Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit

Die vorliegende Offenbarung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem unabhängigen Patentanspruch.

Stand der Technik

In Folge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere im Fahrzeug- bzw. Au tomobilbereich, werden zunehmend mobile elektrische Energiespeichersysteme eingesetzt. Insbesondere bei der vermehrt eingesetzten Lithiumionentechnologie ist eine Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten, beispielsweise Spannungs und Ladezustandsgrenzwerten, erforderlich, um die Sicherheit und Lebensdauer des elektrischen Energiespeichersystems zu gewährleisten. Weiterhin ist insbe sondere für Nutzer dieser elektrischen Energiespeichersysteme eine genaue Kenntnis der Kapazität, d.h. des Speichervermögens, der elektrischen Energie speichereinheiten des entsprechenden elektrischen Energiespeichersystems re levant. Dazu werden in meist unregelmäßigen Abständen entsprechende Aktuali sierungen der Kapazitätswerte der elektrischen Energiespeichereinheiten durch ein Batteriemanagementsystem durchgeführt. Mittels dieser Kapazitätswerte kann einem Nutzer beispielsweise eine verbleibende Restreichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angezeigt werden. Je häufiger diese Aktuali sierungen durchgeführt werden können, desto genauer kann dem Nutzer die Fahrzeugreichweite angezeigt werden.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung Offenbart wird ein Verfahren zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Ener giespeichereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Da bei ist die elektrische Energiespeichereinheit Teil eines elektrischen Energiespei chersystems mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten, wobei das elektrische Energiespeichersystem mindestens ein Schaltmittel aufweist, welches eingerichtet ist, die elektrische Energiespeichereinheit, deren Kapazität bestimmt wird, elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung aus einem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems wegzuschalten und/oder elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung in den Stromflusspfad einzuschalten. Dabei bezeichnet die Kapazität hier beispielsweise die aktuelle elektrische Ladungsmenge, welche unter zulässigen Betriebsbedingungen maximal in der elektrischen Energiespei chereinheit gespeichert werden kann. Diese kann sich beispielsweise durch Alte rungseffekte reduzieren. Das mindestens eine Schaltmittel kann beispielsweise als Vollbrücke oder als Halbbrücke ausgestaltet sein. Derartige Ausführungsfor men ergeben sich beispielhaft aus den älteren Anmeldungen DE 102010 027857 und DE 102010027861.

Innerhalb des Verfahrens wird die elektrische Energiespeichereinheit aus dem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems in Lade- und/oder Ent laderichtung mittels des Schaltmittels weggeschaltet, um eine Annäherung der elektrischen Energiespeichereinheit an einen stationären Zustand beziehungs weise quasistationären Zustand zu ermöglichen, da hier eine besonders genaue Ermittlung eines Spannungswertes der Leerlaufspannung der elektrischen Ener giespeichereinheit möglich ist.

Weiterhin wird ein erster Spannungswert einer Klemmenspannung der elektri schen Energiespeichereinheit ermittelt. Dass dies in einem abgeschalteten bezie hungsweise weggeschalteten Zustand erfolgt, ist vorteilhaft, da sich - wie er wähnt - hierbei einfach und genau ein Spannungswert der Leerlaufspannung der elektrischen Energiespeichereinheit ermitteln lässt.

Weiterhin wird die elektrische Energiespeichereinheit in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems in Lade- und/oder Entladerichtung mittels des Schaltmittels eingeschaltet, damit sie wieder geladen beziehungsweise ent laden werden kann. Weiterhin wird die elektrische Energiespeichereinheit mit einer vordefinierten ers ten Ladungsmenge und/oder bis zu einem vordefinierten ersten Ladezustand und/oder bis zu einem vordefinierten ersten Spannungsniveau geladen und/oder entladen. Vorteilhafterweise weist sie danach einen anderen Ladezustand und/o der ein anderes Spannungsniveau auf als zuvor.

Erneut wird die elektrische Energiespeichereinheit aus dem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems in Lade- und/oder Entladerichtung mittels des Schaltmittels weggeschaltet, um möglichst wieder einen stationären/quasi stationären Zustand zu erreichen.

Es erfolgt eine Ermittlung eines zweiten Spannungswertes der elektrischen Ener giespeichereinheit, woraus sich wieder - wie oben beschrieben - einfach und ge nau ein Spannungswert der Leerlaufspannung der elektrischen Energiespeicher einheit bestimmen lässt.

Abschließend wird die Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit zumin dest in Abhängigkeit des ersten Spannungswertes und des zweiten Spannungs wertes ermittelt.

Das Verfahren ist vorteilhaft, da durch das Wegschalten der elektrischen Ener giespeichereinheit ein genaues und flexibles Ermitteln der Kapazität der elektri schen Energiespeichereinheit ermöglicht wird, was einen sicheren und zuverläs sigen Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems ermöglicht.

Das Verfahren kann beispielsweise computerimplementiert umgesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise wird der erste Spannungswerte nach einer vordefinierten ersten Wartezeit und/oder bei Erreichen einer vordefinierten ersten Änderungs rate der Klemmenspannung ermittelt. Dabei ist insbesondere ein Unterschreiten einer betragsmäßigen Änderungsrate vorteilhaft, da daraus geschlossen werden kann, dass sich entsprechende physikalische und/oder chemische Ausgleichs prozesse in der elektrischen Energiespeichereinheit einem stationären Zustand annähern. Dies ist vorteilhaft, da somit mit hinreichender Genauigkeit der Wert der Klemmenspannung als Wert der Leerlaufspannung angenommen werden kann, ohne dass zusätzliche Berechnungen durchzuführen sind. Die Wartezeit kann dabei von der Art der elektrischen Energiespeichereinheit abhängig sein und ist somit je nach Anwendung zu wählen. Auch die vordefinierte Änderungs rate kann im Vorfeld der Anwendung beispielsweise experimentell oder modell basiert ermittelt werden, um eine vordefinierte Genauigkeit des aus dem Klem menspannungswert ermittelten Leerlaufspannungswert zu erreichen.

Zweckmäßigerweise wird der zweite Spannungswerte nach einer vordefinierten zweiten Wartezeit und/oder bei Erreichen einer vordefinierten zweiten Ände rungsrate der Klemmenspannung ermittelt. Dabei ist insbesondere ein Unter schreiten einer betragsmäßigen Änderungsrate vorteilhaft, da daraus geschlos sen werden kann, dass sich entsprechende physikalische und/oder chemische Ausgleichsprozesse in der elektrischen Energiespeichereinheit einem stationären Zustand annähern. Dies ist vorteilhaft, da somit mit hinreichender Genauigkeit der Wert der Klemmenspannung als Wert der Leerlaufspannung angenommen werden kann, ohne dass zusätzliche Berechnungen durchzuführen sind. Die Wartezeit kann dabei von der Art der elektrischen Energiespeichereinheit abhän gig sein und ist somit je nach Anwendung zu wählen. Auch die vordefinierte Än derungsrate kann im Vorfeld der Anwendung beispielsweise experimentell oder modellbasiert ermittelt werden, um eine vordefinierte Genauigkeit des aus dem Klemmenspannungswert ermittelten Leerlaufspannungswert zu erreichen.

Zweckmäßigerweise werden die Schritte des Wegschaltens, Ermittelns der Spannungswerte, Einschaltens, Ladens und/oder Entladens, wie sie vorstehend beschrieben sind, wiederholt durchgeführt und so mehr als zwei Spannungswerte der Klemmenspannung ermittelt. Dies ist vorteilhaft, um eine Vielzahl an Span nungswerten zu ermitteln und so die Genauigkeit der Kapazitätsbestimmung zu erhöhen.

Zweckmäßigerweise wird die Kapazität durch eine Anpassung einer vorgegebe nen Leerlaufspannungskurve in Abhängigkeit der ermittelten Spannungswerte ermittelt. Dies ist vorteilhaft, da sich die Form der Leerlaufspannungskurve je nach Art der elektrischen Energiespeichereinheit meist nicht in der Formgebung ändert, sondern beispielsweise gestaucht wird. Dies kann dahingehend erweitert werden, dass unterschiedliche Kennlinien für unterschiedliche Elektroden bezie hungsweise Elektrodenmaterialien vorgesehen sind, welche in der Überlagerung die Leerlaufspannungskennlinie ergeben. Beispielsweise kann bei einer Lithiumi onenbatteriezelle eine Anodenkennlinie für das Anodenpotential gegen Lithium und eine Kathodenkennlinie für das Kathodenpotential gegen Lithium vorgese hen sein, welche in der Überlagerung beziehungsweise bei Differenzbildung zur Leerlaufspannungskennlinie führen. Entsprechend werden die beiden Kennlinien dann angepasst, um eine Leerlaufspanungskennlinie zu liefern, die die ermittel ten Spannungswerte möglichst genau wiedergibt. Somit können in vorteilhafter Weise auch Kapazitätseffekte getrennt nach Anode und Kathode ermittelt wer den.

Zweckmäßigerweise wird aus den ermittelten Spannungswerten jeweils der La dezustand der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dies ist vorteilhaft, um daraus durch Differenzbildung und entsprechende Umrechnung eine La dungsmengendifferenz zu berechnen, welche bei der Ermittlung der Kapazität eingesetzt werden kann.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches ein gerichtet ist, alle Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speicherme dium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Somit kann das Compu terprogramm einfach verbreitet und ausgeführt werden.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten, wobei das elektrische Energiespeichersystem mindestens ein Schaltmittel auf weist, welches eingerichtet ist, die mindestens eine elektrische Energiespeicher- einheit, deren Kapazität bestimmt wird, elektrisch in Lade- und/oder Entladerich tung aus einem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems wegzu schalten und/oder elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung in den Strom flusspfad einzuschalten, umfassend mindestens ein Mittel, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens aus zuführen. Dies ist vorteilhaft, da ein einfacher Einsatz des Verfahrens ermöglicht wird. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagement steuergerät oder eine elektronische Steuereinheit umfassen. Unter einer elektro nischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, wel ches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifi schen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersys tem, welches mehrere elektrische Energiespeichereinheiten und die offenbarte Vorrichtung umfasst. Dabei weist das elektrische Energiespeichersystem min destens ein Schaltmittel auf, welches eingerichtet ist, die mindestens eine elektri sche Energiespeichereinheit, deren Kapazität bestimmt wird, elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung aus einem Stromflusspfad des elektrischen Energie speichersystems wegzuschalten und/oder elektrisch in Lade- und/oder Entlade richtung in den Stromflusspfad einzuschalten.

Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektro chemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektro chemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batte riemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeicher einheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen- Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Bat teriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumula- tor, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel- Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elekt rochemischer Zusammensetzung sein. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.

Es zeigen:

Figur 1 ein elektrisches Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Ener giespeichereinheiten, aufweisend ein entsprechendes Schaltmittel, ge mäß einer Ausführungsform;

Figur 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer Ausfüh rungsform; und

Figur 3 ein schematischer Spannungsverlauf einer elektrischen Energiespei chereinheit, deren Kapazität gemäß dem offenbarten Verfahren ermittelt wird.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskompo nenten oder gleiche Verfahrensschritte.

Figur 1 zeigt ein elektrisches Energiespeichersystem 1 mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten 2 und jeweils einem zugeordneten Schaltmittel 3, wel ches eingerichtet ist, die elektrische Energiespeichereinheit 2, deren Kapazität bestimmt wird, elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung aus einem Strom flusspfad 5 des elektrischen Energiespeichersystems 1 wegzuschalten und/oder elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung in den Stromflusspfad 5 einzuschal ten.

Weiterhin weist das elektrische Energiespeichersystem 1 eine Vorrichtung 4 zur Ermittlung der Kapazität einer elektrischen Energiespeichereinheit 2 auf, wie sie oben offenbart wurde. Dabei umfasst die Vorrichtung 4 eine elektronische Steu ereinheit, welche hier nicht explizit dargestellt ist. Die elektronische Steuereinheit ist dabei eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.

Die Vorrichtung 4 ist dabei eingerichtet, mittels geeigneter Verbindungen die ent sprechenden Spannungswerte zu ermitteln. Diese sind hier nicht explizit darge stellt, können aber beispielsweise kabelgebunden oder kabellos sein. Entspre chende Spannungssensoren sind dabei an den elektrischen Energiespeicherein heiten 2 angebracht.

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer Aus führungsform. Die mindestens elektrische Energiespeichereinheit, deren Kapazi tät ermittelt wird, ist dabei innerhalb eines elektrischen Energiespeichersystems mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten angeordnet, wie es bei spielsweise in Figur 1 dargestellt ist. Dabei weist das elektrische Energiespei chersystem mindestens ein Schaltmittel auf, welches eingerichtet ist, die mindes tens eine elektrische Energiespeichereinheit, deren Kapazität bestimmt wird, elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung aus einem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems wegzuschalten und/oder elektrisch in Lade- und/oder Entladerichtung in den Stromflusspfad einzuschalten.

In einem ersten Schritt S21 wird die elektrische Energiespeichereinheit, deren Kapazität bestimmt wird, in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespei chersystems in Laderichtung mittels des Schaltmittels eingeschaltet. Sie kann so mit geladen, aber nicht entladen werden.

In einem zweiten Schritt S22 wird die elektrische Energiespeichereinheit bis zu einem vordefinierten ersten Spannungsniveau geladen. Das erste Spannungsni veau liegt bevorzugt über 3,6 Volt.

In einem dritten Schritt S23 wird die elektrische Energiespeichereinheit aus dem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems in Laderichtung mittels des Schaltmittels weggeschaltet. Da sie zuvor nur in Laderichtung eingeschaltet war, ist sie somit von dem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersys tems getrennt.

In einem vierten Schritt S24 wird ein erster Spannungswert einer Klemmenspan nung der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Bevorzugt wird dies nach einer vordefinierten ersten Wartezeit durchgeführt.

In einem fünften Schritt S25 wird die elektrische Energiespeichereinheit in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems in Entladerichtung mit tels des Schaltmittels eingeschaltet, sodass eine Entladung möglich ist.

In einem sechsten Schritt S26 wird die elektrische Energiespeichereinheit bis zu einem vordefinierten zweiten Spannungsniveau entladen, sodass zwischen den beiden Spannungsniveaus ein vordefinierter Spannungsunterschied vorliegt.

In einem siebten Schritt S27 wird die elektrische Energiespeichereinheit erneut weggeschaltet, diesmal in Entladerichtung aus dem Stromflusspfad. Somit ist sie von dem Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems getrennt.

In einem achten Schritt S28 wird ein zweiter Spannungswert einer Klemmen spannung der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Bevorzugt wird dies nach einer vordefinierten zweiten Wartezeit durchgeführt.

In einem neunten Schritt S29 wird schließlich die Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit des ersten Spannungswertes und des zweiten Spannungswertes ermittelt.

Figur 3 zeigt einen schematischen Spannungsverlauf einer elektrischen Energie speichereinheit, deren Kapazität gemäß dem offenbarten Verfahren ermittelt wird. Dabei zeigt das obere Diagramm eine Schaltstellung S1 des beispielsweise bei Figur 1 beschriebenen Schaltmittels an, das heißt, ob die elektrische Energie speichereinheit in Lade- oder Entladerichtung in einen Stromflusspfad eines elektrischen Energiespeichersystems geschaltet ist oder weggeschaltet ist. Von einem Zeitpunkt tO bis zu einem Zeitpunkt tl ist die elektrische Energiespei chereinheit mittels des Schaltmittels in Laderichtung in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems eingeschaltet und wird entsprechend des unteren Diagramms, welches die Klemmenspannung Ul der elektrischen Ener giespeichereinheit angibt, aufgeladen. Das Laden erfolgt bis zu einem Zeitpunkt tl, zu dem ein vordefiniertes erstes Spannungsniveau erreicht wird.

Zu dem Zeitpunkt tl wird die elektrische Energiespeichereinheit aus dem Strom fluss des elektrischen Energiespeichersystems weggeschaltet, sie kann somit weder geladen noch entladen werden. Wie aus dem unteren Diagramm ersicht lich ist, nähert sich die Klemmenspannung asymptotisch einem Ruhewert, dem Leerlaufspannungswert, an. Bevorzugt wird ein erster Spannungswert zu dem Zeitpunkt t2 bestimmt, kurz bevor die elektrische Energiespeichereinheit in Entla derichtung in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems ein geschaltet wird, sodass eine Entladung möglich ist.

Von einem Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt t3 ist die elektrische Energiespei chereinheit mittels des Schaltmittels in Entladerichtung in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersystems eingeschaltet und wird entsprechend des unteren Diagramms, welches die Klemmenspannung Ul der elektrischen Ener giespeichereinheit angibt, entladen. Das Entladen erfolgt bis zu einem Zeitpunkt t3, zu dem ein vordefiniertes erstes Spannungsniveau erreicht wird.

Zu dem Zeitpunkt t3 wird die elektrische Energiespeichereinheit aus dem Strom fluss des elektrischen Energiespeichersystems weggeschaltet, sie kann somit weder geladen noch entladen werden. Wie aus dem unteren Diagramm ersicht lich ist, nähert sich die Klemmenspannung asymptotisch einem Ruhewert, dem Leerlaufspannungswert, an. Bevorzugt wird ein zweiter Spannungswert zu dem Zeitpunkt t4 bestimmt, kurz bevor die elektrische Energiespeichereinheit wieder in Entladerichtung in den Stromflusspfad des elektrischen Energiespeichersys tems eingeschaltet wird. Aus den ermittelten Spannungswerten kann dann die Kapazität der elektrischen Energiespeichereinheit bestimmt werden.