DE102007034044B4

DE102007034044B4 - Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge eines Energiespeichermoduls

Info

Publication number: DE102007034044B4
Application number: DE102007034044.5A
Authority: DE
Inventors: Joachim Froeschl; Dr. Handschuh Tobias; Sebastian REISCHL; Alexander Mai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2027-07-21
Also published as: WO2009012935A2; WO2009012935A3; DE102007034044A1; US20100121592A1; US8265891B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge eines, eine Mehrzahl einzelner in Serie geschalteter Speicherzellen aufweisenden Energiespeichermoduls. Dabei wird dynamisch eine obere und/oder eine untere Grenzspannung für das Energiespeichermodul ermittelt, indem
-- bei einem Ladevorgang des Energiespeichermoduls für den Fall, dass bei zumindest einer Speicherzelle eine maximal zulässige obere Zellenspannung erreicht wird, die obere Grenzspannung des Energiespeichermoduls durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen aller Speicherelemente ermittelt wird, und/oder
-- bei einem Entladevorgang des Energiespeichermoduls für den Fall, dass bei zumindest einem Speicherelement eine minimal zulässige untere Zellenspannung erreicht wird, die untere Grenzspannung des Energiemoduls durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen aller Speicherelemente ermittelt wird. Anschließende wird in Abhängigkeit von der ermittelten Grenzspannung bzw. den ermittelten Grenzspannungen und in Abhängigkeit von der ermittelten Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls die tatsächlich verfügbare Energienmenge berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge eines, eine Mehrzahl einzelner in Serie geschalteter Speicherelemente aufweisenden Energiespeichermoduls.
Bei bekannten Energiespeichersystemen wird die aktuell verfügbare Energiemenge analog zum vorliegenden Ladezustand unter Verwendung aufwändiger Sensorik ermittelt. Bei Batterie- bzw. Akkumulatorsystemen kann mit Stromsensoren über eine Amperestundenzählung der Ladezustand (der so genannte state of charge / SOC) des Energiespeichers ermittelt werden. Der Ladezustand (z.B. als Angabe eines Prozentwertes zwischen 0 % für leer und 100 % für vollständig geladen) gibt dabei nur eine ungenaue Information über die tatsächlich verfügbare Energiemenge eines Energiespeichersystems. Bei einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher wird der Ladezustand z.B. in Korrelation mit der Ausgangsspannung des Kondensators angegeben. Aufgrund von Alterung oder Defekten kann es aber sein, dass der Akkumulator oder der Kondensator beispielsweise nicht mehr vollständig entladen werden kann, so dass die tatsächlich vorhandene entnehmbare Energiemenge geringer ist als es der Ladezustand des Energiespeichers vermuten lässt. Durch die aus dem Stand der Technik bekannte Amperestundenzählung zur Ladezustandsermittlung von Akkumulator- bzw. Batteriesystemen oder dergleichen können im Betrieb des Systems einzelne Zellen der Speichereinrichtung sporadisch überlastet werden, was wiederum zu einer Verringerung der Lebensdauer des Speichersystems führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge eines Energiespeichers anzugeben, durch welches die tatsächlich verfügbare Energiemenge genauer bestimmt werden kann. Ferner ist Ziel der Erfindung für die Umsetzung möglichst wenig zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen und so zu einer Platz sparenden und Kosten einsparenden Lösung zu gelangen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge eines, eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Speicherzellen aufweisen Energiespeichermoduls vorgeschlagen, bei dem zur Ermittlung der verfügbaren Energiemenge dynamisch Spannungsgrenzen (Grenzspannungen) ermittelt bzw. „gelernt“ und mit einer ebenfalls ermittelten Speicherkapazität (Ist-Speicherkapazität) verknüpft werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, insbesondere zumindest eine Spannungsgrenze (die obere oder die untere Spannungsgrenze) dynamisch zu ermitteln und über diese in Verbindung mit der ermittelten Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls die aktuell verfügbare Energiemenge des Energiespeichermoduls zu ermitteln. Die andere der beiden Spannungsgrenzen kann auch als unveränderbare Festgröße vorbestimmt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden sowohl eine untere Grenzspannung als auch eine obere Grenzspannung für das Energiespeichermodul dynamisch ermittelt - und damit quasi ein dynamisches Spannungsfenster ermittelt. Dabei wird die obere Grenzspannung ermittelt, indem bei einem Ladevorgang des Energiespeichermoduls, sobald bei zumindest einem Speicherelement eine maximal zulässige obere Zellenspannung (z.B. herstellerspezifische maximal zulässige obere Spannung) erreicht wird, (ein erstes Zustandssignal erzeugt und) die obere Grenzspannung des Energiespeichermoduls durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen aller in Serie geschalteten Speicherelemente des Energiespeichermoduls ermittelt wird. Die untere Grenzspannung wird in Analogie hierzu ermittelt, indem bei einem Entladevorgang des Energiespeichermoduls, sobald bei zumindest einem Speicherelement eine minimal zulässige untere Zellenspannung (z.B. herstellerspezifische minimal zulässige untere Spannung) erreicht wird, (ein zweites Zustandssignal erzeugt und) die untere Grenzspannung des Energiemoduls durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen aller in Serie geschalteter Speicherelemente des Energiespeichermoduls ermittelt wird.
Die Ermittlung von oberer und/oder unterer Grenzspannung erfolgt dynamisch. Die vorbestimmten Spannungsgrenzen der Speicherzellen werden demnach mit Vorteil laufend überwacht und bei Erreichen der vorbestimmten maximal zulässigen oberen Zellenspannung die obere Grenzspannung des Energiespeichermoduls ermittelt und/oder bei Erreichen/Auftreten der minimal zulässigen unteren Zellenspannung die untere Grenzspannung des Energiespeichermodul ermittelt bzw. erneut bestimmt.
Zur Ermittlung der maximal zulässigen oberen bzw. der minimal zulässigen unteren Zellenspannung (zellenindividuelle Über- und Unterspannungsermittlung) wird an dieser Stelle Bezug genommen auf die EP 851 556 A1 sowie auf die nicht vorveröffentlichte internationale Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen PCT/ EP2006/002291 , die diesbezüglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen werden. Hier wird beispielsweise durch eine zellenindividuelle Unter- und Überspannungsermittlung bei Auftreten eines Flags (Anzeige eines Signalzustands bzw. Ereignisses) der jeweils vorliegende Spannungswert des Speichermoduls gespeichert.
Im Zusammenhang mit der Ermittlung der Ist-Speicherkapazität wird diesbezüglich auf die DE 10 2005 025 616 A1 verwiesen, die diesbezüglich ebenfalls in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
Unter Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls wird im Sinne der Erfindung die derzeitige (aktuelle) maximale Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls verstanden, die aufgrund von Alterung oder Defekt oder dergleichen im Laufe der Betriebszeit (bzw. Lebensdauer) in der Regel unter den ursprünglichen Wert der Erst-Inbetriebnahme fällt. Unter momentan verfügbarer Energiemenge, ist im Sinne der Erfindung die Energiemenge zu verstehen, die tatsächlich verfügbar ist - also die Energiemenge, die im Rahmen der aktuell vorliegenden Spannungsgrenzen (untere und obere Grenzspannung) sowie der durch die ggf. (im Vergleich zum Zustand der Erst-Inbetriebnahme) geänderten Grenzspannungen des Energiespeichermoduls veränderten Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls tatsächlich vorhanden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1: ein elektrisches System umfassend einen Energiespeicher, einen Verbraucher, einen Energieerzeuger sowie eine Steuereinrichtung in schematischer Darstellung,
2: ein Funktionsblockbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer möglichen Ausführungsform,
3 ein Flussdiagramm welches den Ablauf bei der Ermittlung von maximal zulässiger oberer Zellenspannung bzw. minimal zulässiger unterer Zellenspannung veranschaulicht, und
4 ein Flussdiagramm zur Ermittlung der aktuell verfügbaren Energiemenge des Energiespeichermoduls.

1 zeigt ein Systemschaltbild eines elektrischen Systems umfassend ein Energiespeichermodul 2 (Bordnetzbatterie und/oder Doppelschichtkondensator oder dergleichen), einen elektrischen Verbraucher 4 (Lenkhilfe, Klimaanlage, Elektro-Antriebsmotor, ...), eine elektrische Energieerzeugereinrichtung 6 (z.B. Generator) und eine übergeordnete Steuereinheit 8 (z.B. Bordnetzsteuergerät), die allesamt über ein Informationsübertragungssystem 10 - umfassend einen CAN- und/oder oder einen Flexray-Datenbus und/oder dergleichen - miteinander verbunden sind. Darüber hinaus sind zumindest das Energiespeichermodul 2, der elektrische Verbraucher 4 (auch stellvertretend für eine Mehrzahl elektrischer Verbraucher eines Bordnetzsystems eines Kraftfahrzeugs) sowie die elektrische Energieerzeugereinrichtung 6 über einen Energiebus 12 miteinander verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches Grundlage des Energiemanagements eines elektrischen Systems gemäß 1 ist, wird anhand des Funktionsblockbildes von 2 erläutert. Demnach werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dynamisch (zeitlich fortlaufend) eine obere Grenzspannung und eine untere Grenzspannung des aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteter Speicherzellen 2a bestehenden Energiespeichermoduls 2 ermittelt - und anschließend zusätzlich in Abhängigkeit von der ermittelten Ist-Speicherkapazität des Energiespeichermoduls 2 die aktuell zur Verfügung stehende Energiemenge ermittelt (insbesondere in der Steuereinheit 8 anhand eines hinterlegten Berechnungsmodells berechnet).
Zur Ermittlung der oberen bzw. unteren Grenzspannung U_{modul_max} bzw. U_{modul_min} des Energiespeichermoduls 2 werden alle Speicherzellen 2a des Energiespeichermoduls 2 auf das Auftreten/Erreichen einer maximal zulässigen oberen bzw. einer minimal zulässigen unteren Zellenspannung U_{Zelle_max} bzw. U_{Zelle_min} überwacht, wobei für den Fall des Auftretens einer Spannungsgrenze jeweils ein entsprechendes Flag gesetzt wird (Schritt S1 bzw. S1'). Für den Fall, dass eine derartige vorbestimmte Spannungsgrenze bei einer Speicherzelle 2a erreicht und ein entsprechendes Flag gesetzt wurde, wird die entsprechende Grenzspannung U_{modul_max} bzw. U_{modul_min} des Energiespeichermoduls 2 ermittelt, indem, in dem Zeitpunkt, in dem eine Speicherzelle 2a als erste ihre vorbestimmte Spannungsgrenze erreicht, die in diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen U_Zelle summiert werden. Diese Vorgehensweise ist in 3 veranschaulicht (links für die Bestimmung der minimal zulässigen Zellenspannung und rechts für die Bestimmung der maximal zulässigen Zellenspannung).
In der 4 ist die Ermittlung der aktuell verfügbaren Energiemenge E_ver des Energiespeichermoduls 2 veranschaulicht, wobei diese gemäß der Formel $E_{v e r} = 0,5 \times C_{i s t} \times (U_{modul_max}^{2} - U_{modul_min}^{2})$
ermittelt wird (z.B. für eine Doppelschicht-Kondensatorbatterie).
Unterschreitet die verfügbare Energiemenge E_ver eine bestimmte applizierbare Grenze, wird das übergeordnete Gesamtsystem in einen Degradationsmodus geschaltet. Hierbei werden einzelne ausgewählte Verbraucher z.B. mit einer geringfügig niedrigeren elektrischen Leistung versorgt, so dass jedoch die gewünschte Verfügbarkeit (insbesondere im Hinblick auf die Verfügbarkeitszeit) nicht eingeschränkt ist - oder es werden gar einzelne ausgewählte Verbraucher abgeschaltet und eine zumindest gering eingeschränkte Verfügbarkeit des System gewährleistet. Wird eine weitere (niedrigere) Grenze erreicht oder unterschritten kann das übergeordnete System vollständig abgeschaltet werden.
Die Häufigkeitsverteilung der verfügbaren Energiemenge E_ver über der Zeit oder über Fahrzeugbetriebszuständen und damit des zur Verfügung stehenden Spannungsfensters (U_{modul_max} - U_{modul_min} ) bildet eine weitere Informationsquelle für Diagnosezwecke. Beispielsweise kann aufgrund eines zu häufigen Verweilens im Grenzbereich (Energiespeichermodul 2 bzw. Speicherzelle 2a erreicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer häufiger als vorbestimmt die untere Grenzspannung bzw. die minimal zulässige Zellenspannung) ein präventives Tauschen des Energiespeichermoduls 2 signalisiert werden.
Für den Fall, dass lediglich eine bestimmte Energiemenge benötigt wird, kann anhand des vorbekannten Wertes der „benötigten verfügbaren Energiemenge“ E_benötigt unter Kenntnis der (derzeit aktuellen) unteren Grenzspannung U_{modul_min} des Energiespeichermoduls 2 und Kenntnis der Ist-Speicherkapazität C_ist des Energiespeichers 2 mittels der Formel $U_{modul} = \sqrt{2 \times E_{n ö t i g} / C_{i s t} + U_{modul_min}^{2}}$
die für einen Betrieb bzw. Teilbetrieb des Systems mindestens notwendige Modulspannung (U_modul = f(U_{modul_min} , C, E_nötig)) ermittelt und eingestellt werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer aktuell verfügbaren Energiemenge (E_ver) eines, eine Mehrzahl einzelner in Serie geschalteter Speicherzellen (2a) aufweisenden Energiespeichermoduls (2), insbesondere eines Energiespeichermoduls (2) zur Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Hybridfahrzeugs, mit folgenden Verfahrensschritten: - dynamisches Ermitteln einer oberen und/oder einer unteren Grenzspannung (U_{modul_max}; U_{modul_min}) für das Energiespeichermodul (2), indem -- bei einem Ladevorgang des Energiespeichermoduls (2) für den Fall, dass bei zumindest einer Speicherzelle (2a) eine maximal zulässige obere Zellenspannung (U_{Zelle_max}) erreicht wird, die obere Grenzspannung (U_{modul_max}) des Energiespeichermoduls (2) durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen (U_Zelle) aller Speicherelemente (2a) ermittelt wird, und/oder -- bei einem Entladevorgang des Energiespeichermoduls (2) für den Fall, dass bei zumindest einem Speicherelement (2a) eine minimal zulässige untere Zellenspannung (U_{Zelle_min}) erreicht wird, die untere Grenzspannung (U_{Zelle_min}) des Energiemoduls (2) durch Summation aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zellenspannungen (U_Zelle) aller Speicherelemente (2a) ermittelt wird, und - Ermitteln der aktuell verfügbaren Energiemenge (E_ver) des Energiespeichermoduls (2) in Abhängigkeit von dessen ermittelter Ist-Speicherkapazität (C_ist) sowie in Abhängigkeit von der oberen und/oder unteren Grenzspannung (U_{modul_max}; U_{modul_min}) des Energiespeichermoduls (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Speicherkapazität (C_ist) des Energiespeichermoduls (2) ermittelt wird, durch Auslesen eines hinterlegten, insbesondere variierbaren Kapazitätswertes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Speicherkapazität (C_ist) des Energiespeichermoduls (2) ermittelt wird, durch dynamische Bestimmung des Kapazitätswertes mittels Messung oder Berechnung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der oberen und/oder der unteren Grenzspannung (U_{modul_max}; U_{modul_min}) des Energiespeichermoduls (2) ermittelt wird, durch Auslesen eines hinterlegten Spannungswertes.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der oberen und/oder der unteren Grenzspannung (U_{modul_max}; U_{modul_min}) dynamisch durch Messung oder Berechnung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Anzahl der Betriebszustände des Energiespeichermoduls (2), bei denen die minimal zulässige untere Zellenspannung (U_{Zelle_min}) einer Speicherzelle (2a) innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer oder während einer bestimmten Betriebsart des elektrischen Systems, in das das Energiespeichermodul (2) implementiert ist, erreicht wird, ein Diagnosesignal erzeugt wird.
Vorrichtung zur Ermittlung einer von einer Energiespeichereinheit (2) an ein elektrisches System bereitstellbaren Energiemenge (E_ver), wobei die Energiespeichereinheit (2) eine Mehrzahl einzelner in Serie geschalteter Speicherzellen (2a) aufweist, und wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche durchführbar ist.