmt.
In Schritt 16 des Verfahrens wird die bestimmte Differenz mit einem vorgegebenen maximalen Differenzwert verglichen. Der maximale Differenzwert kann beispielsweise einem maximal tolerierten Unterschied zwischen den kumulierten Alterungskennzahlen 11 , 12 entsprechen, bis zu dem noch nicht mittels einer Anpassung der Grenzwerte 8a, 8b reagiert wird. Dies kann vorteilhaft sein, da die Differenz der beiden kumulierten Alterungskennzahlen 11 , 12 nicht zwingend kontinuierlich ansteigt und insbesondere auch, je nach Nutzerverhalten, kleiner werden kann.
Wird in Schritt 16 festgestellt, dass die Differenz zwischen den kumulierten
Alterungskennzahlen 11 , 12 größer ist als der maximale Differenzwert, so wird die Position des Betriebsbereichs 8 beispielsweise derart verschoben, dass zukünftig ein geringerer Anstieg der Differenz zu erwarten ist. Die Richtung der Verschiebung hängt dabei davon ab, ob die Differenz positiv oder negativ ist, also ob die zweite kumulierte Alterungskennzahl größer oder kleiner ist als die zweite kumulierte Alterungskennzahl 1 1.
Optional können in Schritt 16 auch die beiden derzeitigen Grenzwerte 8a, 8b mit den entsprechenden Minimal- beziehungsweise Maximalwerten 7a, 7b des
Ladezustandsbereichs 7 verglichen werden. Beispielsweise kann ein Abstand des oberen Grenzwerts 8b von dem Maximalwert 7b berechnet und mit einem zugehörigen Minimalabstand verglichen werden. Entsprechend kann ein Abstand zwischen dem unteren Grenzwert 8a von dem Minimalwert 7a bestimmt werden und mit einem weiteren zugehörigen Minimalabstand verglichen werden.
In Fig. 3 sind unterschiedliche Situationen dargestellt. In Abbildung a) der Fig. 3 sind die zweite Alterungsfunktion 10 sowie der Betriebsbereich 8 dargestellt. In Abbildung b) der Fig. 3 sind die erste Alterungsfunktion 9 sowie ebenfalls der Betriebsbereich 8 dargestellt.
In Abbildung c) der Fig. 3 ist dieselbe Situation anhand der kumulierten
Alterungskennzahlen 11 , 12 dargestellt, wie sie auch in Abbildung b) der Fig. 2 dargestellt ist, das heißt, die zweite Alterungskennzahl 12 ist größer als die erste kumulierte Alterungskennzahl 11 , so dass die Differenz positiv ist. Dies lässt auf ein Nutzerverhalten schließen, bei dem tendenziell eher hohe Ladezustände eingenommen werden. Entsprechend wird der Betriebsbereich 8 in Schritt 17 des Verfahrens beispielsweise derart angepasst, dass ein angepasster Betriebsbereich 8‘ resultiert, indem die beiden Grenzwerte 8a, 8b des Betriebsbereichs 8 jeweils um denselben Wert verkleinert werden, um angepasste Grenzwerte 8a‘, 8b‘ des angepassten
Betriebsbereichs 8‘ zu erhalten. Optional kann die Anpassung jedoch dann unterbleiben, wenn in Schritt 16 festgestellt wird, dass der zugehörige Minimalabstand zwischen dem unteren Grenzwert 8a und dem Minimalwert 7a des Ladezustandsbereichs bereits erreicht ist.
Durch die Verschiebung des Betriebsbereichs 8 auf kleinere Werte des Ladezustands wird bei dem konkreten vorliegenden Nutzungsverhalten, wie es in Abbildung c) der Fig.
3 skizziert ist, eine verstärkte Alterung aufgrund des der Alterungsfunktion 10
zugrundeliegenden Mechanismus reduziert, so dass eine weniger starke Alterung des Energiespeichers 2 zu erwarten ist.
In Abbildung d) der Fig. 3 ist die umgekehrte Situation gezeigt, in der die erste kumulierte Alterungskennzahl 11 größer ist als die zweite kumulierte Alterungskennzahl 12, so dass die Differenz, die in Schritt 15 des Verfahrens gebildet wurde, negativ ist. Dies lässt auf ein Nutzerverhalten schließen, welches demjenigen dem in Abbildung c) der Fig. 3 gezeigten entgegengesetzt ist, gemäß dem also eher geringe Ladezustände des Energiespeichers 2 vorherrschen. Entsprechend kann, wie in den Abbildungen a), b) der Fig. 3 dargestellt, der Betriebsbereich 8 nach oben verschoben werden, also zu größeren Werten des Ladezustands, um den angepassten Betriebsbereich 8“ mit zugehörigen oberen und unteren Grenzwerten 8a“, 8b“ zu erhalten. Auch hier kann optional die Anpassung unterbleiben, wenn der zugehörige Minimalabstand zwischen oberem Grenzwert 8b und Maximalwert 7b des Ladezustandsbereichs 7 bereits erreicht ist.
Durch die Verschiebung des Betriebsbereichs 8 nach oben wird auch in diesem Fall dem konkreten Nutzerverhalten Rechnung getragen und eine zukünftige Alterungsrate des Energiespeichers 2 reduziert.
Nach der Anpassung des Betriebsbereichs 8 in Schritt 17 können die Schritte 14, 15 und 16 wiederum durchgeführt werden, so dass eine kontinuierliche Anpassung des Betriebsbereichs 8 erfolgt, um beispielsweise schrittweise eine optimale Position des Betriebsbereichs 8 entsprechend der aktuellen Nutzersituation oder des aktuellen Nutzerverhaltens erzielt wird.
Gemäß dem verbesserten Konzept kann also die Alterung des Energiespeichers durch die Anpassung der Position des Betriebsbereichs, beispielsweise anhand einer
Softwarefunktion der Steuereinheit, verringert werden. Indem die kumulierten
Alterungskennzahlen bestimmt werden, ermittelt die Softwarefunktion beispielsweise die in Bezug auf die Alterung optimale Position des Betriebsbereichs, indem zwei
Schädigungsgrößen ermittelt und verglichen werden. Wird an der oberen Grenze des Betriebsbereichs eine schnellere Alterung identifiziert als an der unteren Grenze, so wird die Position des Betriebsbereichs nach unten verschoben, ansonsten wird sie nach oben verschoben.
Die Alterung von Energiespeichern, beispielsweise von Lithiumionen-Akkus, wird nach dem verbesserten Konzept durch eine auf die tatsächlichen Nutzungsbedingungen angepasste Position des Betriebsbereichs reduziert. Dadurch ist auch bei sehr unterschiedlichen Nutzerverhaltens jeweils eine Steigerung der Akkulebensdauer möglich. Dieser Lebensdauergewinn ist beispielsweise für diverse elektronische Geräte, beispielsweise Computer oder Smartphones, sowie insbesondere für vollelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge oder Plug-in-Hybride, von Vorteil. Das verbesserte Konzept lässt sich mit Vorteil jedoch für alle entsprechenden Alterungsmechanismen
unterworfenen Speicherbatterien für elektrische Energie anwenden.
Bezugszeichen
1 Kraftfahrzeug
2 Energiespeicher
3 Batteriemanagementsystem
4 Ladezustandssensor
5 Steuereinheit
6 Speichermedium
7 Ladezustandsbereich
7a Minimalwert
7b Maximalwert
8 Betriebsbereich
8‘, 8“ angepasster Betriebsbereich
8a unterer Grenzwert
8b oberer Grenzwert
8a‘, 8a“ angepasster unterer Grenzwert 8b‘, 8b“ angepasster oberer Grenzwert 9, 10 Alterungsfunktionen
1 1 , 12 kumulierte Alterungskennzahlen 13 bis 17 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers (2) für elektrische Energie wobei der Energiespeicher (2) einen Ladezustandsbereich (7) aufweist und ein
Betriebsbereich (8) vorgegeben wird, der innerhalb des Ladezustandsbereichs (7) liegt;
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand einer oder mehrerer vorgegebener Alterungsfunktionen (9, 10) jeweils eine oder mehrere über eine Betriebsdauer des Energiespeichers (2) kumulierte Alterungskennzahlen (11 , 12) mittels einer Steuereinheit bestimmt werden;
ein oberer Grenzwert (8b) und/oder ein unterer Grenzwert (8a) des
Betriebsbereichs (8) abhängig von der einen oder den mehreren kumulierten Alterungskennzahlen (11 , 12) mittels der Steuereinheit angepasst wird, um einen angepassten Betriebsbereich (8‘, 8“) zu definieren; und
ein Ladezustand des Energiespeichers (2) mittels der Steuereinheit auf den angepassten Betriebsbereich (8‘, 8“) beschränkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (5)
eine von den kumulierten Alterungskennzahlen (11 , 12) abhängige Größe mit einem zugehörigen vorgegebenen Maximalwert verglichen wird; und
abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs, um den angepassten
Betriebsbereich (8‘, 8“) zu definieren,
- der untere und der obere Grenzwert (8a, 8b) jeweils verkleinert oder jeweils vergrößert werden; oder - der untere Grenzwert (8a) vergrößert wird und der obere Grenzwert (8b) nicht verändert wird; oder
- der obere Grenzwert (8b) verkleinert wird und der untere Grenzwert (8a) nicht verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (5)
anhand einer ersten Alterungsfunktion (9) der vorgegebenen Alterungsfunktionen
(9, 10) eine erste kumulierte Alterungskennzahl (11) bestimmt wird;
anhand einer zweiten Alterungsfunktion (10) der vorgegebenen
Alterungsfunktionen (9, 10) eine zweite kumulierte Alterungskennzahl (12) bestimmt wird;
eine Differenz der ersten und der zweiten kumulierten Alterungskennzahl (11 , 12) bestimmt wird; und
wenn die Differenz größer als ein vorgegebener maximaler Differenzwert ist, um den angepassten Betriebsbereich (8‘, 8“) zu definieren,
- der untere und der obere Grenzwert (8a, 8b) des Betriebsbereichs (8) vergrößert werden; oder
- der untere und der obere Grenzwert (8a, 8b) des Betriebsbereichs (8) verkleinert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Alterungsfunktion (9) ein Alterungsverhalten des Energiespeichers (2) in einem ersten Teilbereich des Ladezustandsbereichs (7) betrifft;
die zweite Alterungsfunktion (10) ein Alterungsverhalten des Energiespeichers (2) in einem zweiten Teilbereich des Ladezustandsbereichs (7) betrifft; und der erste Teilbereich unterhalb des zweiten Teilbereichs liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (5)
für eine Vielzahl von Wiederholungen jeweils
- ein Wert des Ladezustands des Energiespeichers (2) bestimmt wird; - für jede der einen oder der mehreren Alterungsfunktionen (9, 10) ein
Funktionswert zu dem Wert des Ladezustands bestimmt wird;
- jeder der Funktionswerte zu einer jeweiligen Summenvariable addiert wird; und die eine oder die mehreren kumulierten Alterungskennzahlen (11 , 12) abhängig von den Summenvariablen bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Größe des angepassten Betriebsbereichs (8‘, 8“) gleich einer Größe des Betriebsbereichs (8) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (5)
ein erster Abstand des unteren Grenzwerts (8a) von einem Minimalwert (7a) des Ladezustandsbereichs (7) bestimmt wird und/oder ein zweiter Abstand des oberen Grenzwerts (8b) von einem Maximalwert (7b) des Ladezustandsbereichs (7) bestimmt wird;
der untere Grenzwert (8a) nicht zum Definieren des angepassten Betriebsbereichs (8‘, 8“) verkleinert wird, wenn der erste Abstand kleiner ist als ein vorgegebener erster Minimalabstand und/oder der obere Grenzwert (8b) nicht zum Definieren des angepassten Betriebsbereichs (8‘, 8“) vergrößert wird, wenn der zweite Abstand größer ist als ein vorgegebener zweiter Minimalabstand.
8. Batteriemanagementsystem für einen Energiespeicher (2) für elektrische Energie, wobei der Energiespeicher (2) einen Ladezustandsbereich (7) aufweist, das Batteriemanagementsystem (3) beinhaltend
einen Ladezustandssensor (4), dazu eingerichtet, einen Ladezustand des
Energiespeichers (2) zu bestimmen und basierend darauf ein Sensorsignal zu erzeugen; und
eine Steuereinheit (5), dazu eingerichtet, einen Betrieb des Energiespeichers (2) abhängig von dem Sensorsignal auf einen vorgegebenen Betriebsbereich (8) zu beschränken, der innerhalb des Ladezustandsbereichs (7) liegt;
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, anhand einer oder mehrerer vorgegebener Alterungsfunktionen (9, 10) jeweils eine oder mehrere kumulierte Alterungskennzahlen (11 , 12) zu bestimmen;
einen oberen Grenzwert (8b) und/oder einen unteren Grenzwert (8a) des
Betriebsbereichs (8) abhängig von der einen oder den mehreren kumulierten Alterungskennzahlen (11 , 12) anzupassen, um einen angepassten Betriebsbereich (8‘, 8“) zu definieren; und
den Ladezustand abhängig von dem Sensorsignal auf den angepassten
Betriebsbereich (8‘, 8“) zu beschränken.
9. Kraftfahrzeug, aufweisend einen Energiespeicher (2) zum wenigstens teilweise elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kraftfahrzeug (1) ein Batteriemanagementsystem (3) für den Energiespeicher (2) nach Anspruch 8 aufweist.
10. Computerprogramm mit Befehlen, welche bei Ausführung des
Computerprogramms mittels eines Computersystems, insbesondere mittels einer Steuereinheit (5) eines Batteriemanagementsystems (3) nach Anspruch 8, das Computersystem dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021109317A1 (de) 2021-04-14 2022-10-20 Man Truck & Bus Se Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers
FR3126560A1 (fr) * 2021-08-26 2023-03-03 Psa Automobiles Sa Procede de gestion d’une session de recharge d’un vehicule electrifie pour determiner un etat de charge cible en fin de charge

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19540827C2 (de) * 1994-11-17 1998-07-02 Daimler Benz Ag Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie
AT502496B1 (de) * 2006-02-02 2007-04-15 Wieger Martin Dipl Ing Verfahren und anordnung zur veränderung des lade- und gesundheitszustandes (soc, soh) bei akkumulatoren
DE102009042656A1 (de) * 2009-09-23 2011-03-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung mindestens eines den Alterungszustand eines elektrischen Energiespeichers beeinflussenden Betriebsparameters
US8452556B2 (en) * 2010-09-22 2013-05-28 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for estimating SOC of a battery
DE102010062856A1 (de) * 2010-12-10 2012-06-21 Sb Limotive Company Ltd. Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern einer Batterie, Batteriemanagementsystem und Batterie
CN102540081B (zh) * 2010-12-29 2015-01-21 上海汽车集团股份有限公司 用于确定车载蓄电池荷电状态的方法
CN102790408B (zh) * 2011-05-16 2015-07-15 上海汽车集团股份有限公司 双蓄电池汽车供电***中的能量均衡存储方法
US9983269B2 (en) * 2013-09-11 2018-05-29 Gs Yuasa International Ltd. Apparatus and method for estimating life of energy storage device and energy storage system
DE102013017398A1 (de) * 2013-10-18 2015-04-23 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug
CN104749525B (zh) * 2013-12-31 2017-11-17 华为技术有限公司 电池老化状态检测装置、***、方法
US9428072B2 (en) * 2014-01-09 2016-08-30 Ford Global Technologies, Llc Method and system for extending battery life
DE102014214314A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Sekundärbatterie
FR3025663B1 (fr) * 2014-09-10 2017-12-29 Renault Sas Procede de gestion de la plage d'utilisation d'une batterie
FR3030768B1 (fr) * 2014-12-22 2018-04-06 Renault S.A.S Procede de gestion d'energie d'une batterie de traction d'un vehicule hybride rechargeable.
DE102015001050A1 (de) * 2015-01-29 2016-08-04 Man Truck & Bus Ag Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung mindestens eines einen Alterungszustand eines elektrischen Energiespeichers beeinflussenden Betriebsparameters des elektrischen Energiespeichers
DE102015002072A1 (de) * 2015-02-18 2016-08-18 Audi Ag Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen
CN105383422B (zh) * 2015-12-11 2017-12-19 北京汽车股份有限公司 汽车蓄电池控制方法和装置
EP3203574A1 (de) * 2016-02-08 2017-08-09 Siemens Aktiengesellschaft Lebensdauersteuerung für energiespeicher

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