Titel

Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Die DE 102019219427 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher zumindest einen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher vorzugsweise für eine automatisierte Fahrfunktionen versorgt, wobei zumindest eine Leistungsfähigkeit des Energiespeichers ermittelt wird, indem in Abhängigkeit von einem Lastverlauf zumindest eine Kenngröße des Energiespeichers prädiziert wird, wobei ermittelt wird, ob der Energiespeicher getauscht wurde und nach einem erkannten Tausch des Energiespeichers ermittelt wird, ob es sich bei dem getauschten Energiespeicher um einen zulässigen Energiespeicher handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Bordnetzes weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Offenbarung der Erfindung

Dadurch, dass zumindest eine Alterung des Energiespeichers ermittelt wird unter Erfassung des bislang dem Energiespeicher entnommenen Stroms, wobei die Kenngröße in Abhängigkeit von der Alterungsgröße ermittelt wird, kann insbesondere der Aktivmassenverlust als häufig auftretender Alterungsmechanismus erkannt werden. Durch die Abbildung der Alterung als interne Zustandsgröße im Verfahren kann eine Verbesserung der Prognosegenauigkeit erzielt werden. Dadurch können insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher beim Kraftfahrzeug zuverlässig mit Energie versorgt werden, andernfalls können rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Die Alterung kann relativ einfach bestimmt werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung erfolgt eine Anpassung der Kenngröße über eine Anpassung der Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Alterung. Auf diese Zustandsgrößen wird ohnehin bei der Prädiktion der Kenngröße zurückgegriffen, sodass lediglich eine entsprechende alterungsabhängige Korrektur eine besonders einfache und zugleich zuverlässige Anpassung ermöglicht.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kenngröße unter Verwendung eines vorgebbaren Lastprofils ermittelt wird, indem insbesonere in Abhängigkeit von der Alterung eine Änderung eines Arbeitspunkts zur Bestimmung der Kenngröße und/oder eine Änderung einer durch das Lastprofil definierten Entlademenge berücksichtigt wird. Gerade durch die Berücksichtigung der Ladungsmenge des Lastprofils, die zu einer Arbeitspunktänderung führt, erhöht sich die Genauigkeit bei der Prädiktion weiter. Denn der Energiespeicher entlädt sich durch die entnommene Lademenge weiter, sodass sich der Widerstandswert, der der Prädiktion der Kenngröße zu Grunde gelegt wird, weiter ansteigt. Dieser Zusammenhang wird entsprechend berücksichtigt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Alterung unter Verwendung des bislang dem Energiespeicher entnommenen Stroms bestimmt wird durch Ermittlung eines Strom-Zeit-Durchsatzes und/oder durch Ermittlung eines Integrals des dem Energiespeicher entnommen Stroms und/oder durch Ermittlung einer über die Lebenszeit des Energiespeichers kumlierten Strom- Zeit-Durchsatzes, bevorzugt Amperestundendurchsatz. Damit kann auf besonders einfache Verfahrensschritte zur Bestimmung der Alterung zurückgegriffen werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Alterung ständig aktualisiert wird und bei der Ermittlung der Kenngröße auf die aktualisierte Alterung zurückgegriffen wird. Damit ist in jeder Situation des Fahrzeugs eine ent- sprechende Prognose über die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers möglich, was die Sicherheit weiter erhöht. Dieser Ansatz sieht vor, dass der Grad der Alterung aufgrund von Aktivmassenverlust mit dem kumulierten, also über die Lebenszeit aufsummierten Stromdurchsatz des Energiespeichers korreliert.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Alterung ermittelt, indem der bislang entnommene Strom-Zeit-Durchsatz mit einem vom Energiespeicher abhängigen Parameter, insbesondere eine dem Energiespeicher maximal entnehmbare Ladung, ins Verhältnis gesetzt wird. Dadurch kann eine besonders einfache Skalierung bezogen auf einen neuen Energiespeicher über die so ermittelte Alterung vorgenommen werden. Die weiteren Verfahrensschritte vereinfachen sich dadurch.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Kenngröße in Abhängigkeit von dem prädizierten Widerstand, insbesondere Innenwiderstand, des Energiespeichers unter Verwendung eines Lastprofils ermittelt. Über den Widerstand kann der Einfluss der Alterung bezogen auf die Zustandsgrößen einfach abgebildet werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei eine Zustandskorrektur vorgesehen, die zumindest die Zustandsgröße des Energiespeichers, insbesondere eine Ruhespannung und/oder einen Ladezustand, in Abhängigkeit von der Alterung korrigiert unter Verwendung einer Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Zustandsgröße, insbesondere Ruhespannung oder Ladezustand, und dem Widerstand, insbesondere Innenwiderstand, des Energiespeichers beschreibt. Damit lässt sich eine besonders einfache, aber genaue Korrektur der relevanten Größen abhängig von der Alterung vornehmen. Besonders zweckmäßig ist hierbei vorgesehen, dass die Kurve in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße, insbesondere Ruhespannung, beschrieben wird und wobei die Stauchung der Kurve unter Verwendung der korrigierten Zustandsgröße durchgeführt wird, insbesondere durch Multiplikation der Alterung mit einem Funktionswert.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine Ladungskorrektur vorgesehen, die eine korrigierte Ladung in Abhängigkeit von der Alterung ermittelt und die von der Ladungskorrektur ermittelte korrigierte Ladung für die Prädiktion zumindest einer Zustandsgröße bzw. Leistungsprognose verwendet wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Prognose auch für andere Prognosearten verbessert werden. Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 ein mögliches Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem sicherheitsrelevanten Verbraucher,

Figur 2 eine schematische Darstellung der verschiedenen verwendeten Blöcke des Verfahrens,

Figur 3 eine beispielhafte Auswirkung der Alterung auf die Ruhespannung des Energiespeichers abhängig vom Ladezustand,

Figur 4 eine beispielhafte Stauchung der Widerstands-Ruhespannungs- Kurve bzw. Widerstands-Ladezustands-Kurve aufgrund der Alterung am Energiespeicher,

Figur 5 eine Korrektur des Eingangswerts, insbesondere Ruhespannung, anhand der Stauchung der Widerstands-Eingangsgrößen-Kurve aufgrund der Alterung am Energiespeicher,

Figur 6 die Korrektur des Eingangswerts nach Figur 5 in einer anderen Darstellung,

Figur 7 eine Darstellung einer Stauchung der Widerstands- Ruhespannungs-Kurve zur Ermittlung des veränderten Widerstands aufgrund der Alterung am Energiespeicher,

Figur 8 eine Darstellung einer Stauchung der Widerstands- Ladezustands-Kurve zur Ermittlung des veränderten Widerstands aufgrund der Alterung am Energiespeicher, Figur 9 eine Bestimmung des Widerstands des Energiespeichers (beispielsweise Innenwiderstand) in Abhängigkeit von der Ruhespannung bzw. Ladezustand für einen neuen Energiespeicher und einen gealterten Energiespeicher bei durch die Ladungsentnahme verschobenen Arbeitspunkt sowie

Figur 10 eine vergrößerte Belastung des Energiespeichers durch Alterung, ausgedrückt als Lademenge bezogen auf die verbleibende Energiespeicherkapazität.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.

Figur 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Basisbordnetz 22, welches zumindest einen Basisverbraucher 24 versorgt, der beispielhaft dargestellt ist. Alternativ könnte auch im Basisbordnetz 22 ein Energiespeicher bzw. eine Batterie mit zugehörigem (Batterie)sensor und/oder ein Starter, und/oder mehrere nicht sicherheitsrelevante Komfort- Verbraucher, die durch eine elektrische Lastverteilung abgesichert bzw. angesteuert sein könnten, vorgesehen sein. Das Basisbordnetz 22 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 10 niedrigeres Spannungsniveau auf, beispielsweise kann es sich um ein 12 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 22 und dem Hochvolt-Bordnetz 10 ist ein Gleichspannungswandler 20 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 10 umfasst beispielhaft einen Hochvolt- Energiespeicher 16 wie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit inte- griertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine nicht sicherheitsrelevante Last 18 bzw. Komfortverbraucher wie beispielsweise eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 12. Der Energiespeicher 16 kann über ein Schaltmittel 14 zur Versorgung des Hochvolt-Bordnetzes 10 zugeschaltet werden. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau des Basisbordnetzes 22. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 10 ganz entfallen, wobei dann Komponenten wie Starter, Generator und Energiespeicher dem Basisbordnetz 22 zugeordnet werden.

Mit dem Basisbordnetz 22 sind beispielsweise zwei sicherheitsrelevante Kanäle 30, 40 verbunden. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 ist über ein Trennelement 28 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 ist über ein weiteres Trennelement 26 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 kann über einen Energiespeicher 32 mit Energie versorgt werden. Die charakteristischen Kenngrößen des Energiespeichers 32 werden von einem Sensor 34 erfasst. Der Sensor 34 ist vorzugsweise benachbart zum Energiespeicher 32 angeordnet. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 versorgt einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 36. Dieser sicherheitsrelevante Verbraucher 36 ist lediglich exemplarisch gezeigt. Es werden je nach Bedarf noch weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 36 über den sicherheitsrelevanten Kanal 30 versorgt.

Auch der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 kann durch einen weiteren Energiespeicher 42 versorgt werden. Die Kenngrößen des weiteren Energiespeichers 42 erfasst ein weiterer Sensor 44. Der weitere Sensor 44 ist benachbart zum weiteren Energiespeicher 42 angeordnet. Der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 versorgt zumindest einen weiteren sicherheitsrelevanten Verbraucher 46. Je nach Bedarf können auch im weiteren sicherheitsrelevanten Kanal 40 weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 46 versorgt werden.

Die in Figur 1 gezeigte Topologie ist lediglich beispielhaft als eines von vielen Ausführungsbeispielen gewählt. Es gibt unterschiedlichste Möglichkeiten, wie die sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40 angebracht werden. Beispielhaft wäre möglich, dass der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 an dem sicherheitsrelevanten Kanal 30 hängt oder an Kanal 10 über einen weiteren Gleichspannungswandler. Alternativ könnte lediglich ein einziger Kanal 30,40 mit nur einem Energiespeicher 32 vorgesehen sein.

Das Trennelement 26, 28 dient der Absicherung der jeweiligen sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40, so dass eventuell im Basisbordnetz 22 und/oder in einem sicherheitsrelevanten Kanal 30, 40 auftretende Fehler sich nicht auf den anderen sicherheitsrelevanten Kanal 30, 40 auswirken können. Hierbei kann es sich um entsprechende Schaltmittel oder aber auch um Gleichspannungswandler handeln, über die eine Trennung bzw. Verbindung der Teilnetze möglich wird. Alternativ könnten die Trennelemente 26,28 ganz entfallen, sodass die Kanäle 30,40 unmittelbar mit dem Gleichspannungswandler 20 verbunden sind.

Die über die beiden sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40 versorgbaren redundanten, insbesondere funktionsredundanten, sicherheitsrelevanten Verbraucher 36, 46 sind solche, die notwendig sind, ein Fahrzeug von einem automatisierten Fährbetrieb (kein Eingreifen des Fahrers notwendig) beispielsweise in kritischen Fehlerfällen in einen sicheren Zustand zu überführen. Hierbei kann es sich um ein Anhalten des Fahrzeugs, sei es sofort, sei es am Fahrbahnrand oder erst am nächsten Rastplatz etc. handeln.

Gleichwohl spielt die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 zur Versorgung des oder der sicherheitsrelevanten Verbraucher(s) 36 auch bei einem möglichen Fehlerfall eine wichtige Rolle. Durch die Einführung der elektrischen Lenkung und Bremse sowie der fortschreitenden Automatisierung des Fahrzeuges wird es immer wichtiger, die sichere elektrische Versorgung dieser sicherheitsrelevanten Komponenten bzw. Verbraucher 36, 46 sicherzustellen. Da der Energiespeicher 16, 32, 42 dabei eine entscheidende Rolle spielt, müssen die Funktionen, die nun die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 bestimmen müssen, nach besonders hohen Anforderungen, wie sie beispielsweise in der ISO 26262 niedergelegt sind, entwickelt werden. Das hat weitreichende Folgen auch auf die Funktions- und Algorithmus-Entwicklung sowie an die Hardware, auf der diese Funktionen zur Anwendung kommen. Das nachfol- gend erläuterte Verfahren ermöglicht eine sichere Prädiktion einer Kenngröße wie beispielsweise die Spannung Up des Energiespeichers 16, 32, 42 nach ISO 26262. Für ein nach Sicherheitsstandards sicheres Bordnetz 30, 40 ist die Vorhersage der die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 32 beschreibende Kenngröße Up essentieller Bestandteil.

Bei der Prädiktion der Leistungsfähigkeit im Kontext der sicheren Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher 36, 46, bis das Fahrzeug sich in einem sicheren Zustand (das Fahrzeug steht sicher am Straßenrand, Parkbucht etc.) befindet, gilt es sicherzustellen, dass der Energiespeicher 16, 32, 42 zumindest einen oder mehrere sicherheitsrelevante(n) Verbraucher 36, 46 bedienen kann, wie dies sich beispielsweise aus einem überlagerten Lenk- und Bremsvorgang ergibt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens gezeigt. Verschiedene Messdaten 50, beispielsweise ermittelt durch den Sensor 34,44, gelangen an eine Zustandserkennung 52 des Energiespeichers 32. Die Zustandserkennung 52 ermittelt bestimmte (Zustands)größen des Energiespeichers 32 und gibt diese ggf. weiter. An eine Alterungsidentifizierung 54 gelangen zumindest ein dem Energiespeicher 32 entnommener Strom I, sowie zugehörige Zeitinformationen t zur Ermittlung des Stromverlaufs l(t). Die Alterungsidentifizierung 54 ermittelt eine Alterung x des Energiespeichers 32. Bei der Alterung x handelt es sich besonders bevorzugt um einen Aktivmassenverlust einer Batterie als möglichen Energiespeicher 32. Die Alterung x gelangt an eine Zustandskorrektur 58. Weiterhin ist eine Ladezustandserkennung 56 vorgesehen, der zumindest die Spannung U und/oder Zeit t bzw. der zeitliche Verlauf durch die Zustandserkennung 52 bereitgestellt wird. Die Ladezustandserkennung 56 ermittelt bespielhaft als mögliche Zustandsgrößen zumindest eine Ruhespannung U0 des Energiespeichers 32 und/oder zumindest einen Ladezustand SOC des Energiespeichers 32. Ruhespannung U0 und/oder Ladezustand SOC gelangen ebenfalls an die Zustandskorrektur 58. Die Zustandskorrektur 58 ermittelt zumindest eine korrigierte Ruhespannung UOk und/oder einen korrigierten Ladezustand SOCk. Die korrigierte Ruhespannung UOk und/oder der korrigierte Ladezustand SOCk gelangen an eine Prädiktion 62 für einen prädizierten Widerstand Rp des Energiespeichers 32. Der Prädiktion 62 für den prädizierten Widerstand Rp sind außerdem die Spannung U und/oder der Strom I und/oder die Temperatur T wie von der Zustandserkennung 52 bereitgestellt zugeführt.

Außerdem ist eine Leistungsprognose 64 vorgesehen. Der Leistungsprognose 64 wird/werden zumindest die Alterung x wie von der Alterungsidentifizierung 54 ermittelt und/oder der prädizierte Widerstand Rp wie von der Prädiktion 62 ermittelt und/oder das Lastprofil 61 zugeführt. Die Leistungsprognose 64 ermittelt eine für die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 32 charakteristische Kenngröße, beispielsweise die sich nach der Beaufschlagung des Energiespeichers 32 mit dem Lastprofil 61 einstellende prädizierte Spannung Up.

Figur 3 zeigt die physikalische Auswirkung des Aktivmassenverlusts (LAM Loss- of Active-Mass) als mögliche Alterung x auf den Zusammenhang von Ruhespannung UO und Ladezustand SOC des Energiespeichers 32. Mit Kurve 68 ist der Verlauf der Ruhespannung UO in Abhängigkeit des Ladezustands SOC zu Lebensbeginn (BOL Begin of Life) des Energiespeichers 32 gezeigt. Diese Kurve 68 zeichnet sich dadurch aus, dass auch noch bei geringen Ladezuständen SOC hinreichende Ruhespannungen UO erreicht werden können wie durch den ersten Punkt auf der Kurve 68 angedeutet. Bei diesem Punkt ist bei dem Ladezustand SOC von 0 % zu Lebensbeginn die Ruhespannung UObol (Ruhespannung UO zum Lebensbeginn (BOL - Begin of Life)) zugeordnet. Mit Kurve 70 ist der Verlauf der Ruhespannung UO bei einem um die Alterung x gealterten Energiespeicher 32 bezeichnet. Dieser Verlauf der Kurve 70 zeichnet sich dadurch aus, dass die Ruhespannung UO bereits bei höheren Ladezuständen SOC einbricht, bevor sich die beiden Kurven 68,70 bei dem weiteren eingezeichneten Punkt annähern bzw. ineinander übergehen. Dieser entsprechende Spannungshub AUOsoh der Ruhespannung UO bezogen auf die Alterung x zwischen diesen beiden Punkten ist in Figur 3 exemplarisch dargestellt. Für einen entsprechend der Kurve 70 gealterten Energiespeicher 32 stellt sich somit jeweils ein zulässiger Bereich 48 für den Ladezustand SOC sowie ein weiterer zulässiger Bereich 49 für die Ruhespannung UO ein. Der zulässige Bereich 49 für die Ruhespannung UO befindet sich oberhalb des Spannungshubs AUOsoh bezogen auf die Ruhespannung UObol. Figur 4 zeigt die physikalische Auswirkung des Aktivmassenverlusts auf den Widerstand R des Energiespeichers 32. Hierbei ist eine beispielhafte Stauchung der Widerstands-Zustandsgrößen-Kennlinie (R(U0), R(SOC) Ruhespannung UO bzw. Ladezustand SOC als mögliche Zustandsgrößen) für einen neuen Energiespeicher 32 (Kurve 72 zu Lebensbeginn /BOL) des Energiespeichers 32) sowie für einen gealterten Energiespeicher 32 (Kurve 74 des gealterten Energiespeichers 32) aufgrund der Alterung x, insbesondere Aktivmassenverlust, gezeigt. Die Kurven 72,74 besitzen einen monoton fallenden Verlauf, der sich mit zunehmenden Zustandsgrößen UO, SOC an einen konstanten Widerstandswert R annähert. Die Kurve 74 eines gealterten Energiespeichers 32 steigt in Richtung niedrigerer Ladezustände früher an als die Kurve 74 eines neuen Energiespeichers 32. Bei der Kurve 72 zu Lebensbeginn BOL des Energiespeichers 32 wird ein entsprechender Widerstand R (beispielsweise Innenwiderstand Ri des Energiespeichers 32) bei geringerer Ruhespannung UO bzw. geringerem Ladezustand SOC erreicht, während derselbe Widerstand R bei einem gealterten Energiespeicher 32 bereits bei höherer Ruhespannung UO bzw. höherem Ladezustand SOC auftritt. Eine entsprechende Stauchung der Kurve 72 in Richtung der Kurve 74 wird wie nachfolgend beschrieben für die Leistungsprädiktion 64 des Energiespeichers 32 über die Zustandskorrektur 58 berücksichtigt.

Figur 5 zeigt die Stauchung einer Widerstands- Kurve über eine Korrektur der Zustandsgröße bzw.des Eingangswerts, insbesondere Ruhespannung, aufgrund der Alterung x am Energiespeicher 32. Mit zunehmender Ruhespannung UO nimmt die Differenz des Spannungshubs AUOsoh der Ruhespannung UO bei neuem (Kurve 76) und gealtertem (Kurve 78) Energiespeicher 32 ab.

In Figur 6 ist die Korrektur des Eingangswerts nach Figur 5 in einer anderen Darstellung gezeigt. Abhängig von der Ruhespannung UO und der Alterung x wird der zugehörige Spannungshub AUOsoh der Ruhespannung UO dargestellt. Für die jeweiligen Alterungen x (beispielhaft dargestellt x=0,5, x=1 ) ergeben sich jeweils fallende Geraden, die sich bei UO = 100% schneiden.

In Figur 7 ist das Prinzip der Stauchung der Widerstands-Ruhespannungs-Kurve zur Ermittlung des veränderten Widerstands R aufgrund der Alterung x am Energiespeicher 32 zu sehen, wobei die gealterte Kurve 78 durch den Korrekturterm auf die Kurve 76 übertragen werden kann. In Figur 8 ist analog dazu eine Darstellung einer Stauchung der Widerstands-Ladezustands-Kurve zur Ermittlung des veränderten Widerstands R aufgrund der Alterung x am Energiespeicher 32 gezeigt.

Figur 9 zeigt die Bestimmung des Widerstands R (beispielsweise den Innenwiderstand Ri) des Energiespeichers 32 in Abhängigkeit von der Ruhespannung UO bzw. Ladezustand SOC für einen neuen Energiespeicher 32 (Kurve 76) sowie die Bestimmung des Widerstands R eines gealterten Energiespeichers 32 in Abhängigkeit von der Ruhespannung UO bzw. Ladezustand SOC (Kurve 78). Es erfolgt eine adaptive Nachsteuerung mithilfe der Zustandskorrektur 58 über die korrigierte Ruhespannung UOk bzw. Ladezustand SOCk als korrigierte Zustandsgröße. Zusätzlich dient die durch das Lastprofil 61 entnommene Ladung Qssof als Eingangsgröße für die Prognose des Widerstands R.

In Figur 10 ist eine vergrößerte Belastung des Energiespeichers 32 durch Aktivmasseverlust, ausgedrückt als Lademenge Qssof, die für eine Beaufschlagung des Energiespeichers 32 mit dem Lastprofil 61 erforderlich ist, bezogen zu der verbleibenden Kapazität (Cx) dargestellt. Im Beispiel C75% verbleiben 75% der Restkapazität des Energiespeichers 32 durch Alterung aufgrund von 25% Aktivmasseverlust. Andere Alterungsfaktoren bleiben in Figur 5 unberücksichtigt. Die stärkere Belastung für die Batterie wird bei einer Ladungskorrektur über die korrigierte Lademenge Qk berücksichtigt.

Nachfolgend werden die Problemstellung und die entsprechenden Blöcke der Figur 2 genauer beschrieben.

Neben Korrosion ist insbesondere bei elektrochemischen Energiespeichern 32 (Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen Zellen) Aktivmassenverlust (LAM, Loss of Active Mass) eine häufig auftretende Alterung x. Durch die Reduktion der aktiven elektrochemischen Reaktionsfläche erhöht sich die Zellimpedanz. Zudem treten Alterungsmechanismen meistens in überlagerter Form, also mehrere Mechanismen in unterschiedlicher Ausprägung zur selben Zeit, auf. Häufig sind lediglich begrenzte elektrische Merkmale des Energiespeichers 32 (Strom I, Spannung U, Temperatur T) über Messdaten 50 (beispielsweise erfasst durch die Sensoren 34, 44) im Fahrzeug bekannt. Eine Erkennung des Aktivmassenverlusts als besonders wichtige Alterung x während des Fahrzeugbetriebs ist herausfordernd. Um eine möglichst genaue, aber trotzdem sichere Leistungsprognose von Energiespeichern 32 insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen im Fahrzeug über die komplette Lebenszeit zu ermöglichen, muss die Alterung x (Aktivmasseverlust (LAM (State-of-Health = 100 % - LAM)) des Energiespeichers 32 fortlaufend identifiziert und berücksichtigt werden. Durch die Abbildung der Alterung x, insbesondere Aktivmassenverlust, als interne Zustandsgröße in dem Verfahren kann eine Verbesserung der Prognosegenauigkeit erzielt werden.

Bei der Prädiktion der Leistungsfähigkeit im Kontext der sicheren Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher 36, 46, bis das Fahrzeug sich in einem sicheren Zustand befindet (Fahrzeug steht sicher am Straßenrand, in der Parkbucht oder ähnliches) befindet, ist sicherzustellen, dass der Energiespeicher 32 den Verbraucher 36, 46 versorgen kann. Für die Funktion bedeutet dies im sicherheitsrelevanten Kontext, dass für alle denkbaren Betriebsszenarien das Verfahren multifaktorielle Zusammenhänge erkennen und diese entsprechend gewichten muss. Dabei ist stets eine sichere Prognose bzw. Prädiktion der Spannung Up des Energiespeichers 32 als eine die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 32 beschreibende Kenngröße Up erforderlich. Hierbei ist die Alterung x hinreichend zu berücksichtigen.

Hierzu wird eine quantitative Bestimmung der Alterung x, insbesondere des Aktivmassenverlusts LAM (beispielsweise bei Blei-Säure-Batterien) anhand des Amperestundendurchsatzes (Ah) vorgeschlagen. Der Ansatz sieht vor, dass der Grad des Aktivmassenverlusts LAM als Alterung x mit dem kumulierten, insbesondere über die Lebenszeit aufsummierten, Amperestundendurchsatz des Energiespeichers 32 korreliert. Nach Erreichen eines Grenzwerts führt das Abschalten der Funktion dazu, keine falsche Prognose zu tätigen.

Die qualitativen Mindestanforderungen an Energiespeicher 32 hinsichtlich zyklischer Belastung werden meist vom Hersteller spezifiziert. Ein Amperestunden- Zähler zur Ermittlung der Alterung x kann relativ zur maximal erlaubten Lademenge Qmax ausgedrückt werden. Dabei können die kumulierten Lademengen des Energiespeichers 32 je nach Umgebungsbedingungen unterschiedlich stark gewichtet werden. Der finale Wert des Amperestunden-Zählers als Maß für die Alterung x wird als Eingangsgröße für die Leistungsprognose 64 verwendet. Der prognostizierte Spannungsabfall zum Lebensbeginn wird entsprechend der aktuellen Alterung x skaliert.

Von besonderer Bedeutung ist eine Bestimmung des aktuellen Ladezustands SOC bzw. der Ruhespannung UO des Energiespeichers 32 wie von der Ladezustandserkennung 56 als mögliche Zustandsgrößen bereitgestellt. Der Betriebsbereich hinsichtlich Ladezustand SOC wird durch die Alterung x, nämlich der Aktivmassenverlust LAM, eingeschränkt. Mit zunehmender Alterung x wie in Figur 3 durch die Kurve 70 dargestellt (beispielsweise 40 % LAM) nimmt die nutzbare Entlademenge des Energiespeichers 32 ab, da die tiefen Ladezustände SOC nicht mehr erreicht werden können (beispielsweise zwischen 0 % und 40 %). Durch den Aktivmassenverlust im Energiespeicher 32 fehlen Reaktionspartner für die Umsetzung der Schwefelsäure beispielsweise bei einer Blei-Säure- Batterie. Durch die Verknappung an Reaktionspartnern steigt der Spannungsabfall im unteren Ladezustandsbereich SOC an.

Diese Auswirkung des Aktivmassenverlusts als entsprechende Alterung x auf die Ruhespannung UO und den Ladezustand SOC des Energiespeichers 32 ist in Figur 3 beispielhaft dargestellt. Um den alterungsabhängigen Spannungsabfall über den Anteil des Aktivmassenverlusts bzw. Alterung x bestimmen zu können (vergleiche Figur 4), wird der nutzbare Kapazitätsbereich des Energiespeichers 32 (vergleiche Figur 3) über die korrigierte Ruhespannung UOk oder den korrigierten Ladezustand SOCk beschrieben. Das vorgestellte Konzept berücksichtigt diese alterungsabhängigen Änderungen mit folgenden Umsetzungen:

(1 ) Es erfolgt eine Änderung des Arbeitspunkts durch den Stromlastpuls (SSOF Anforderung ausgedrückt als Ladungsmenge) bzw. zugehöriges Lastprofil 61 aufgrund eines reduzierten Betriebsbereichs (UO oder SOC) a. Verschiebung von hinterlegten Widerstands- oder Spannungsabfall-Kennlinien (Stauchung des Betriebsbereichs) durch die Korrektur des Eingangswertes bzw. Zustandsgröße (bspw. UO, SOC). Es kann eine temporäre Deaktivierung der Funktion SSOF bzw. Block 64 erfolgen, falls der Ladezustand SOC kleiner ist als der Aktivmassenverlust LAM bzw. Alterung x (siehe Figur 3). b. Bei Leistungsprognosemodellen (Leistungsprognose 64) mit Lade- und Entladehistorie: Berücksichtigung der vergrößerten effektiven Lademenge Q aufgrund der verringerten Kapazität C des Energiespeichers 32 (vergleiche Figur 10). c. Bei einem Leistungsprognosemodell mit Widerstandsbestimmung: Prädiktion des Widerstands Rp: Änderung des Widerstands R aufgrund von verändertem Arbeitspunkt AR(ASOCssof). Die Änderung des Arbeitspunkts durch den Ladeumsatz des SOF-Pulses ASOCssof verändert den Widerstand R des Energiespeichers 32 um AR (vergleiche Figur 9): Rp = Rx + ARx. Eine zusätzliche Begrenzung der erlaubten Arbeitspunktänderung des Widerstands R kann über einen Schwellwert erfolgen.

(2) Alternativ kann der Prognosewert, beispielsweise als Polynomfunktion ausgedrückt, über von der Alterung x abhängige Parameter angepasst werden (ohne die Korrektur der Zustandsgrößen SOC oder U0).

Alterungsidentifizierung 54 zur Ermittlung der Alterung x

Der berechnete aktuelle Wert des Zählers (bspw. Amperestunden-Durchsatz- Zähler; Stromintegral des Stroms I, der bislang dem Energiespeicher 32 entnommen wurde etc.) wird auf den unter Normbedingungen maximal zugelassenen bzw. erreichbaren Wert Qmax (maximaler Amperestundendurchsatz) des verwendeten Energierspeichers 32 normiert. Im Bereich zwischen 0 (keine Alterung x (BOL Begin of Life bzw. Herstellung des Energiespeichers 32)) und 1 (maximale Alterung x: Lebenszeit Ende (EOL End of Life)) wird die Leistungsprognose 64 angepasst. Als einfache Art der Implementierung kann der Amperestundendurchsatz über eine Stromintegration ermittelt werden. Hierbei könnte der Strommesswert I wie vom Sensor 34, 44 ermittelt verwendet und integriert (unter Berücksichtigung der Zeit t (Dauer t des Stromflusses I) wie von der Zustandserkennung 52 beispielsweise zur Verfügung gestellt) werden, woraus sich der tatsächliche Amperestundendurchsatz Qt bestimmt. Der maximale Amperestundendurchsatz Qmax bestimmt sich beispielsweise aus zyklischen Tests des jeweiligen Energiespeichers 32. Die Alterung x bestimmt sich aus dem Quotien- ten von tatsächlichem Amperestundendurchsatz Qt und maximalem Amperestundendurchsatz Qmax für den jeweiligen Energiespeicher 32:

Alterung x = Qt / Qmax so dass sich Werte für die Alterung x zwischen 0 und 1 ergeben. Häufig wird Qmax so gesetzt, dass damit das Lebensende-Ziel, z.B. von 50 % LAM bzw. Alterung x = 50 % bei Blei-Säure-Batterien erreicht wird.

Eventuell kann zur Ermittlung der Alterung x auch auf die gemessene Spannung II am Energiespeicher 32 zugegriffen werden.

Zustandskorrektur 58

Aufgrund der Stauchung des Betriebsbereichs durch Aktivmassenverlust im unteren UO-bzw. SOC-Bereich wird eine vom Eingangswert LIO bzw. SOC abhängige Skalierung eingeführt, um die Drift der Kenngröße beschreiben zu können.

Die Korrektur der Ruhespannung UOk erfolgt über die Spannungsänderung AUOsoh bei einem gealterten Energiespeicher 32 (vergleiche auch Figur 3):

UOk = UO - AUOsoh wobei AUOsoh eine Funktion von LAM bzw. Alterung x bzw. LAM (aus der Alterungsidentifizierung 54) und dem Eingangswert UO ist.

AUOsoh = f (LAM bzw. x, UO)

Dabei wird der Alterungsterm in der Alterungsidentifizierung 54 genutzt: x = Alterung = Qt / Qmax wobei x = 0 (BOL Begin of Life) und x = 1 (EOL Enof of Life)

Das Vorgehen ist exemplarisch in den Figuren 5 und 6 gezeigt. So erfolgt die Korrektur des Eingangswerts der Ruhespannung UO um AUOsoh (korrigierte Ruhespannung UOk). Entsprechend kann eine Korrektur des Eingangswerts des Ladezustands SOC durchgeführt werden (korrigierter Ladezustand SOCk). Der Korrekturterm ist abhängig von der aktuellen Alterung x sowie dem Wert des Eingangswerts UO bzw. SOC. Ein höherer Eingangswert muss weniger stark korrigiert werden als ein Eingangswert im unteren Bereich wie Figur 5 und 6 zu entnehmen. Nachfolgendes Beispiel verdeutlicht die beschriebenen Zusammenhänge. Die Batterie weist folgende Daten auf: 0%SOCbol: UOmin = 11 ,6V; 100%SOCbol: llOrnax = 13V. Beispielsweise bestimmt sich die Alterung x bzw. LAM, wie von der Alterungsidentifizierung 54 zur Verfügung gestellt, zu 30 %. Mit x = Qt / Qmax = 30% / 50% (mit EOL-Kriterium bzw. Qmax ist 50% LAM) = 0,6. Der verfügbare Bereich 48 des Ladezustands SOCbol liegt zwischen 30 % und 100 %. Der verfügbare Bereich 49 der Ruhespannung UO liegt also zwischen 12 und 13 V. Beispielhaft wird eine Ruhespannung UO von 12,15 V gemessen. Dies entspricht in etwa 40 % des Ladezustands SOCbol zu Lebensbeginn (BOL) des Energiespeichers 32.

Mit maximaler Alterung x=1 verringert sich UO um (U0max-U0min)*50% = 0.7V (siehe Figur 5).

Mit UO = 12,15V bzw. SOCbol = 40% Ladezustand beträgt der Korrekturterm AUOsoh, 1 = f(UO) = (UOmax - UOmin, cor)/100%*40% = 1 V/100%*40% = 0,4V. Mit x = 6 wird AUOsoh = 0,4V * 0,6 = 0,24 V (vgl. Figur 6).

Die korrigierte Ruhespannung UOk unter Berücksichtigung des Korrekturterms AUOsoh des gealterten Energiespeichers 32 ist dann (vgl. Figur 7):

UOk = UO - AUOsoh = 11 ,718 V. (UOk: korrigierte Zustandsgröße, beispielsweise Ruhespannung)

Block 62 zur Prädiktion des Widerstands Rp

Unter Berücksichtigung des korrigierten Eingangswerts bzw. Zustandsgröße UOk, SOCk kann der durch Aktivmassenverlust (bestimmt über die Alterung x) veränderte Widerstand R des Energiespeichers 32 bestimmt werden. Eine beispielhafte Stauchung der Widerstands-Eingangswerts-Kurve bzw. Widerstands- Zustandsgröße-Kurve aufgrund von Aktivmassenverlust des Energiespeichers 32 ist beispielhaft in Figur 7 als Funktion der Ruhespannung UO und in Figur 8 als Funktion des Ladezustands SOC dargestellt.

Der in Figur 7 eingezeichnete Wert UO stellt den initial bestimmten Wert aus der Ladezustandserkennung 56 dar. Dieser wird wie oben beschrieben entsprechend um die Änderung der Ruhespannung AUOsoh für einen gealterten Energiespeicher 32 korrigiert, sodass sich der korrigierte Wert UOk ergibt (wie in Figur 7 mit dem Pfeil angedeutet). Der sog. wahre Wert 80 des Widerstands R (wie in der durch Alterung x verschobenen Kurve 78 eingezeichnet) ist der alterungsverschobenen Kennlinie 78 im Prinzip zu entnehmen. Allerdings ist die Kurve 76 beispielsweise als parametrierte Funktion für einen neuen Energiespeicher 32 (BOL) hinterlegt, sodass über den korrigierten Ruhespannungswert UOk in Verbindung mit der Kurve 76 der zugehörige Widerstand R ermittelt wird.

Entsprechendes gilt für den Ladezustand SOC als Eingangsgröße wie in Figur 8 gezeigt. Der initial von der Ladezustandserkennung 54 bestimmte SOC-Wert 82 (SOC Wert für einen neuen Energiespeicher 32) von 30 % wird entsprechend um die Alterung x bzw. um ASOCsoh korrigiert, Wert 84 (SOC Wert für einen gealterten Energiespeicher 32). Der wahre Wert 80 des Widerstands R ist der alterungsverschobenen Kennlinie 78 im Prinzip zu entnehmen. Allerdings ist die Kurve 76 beispielsweise als parametrierte Funktion hinterlegt, sodass über den korrigierten Ladezustandswert SOCk in Verbindung mit der Kurve 76 der zugehörige Widerstand R ermittelt wird.

In Figur 9 ist bereits die Bestimmung bzw. Prädiktion des Widerstands Rp (beispielsweise der Innenwiderstand Ri des Energiespeichers 32) in Abhängigkeit von der Ruhespannung U0 oder des Ladezustands SOC für einen neuen Energiespeicher 32 (Kurve 76) und für einen gealterten Energiespeicher 32 (Kurve 78 für die jeweilige sich ständig ändernde Alterung x) aufgetragen.

Die Bestimmung des Widerstands Rp (beispielsweise Innenwiderstand Ri des Energiespeichers) erfolgt über die Eingangsgrößen bzw. Zustandsgrößen Ruhespannung U0 oder Ladezustand SOC für einen neuen Energiespeicher 32 (Kurve 76) und einen gealterten Energiespeicher 32 (Kurve 78) mithilfe der durch die Zustandskorrektur 58 korrigierten Zustandswerte UOk, SOCk.

Die Berücksichtigung der Ladungsmenge Qssof des Lastprofils 61 (SOF-Profil), mit der der Energiespeicher 32 noch beaufschlagbar sein muss, führt zu einer Arbeitspunktänderung AUO(Qssof) bzw. ASOC(Qssof), die in Block 62 eingerechnet wird. Zusätzlich dient Qssof (zusätzliche Ladungsentnahme aufgrund des Lastprofils 61 in Figur 9) als Eingangsparameter für die Prognose des Widerstandswerts Rp nach Eintritt des Strompulses SOF bzw. nach Eintritt des Lastprofils 61 (Worst-Case-Prognose). Die Bestimmung des Widerstands Rp er- folgt am Ende des Strompulses (SOF-Profil bzw. Lastprofil 61 , beispielsweise in Form eines vorgebbaren Stromprofils mit gewisser Höhe und Dauer), da sich der Energiespeicher 32 durch die in Verbindung mit dem Lastprofil 61 entnommene Ladungsmenge Qssof weiter entlädt (mit resultierender Änderung der Ruhespannung AUO(Qssof) oder geändertem Ladezustand ASOC(Qssof)) und den Widerstandswert R um AR ansteigen lässt. Eine Verschiebung des Arbeitspunkts aufgrund der weiteren Ladungsentnahme Qssof, resultierend durch Aufbringung des Lastprofils 61 , resultiert in einer weiteren Änderung der Zustandsgrößen UO, SOC (um AUO(Qssof) bzw. ASOC(Qssof)). Die Änderungen der Zustandsgrößen UO, SOC resultieren in einem geänderten Widerstandswert AR (ARbol für einen neuen Energiespeicher 32, entsprechend der Kurve 76 bzw., um einen größeren Wert ARx für einen gealterten Energiespeicher 32, Kurve 78). Der entsprechend durch die Arbeitspunktverschiebung geänderte Widerstandswert ARx wird bei der anschließenden Ermittlung der Kenngröße Up, die die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 32 beschreibt, entsprechend berücksichtigt.

Die Stauchung der Widerstandskurve des Energiespeichers 32 (R-UO-Kurve) kann über mehrere Möglichkeiten implementiert werden. Eine Möglichkeit ist, eine Polynomfunktion abzubilden, wobei ein alterungsabhängiger Faktor x die Funktion über den Anteil an Aktivmassenverlust anpasst. Damit wäre eine Korrektur der Zustandsgrößen UO oder SOC nicht notwendig.

Leistungsprognose 64 (SSOF-Prognose)

Der adaptierte Widerstandswert Rp bzw. prädizierte Widerstandswert Rp in Block 62 kann als Eingangsgröße für die Leistungsprognose 64 verwendet werden (vergleiche Figur 2). Dieser kann mit den Strom- bzw. Lastanforderungen (beispielsweise auch mehrere Lastprofile 61 etc.) zum prädizierten Spannungsabfall Up am Energiespeicher 32 umgewandelt werden. Mithilfe der geschätzten (nicht korrigierten) Ruhespannung UO kann schließlich der Prognosewert Up als die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 32 beschreibende Kenngröße bestimmt werden.

Beispiel:

Ussof = Up = UO-AUR

Mit AUR=lssof* R (mit Issof als der zugehörige Stromverlauf des Lastprofils 61 , R der in Block 62 prädizierte Widerstand Rp (unter Berücksichtigung der korrigierten Zustandsgrößen UOk, SOCk) sowie unter Berücksichtigung der durch das Lastprofil 61 hervorgerufenen Arbeitspunktänderungen und dadurch resultierenden Widerstandsänderung um ARx)

Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit, die Alterung x in die SSOF Prädiktion bzw. Leistungsprognose 64 einzugliedern ist die Skalierung des Prognosewerts:

AUR =f(x) = lssof*R*(1 +LAM) = lssof*R(1 +x) wobei LAM als Aktivmasseverlust bzw. Maß für die Alterung x über die Alterungsidentifizierung 54 bestimmt wird.

Generell kann für die Prädiktion der Leistung bzw. einer Kenngröße Up des Energiespeichers 32 ein bestimmtes Lastprofil 61 , beispielsweise ein Stromprofil mit definierten Zeitlängen, zu Grunde gelegt werden. Die Prädiktion könnte beispielsweise in Abhängigkeit von der Ruhespannung UO und/oder dem Spannungsabfall am prädizierten Innenwiderstand Ri unter Verwendung eines bestimmten Lastprofils 61 erfolgen. Hierbei können die in Verbindung mit der Alterung x korrigierten Werte wie oben beschrieben zu Grunde gelegt werden.

Bei Leistungsprognosen mit Lade-/Entlade-Vorgeschichte kann hierbei die vergrößerte Lademenge berücksichtigt werden. Durch die Reduktion der verfügbaren Kapazität C aufgrund von Aktivmassenverlust bzw. Alterung x erhöht sich der Einfluss der Lademenge Q auf das Verhalten des Energiespeichers 32. Der Faktor Q/Ct (Ct: tatsächliche Kapazität des Energiespeichers 32) gibt die auf die aktuelle Kapazität Ct des Energiespeichers 32 angepasste Lademenge Q an. Beispielsweise für SOH = 0% bzw. Alterung x = 1 (mit End-of-Life Definition 50% Kapazitätsverlust) ergibt sich die korrigierte Ladung Qk zu:

Qk = Q/C50% *CI OO% = 2*Q wobei sich bei Cn um die Nennkapazität des Energiespeichers 32 handelt. Die entsprechenden Zusammenhänge der vergrößerten Belastung des Energiespeichers 32 durch Aktivmassenverlust, ausgedrückt als Lademenge Q bezogen auf die zu verbleibende Kapazität C des Energiespeichers 32 ist in Figur 10 gezeigt. Mit C 75 % sind 75 % der Restkapazität eines Energiespeichers 32 durch Alte- rung x aufgrund von 25 % Aktivmasseverlust zugeordnet, weitere Alterungsfaktoren bleiben unberücksichtigt.

Wird die tatsächliche Funktionsfähigkeit des Energiespeichers 32 nicht erreicht, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet. So erfolgt beispielsweise eine Warnmeldung und/oder es werden sicherheitsrelevante Funktionen gesperrt. Die Warnmeldung kann dem Fahrzeugführer in einem Display oder sonstigen Anzeigemittel angezeigt werden. Alternativ könnte eine entsprechende Warnmeldung auch über geeignete Kommunikationskanäle beispielsweise der Werkstatt, einem Flottenbetreiber etc. angezeigt werden. Auch könnte die manuelle oder automatische Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand wie beispielsweise das Anhalten am Straßenrand, Anfahren des nächsten Parkplatzes oder Ähnliches (sogenannter Safe Stopp des Fahrzeugs) initiiert werden.

Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Überwachung von Energiespeichern 16, 32, 42 für sicherheitsrelevante Anwendungen wie beispielsweise für die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug insbesondere beim autonomen oder teilautonomen Fahren. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.