WO2023030835A1 - Verfahren zur bestimmung einer verfügbarkeit eines elektrischen energiespeichers, elektrischer energiespeicher und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer verfügbarkeit eines elektrischen energiespeichers, elektrischer energiespeicher und vorrichtung Download PDF

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WO2023030835A1
WO2023030835A1 PCT/EP2022/072262 EP2022072262W WO2023030835A1 WO 2023030835 A1 WO2023030835 A1 WO 2023030835A1 EP 2022072262 W EP2022072262 W EP 2022072262W WO 2023030835 A1 WO2023030835 A1 WO 2023030835A1
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electrical energy
energy store
energy storage
voltage
pred
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PCT/EP2022/072262
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Inventor
Peter Kohn
Vincent Scharff
Johannes Maximilian Nipper
Venkatrao DESAI
Christel Sarfert
Johannes Swoboda
Christoph Kroener
Joerg Schneider
Shweta Vijay Pawar
Olivier Cois
Triantafyllos Zafiridis
Holavanahalli Shashank
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • 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]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3647—Constructional arrangements for determining the ability of a battery to perform a critical function, e.g. cranking
    • 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]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G01R31/387—Determining ampere-hour charge capacity or SoC

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an availability of an electrical energy store, an electrical energy store and a device.
  • DE 10 2014 103 803 A1 discloses a battery state estimator that combines an electrochemical solid state concentration model with an empirical equivalent circuit model.
  • US 2016/0055736 A1 shows an improved battery early warning system and a battery monitoring system.
  • DE 10 2010 024241 A1 discloses a method for use with a vehicle battery stack that has a large number of battery cells.
  • the core of the invention in the method for determining an availability of an electrical energy storage device, which has at least one electrical energy storage cell and at least one sensor, is that a required performance profile for the electrical energy storage device is specified, in particular with a required performance being determined by means of the required performance profile becomes, wherein an expected voltage of the electrical energy store is compared with a minimum voltage limit value of the electrical energy store and/or a current minimum state of charge is compared with a state of charge of the electrical energy store required for the required performance profile, with a result of the comparison being output, in particular whether the electrical energy store has the availability required for the required performance profile.
  • the background to the invention is that the availability of the electrical energy store can be determined with improved accuracy.
  • a reliable statement can be made as to whether the available power of the electrical energy store is sufficient, for example, for an autonomous driving maneuver of an at least partially electrically powered vehicle.
  • the availability of the electrical energy store for the required performance profile is sufficient if the expected voltage of the electrical energy store is greater than the minimum voltage limit value of the electrical energy store and/or if the current minimum state of charge is greater than the state of charge required for the required performance profile of the electrical energy storage. A clear statement can thus be made about the availability of the electrical energy store.
  • a respective hysteresis threshold value is used when comparing the expected voltage of the electrical energy store with the minimum voltage limit value of the electrical energy store and/or when comparing the current minimum state of charge with the state of charge of the electrical energy store required for the required performance profile.
  • flickering when deciding on the availability of the electrical energy storage device can be avoided if the expected voltage fluctuates around the minimum voltage limit value or if the current minimum state of charge fluctuates around the state of charge of the electrical energy store required for the required performance profile.
  • the hysteresis threshold value is added to or subtracted from the respective reference value, so that a value range is defined with which the expected voltage or the current minimum state of charge is compared.
  • An expected current is advantageously determined as the quotient of the required power and an expected voltage of the electrical energy store.
  • an expected cell voltage is determined using an electrochemical battery model from the expected current and status parameters of an electrical energy storage cell and the expected voltage of the electrical energy store is determined from the expected cell voltages of all electrical energy storage cells.
  • the accuracy in determining the expected voltage can be improved by means of the electrochemical battery model.
  • At least individual method steps of the method are repeated repeatedly over time, the expected voltage of the electrical energy storage device determined by means of the electrochemical battery model being used to determine the expected current.
  • the accuracy in determining the expected current can be improved with each run of the method.
  • the prediction of the availability can be adapted to the performance profile.
  • an open-circuit voltage and a voltage drop of the electrical energy storage cell are used to determine the anticipated cell voltage, in particular the open-circuit voltage and the voltage drop of the electrical energy storage cell using an ohmic resistor, a charge transfer resistor and a Diffusion resistance of the electrical energy storage cell can be determined.
  • the ohmic resistance, the charge transfer resistance and the diffusion resistance of the electrical energy storage cell can advantageously be taken from a data sheet for the electrical energy storage cell.
  • a voltage drop, an ohmic resistance, an open circuit voltage, a temperature of the electrical energy storage cells and a capacitance of the electrical energy storage cells are used as input parameters for determining the probable voltage of the electrical energy storage.
  • the accuracy in determining the availability can thus be further improved.
  • the probable cell voltage of an electrical energy storage cell is the sum of a probable no-load voltage of the electrical energy storage cell and a probable diffusion voltage of the electrical energy storage cell.
  • the anticipated open-circuit voltage of the electrical energy storage cell and the anticipated diffusion voltage of the electrical energy storage cell are determined using a time integral over the anticipated current, a capacity of the electrical energy storage cell and a state of charge of the electrical energy storage cell. The accuracy in determining the availability can thus be further improved.
  • a database or table with pre-calibrated values for an availability of the electrical energy store as a function of a state of charge of the electrical energy store at a respective temperature is created, in particular the database or table being stored in a storage medium of the electrical energy store is, using the required performance profile and a current temperature of the electrical energy store from the database or table, a required state of charge for the electrical energy store to run the required performance profile is determined. This enables a high level of accuracy when determining the availability with little effort at the same time.
  • the core of the invention in the case of the electrical energy store is that an availability of the electrical energy store can be determined using a method as described above or according to one of the claims relating to the method.
  • the electrical energy store advantageously has a control unit which is set up to carry out the method at least partially.
  • the background to the invention is that the availability of the electrical energy store can be determined with improved accuracy.
  • the core of the invention in the device, in particular the vehicle, is that the device has an electrical energy store as described above or according to one of the claims relating to the electrical energy store.
  • the background to the invention is that the availability of the electrical energy store for a power requirement of the device can be determined with improved accuracy.
  • this makes it possible to predict whether the availability of the electrical energy store is sufficient for an autonomous driving maneuver of the vehicle. In this way, a failure of the vehicle during the driving maneuver can be avoided.
  • FIG. 1 shows a schematic flowchart of a first exemplary embodiment of a method according to the invention for determining an availability of an electrical energy store
  • FIG. 2 shows a schematic flow chart of a second exemplary embodiment of the method according to the invention for determining an availability of an electrical energy store
  • FIG. 3 shows a schematic flowchart of a third exemplary embodiment of the method according to the invention for determining an availability of an electrical energy store
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of method steps for predicting a cell voltage Ucell.pred for the third exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic flow chart of the first exemplary embodiment of the method according to the invention for determining an availability of an electrical energy storage device that has a plurality of electrical energy storage cells and at least one sensor, in particular a current sensor, a voltage sensor and a temperature sensor.
  • the electrical energy storage cells are preferably arranged in series, with each electrical energy storage cell having its own voltage sensor and the electrical energy storage having a single current sensor and temperature sensor.
  • each electrical energy storage cell or subsets of the electrical energy storage cells can each have a current sensor and/or a temperature sensor.
  • a database or table with precalibrated values for a power availability of the electrical energy store as a function of a state of charge of the electrical energy store at a respective temperature is created.
  • the database or table is stored in a storage medium of the electrical energy store.
  • a first method step of the method it is checked whether the electrical energy store has a temperature T below a maximum temperature Tmax and an initial state of charge SOCin of the electrical energy store can be determined.
  • a required performance profile for the electrical energy store for example an autonomous driving request from a vehicle, is recorded.
  • a required state of charge SOCtab for the electrical energy store for executing the required power profile is determined from the database or table.
  • the current minimum state of charge SOCmin of the electrical energy store is recorded.
  • the minimum state of charge SOCmin of the electrical energy store preferably corresponds to the minimum state of charge of all electrical energy store cells of the electrical energy store.
  • the current minimum state of charge SOCmin is compared with the required state of charge SOCtab in order to decide whether the electrical energy store has sufficient power availability for the required power profile.
  • the minimum state of charge SOCmin of the electrical energy storage device at the beginning of the process must be greater than the sum of the required state of charge SOCtab and a hysteresis threshold value, and the minimum state of charge SOCmin must not fall below a difference between the required state of charge SOCtab and the hysteresis threshold value during the process.
  • the hysteresis threshold is, for example, 0.1% to 5% of the required state of charge SOCtab.
  • the result of the comparison is output, ie whether the electrical energy storage device has a power availability required for the required power profile.
  • Fig. 2 the second embodiment of the method according to the invention is shown schematically.
  • a required performance profile Pprof for the electrical energy store for example an autonomous driving request from a vehicle, is recorded.
  • a maximum required power Preq is determined using the required power profile Pprof.
  • a probable current Ipred is determined as the quotient of the maximum required power Preq and a probable voltage Upack.pred of the electrical energy store.
  • an expected cell voltage Ucell.pred is determined using an electrochemical battery model BM from the expected current Ipred and status parameters of an electrical energy storage cell, in particular a state of charge SOCcell and a temperature Tcell of the electrical energy storage cell.
  • an open-circuit voltage and a voltage drop of the electrical energy storage cell are used, which are determined by means of an ohmic resistance, a charge transfer resistance and a diffusion resistance. These resistances can be read or taken from a data sheet for the electrical energy storage cell, for example.
  • the expected voltage of the electrical energy store Upack.pred is determined from the expected cell voltages Ucell.pred of all electrical energy storage cells, for example as the sum of the expected cell voltages Ucell.pred of all electrical energy storage cells in the case of a pure series connection of the electrical energy storage cells.
  • the probable voltage of the electrical energy store Upack.pred is compared with a minimum voltage limit value of the electrical energy store.
  • the power availability of the electrical energy store is sufficient for the required power profile Pprof if the anticipated voltage of the electrical energy store Upack.pred is greater than the minimum voltage limit of the electrical energy store.
  • the result of the comparison is output, that is to say whether the electrical energy store has the power availability required for the required power profile.
  • the method is then preferably continued with the second method step and the probable voltage of the electrical energy store Upack.pred from the fourth method step is used to determine the probable current Ipred.
  • Fig. 3 the third embodiment of the method according to the invention is shown.
  • the voltage drop Udropinit and the ohmic resistance Rinit at the beginning of the method as well as the current no-load voltage OCVact of the electrical energy storage cells are measured using an electrochemical battery cell model CM determines, which takes into account the current temperature Tcell of the electrical energy storage cells.
  • the current temperature Tcell of the electrical energy storage cells is determined by means of a temperature sensor ST.
  • the current capacity C of the electrical energy storage cells is taken from a data sheet Ccell.tab for the electrical energy storage cells.
  • the current capacity C is the capacity of the electrical energy storage cells that they have at the current time of the method due to their aging.
  • the voltage drop Udropinit and the ohmic resistance Rinit at the start of the process, as well as the current open circuit voltage OCVact, the current temperature Tcell of the electrical energy storage cells and the current capacitance C of the electrical energy storage cells are used as input parameters for determining the expected voltage of the electrical energy storage device Upack.pred.
  • the anticipated voltage Upack.pred of the electrical energy storage device is determined from the anticipated cell voltage Ucell.pred and compared with a minimum voltage limit value of the electrical energy storage device.
  • the power availability of the electrical energy store is sufficient for the required power profile Pprof if the anticipated voltage of the electrical energy store Upack.pred is greater than the minimum voltage limit of the electrical energy store.
  • the result of the comparison is then output, ie whether the electrical energy store has the power availability required for the required power profile.
  • a probable current Ipred as the first quotient of the maximum required power Preq and a probable voltage Upack.pred of the electric Energy storage is integrated over time t, and a second quotient formed from this integral and the current capacity C of an electrical energy storage cell.
  • a current state of charge SOCact of the electrical energy store is determined and added to the second quotient. This sum corresponds to a required state of charge SOC of the electrical energy storage cell for the required power profile Pprof.
  • a probable no-load voltage Uocv.pred of the electrical energy storage cell is determined using the required state of charge SOC.
  • the resistance REOL of the electrical energy storage cell at the end of its service life is determined from a database using the required state of charge SOC and the cell temperature Tcell.
  • the prospective diffusion voltage Udiff.pred of the electrical energy storage cell is determined as the product of the resistance REOL of the electrical energy storage cell at the end of its useful life and the prospective current Ipred.
  • An electrical energy store is understood to mean a rechargeable energy store, in particular having an electrochemical energy storage cell and/or an energy storage module having at least one electrochemical energy storage cell and/or an energy storage pack having at least one energy storage module.
  • the energy storage cell can be designed as a lithium-based battery cell, in particular a lithium-ion battery cell.
  • the energy storage cell is designed as a lithium polymer battery cell or nickel metal hydride battery cell or lead acid battery cell or lithium air battery cell or lithium sulfur battery cell.
  • a vehicle is understood here as a land vehicle, for example a passenger car or a truck, or an aircraft or a watercraft, in particular an at least partially electric one powered vehicle.
  • the vehicle is, for example, a battery-electric vehicle that has a purely electric drive, or a hybrid vehicle that has an electric drive and an internal combustion engine.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, der zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle und zumindest einen Sensor aufweist, wobei ein gefordertes Leistungsprofil für den elektrischen Energiespeicher vorgegeben wird, insbesondere wobei mittels des geforderten Leistungsprofils eine geforderte Leistung bestimmt wird, wobei eine voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers mit einem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers verglichen wird und/oder ein aktueller minimaler Ladezustand (SOCmin) mit einem für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand (SOCtab) des elektrischen Energiespeichers verglichen wird, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ausgegeben wird, insbesondere ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Verfügbarkeit aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, elektrischer Energiespeicher und Vorrichtung
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung.
Stand der Technik
Die DE 10 2014 103 803 Al offenbart einen Batteriezustandsschätzer, der ein elektrochemisches Festkörperkonzentrationsmodell mit einem empirischen Ersatzschaltungsmodell kombiniert.
Die US 2016/0055736 Al zeigt ein verbessertes Batteriefrühwarnsystem und ein Batterieüberwachungssystem.
Die DE 10 2010 024241 Al offenbart ein Verfahren zur Verwendung mit einem Fahrzeugbatteriestapel, der eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Der Kern der Erfindung bei dem Verfahren zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, der zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle und zumindest einen Sensor aufweist, besteht darin, dass ein gefordertes Leistungsprofil für den elektrischen Energiespeicher vorgegeben wird, insbesondere wobei mittels des geforderten Leistungsprofils eine geforderte Leistung bestimmt wird, wobei eine voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers mit einem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers verglichen wird und/oder ein aktueller minimaler Ladezustand mit einem für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers verglichen wird, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ausgegeben wird, insbesondere ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Verfügbarkeit aufweist.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden kann.
Vorteilhafterweise kann dadurch eine verlässliche Aussage getroffen werden, ob die verfügbare Leistung des elektrischen Energiespeichers zum Beispiel für ein autonomes Fahrmanöver eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausreicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für das geforderte Leistungsprofil ausreichend, wenn die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers größer ist als der minimale Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers und/oder wenn der aktuelle minimale Ladezustand größer ist als der für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Ladezustand des elektrischen Energiespeichers. Somit lässt sich eine eindeutige Aussage über die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers treffen.
Von Vorteil ist es dabei, wenn beim Vergleich der voraussichtlichen Spannung des elektrischen Energiespeichers mit dem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers und/oder beim Vergleich des aktuellen minimalen Ladezustands mit dem für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ein jeweiliger Hystereseschwellwert verwendet wird. Mittels des Hystereseschwellwerts ist ein Flackern bei der Entscheidung über die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers vermeidbar, wenn die voraussichtliche Spannung um den minimalen Spannungsgrenzwert schwankt beziehungsweise wenn der aktuelle minimale Ladezustand um den für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers schwankt. Dazu wird der Hystereseschwellwert zu dem jeweiligen Referenzwert addiert beziehungsweise von diesem subtrahiert, so dass ein Wertebereich definiert wird, mit dem die voraussichtliche Spannung beziehungsweise der aktuelle minimale Ladezustand verglichen wird.
Vorteilhafterweise wird ein voraussichtlicher Strom als Quotient aus der geforderten Leistung und einer voraussichtlichen Spannung des elektrischen Energiespeichers bestimmt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn mittels eines elektrochemischen Batteriemodells aus dem voraussichtlichen Strom und Statusparametern einer elektrischen Energiespeicherzelle eine voraussichtliche Zellspannung bestimmt wird und aus den voraussichtlichen Zellspannungen aller elektrischen Energiespeicherzellen die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers bestimmt wird. Dabei ist mittels des elektrochemischen Batteriemodells die Genauigkeit bei der Bestimmung der voraussichtlichen Spannung verbesserbar.
Vorteilhafterweise werden zumindest einzelne Verfahrensschritte des Verfahrens zeitlich wiederkehrend wiederholt, wobei die mittels des elektrochemischen Batteriemodells bestimmte voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers zur Bestimmung des voraussichtlichen Stroms verwendet wird. Somit ist die Genauigkeit bei der Bestimmung des voraussichtlichen Stroms mit jedem Durchlauf des Verfahrens verbesserbar. Außerdem kann bei einem dynamisch schwankendem geforderten Leistungsprofil die Vorhersage der Verfügbarkeit an das Leistungsprofil angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zur Bestimmung der voraussichtlichen Zellspannung eine Leerlaufspannung und ein Spannungsabfall der elektrischen Energiespeicherzelle verwendet, insbesondere wobei die Leerlaufspannung und der Spannungsabfall der elektrischen Energiespeicherzelle mittels eines ohmschen Widerstands, eines Ladungstransferwiderstands und eines Diffusionswiderstands der elektrischen Energiespeicherzelle bestimmt werden. Vorteilhafterweise sind der ohmsche Widerstand, der Ladungstransferwiderstand und der Diffusionswiderstand der elektrischen Energiespeicherzelle aus einem Datenblatt der elektrischen Energiespeicherzelle entnehmbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden ein Spannungsabfall, ein ohmscher Widerstand, eine Leerlaufspannung, eine Temperatur der elektrischen Energiespeicherzellen und eine Kapazität der elektrischen Energiespeicherzellen als Eingangsparameter für die Bestimmung der voraussichtlichen Spannung des elektrischen Energiespeichers verwendet. Somit ist die Genauigkeit bei der Bestimmung der Verfügbarkeit weiter verbesserbar.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die voraussichtliche Zellspannung einer elektrischen Energiespeicherzelle die Summe aus einer voraussichtlichen Leerlaufspannung der elektrischen Energiespeicherzelle und einer voraussichtlichen Diffusionsspannung der elektrischen Energiespeicherzelle ist.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die voraussichtliche Leerlaufspannung der elektrischen Energiespeicherzelle und die voraussichtliche Diffusionsspannung der elektrischen Energiespeicherzelle mittels eines zeitlichen Integrals über den voraussichtlichen Strom, einer Kapazität der elektrischen Energiespeicherzelle und eines Ladezustands der elektrischen Energiespeicherzelle bestimmt werden. Somit ist die Genauigkeit bei der Bestimmung der Verfügbarkeit weiter verbesserbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zu Beginn des Verfahrens eine Datenbank beziehungsweise Tabelle mit vorkalibrierten Werten für eine Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit von einem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bei einer jeweiligen Temperatur angelegt, insbesondere wobei die Datenbank beziehungsweise Tabelle in einem Speichermittel des elektrischen Energiespeichers abgespeichert wird, wobei mittels des geforderten Leistungsprofils und einer aktuellen Temperatur des elektrischen Energiespeichers aus der Datenbank beziehungsweise Tabelle ein erforderlicher Ladezustand für den elektrischen Energiespeicher zur Ausführung des geforderten Leistungsprofils bestimmt wird. Dadurch ist eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Verfügbarkeit bei gleichzeitig geringem Aufwand ermöglicht.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zu Beginn des Verfahrens überprüft wird, ob der elektrische Energiespeicher eine Temperatur unterhalb einer maximalen Temperatur aufweist und ein initialer Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden kann.
Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass eine Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers mittels eines Verfahrens wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Verfahren bezogenen Ansprüche bestimmbar ist.
Vorteilhafterweise weist der elektrische Energiespeicher dazu eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, das Verfahren zumindest teilweise auszuführen.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden kann.
Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, besteht darin, dass die Vorrichtung einen elektrischen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den elektrischen Energiespeicher bezogenen Ansprüche aufweist.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für eine Leistungsanforderung der Vorrichtung mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden kann.
Vorteilhafterweise ist dadurch vorhersagbar, ob die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für ein autonomes Fahrmanöver des Fahrzeugs ausreichend ist. Somit ist ein Ausfall des Fahrzeugs während des Fahrmanövers vermeidbar.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers;
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers;
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers und
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten zur Vorhersage einer Zellspannung Ucell.pred für das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, der eine Mehrzahl von elektrischen Energiespeicherzellen und zumindest einen Sensor, insbesondere einen Stromsensor, einen Spannungssensor und einen Temperatursensor, aufweist. Vorzugsweise sind die elektrischen Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet angeordnet, wobei jede elektrische Energiespeicherzelle einen eigenen Spannungssensor aufweist und der elektrische Energiespeicher einen einzigen Stromsensor und Temperatursensor aufweist.
Alternativ können auch mehrere Temperatursensoren in dem elektrischen Energiespeicher angeordnet sein und/oder jede elektrische Energiespeicherzelle beziehungsweise Teilmengen der elektrischen Energiespeicherzellen können jeweils einen Stromsensor und/oder einen Temperatursensor aufweisen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird zu Beginn des Verfahrens eine Datenbank beziehungsweise Tabelle mit vorkalibrierten Werten für eine Leistungsverfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit von einem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bei einer jeweiligen Temperatur angelegt. Die Datenbank beziehungsweise Tabelle wird in einem Speichermittel des elektrischen Energiespeichers abgespeichert.
In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens wird überprüft, ob der elektrische Energiespeicher eine Temperatur T unterhalb einer maximalen Temperatur Tmax aufweist und ein initialer Ladezustand SOCin des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden kann.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein gefordertes Leistungsprofil für den elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine autonome Fahranforderung eines Fahrzeugs, erfasst. Mittels des geforderten Leistungsprofils und der aktuellen Temperatur T des elektrischen Energiespeichers wird aus der Datenbank beziehungsweise Tabelle ein erforderlicher Ladezustand SOCtab für den elektrischen Energiespeicher zur Ausführung des geforderten Leistungsprofils bestimmt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der aktuelle minimale Ladezustand SOCmin des elektrischen Energiespeichers erfasst. Der minimale Ladezustand SOCmin des elektrischen Energiespeichers entspricht dabei vorzugsweise dem Minimum der Ladezustände aller elektrischen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers. In einem vierten Verfahrensschritt wird der aktuelle minimale Ladezustand SOCmin mit dem erforderlichen Ladezustand SOCtab verglichen, um zu entscheiden, ob der elektrische Energiespeicher eine ausreichende Leistungsverfügbarkeit für das geforderte Leistungsprofil aufweist. Dazu muss der minimale Ladezustand SOCmin des elektrischen Energiespeichers zu Beginn des Verfahrens größer sein als die Summe aus dem erforderlichen Ladezustand SOCtab und einem Hystereseschwellwert und der minimale Ladezustand SOCmin darf während des Verfahrens eine Differenz aus dem erforderlichen Ladezustand SOCtab und dem Hystereseschwellwert nicht unterschreiten. Der Hystereseschwellwert beträgt beispielsweise 0,1 % bis 5 % des erforderlichen Ladezustands SOCtab.
In einem fünften Verfahrensschritt wird das Ergebnis des Vergleichs ausgegeben, also ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Leistungsverfügbarkeit aufweist.
In Fig. 2 ist das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt wird wiederum ein gefordertes Leistungsprofil Pprof für den elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine autonome Fahranforderung eines Fahrzeugs, erfasst. Mittels des geforderten Leistungsprofils Pprof wird eine maximale geforderte Leistung Preq bestimmt.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein voraussichtlicher Strom Ipred als Quotient aus der maximalen geforderten Leistung Preq und einer voraussichtlichen Spannung Upack.pred des elektrischen Energiespeichers bestimmt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird mittels eines elektrochemischen Batteriemodells BM aus dem voraussichtlichen Strom Ipred und Statusparametern einer elektrischen Energiespeicherzelle, insbesondere einem Ladezustand SOCcell und einer Temperatur Tcell der elektrischen Energiespeicherzelle, eine voraussichtliche Zellspannung Ucell.pred bestimmt. Dazu werden eine Leerlaufspannung und ein Spannungsabfall der elektrischen Energiespeicherzelle verwendet, die mittels eines ohmschen Widerstands, eines Ladungstransferwiderstands und eines Diffusionswiderstands bestimmt werden. Diese Widerstände sind beispielsweise aus einem Datenblatt der elektrischen Energiespeicherzelle ablesbar beziehungsweise entnehmbar.
In einem vierten Verfahrensschritt wird aus den voraussichtlichen Zellspannungen Ucell.pred aller elektrischen Energiespeicherzellen die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred bestimmt, beispielsweise als Summe der voraussichtlichen Zellspannungen Ucell.pred aller elektrischen Energiespeicherzellen im Falle einer reinen Reihenschaltung der elektrischen Energiespeicherzellen.
In einem fünften Verfahrensschritt wird die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred mit einem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers verglichen. Dabei ist die Leistungsverfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für das geforderte Leistungsprofil Pprof ausreichend, wenn die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred größer ist als der minimale Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers.
In einem sechsten Verfahrensschritt wird das Ergebnis des Vergleichs ausgegeben, also ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Leistungsverfügbarkeit aufweist.
Vorzugsweise wird das Verfahren anschließend mit dem zweiten Verfahrensschritt fortgesetzt und die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred aus dem vierten Verfahrensschritt wird zur Bestimmung des voraussichtlichen Stroms Ipred verwendet.
In Fig. 3 ist das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Ergänzend zu dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird beim dritten Ausführungsbeispiel der Spannungsabfall Udropinit und der ohmsche Widerstand Rinit zu Beginn des Verfahrens sowie die aktuelle Leerlaufspannung OCVact der elektrischen Energiespeicherzellen mittels eines elektrochemischen Batteriezellmodells CM bestimmt, das dabei die aktuelle Temperatur Tcell der elektrischen Energiespeicherzellen berücksichtigt.
Mittels eines Temperatursensors ST wird die aktuelle Temperatur Tcell der elektrischen Energiespeicherzellen bestimmt.
Aus einem Datenblatt Ccell.tab der elektrischen Energiespeicherzellen wird die aktuelle Kapazität C der elektrischen Energiespeicherzellen entnommen. Die aktuelle Kapazität C ist dabei diejenige Kapazität der elektrischen Energiespeicherzellen, die diese aufgrund ihrer Alterung zum aktuellen Zeitpunkt des Verfahrens aufweisen.
Der Spannungsabfall Udropinit und der ohmsche Widerstand Rinit zu Beginn des Verfahrens sowie die aktuelle Leerlaufspannung OCVact, die aktuelle Temperatur Tcell der elektrischen Energiespeicherzellen und die aktuelle Kapazität C der elektrischen Energiespeicherzellen werden als Eingangsparameter für die Bestimmung der voraussichtlichen Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred verwendet.
Aus der voraussichtlichen Zellspannung Ucell.pred wird wie beim zweiten Ausführungsbeispiel die voraussichtliche Spannung Upack.pred des elektrischen Energiespeichers bestimmt und mit einem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers verglichen. Dabei ist die Leistungsverfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für das geforderte Leistungsprofil Pprof ausreichend, wenn die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers Upack.pred größer ist als der minimale Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers.
Anschließend wird das Ergebnis des Vergleichs ausgegeben, also ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Leistungsverfügbarkeit aufweist.
In Fig. 4 sind Verfahrensschritte zur Vorhersage einer Zellspannung Ucell.pred gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel im Detail dargestellt.
Ein voraussichtlicher Strom Ipred, als erster Quotient aus der maximalen geforderten Leistung Preq und einer voraussichtlichen Spannung Upack.pred des elektrischen Energiespeichers, wird über die Zeit t integriert, und ein zweiter Quotient aus diesem Integral und der aktuellen Kapazität C einer elektrischen Energiespeicherzelle gebildet.
Ein aktueller Ladezustand SOCact des elektrischen Energiespeichers wird bestimmt und zu dem zweiten Quotienten addiert. Diese Summe entspricht einem erforderlichen Ladezustand SOC der elektrischen Energiespeicherzelle für das geforderte Leistungsprofil Pprof.
Mittels des erforderlichen Ladezustands SOC wird eine voraussichtliche Leerlaufspannung Uocv.pred der elektrischen Energiespeicherzelle bestimmt.
Aus einer Datenbank wird mithilfe des geforderten Ladezustands SOC und der Zelltemperatur Tcell der Widerstand REOL der elektrischen Energiespeicherzelle am Ende ihrer Lebensdauer bestimmt. Die voraussichtliche Diffusionsspannung Udiff.pred der elektrischen Energiespeicherzelle wird als Produkt aus dem Widerstand REOL der elektrischen Energiespeicherzelle am Ende ihrer Lebensdauer und dem voraussichtlichen Strom Ipred bestimmt.
Die Summe aus der voraussichtlichen Leerlaufspannung Uocv.pred der elektrischen Energiespeicherzelle und der voraussichtliche Diffusionsspannung Udiff.pred ergibt dann die voraussichtliche Zellspannung Ucell.pred.
Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere aufweisend eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid- Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium- Schwefel- Batteriezelle ausgeführt.
Unter einem Fahrzeug wird hierbei ein Landfahrzeug, zum Beispiel ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug verstanden, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug, das einen rein elektrischen Antrieb aufweist, oder ein Hybridfahrzeug, das einen elektrischen Antrieb und einen Verbrennungsmotor aufweist.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Bestimmung einer Verfügbarkeit eines elektrischen Energiespeichers, der zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle und zumindest einen Sensor aufweist, wobei ein gefordertes Leistungsprofil (Pprof) für den elektrischen Energiespeicher vorgegeben wird, insbesondere wobei mittels des geforderten Leistungsprofils (Pprof) eine geforderte Leistung (Preq) bestimmt wird, wobei eine voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers (Upack.pred) mit einem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers verglichen wird und/oder ein aktueller minimaler Ladezustand (SOCmin) mit einem für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand (SOCtab) des elektrischen Energiespeichers verglichen wird, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ausgegeben wird, insbesondere ob der elektrische Energiespeicher eine für das geforderte Leistungsprofil (Pprof) erforderliche Verfügbarkeit aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für das geforderte Leistungsprofil (Pprof) ausreichend ist, wenn die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers (Upack.pred) größer ist als der minimale Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers, und/oder dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers für das geforderte Leistungsprofil (Pprof) ausreichend ist, wenn der aktuelle minimale Ladezustand (SOCmin) größer ist als der für das geforderte Leistungsprofil erforderliche Ladezustand (SOCtab) des elektrischen Energiespeichers. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der voraussichtlichen Spannung des elektrischen Energiespeichers (Upack.pred) mit dem minimalen Spannungsgrenzwert des elektrischen Energiespeichers und/oder beim Vergleich des aktuellen minimalen Ladezustands (SOCmin) mit dem für das geforderte Leistungsprofil erforderlichen Ladezustand (SOCtab) des elektrischen Energiespeichers ein jeweiliger Hystereseschwellwert verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein voraussichtlicher Strom (Ipred) als Quotient aus der geforderten Leistung (Preq) und einer voraussichtlichen Spannung (Upack.pred) des elektrischen Energiespeichers bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines elektrochemischen Batteriemodells (BM) aus dem voraussichtlichen Strom (Ipred) und Statusparametern einer elektrischen Energiespeicherzelle eine voraussichtliche Zellspannung (Ucell.pred) bestimmt wird und aus den voraussichtlichen Zellspannungen (Ucell.pred) aller elektrischen Energiespeicherzellen die voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers (Upack,pred) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
Verfahrensschritte des Verfahrens zeitlich wiederkehrend wiederholt werden, wobei die mittels des elektrochemischen Batteriemodells (BM) bestimmte voraussichtliche Spannung des elektrischen Energiespeichers (Upack.pred) zur Bestimmung des voraussichtlichen Stroms (Ipred) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der voraussichtlichen Zellspannung (Ucell.pred) eine Leerlaufspannung und ein Spannungsabfall der elektrischen Energiespeicherzelle verwendet werden, insbesondere wobei die Leerlaufspannung und der Spannungsabfall der elektrischen Energiespeicherzelle mittels eines ohmschen Widerstands, eines Ladungstransferwiderstands und eines Diffusionswiderstands der elektrischen Energiespeicherzelle bestimmt werden. - 15 - Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsabfall (Udropinit), ein ohmscher Widerstand, eine Leerlaufspannung (OCVact), eine Temperatur (Tcell) und eine Kapazität (C) der elektrischen Energiespeicherzellen als Eingangsparameter für die Bestimmung der voraussichtlichen Spannung (Upack.pred) des elektrischen Energiespeichers verwendet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die voraussichtliche Zellspannung (Ucell.pred) einer elektrischen Energiespeicherzelle die Summe aus einer voraussichtlichen Leerlaufspannung (Uocv. red) der elektrischen Energiespeicherzelle und einer voraussichtlichen Diffusionsspannung (Udiff.pred) der elektrischen Energiespeicherzelle ist, insbesondere wobei die voraussichtliche Leerlaufspannung (Uocv.pred) der elektrischen Energiespeicherzelle und die voraussichtliche Diffusionsspannung (Udiff.pred) der elektrischen Energiespeicherzelle mittels eines zeitlichen Integrals über den voraussichtlichen Strom (Ipred), einer Kapazität (C) der elektrischen Energiespeicherzelle und eines Ladezustands (SOCact) der elektrischen Energiespeicherzelle bestimmt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Verfahrens eine Datenbank beziehungsweise eine Tabelle mit vorkalibrierten Werten für eine Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOCtab) des elektrischen Energiespeichers bei einer jeweiligen Temperatur (T) angelegt wird, insbesondere wobei die Datenbank beziehungsweise Tabelle in einem Speichermittel des elektrischen Energiespeichers abgespeichert wird, wobei mittels des geforderten Leistungsprofils (Pprof) und einer aktuellen Temperatur (T) des elektrischen Energiespeichers aus der Datenbank beziehungsweise Tabelle ein erforderlicher Ladezustand (SOCtab) für den elektrischen Energiespeicher zur Ausführung des geforderten Leistungsprofils (Pprof) bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - 16 - dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Verfahrens überprüft wird, ob der elektrische Energiespeicher eine Temperatur (T) unterhalb einer maximalen Temperatur (Tmax) aufweist und ein initialer Ladezustand (SOCin) des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden kann. Elektrischer Energiespeicher aufweisend elektrische Energiespeicherzellen und zumindest einen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmbar ist. Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 12.
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