Verfahren zum Abschätzen von Zustandsgrößen eines elektrischen Energiespeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers beschreibenden Zustandsgroße durch Vergleich von mindestens einer durch Messung ermittelten ersten Betriebsgröße von mehreren Betriebsgrößen des Energiespeichers mit mindestens einer entsprechenden Vergleichsgröße, die mittels eines mathematischen Modells des Energiespeichers bestimmt wird, wobei die Ermittlung der einen Betriebsgröße und/oder das Bestimmen der Vergleichsgröße und/oder der Vergleich von Betriebs- und Vergleichsgröße zeitdiskret erfolgt.

Stand der Technik

Zur Emissionsreduktion bei Kraftfahrzeugen werden derzeit verstärkt Hybridantriebskonzepte oder rein elektrische Antriebskonzepte entwickelt. Der Betrieb von elektrischen Maschinen im Motor- und Generatorbetrieb setzt einen elektrischen Energiespeicher wie zum Beispiel wiederaufladbare Batterien im Fahrzeug voraus. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Speichersystemen hohen Energiedichte werden Lithium-Ionen-Zellen für mobile und stationäre Speicher elektrischer Energie favorisiert. Um einerseits die notwendige Betriebssicherheit durch Einhaltung der zulässigen Spannungsbereiche der einzelnen Zellen zu gewährleisten und andererseits den Ladezustand (SOC: State of Charge) der Speicher zu verfolgen, werden sogenannte Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet.

Diese bestehen typischerweise aus Hardwarekomponenten zur Erfassung von Betriebsgrößen wie Strom, Spannung und Temperatur an der Batterie beziehungsweise deren Zellen, zur geeigneten Signalverarbeitung und zur Implementierung von Steuer- und Regelalgorithmen. Eine derartige Hardwarekomponente ist zum Beispiel eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (ein sogenanntes "Steuergerät"). Neben dem Feststellen der allgemeinen Funktionsfähigkeit der Batterie dient dieses Steuergerät vor Allem zur Abschätzung des Zell- beziehungsweise Batterieladezustands und oder anderer Zustandsgroßen der einzelnen Zellen der Batterie beziehungsweise der gesamten Batterie. Hierfür wird in der Regel mindestens eine der Betriebsgrößen Laststrom I und Klemmenspannung U _S ermittelt und die durch den Laststrom I beeinflusste Klemmenspannung U _S (der Batterie/Zelle) mit jener eines mathematischen Modells in regelmäßigen zeitlichen Abständen verglichen. Der Ladezustand ist dabei eine interne Größe des jeweiligen Modells und wird aus den Betriebsgrößen Laststrom I, Klemmenspannung U _S (und eventuell der Temperatur T) der echten Zelle rekonstruiert. Diese Betriebsgrößen sind alle zeitabhängige Betriebsgrößen l(t), U _S (t) und T(t).

Eine zeitnahe Abschätzung des Zustande des Energiespeichers per Abgleich zwischen Modell und Messung geht jedoch mit einer nicht unerheblichen Leistungsbelastung der entsprechenden Hardware einher.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Belastung einer das Verfahren durchführenden Hardware zur Abschätzung des Zustande des Energiespeichers variabel einstellbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zeitintervall At der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße und/oder der Bestimmung der Vergleichsgröße und/oder des zeitdiskreten Vergleichs in Abhängigkeit von (a) der Größe der ersten ermittelten Betriebsgröße und/oder einer zweiten ermittelten Betriebsgröße der Betriebsgrößen und/oder (b) der Größe der zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder (c) der Größe der Ortsableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung und/oder (d) der Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße, insbesondere einer Klemmenspannung, nach der aus dem Energiespeicher entnommenen und/oder in den Energiespeicher eingespeisten Ladung verändert. Die Abhängigkeit kann dabei eine stetige Abhängigkeit oder eine unstetige Abhängigkeit sein. Insbeson- dere wird das Zeitintervall in Abhängigkeit der Ableitung einer Klemmenspannung nach der aus dem Energiespeicher entnommenen und/oder in den Energiespeicher eingespeisten Ladung (d U / d Q)i verändert, wobei Q die entnommene oder eingespeiste elektrische Ladung ist. Dieser Gradient ist immer bei einem gegebenen Laststrom I zu betrachten, inbesondere auch für 1=0. Dann beschreibt dieser Ausdruck gerade die sogenannte Ruhespannungskennlinie, also das Spannungsverhalten des Energiespeichers ohne Last über dem Ladezustand.

Bevorzugt wird das Zeitintervall At der zeitdiskreten Ermittlung der ersten Betriebsgröße und/oder das Zeitintervall At der Bestimmung der Vergleichsgröße und/oder das Zeitintervall At des zeitdiskreten Vergleichs mit zunehmender Größe der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße und/oder mit zunehmender zeitlicher Änderung der Größe der zeitlichen Ableitung erster und/oder höherer Ordnung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße verkleinert. Die erste oder zweite Betriebsgröße ist insbesondere ein Laststrom des Energiespeichers. Kritische Zustände des Energiespeichers ergeben sich insbesondere durch hohen Laststrom I und/oder durch hohe zeitliche Änderung des Laststroms dl/dt. Daher hat diese Verkleinerung des Zeitintervalls At bei Vergrößerung des ermittelten Laststroms I und/oder der zeitlichen Änderung des ermittelten Laststroms dl/dt den Vorteil, dass die Hardware -bei gleicher Zuverlässigkeit in kritischen Zuständen - im Durchschnitt weniger belastet wird. Die durch Messung ermittelten Betriebsgrößen (insbesondere I, U _S und T) des Energiespeichers sind zeitabhängige Größen (entsprechend l(t), U _S (t) und T(t)).

Der Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie oder eine Zelle einer wiederaufladbaren Batterie.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional (umgekehrt proportional) zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße ist. Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt also: At = ^{1 ■} const. beziehungsweise I -At = const.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese- hen, die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional (umgekehrt proportional) zur zeitlichen Ableitung der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung ist. Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt also: At = (d ^x l/dt ^x ) ^{"1 ■} const. beziehungsweise d ^x l/dt ^x -At = const , wobei die Variable x die Ordnung der zeitlichen Ableitung beschreibt.

Insbesondere ist die Größe des Zeitintervalls At indirekt proportional zu einer Summe aus einem zur Größe der ersten und/oder zweiten ermittelten Betriebsgröße proportionalen ersten Parameter und einem zur zeitlichen Ableitung der ermittelten ersten und/oder zweiten Betriebsgröße erster und/oder höherer Ordnung proportionalen zweiten Parameter Ist die erste oder zweite ermittelte Betriebsgröße zum Beispiel der Laststrom I, so gilt At ^■ (I + A-(d ^x l/dt ^x ))-B = const.

Der maximal zulässige Wert der ersten und/oder zweiten Betriebsgröße (also zum Beispiel die maximal zulässige Stromstärke l _max ) bestimmt die Systemauslegung, also die höchste Samplingrate beziehungsweise das kleinste zu realisierende Zeitintervall At _min .

Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Betriebsgröße (a) eine Temperatur T und/oder (b) ein Laststrom I und/oder (c) eine Klemmenspannung U _S des Energiespeichers ist/sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsgroße eine den Ladezustand des Energiespeichers beschreibende Größe, also der Ladezustand (SOC: State of Charge) des Energiespeichers ist. Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Zustandsgroße eine den Alterungs- beziehungsweise Gesundheitszustand beschreibende Größe, also der Alterungszustand (SOH: State of Health) des Energiespeichers ist.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Abschätzen der Zustandsgroße SOC, SOH mittels einer Beobachtungseinrichtung erfolgt. Die Beobachtungseinrichtung ist insbesondere ein Zustandsschätzer nach Kaiman oder ein Zustandsbeobachter nach Luenberger.

Des Weiteren ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Zeitintervall At weiterhin auch in Abhängigkeiten mindestens einer weitere Kenngröße, insbesondere einer si- cherheitskritischen Kenngröße, des Energiespeichers und/oder der zeitlichen Ableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße und/oder der Ortsableitung erster und/oder höherer Ordnung dieser Kenngröße verändert wird. Dabei ist zum Beispiel vorgesehen, dass diese weitere Kenngröße ein Innen- druck des Energiespeichers und/oder eine Beschleunigung des Energiespeichers

(z.B. bei einem Einbau in einem Fahrzeug eine Fahrzeugverzögerung im Crash- Fall) sind.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Leistungsflusses in einem Stromkreis mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher und mindestens einem an den elektrischen Energiespeicher angeschlossenen Verbraucher. Es ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet beziehungsweise ausgebildet ist. Eine derartige Steuer- und/oder Regeleinrichtung wird in Kraftfahrzeugen mit rein elektrischem Antrieb oder mit Hybridantrieb als Steuergerät des elektrischen Energiespeichers und der elektrischen Maschine dieses Antriebs verwendet. Neben dem Feststellen der allgemeinen Funktionsfähigkeit des Energiespeichers dient dieses Steuergerät vor Allem zur Abschätzung des Zell- beziehungsweise Speicherladezu- stands und oder anderer Zustandsgrößen der einzelnen Zellen des Energiespeichers beziehungsweise des Energiespeichers insgesamt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Beobachtungseinrichtung, insbe- sondere einen Zustandsschätzer nach Kaiman oder einen Zustandsbeobachter nach Luenberger implementiert ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschätzung einer Zustandsgröße eines elektrischen Energiespeichers und Figuren 2 und 3: Diagramme zur Verdeutlichung der Laststrom-abhängigen Änderung des Zeitintervalls der Abschätzung. Zur Illustration der allgemeinen Vorgehensweise bei der Abschätzung mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers 10 beschreibenden Zustandsgroße ist in Fig. 1 ein entsprechendes Blockschaltbild gezeigt. Dabei ist der als wiederaufladbare Batterie ausgebildete elektrische Energiespeicher insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Energiespeicher 10 weist einen Laststrom I, eine Temperatur T und eine Klemmenspannung U _S als Betriebsgrößen auf, wobei zumindest ein Teil dieser Größen jeweils durch Messung ermittelt werden.

Die genannten ermittelten Betriebsgrößen werden auf eine insgesamt mit 1 1 bezeichnete Beobachtungseinrichtung, beispielsweise einen Zustandsschätzer nach Kaiman, gegeben. Die Beobachtungseinrichtung 1 1 ist in einer Steuer und/oder Regeleinrichtung (Steuergerät) zur Steuerung und/oder Regelung eines Leistungsflusses in einem Stromkreis mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher 10 und mindestens einer an den elektrischen Energiespeicher 10 angeschlossenen elektrischen Maschine implementiert. Die elektrische Maschine und die Steuer und/oder Regeleinrichtung (das Steuergerät) sind beispielsweise

Teile eines elektrischen Abtriebs oder eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs.

Die Beobachtungseinrichtung 1 1 setzt ein den Energiespeicher 10 abbildendes Modell, hier der Einfachheit halber mit 12 bezeichnet, ein. Das Modell 12 ist ein mathematisches Modell, das aufgrund der Eingangsgröße T und I eine Energiespeicherspannung (Batteriespannung) U _M schätzt. Hierbei wird die Modellrechnung durch Rückkopplung der durch zeitdiskreten Vergleich mittels eines Kom- parators 13 bestimmten Differenz U _S - U _M zwischen gemessener und berechneter Energiespeicherspannung abgeglichen.

Der Ladezustand (SOC: State of Charge) ist eine interne Größe des Modells 12 und wird aus den Betriebsgrößen Strom l(t), (Klemmen-)Spannung U _S (t) (und eventuell Temperatur T(t)) der einzelnen Zelle beziehungsweise des gesamten Energiespeichers rekonstruiert. Die Bestimmung einer Größe, die der Messung aus technischen (aber auch aus ökonomischen) Gründen nicht zugänglich ist, bezeichnet man in der Regelungstechnik als Beobachtungsaufgabe, den resultie- renden Algorithmus als Zustandsschätzer (z.B. Kaiman-Filter) oder Zustandsbe- obachter. Die eigentliche Zustandsschätzung beruht auf der Minimierung der Abweichung von Modell 12 und Messung. In Steuergeräten sind diese Algorithmen immer zeitdiskret ausgeführt, d.h. der Abgleich Modell-Messung findet je- weils nach festgelegten Zeitintervallen At (beziehungsweise entsprechenden

Samplingraten) statt.

Ein sich aus der Rechnung bzw. Abschätzung mittels der Einrichtung 1 1 ergebende Ruhespannungswert U _R wird einer weiteren funktionalen Beaufschlagung zum Erhalt des Batterieladezustands SOC unterzogen. Der Batterieladezustand kann beispielsweise gemäß einer Gleichung der Formel SOC = f(U _R ) = (U _R - UR _, min) (UR _,m ax - U R _,min ) bestimmt werden; der Zusammenhang ist aber häufig - wie auch im Fall einer Lithium-Ionen-Batterie- nichtlinearer Natur, folglich kann der Zusammenhang f(U _R ) eine beliebige nichtlineare Funktion sein. Alternativ zur (analytischen) Bestimmung dieser Funktion kann diese auch als Datensatz einer

Kennlinie oder eines Kennfeldes abgelegt/abgespeichert sein. Die funktionale Beaufschlagung des ermittelten Ruhespannungswertes U _R erfolgt in Modul 14.

UR.min beziehungsweise U R _,max bezeichnen hierbei die minimale beziehungsweise maximal im Betrieb zulässige Klemmenspannung U _s .

Mittels des Modells 12 werden im Allgemeinen zusätzlich zur Ruhespannung U _R auch weitere Kenngrößen (Innenwiderstand R und Klemmenspannung U _S p) des Energiespeichers geschätzt. Mit diesen Abschätzungsergebnissen des Modells 12 liegen die wesentlichen Parameter zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der

Batterie vor. Mittels weiterer (nicht dargestellter) Beobachtungseinrichtungen können weitere Zustandsgrößen (zum Beispiel der Alterungszustand SOH) bestimmt werden. Die Beobachtungseinrichtung 1 1 weist weiterhin ein Modul 15 zur Vorgabe eines

Zeitintervalls At des zeitdiskreten Vergleichs mittels des Komparators 13 auf. Mittels dieses Moduls 15 wird das Zeitintervall At des zeitdiskreten Vergleichs mit zunehmender Größe der zweiten ermittelten Betriebsgröße (hier des Laststroms I) und/oder mit zunehmender zeitlicher Ableitung der ermittelten zweiten Be- triebsgröße (des Laststroms dl/dt) verkleinert. Alternativ oder zusätzlich zur gezeigten Anpassung des Zeitintervalls At des zeitdiskreten Vergleichs kann sowohl das Zeitintervall At der Ermittlung der Betriebsgrößein) (also eine Messdaten-Akquisition) als auch das das Zeitintervall At des Bestimmens der Vergleichsgröße(n) (also eines Updates des Zustands- Schätzers beziehungsweise Zustandsbeobachters) der zweiten ermittelten Betriebsgröße und/oder deren zeitlicher Änderung angepasst werden.

Die Veränderung beziehungsweise Anpassung des Zeitintervalls At (oder dem reziproken Wert: der Samplingrate) ist mit Vorteil eine kontinuierliche Verände- rung/Anpassung mit der Größe des Laststroms. Statt einer kontinuierlichen Anpassung des Zeitintervalls / der Samplingrate können auch verschiedene Strombereiche definiert werden, so dass zwischen einigen wenigen Abtastratenstufen hin und her geschalten wird. Mit dem entsprechenden Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers 10 beschreibenden Zustandsgröße wird die Belastung von Steuergeräten, die zur Ladezustandsschätzung von Energiespeichern 10 verwendet werden, reduziert, indem die Samplingrate der Lastromgröße und/oder deren zeitlicher Änderung wie Folgt angepasst wird:

(a) At = ^{1 ■} const. beziehungsweise I -At = const. und/oder

(b) At = (dl/dt) ^{"1 ■} const. beziehungsweise dl/dt -At = const. und/oder (c) At ^■ (I + A-(dl/dt))-B = const. wobei A und B zu bestimmende Konstanten sind. Hierbei bestimmt die maximale zulässige Strom- stärke l _max die Systemauslegung, d.h. die höchste Samplingrate bzw. das kleinste zu realisierende Zeitintervall At.

Es ergeben sich folgende Vorteile:

• Deutlich reduzierte Beanspruchung des Steuergeräts, vor allem bei Niedrigstrombetrieb (geparktes Fahrzeug, Gleitphasen während der Fahrt, etc. ) und • kein Verlust der aktuellen Ladezustandsinformation wie beim vollständigen Abschalten des Steuergeräts.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die durch Messung ermittelte Spannung U _S des Energiespeichers 10 über der Zeit t aufgetragen ist. Eingetragen sind die Startzeiten t _s eines Starts des Vergleichs und die Anpassung des entsprechenden Zeitintervalls At (Sampling-Zeit) des verwendeten Algorithmus zur Ladezustandsschätzung. Bei niedriger Laststromstärke I sind Spannungseinbrüche an den Batteriepolen und die entnommene Ladung geringer. Daher kann At für kleinere Ströme erhöht (At-ι > At ₂ ) und die Anzahl Rechenoperationen pro Zeiteinheit reduziert werden. Die Systemauslegung (At _min ) des Batteriemanagementsystems (BMS) erfolgt anhand des maximal zulässigen Stroms l _max .

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei dem der durch Messung ermittelte Strom I des Energiespeichers 10 über der Zeit t aufgetragen ist. Zusätzlich oder alternativ zur Laststromstärke l(t) kann auch dessen zeitliche Ableitung dl/dt zur Anpassung des Zeitintervalls (der Sampling-Zeit) At des Algorithmus zur Ladezustandsschätzung verwendet werden. Bei Situationen geringer oder keiner zeitlichen Änderung des Stroms dl(t)/dt 1 ₄ wird das Zeitintervall At gegenüber Situationen mit höherer zeitlichen Änderung des Stroms dl(t)/dt 1 ₃ entsprechend vergrößert (At ₄ > At ₃ ).