Verfahren und Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder

Batteriezelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle.

Durch eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen werden Batterien, insbesondere Li- lonen-Batterien, immer wichtiger. Eine wichtige Kenngröße ist eine Energiemenge, die beim Betrieb der Batterie dieser entnommen oder hinzugefügt wird. Mit Hilfe von Energiemengen lässt sich eine verbleibende Reichweite, eine Betriebszeit oder eine zum vollständigen Laden der Batterie benötigte Energiemenge bestimmen. Eine Energiemenge kann hierbei sowohl in Laderichtung als auch in Entladerichtung bestimmt werden. Darüber hinaus kann eine Energiemenge auch in Intervallen zwischen Ladezuständen (engl state of Charge, SOC) der Batterie bestimmt werden. Das genaue Bestimmen von Energiemengen ist entscheidend für das Bestimmen eines (aktuellen) Zustands der Batterie.

Aus der US 7612 532 B2 ist ein rekursives Verfahren für die adaptive Mehrparameter- Regression bekannt, welches durch Vergessensfaktoren erweitert wird, die für jeden regressiven Parameter eindeutig sind. Anwendungen dieses Verfahrens können unter anderem Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien umfassen. Es wird ein Steuerverfahren vorgestellt, das eine beliebige Anzahl von Modellparametern mit jeweils einem eigenen Zeitgewichtungsfaktor aufweist. Ein Verfahren zum Bestimmen optimaler Werte für die Zeitgewichtungsfaktoren ist enthalten, um kürzlich erhaltenen Daten zur Bestimmung des Systemzustands eine größere Wirkung zu verleihen. Eine Methode der gewichteten rekursiven kleinsten Quadrate wird verwendet, wobei die Zeitgewichtung dem exponentiell vergessenden Formalismus entspricht. Das abgeleitete Ergebnis beinhaltet keine Matrixinversion, und das Verfahren ist iterativ, d. h. jeder Parameter wird bei jedem Zeitschritt einzeln zurückgeführt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle zu schaffen, bei denen die Energiemenge zuverlässig bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle zur Verfügung gestellt, wobei ein Startladezustand empfangen wird, wobei ein Endladezustand empfangen wird, wobei ein Lastprofil zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand empfangen wird, wobei Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und zugehörige Gewichtungsfaktoren bestimmt werden, wobei für jeden der bestimmten Zwischenladezustände Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden, und wobei ausgehend von dem Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den Parametern eine Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand bestimmt und als Energiemengensignal bereitgestellt wird.

Ferner wird insbesondere ein Steuergerät zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle geschaffen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Startladezustand zu empfangen, einen Endladezustand zu empfangen, ein Lastprofil zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand zu empfangen, Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und zugehörige Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, für jeden der bestimmten Zwischenladezustände Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle zu schätzen, und ausgehend von dem Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den Parametern eine Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand zu bestimmen und als Energiemengensignal bereitzustellen.

Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen es, eine Energiemenge verbessert zu bestimmen, insbesondere zu schätzen. Hierzu ist vorgesehen, dass für Zwischenladezustände, die innerhalb eines Intervalls zwischen einem Startladezustand und einem Endladezustand liegen, jeweils Parameter eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle geschätzt werden. Die Parameter werden hierbei insbesondere in Abhängigkeit des jeweils betrachteten Zwischenladezustands geschätzt. Ferner wird insbesondere auch eine Temperatur bzw. eine Temperaturabhängigkeit beim Schätzen der Parameter berücksichtigt. Die Parameter sind daher insbesondere abhängig von dem jeweiligen Zwischenladezustand und der jeweils vorliegenden Temperatur. Die Temperatur kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors an der Batterie oder Batteriezelle erfasst werden oder auf andere Weise bereitgestellt werden, beispielsweise geschätzt werden. Ausgehend von einem empfangenen Lastprofil, den Gewichtungsfaktoren und den geschätzten Parametern wird die Energiemenge der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand bestimmt. Die bestimmte Energiemenge wird als Energiemengensignal bereitgestellt. Das Energiemengensignal kann analog oder digital sein. Das Energiemengensignal kann beispielsweise einer Batteriesteuerung und/oder einer Fahrzeugsteuerung oder einer Ladeinfrastruktur übermittelt werden.

Ein Vorteil des Verfahrens und des Steuergerätes ist, dass durch Berücksichtigung von ladezustandsabhängigen und insbesondere auch temperaturabhängigen Parametern in der Batterie oder Batteriezelle auftretende Verluste verbessert berücksichtigt werden können. Die Energiemenge zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand kann daher verbessert bestimmt werden.

Der Startladezustand und der Endladezustand liegen insbesondere zwischen einem minimalen Ladezustand und einem maximalen Ladezustand der Batterie oder Batteriezelle. Der Startladezustand und der Endladezustand werden beispielsweise als analoges oder digitales Startladezustandssignal und als analoges oder digitales Endladezustandssignal empfangen, beispielsweise von einer Batteriesteuerung und/oder einer Fahrzeugsteuerung. Der Startladezustand und der Endladezustand können auch bei einer Batteriesteuerung oder einer Fahrzeugsteuerung abgefragt werden.

Ein Lastprofil bezeichnet insbesondere einen Strom beim Laden und/oder beim Entladen zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand. Das Lastprofil kann sowohl auf erfassten Sensordaten (Strommessung) als auch auf vorgegebenen, z.B. simulierten oder geschätzten, Daten basieren. Das Lastprofil kann insbesondere zeitaufgelöst sein.

Die Parameter des Ersatzschaltungsmodells können beispielsweise empirisch für unterschiedliche Ladezustände und Temperaturen der Batterie bestimmt worden sein. Die bestimmten Parameter werden dann in einem Speicher, insbesondere des Steuergeräts, hinterlegt und können nach Bedarf abgerufen und gegebenenfalls interpoliert bereitgestellt werden, wenn die Parameter für einen Zwischenladezustand geschätzt werden sollen. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Parameter durch Simulation zu bestimmen und/oder zu schätzen.

Die bestimmten Zwischenladezustände bilden insbesondere Stützstellen bei einer zum Bestimmen der Energiemenge durchgeführten numerischen Integration. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Zwischenladezustände zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand und die zugehörigen Gewichtungsfaktoren als Vorgabe durch ein gewähltes numerisches Integrationsverfahren bestimmt werden. Anders ausgedrückt: das gewählte numerische Integrationsverfahren gibt die Zwischenladezustände und die zugehörigen Gewichtsfaktoren als Stützstellen vor. Hierdurch kann eine Energiemenge innerhalb jedes beliebigen Ladezustandsintervalls durch Integration über eine Spannung der Batterie oder Batteriezelle bestimmt werden. Beispielsweise können als numerische Integrationsverfahren offene oder geschlossene Newton-Cotes-Formeln gewählt werden, bei denen gleichverteilte Stützstellen verwendet werden. Mittels der Gauss-Legendre-Quadratur können auch nicht gleichverteilte Stützstellen verwendet werden. Die Verfahren unterscheiden sich in der Wahl der Stützstellen, das sonstige Vorgehen ist jedoch gleich. Insbesondere wird das Integral stets als gewichtete Summe der Spannungen bei den Stützstellen berechnet. Grundsätzlich können jedoch auch andere numerische Integrationsverfahren verwendet werden.

Teile des Steuergeräts können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.

Das Verfahren und das Steuergerät können insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Ein Fahrzeug kann grundsätzlich aber auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi. Grundsätzlich können das Verfahren und das Steuergerät aber auch bei anderen mobilen oder stationären Energiespeichern eingesetzt werden.

Generell lässt sich eine Energiemenge wie folgt berechnen: Hierbei ist Q _N0 mmai eine Kapazität der Batterie oder Batteriezelle mit der Einheit Ah (Amperestunden), SOC _start ist der Startladezustand, SOC _End ist der Endladezustand (jeweils einheitslos als Prozentangabe oder Wert zwischen 0 und 1), U ist die Spannung der Batterie oder Batteriezelle und SOC der Ladezustand der Batterie oder Batteriezelle.

Das Integral wird mittels eines numerischen Integrationsverfahrens, beispielsweise mittels einer der offenen oder geschlossenen Newton-Cotes-Formeln, gelöst:

Hierbei ist w _t der Gewichtungsfaktor an der mit einem Zwischenladezustand SOC _t korrespondierenden Stützstelle i.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ersatzschaltungsmodell zumindest eine Leerlaufspannung als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand und mindestens ein RC-Glied umfasst. Hierdurch können die wesentlichen Effekte in der Batterie oder Batteriezelle berücksichtigt werden, insbesondere kann mittels des mindestens einen RC-Gliedes ein zeitabhängiges Verhalten berücksichtigt werden. Insbesondere weist das Ersatzschaltungsmodell mehr als ein RC-Glied auf, sodass auch mehrere zeitabhängige Prozesse innerhalb der Batterie oder Batteriezelle berücksichtigt werden können.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Energiemenge für jeden Zwischenladezustand eine Gesamtspannung der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung, einer an dem Serienwiderstand abfallenden Serienwiderstandsspannung und einer an dem mindestens einen RC-Glied abfallenden RC-Glied-Spannung bestimmt wird. Dies ermöglicht ein besonders effizientes Bestimmen der Energiemenge. Die RC-Glieder sind insbesondere in Reihe geschaltet.

Die Spannung der Batterie oder Batteriezelle ergibt sich dann als: Hierbei ist U _ocv die Leerlaufspannung, U _R0 die Serienwiderstandsspannung und U _{RC n} die an dem n-ten RC-Glied abfallende RC-Glied-Spannung. Dies gilt für jeden Zwischenladezustand SO :

Die Leerlaufspannung t/ _ocv wird in Abhängigkeit des Zwischenladezustands SO als Parameter von dem Ersatzschaltungsmodell geschätzt.

Es ergibt sich dann für die Energiemenge E\

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Lastprofil in Form eines quadratischen Mittelwertes eines Stroms und eines Mittelwertes des Stroms empfangen wird, wobei für die Zwischenladezustände die jeweils an dem Serienwiderstand abfallende Serienwiderstandsspannung aus dem quadratischen Mittelwert des Stromes und dem Mittelwert des Stroms bestimmt wird. Dies erlaubt ein zuverlässiges Bestimmen der Serienwiderstandsspannung insbesondere auch bei Lastprofilen mit nicht-konstantem Stromverlauf.

Es ergibt sich für die vom Zwischenladezustand SO abhängige Serienwiderstandspannung URO-

Hierbei sind R ₀ der vom Zwischenladezustand SO abhängige Serienwiderstand, I _RMS der quadratische Mittelwert des Stromes und I _Avg der Mittelwert des Stroms. R ₀ ist ein Parameter, der mittels des Ersatzschaltungsmodells für den jeweiligen Zwischenladezustand geschätzt wird. Die Mittelwerte können auch Mittelwerte über wenige Stützstellen um die betrachtete Stützstelle herum sein (z.B. in Form eines gleitenden Mittelwertes, der eine vorgegebene Anzahl Stützstellen berücksichtigt). In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC-Glied abfallenden RC-Glied-Spannung ausgehend von dem Startladezustand eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands bestimmt wird, wobei die RC-Glied-Spannung ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC-Gliedes bestimmt wird. Hierdurch kann die RC-Glied- Spannung des mindestens einen RC-Gliedes verbessert geschätzt und in der Folge auch die Gesamtspannung verbessert bestimmt werden.

Für die Zeit t _j zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenzustandes SO ergibt sich:

Die vom Zwischenladezustand SO abhängige RC-Glied-Spannung U _{RC n} ergibt sich dann zu:

Hierbei ist t _h die Zeitkonstante für das n-te RC-Glied. Der RC-Glied- Widerstand R _{ßC n} wird als Parameter in Abhängigkeit von dem Zwischenladezustand SO mittels des Ersatzschaltungsmodells geschätzt.

Um eine benötigte Rechenleistung zu reduzieren, kann in einer Ausführungsform auch angenommen werden, dass die RC-Glieder gesättigt sind, sodass diese durch konstante Wderstände ersetzt werden können. Ein solches Vorgehen ist insbesondere bei konstanter Last (konstantem Strom im Lastprofil) und/oder großen Intervallen zwischen Startladezustand und Endladezustand möglich.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Steuergeräts ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Steuergeräts sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts zum Bestimmen einer Energiemenge in einer Batterie oder Batteriezelle;

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Verarbeitung im Steuergerät gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltungsmodells.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Steuergeräts 1 zum Bestimmen einer Energiemenge 20 in einer Batterie oder Batteriezelle gezeigt.

Das Steuergerät 1 umfasst eine Recheneinrichtung 2 und einen Speicher 3. Die Recheneinrichtung 2 ist beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller, auf dem Programmcode ausgeführt wird, um das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren auszuführen. Es können jedoch auch festverdrahtete Hardwarekomponenten vorgesehen sein, die das Verfahren teilweise oder vollständig ausführen. Das Steuergerät 1 kann Teil einer Batteriesteuerung sein.

Dem Steuergerät 1 werden ein Startladezustand 10, ein Endladezustand 11 und ein Lastprofil 12 zugeführt. Ferner kann vorgesehen sein, dass dem Steuergerät 1 eine aktuelle Temperatur 13 der Batterie oder Batteriezelle zugeführt wird. Die aktuelle Temperatur der Batterie oder Batteriezelle kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors 50 erfasst und/oder geschätzt werden. Das Steuergerät 1 kann zusammen mit dem Temperatursensor 50 auch eine gemeinsame Vorrichtung ausbilden. Der Startladezustand 10, der Endladezustand 11 und das Lastprofil 12 werden beispielsweise von einem Energiemanagementsystem (nicht gezeigt) oder einer Fahrzeugsteuerung 51 eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) abgefragt und/oder bereitgestellt. Der Startladezustand 10, der Endladezustand 11 und das Lastprofil 12 werden von dem Steuergerät 1 empfangen und mittels der Recheneinrichtung 2 verarbeitet.

Eine Verarbeitung im Steuergerät 1 gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist schematisch als Ablaufdiagramm in der Fig. 2 gezeigt, die einen Signalfluss verdeutlicht. Das Steuergerät 1 ist dazu eingerichtet, Zwischenladezustände 14 zwischen dem Startladezustand 11 und dem Endladezustand 12 und zugehörige Gewichtungsfaktoren 15 zu bestimmen. Dies erfolgt in einem Modul 100. Für jeden der bestimmten Zwischenladezustände 14 schätzt das Steuergerät 1 in einem Modul 101 Parameter 16 eines Ersatzschaltungsmodells der Batterie oder der Batteriezelle. Dies erfolgt insbesondere auch unter Berücksichtigung der Temperatur 13. Das Schätzen erfolgt beispielsweise ausgehend von empirisch bestimmten Parametern des Ersatzschaltungsmodells. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass empirisch bestimmte Parameter interpoliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, die Parameter ausgehend von einer Simulation zu schätzen.

Ein beispielhaftes Ersatzschaltungsmodell 30 ist schematisch in der Fig. 3 gezeigt. Es ist in dem Beispiel vorgesehen, dass das Ersatzschaltungsmodell 30 zumindest eine in Form einer Kapazität C modellierte Leerlaufspannung U _ocv als Spannungsquelle, einen Serienwiderstand R ₀ und zwei RC-Glieder RC1, RC2 mit den Widerständen R1, R2 und den Kapazitäten C1, C2 umfasst. Grundsätzlich kann das Ersatzschaltungsmodell 30 aber auch mehr oder weniger RC- Glieder RC1, RC2 aufweisen.

Als Parameter 16 (Fig. 2) werden in Abhängigkeit eines jeweiligen Zwischenladezustands 14 insbesondere die Leerlaufspannung U _ocv (Fig. 3), der Serienwiderstand R ₀ (Fig. 3), ein Wderstand R1, R2 der RC-Glieder RC1, RC2 (Fig. 3) und Zeitkonstanten der RC-Glieder RC1, RC2 geschätzt. Ferner wird auch eine Spannung an den RC-Gliedern RC1, RC2 für den Startladezustand 10 geschätzt.

Ausgehend von dem Lastprofil 12 (Fig. 2), welches insbesondere als Mittelwert 12-1 des Stroms und als quadratischer Mittelwert 12-2 des Stromes bereitgestellt wird, den Gewichtungsfaktoren 15 und den Parametern 16 wird in einem Modul 102 eine Energiemenge 20 der Batterie oder Batteriezelle zwischen dem Startladezustand 10 und dem Endladezustand 11 bestimmt. Die bestimmte Energiemenge 20 wird als Energiemengensignal 21 bereitgestellt.

Zum Bestimmen der Energiemenge ist insbesondere vorgesehen, dass für jeden Zwischenladezustand 14 eine Gesamtspannung U (Fig. 3) der Batterie oder Batteriezelle zumindest aus der Leerlaufspannung U _ocv , einer an dem Serienwiderstand R ₀ abfallenden Serienwiderstandsspannung U _R0 und einer an den RC-Gliedern RC1, RC2 abfallenden RC- Glied-Spannung U _RC1 , U _RC2 bestimmt wird.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass für die Zwischenladezustände 14 die jeweils an dem Serienwiderstand R ₀ abfallende Serienwiderstandsspannung U _R0 aus dem quadratischen Mittelwert 12-2 (Fig. 2) des Stromes und dem Mittelwert 12-1 (Fig. 2) des Stroms bestimmt wird. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass zum Bestimmen der an dem mindestens einen RC- Glied RC1, RC2 (Fig 3) abfallenden RC-Glied-Spannung U _RC1 , U _RC2 ausgehend von dem Startladezustand 10 eine Zeit bis zum Erreichen des jeweils betrachteten Zwischenladezustands 14 bestimmt wird, wobei die RC-Glied-Spannung U _RC1 , U _RC2 ausgehend von der bestimmten Zeit und einer Zeitkonstante des mindestens einen RC-Gliedes RC1, RC2 bestimmt wird.

Die resultierende Gesamtspannung U der Batterie oder Batteriezelle wird dann numerisch über das Intervall zwischen dem Startladezustand 10 und dem Endladezustand 11 integriert, um die Energiemenge 20 zu erhalten. Dies kann beispielsweise mittels offener oder geschlossener Newton-Cotes-Formeln erfolgen. Grundsätzlich können jedoch auch andere numerische Integrationsverfahren verwendet werden. Aus der erhaltenen Energiemenge 20 wird dann das Energiemengensignal 21 erzeugt, welche den Wert der Energiemenge 20 in geeigneter Form kodiert. Das Energiemengensignal 21 kann beispielsweise einer Batteriesteuerung 52 oder der Fahrzeugsteuerung 51 zugeführt werden.

Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen insbesondere ein verbessertes Bestimmen von Energiemengen in Batterien oder Batteriezellen. Mit Vorteil können das Verfahren und das Steuergerät insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladezustandsintervallen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden. Ferner können auch nicht-konstante Lastprofile berücksichtigt werden, sodass auftretende Verluste verbessert berücksichtigt werden können. Auch verschiedene Ladehistorien können berücksichtigt werden, da stets ein aktueller Ladezustand der Batterie berücksichtigt wird.

Bezugszeichenliste

1 Steuergerät

2 Recheneinrichtung

3 Speicher

10 Startladezustand

11 Endladezustand

12 Lastprofil

12-1 Mittelwert des Stroms

12-2 quadratischer Mittelwert des Stroms

13 Temperatur

14 Zwischenladezustand

15 Gewichtungsfaktor

16 Parameter 20 Energiemenge 21 Energiemengensignal 30 Ersatzschaltungsmodell

50 Temperatursensor

51 Fahrzeugsteuerung

52 Batteriesteuerung

100-102 Module

Cx Kapazität

C Kapazität (Leerlaufspannung)

RCx RC-Glied

Rx Widerstand

U Gesamtspannung

Uocv Leerlaufspannung

R ₀ Serienwiderstand

URO Serienwiderstandsspannung

URCX RC-Glied-Spannung