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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie. Ferner betrifft die Erfindung ein System mit einer wiederaufladbaren Batterie.
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In der modernen Technik ist es bekannt, wiederaufladbare Batterien als Energieträger einzusetzen. Mögliche Einsatzgebiete derartiger wiederaufladbarer Batterien sind dabei beispielsweise Fahrzeuge, in denen derartige Batterien als alleiniger und/oder zusätzlicher Energiespeicher insbesondere für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. Bei einer derartigen wiederaufladbaren Batterie kann es jedoch zu Alterungserscheinungen der Batterie kommen, bedingt beispielsweise durch einen Betrieb der Batterie aber auch allein zeitlich bedingt ohne Benutzung der Batterie. Eine Alterung der Batterien zeigt sich dabei im Allgemeinen beispielsweise durch einen Verlust an Kapazität bzw. durch eine Erhöhung eines Innenwiderstandes der Batterie. Bei Einsatz der Batterie als Energiespeicher in einem Fahrzeug kann dies beispielsweise in einer reduzierten Reichweite oder einer Verringerung der maximal erreichbaren Leistung resultieren.
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Um das Verhalten der Batterie während des Betriebs bestimmen zu können, ist es daher von Vorteil, den derzeit vorliegenden Alterungszustand der Batterie zu kennen. Gemäß dem Stand der Technik ist dabei bekannt, durch Vorabuntersuchungen das Verhalten der Batterie während des Betriebs aufzuzeichnen, um Modelle zu entwickeln, mit deren Hilfe das Verhalten von identischen oder ähnlichen Batterien vorhergesagt werden kann. Auch für eine Bestimmung von Parametern für derartige Modelle werden diese Vorabuntersuchungen eingesetzt. Solche Vorabuntersuchungen sind jedoch aufwendig und bergen Unsicherheiten, insbesondere bei Verwendung beschleunigter Alterungsverfahren, da bei diesen der Rückschluss auf das Alterungsverhalten über die Gesamtlebensdauer der Batterie nicht vollständig abzusichern ist. Um derartige auf Vorabuntersuchungsdaten basierende Alterungsprognosen zu verbessern, ist es gemäß dem Stand der Technik bekannt, diese durch Messungen während des Betriebs der Batterie zu ergänzen und anzupassen. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der
US 2010/0244846 A1 und der
DE 10 2010 038 646 A1 bekannt. Derartige, zumeist im Wesentlichen auf Batteriemodellen basierende, Vorhersageverfahren für den Alterungszustand von Batterien sind jedoch weiterhin von dem verwendeten Modell und dadurch von den aufwändigen Vorabuntersuchungen abhängig.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie sowie ein System mit einer wiederaufladbaren Batterie zu schaffen, die eine Bestimmung eines Alterungszustands einer wiederaufladbaren Batterie vereinfachen, wobei insbesondere eine derartige Bestimmung des Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie ohne aufwendige Vorabuntersuchungen bereitgestellt werden kann.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein System mit einer wiederaufladbaren Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet.
- a) Ermitteln eines Kennfeldes mit Leistungsdaten der Batterie,
- b) Schätzen eines Ladungszustands der Batterie,
- c) Festlegen wenigstens eines Grenzwertes für zumindest einen Betriebsparameter der Batterie, basierend auf dem in Schritt b) (51) geschätzten Ladungszustand,
- d) Überwachen des zumindest einen Batterieparameters unter Verwendung des in Schritt c) festgelegen wenigstens einen Grenzwertes,
- e) Ermitteln einer Kapazität der Batterie, und
- f) Bestimmen eines Alterungszustandes der Batterie, zumindest aus dem in Schritt b) (51) geschätzten Ladungszustand, dem in Schritt d) erhaltenen Ergebnis der Überwachung des Betriebsparameters und der in Schritt e) geschätzten Kapazität.
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Wie oben bereits ausgeführt, basieren die gemäß dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie zumeist im Wesentlichen auf Batteriemodellen und/oder Parametern, die basierend auf aufwändigen Vorabuntersuchungen entwickelt bzw. bestimmt wurden. Die durch derartige Verfahren ermittelten Ergebnisse werden jedoch umso weniger aussagekräftig, je länger der Betrieb der wiederaufladbaren Batterie andauert. Erfindungsgemäß werden dabei selbstverständlich als wiederaufladbare Batterie auch Batteriezellen und/oder Zusammenschlüsse mehrerer Batterien verstanden. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann jedoch eine Bestimmung eines Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie ermöglicht werden, ohne derartige aufwendige Vorabuntersuchungen durchführen zu müssen. So wird in Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kennfeld mit Leistungsdaten ermittelt. Dieser Schritt a) kann dabei insbesondere einmalig, bevorzugt vor einer erstmaligen Benutzung der Batterie erfolgen. Zumeist liegt ein derartiges Kennfeld bereits vor, da es insbesondere auch für den eigentlichen Betrieb der Batterie, beispielsweise als Energiespeicher für einen Antrieb eines Fahrzeugs, benötigt wird. Ein derartiges Kennfeld kann dabei beispielsweise Informationen über Größen wie Spannung, Strom und/oder Leistung bei Lade- bzw. Entladevorgängen der Batterie in Abhängigkeit von Temperatur und/oder Ladungszustand enthalten. Diese Größen hängen dabei beispielsweise auch von einem Innenwiderstand der Batterie ab, der dadurch zumindest implizit auch im ermittelten Kennfeld enthalten sein kann. Das Ermitteln eines Kennfeldes stellt dabei insbesondere keine aufwändige Vorabuntersuchung in Hinblick auf eine Alterung der Batterie dar, da dabei keine Alterungsvorgänge der Batterie untersucht werden. Die restlichen Schritte b) bis f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens können insbesondere bevorzugt während eines Betriebs der Batterie ausgeführt werden, wobei selbstverständlich mehrere Ausführungszyklen der Schritte b) bis f) möglich sind. Wo sinnvoll und möglich können dabei selbstverständlich die Schritte b) bis f) nacheinander in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden. Dabei wird in Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ladungszustand der Batterie geschätzt. Durch diesen Verfahrensschritt kann der aktuell vorherrschende Ladungszustand der Batterie ermittelt werden. Der ermittelte Ladungszustand stellt somit eine aktuell vorliegende Kenngröße der Batterie dar. Durch die Berücksichtigung dieses in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens geschätzten Ladungszustands beim Festlegen wenigstens eines Grenzwerts für zumindest einen Betriebsparameter der Batterie in Schritt c) kann somit bereits eine erste Berücksichtigung des aktuell vorherrschenden Zustands der Batterie während des laufenden Betriebs vorgenommen werden. In Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Anschluss daran der Betriebsparameter unter Verwendung des in Schritt c) festgelegten wenigstens einen Grenzwerts überwacht. Insbesondere kann dabei vorteilhafterweise in Schritt c) selbstverständlich der Grenzwert derart gewählt werden, dass eine Unter- bzw. Überschreitung des Grenzwerts durch den zu überwachenden Betriebsparameter einen Rückschluss auf einen Alterungszustand der wiederaufladbaren Batterie zulässt. Das Überwachen von Unter- bzw. Überschreitungen des Grenzwerts durch den zu überwachenden Betriebsparameter kann dabei beispielsweise die Häufigkeit, die Art und/oder die Qualität von derartigen Unter- bzw. Überschreitungen als Information umfassen. Darüber hinaus wird in Schritt e) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kapazität der Batterie ermittelt. Auch eine aktuell vorhandene Kapazität der Batterie lässt dabei Rückschlüsse auf einen Alterungszustand der wiederaufladbaren Batterie zu. In Schritt f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in den Schritten a), b), d) und e) gesammelten Informationen zur Bestimmung des Alterungszustands der Batterie zusammengeführt. Der geschätzte Ladungszustand, die ermittelte Kapazität und das Überwachungsergebnis eines Auftretens von Unter-/Überschreitungen des Grenzwerts durch den überwachten Betriebsparameter werden dabei verwendet, um durch einen Vergleich mit den in Schritt a) im Kennfeld hinterlegten Größen auf Änderungen des Alterungszustands der Batterie zu schließen. Insgesamt kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ein Alterungszustand einer wiederaufladbaren Batterie somit besonders einfach und darüber hinaus im Wesentlichen basierend auf während des Betriebs gewonnenen Daten durchgeführt werden. Aufwendige Vorabuntersuchungen, insbesondere von Alterungsvorgängen, können vermieden werden. Eine Einsparung von Zeit und Kosten kann dadurch erreicht werden.
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Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt b) das Schätzen des Ladungszustands der Batterie in Abhängigkeit des in Schritt d) erhaltenen Ergebnisses des Überwachens des Betriebsparameters und/oder der in Schritt e) ermittelten Kapazität und/oder des in Schritt f) bestimmten Alterungszustandes und/oder einem im Betrieb der Batterie ermittelten Ladungswert iterativ vorgenommen wird. Durch ein derartig vorgenommenes iteratives Schätzen werden insbesondere während des Verfahrens ermittelte Daten für das Schätzen des Ladungszustands verwendet. Selbstverständlich kann auch das in Schritt a) ermittelte Kennfeld in die Schätzung des Ladungszustands mit einbezogen werden. Da beispielsweise die in Schritt c) festgelegten Grenzwerte und/oder der in Schritt f) bestimmte Alterungszustand wiederum vom in Schritt b) abgeschätzten Ladungszustand abhängen, ergibt sich somit ein Regelkreis. Insbesondere bei einem mehrmaligen Durchlaufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens können dadurch besonders gute und insbesondere genauere Ergebnisse beim Schätzen des Ladungszustands in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden. Durch einen geschätzten Ladungszustand der Batterie, der möglichst nahe am wirklichen Wert des Ladungszustands der Batterie liegt, kann dadurch selbstverständlich auch der in Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Alterungszustand der Batterie genauer bestimmt werden.
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Darüber hinaus kann beim erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt b) als Ladungszustand der Batterie ein maximaler Ladungszustand und/oder ein minimaler Ladungszustand geschätzt werden. Insbesondere kann selbstverständlich bevorzugt vorgesehen sein, dass in Schritt b) sowohl ein maximaler als auch ein minimaler Ladungszustand geschätzt werden. Dabei kann ein maximaler Ladungszustand der Batterie insbesondere beispielsweise bei einer aus mehreren Zellen aufgebauten Batterie durch diejenige Zelle bestimmt sein, in der die höchste Ladungsmenge gespeichert ist. Entsprechend kann ein minimaler Ladungszustand der Batterie durch diejenige Zelle bestimmt sein, in der die niedrigste Ladungsmenge gespeichert ist. Durch ein Abschätzen von beiden Ladungszuständen, sowohl des minimalen als auch des maximalen Ladungszustands, kann somit eine Leistungsvorhersage für die wiederaufladbare Batterie vorgenommen werden. Eine maximal entnehmbare Ladung der Batterie stellt dabei insbesondere den Unterschied des systembedingten maximalen und des systembedingten minimalen zulässigen Ladungszustands dar. Systembedingt bedeutet dabei insbesondere, dass dabei Grenzen für einen Betrieb der Batterie berücksichtigt werden können. Diese Ladungsmenge steht dem Verbraucher, der an die wiederaufladbare Batterie angeschlossen ist, zur Verfügung, wobei eine Information über diese Ladungsmenge durch die Schätzung beispielsweise einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden kann.
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Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahin gehend ausgebildet sein, dass in Schritt b) eine Leerlaufspannung der Batterie berücksichtigt wird. Als Leerlaufspannung wird dabei diejenige Spannungsdifferenz zwischen den Polen der Batterie bezeichnet, die sich in den Situationen einstellt, in denen für eine ausreichend lange Zeit keine Belastung, insbesondere keine Ladung oder Entladung, der Batterie vorgenommen wird. Insbesondere kann dadurch berücksichtigt werden, dass ein Ladungszustand der Batterie auch von dieser Leerlaufspannung abhängig ist. Während des Betriebs, bei dem insbesondere der Batterie Ladung entnommen oder Ladung in der Batterie gespeichert wird, kann sich zwischen den Polen der Batterie jedoch eine andere Differenzspannung als die Leerlaufspannung einstellen. Je länger der Betrieb der Batterie dauert und insbesondere je größer eine bei Lade- und Entladevorgängen während des Betriebs durchgesetzte Ladungsmenge ist, desto mehr kann sich der aktuell vorliegende Ladungszustand von dem Ladungszustand unterscheiden, der bei Vorliegen der Leerlaufspannung bestimmt worden ist. Eine sinkende Genauigkeit beim Schätzen des Ladungszustands in Schritt b) kann die Folge sein. Daher kann es insbesondere von Vorteil sein, beim nächsten Vorliegen einer Leerlaufspannung, d. h. beispielsweise während einer Betriebspause, eine erneute Kalibrierung bzw. Initialisierung des Ladungszustands auf die dann vorherrschende Leerlaufspannung vorzunehmen. Eine Verbesserung des Ergebnisses beim Schätzen des Ladungszustands der Batterie in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erreicht werden.
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Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass beim Festlegen des Grenzwerts für einen Betriebsparameter in Schritt c) als Betriebsparameter zumindest ein Element aus folgender Liste gewählt wird.
- – Aufladespannung der Batterie
- – Entladespannung der Batterie
- – Aufladestrom der Batterie
- – Entladestrom der Batterie
- – Aufladeleistung der Batterie
- – Entladeleistung der Batterie
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Selbstverständlich ist diese Liste nicht abschließend, so dass auch für weitere Betriebsparameter in Schritt c) Grenzwerte festgelegt werden können. Insbesondere können in Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens für mehrere Betriebsparameter, besonders bevorzugt für alle Betriebsparameter, Grenzwerte festgelegt werden. Durch eine Überwachung von mehreren, insbesondere allen genannten Betriebsparameter, kann dabei eine noch genauere Bestimmung des Alterungszustands der Batterie in Schritt f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen werden, da insbesondere durch eine breite Datenbasis, erzeugt durch die Überwachung mehrerer bzw. aller Betriebsparameter, die Voraussagegenauigkeit beim Bestimmen eines Alterungszustands der Batterie erhöht werden kann.
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Auch kann in einer weiteren Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass beim Festlegen des Grenzwerts für einen Betriebsparameter in Schritt c) zumindest ein Element aus folgender Liste berücksichtigt wird:
- – eine Leerlaufspannung der Batterie
- – eine Temperatur der Batterie
- – batterieabhängige Leistungsgrenzen der Batterie
- – einsatzortabhängige Leistungsgrenzen der Batterie
- – Lade-/Entladebelastungstests, insbesondere gepulste Lade-/Entladebelastungstests, der Batterie
- – Lade-/Entladeströme der Batterie
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Selbstverständlich ist auch diese Liste nicht abschließend, so dass auch weitere Eigenschaften und Größen beim Festlegen des Grenzwerts für einen Betriebsparameter berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann auch das in Schritt a) ermittelte Kennfeld beim Festlegen des Grenzwerts berücksichtigt werden. Dabei wird insbesondere verwendet, dass der Betriebsparameter und insbesondere auch die Grenzwerte für den Betriebsparameter von einem oder mehreren der Parameter aus oben genannter Liste abhängen können. Durch eine Berücksichtigung der Abhängigkeiten der Betriebsparameter von oben genannten Umwelteinflüssen kann somit eine Alterung der Batterie besonders gut überwacht werden. Durch die Berücksichtigung des Überwachungsergebnisses im Schritt f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit wie bereits beschrieben die Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie ermöglicht werden, wobei durch die Überwachung eines der Elemente der oben genannten Liste darüber hinaus auch die Genauigkeit beim Bestimmen eines Alterungszustandes der Batterie verbessert werden kann.
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Besonders bevorzugt kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt d) beim Unterschreiten und/oder Überschreiten des Grenzwerts durch den überwachten Betriebsparameter ein Auslösesignal erzeugt wird. Ein derartiges Auslösesignal, das üblicherweise als Trigger und/oder Event bezeichnet wird, stellt ein besonders einfaches Signal dar. Insbesondere ist ein derartiges Auslösesignal als ein Binärsignal realisierbar. Eine Implementierung des Überwachungsergebnisses in ein computerausführbares Programm kann dadurch besonders einfach ermöglicht werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass das Auslösesignal nur dann erzeugt wird, wenn innerhalb von einem, insbesondere systemabhängig festgelegten, Zeitraum, insbesondere innerhalb von circa einer Minute, bevorzugt innerhalb von circa 30 Sekunden, besonders bevorzugt innerhalb von circa 5 Sekunden, vor dem Unterschreiten und/oder Überschreiten des Grenzwerts durch den überwachten Betriebsparameter kein weiteres Unterschreiten und/oder Überschreiten eines Grenzwerts durch einen überwachten Betriebsparameter detektiert wurde. Ein systemabhängig festgelegter Zeitraum kann dabei beispielsweise vom inneren Aufbau der Batterie und/oder einem Einsatzort der Batterie abhängig festgelegt sein. Dabei kann insbesondere der gleiche, aber selbstverständlich auch ein anderer Grenzwert bzw. Betriebsparameter berücksichtigt werden. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass bei einer länger anhaltenden Unterschreitung und/oder Überschreitung des Grenzwerts durch den überwachten Betriebsparameter ständig Auslösesignale erzeugt werden. Auch wird bei einer nur kurzzeitig vorliegenden Unterschreitung und/oder Überschreitung des Grenzwerts durch den überwachten Betriebsparameter nur ein einziges Auslösesignal erzeugt. Die Genauigkeit beim Bestimmen eines Alterungszustandes der wiederaufladbaren Batterie in Schritt f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch weiter gesteigert werden.
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Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren bevorzugt dahin gehend weiterentwickelt werden, dass während eines Aufladevorgangs der Batterie als Auslösesignal ein Aufladeauslösesignal und während eines Entladevorgangs der Batterie als Auslösesignal ein Entladeauslösesignal erzeugt werden. Dadurch kann insbesondere eine getrennte Erfassung von Aufladevorgängen bzw. Entladevorgängen während des Betriebs der Batterie ermöglicht werden. Eine noch breitere Datenbasis beim Bestimmen des Alterungszustands der Batterie in Schritt f) eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch bereitgestellt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei vorgesehen sein, dass bei Vorliegen eines Aufladeauslösesignals und eines Entladeauslösesignals, insbesondere erzeugt bei der Überwachung einer Aufladespannung bzw. einer Entladespannung, eine Erhöhung eines Innenwiderstands der Batterie ermittelt wird. Die Grenzwerte für die Überwachung dieser Spannungen können dabei beispielsweise basierend auf dem in Schritt a) ermittelten Kennfeld und dem in Schritt f) bestimmten Alterungszustand der Batterie festgelegt werden. Insbesondere wird dabei verwendet, dass ein Auslösesignal sowohl während eines Aufladevorgangs als auch während eines Entladevorgangs der Batterie erzeugt worden ist. Durch dieses doppelte Vorliegen von beiden Auslösesignalen wird angezeigt, dass insbesondere die Aufladespannung höher als erwartet und die Entladespannung niedriger als erwartet ist. Dies kann beispielsweise auf eine Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie hinweisen bzw. durch eine derartige Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie erklärt werden. Durch das Vorliegen von beiden Auslösesignalen kann eine fälschliche Detektion einer derartigen Erhöhung des Innenwiderstands, wie sie beispielsweise durch ein fehlerhaftes Schätzen des Ladungszustands in Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten kann, vermieden werden.
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Ferner kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt e) zum Ermitteln der Kapazität ein Vergleich zwischen zumindest zwei in Schritt b) geschätzten Ladungszuständen der Batterie mit einem im Betrieb der Batterie ermittelten Ladungswert vorgenommen wird. Die geschätzten Ladungszustände können bevorzugt beispielsweise vor und nach einem Betrieb der Batterie geschätzt werden. Der Ladungswert kann dabei beispielsweise insbesondere während des Betriebs der Batterie durch einen relativen Amperestundenzähler ermittelt werden, der auch zu einer Berücksichtigung eines Vorzeichens des Stroms ausgebildet ist. Selbstverständlich können durch einen Amperestundenzähler auch weitere Ladungswerte, wie beispielsweise ein absoluter Ladungswert, bei dem das Vorzeichen des fließenden Stroms nicht berücksichtigt wird, ermittelt werden. Durch einen Vergleich insbesondere beispielsweise einer Differenz der geschätzten Ladungswerte mit dem durch den Amperestundenzähler im Betrieb ermittelten Ladungswert kann die aktuell vorherrschende Kapazität der Batterie besonders einfach bestimmt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein System mit einer wiederaufladbaren Batterie. Ein erfindungsgemäßes System ist dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Ausführen eines Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßes System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. Erfindungsgemäß werden dabei selbstverständlich auch bei einem erfindungsgemäßen System als wiederaufladbare Batterie auch Batteriezellen und/oder Zusammenschlüsse mehrerer Batterien verstanden.
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Besonders bevorzugt kann beim erfindungsgemäßen System vorgesehen sein, dass die Batterie als Energiespeicher in einem Fahrzeug verwendbar ist. Dabei kann die Batterie beispielsweise als alleiniger und/oder zusätzlicher Energiespeicher für einen Antrieb des Fahrzeugs verwendbar sein. Dadurch, dass das System zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist, kann das Fahrzeug bzw. der Benutzer des Fahrzeugs stets auf Informationen über den Alterungszustand der Batterie zugreifen. Selbstverständlich kann dabei das System auch derart ausgestaltet sein, dass Informationen über die Leistungsfähigkeit der Batterie oder über Betriebsparameter der Batterie wie beispielsweise Spannung, Strom und/oder maximale Leistungsabgabe zugänglich sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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3 ein in einem Fahrzeug verbautes erfindungsgemäßes System.
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In den 1 und 2 werden eine mögliche Ausgestaltungsform sowie eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dabei wird bei der Beschreibung in 1 insbesondere auf die einzelnen Verfahrensschritte und in 2 auf die einzelnen Verfahrensabläufe eingegangen. Diese Schwerpunktsetzung wird auch der Verwendung der Bezugszeichen in der Beschreibung der jeweiligen Figur zugrunde gelegt. Selbstverständlich werden dabei sowohl in 1 als auch in 2 in denselben Verfahrensschritten jeweils dieselben Verfahrensabläufe und umgekehrt durchgeführt.
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1 zeigt eine mögliche Ausgestaltungform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird in Schritt a) 50 ein Kennfeld 11 (nicht mit abgebildet) mit Leistungsdaten einer Batterie 10 (nicht mit abgebildet) ermittelt, bevorzugt einer neuwertigen Batterie 11 vor einer Aufnahme eines Betriebs der Batterie 10. Das Kennfeld 11 wird dabei bevorzugt einmalig ermittelt und kann dabei beispielsweise Informationen über Größen wie Spannung, Strom und/oder Leistung bei Lade- bzw. Entladevorgängen der Batterie 10 in Abhängigkeit von einer Temperatur und/oder eines Ladungszustands der Batterie 10 enthalten. Die Schritte b) 51, c) 52, d) 53, e) 54 und f) 55 werden bevorzugt während eines Betriebs der Batterie 10 durchgeführt, wobei selbstverständlich mehrere Ausführungszyklen dieser Schritte möglich sind. In Schritt b) 51 wird ein Ladungszustand der Batterie 10 geschätzt. Dieser wird über ein Datensignal 43 weitergeleitet und in Schritt c) 52 als Grundlage für eine Festlegung eines Grenzwertes für zumindest einen Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Spannung, ein Strom oder eine Leistung bei einem Lade- bzw. Entladevorgang, verwendet. Dieser in Schritt c) 52 festgelegte Grenzwert wird über ein Datensignal 43 weitergeleitet und in Schritt d) 53 verwendet, um den Betriebsparameter zu überwachen. Ferner wird als weitere Kenngröße der Batterie 10 in Schritt e) 54 eine Kapazität der Batterie 10 ermittelt. Dafür kann beispielsweise der in Schritt b) 51 geschätzte Ladungszustand der Batterie, insbesondere in Verbindung mit einem im Betrieb der Batterie 10 ermittelten und/oder berechneten Ladungswert verwendet werden (nicht mit abgebildet). Zum eigentlichen Bestimmen eines Alterungszustandes der Batterie 10 werden die Ergebnisse der Schritte a) 50, b) 51, d) 53 und e) 54 über Datensignale 43 versendet und in einem Schritt f) 55 als Eingabeparameter für ein Bestimmen eines Alterungszustandes verwendet. Durch die Berücksichtigung des in Schritt a) 50 ermittelten Kennfeldes ist es insbesondere beispielsweise durch einen Vergleich mit den aktuell in der Batterie 10 vorliegenden Werten eines Ladungszustandes aus Schritt b) 51, einer Überwachung eines Betriebsparameter aus Schritt d) 53 und einer Kapazität aus Schritt e) 54 möglich, eine Veränderung der Batterie 10 und somit einen Alterungszustand der Batterie 10 direkt aus im Wesentlichen während eines Betriebs der Batterie 10 ermittelten Daten zu bestimmen. Kosten- und zeitaufwändige Vorabuntersuchungen eines Alterungsprozesses der Batterie können somit vermieden werden. Darüber hinaus ist in 1 gezeigt, dass Ergebnisse der Schritte d) 53, e) 54, und f) 55 als Rückkopplungssignale 44 der in Schritt b) 51 durchgeführten Schätzung des Ladungszustandes der Batterie 10 zugeführt werden können. Ein iteratives Schätzen des Ladungszustandes, bei dem das Ergebnis des Schätzprozesses wieder zumindest mittelbar als Eingabeparameter für den Schätzprozess verwendet wird, kann dadurch ermöglicht werden. Eine Erhöhung einer Genauigkeit und einer Vertrauenswürdigkeit des in Schritt b) 51 durchgeführten Schätzens eines Ladungszustandes kann dadurch erreicht werden.
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In 2 ist eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durch mögliche Komponenten 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 einer Software visualisiert sind. Die einzelnen Komponenten 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 können dabei gegenseitig Signale austauschen, wobei insbesondere zwischen Datensignalen 43, Rückkopplungssignalen 44 und Koordinierungssignalen 45 unterschieden wird. Bevorzugt bereits vor Beginn eines Betriebs einer Batterie 10 (nicht mit abgebildet) wird in Komponente 39 ein Kennfeld mit Leistungsdaten der Batterie 10 ermittelt, wobei die Batterie 10 sich besonders bevorzugt in einem neuwertigen Zustand befindet. Ein derartiges Kennfeld kann dabei beispielsweise Informationen über Größen wie Spannung, Strom und/oder Leistung bei Lade- bzw. Entladevorgängen der Batterie 10 in Abhängigkeit von Temperatur und/oder Ladungszustand enthalten. In der Komponente 34 wird der Alterungszustand einer Batterie 10 (nicht mit abgebildet) bestimmt. Diese Bestimmung eines Alterungszustands 34 basiert dabei auf Datensignalen 43 einer Komponente 30, in der ein Ladungszustand der Batterie geschätzt wird, einer Komponente 32, in der zumindest ein Betriebsparameter der Batterie überwacht wird, und einer Komponente 33, in der eine Kapazität der Batterie ermittelt wird. Dabei wird ein Grenzwert für den zu überwachenden Betriebsparameter in Komponente 31 basierend zumindest auf dem in Komponente 30 geschätzten Ladungszustand festgelegt. Auch das Ermitteln der Kapazität 33 verwendet die geschätzten Ladungszustände 30, beispielsweise vor und nach einem Betrieb der Batterie 10, um insbesondere durch einen Vergleich einer Differenz der Ladungszustände 30 mit einem in Komponente 35 ermittelten Ladungswert eine während des Betriebs der Batterie 10 aktuell vorliegende Kapazität der Batterie 10 zu ermitteln. Die Komponente 35 kann dabei als ein, insbesondere relativer, Amperestundenzähler ausgebildet sein. Die online ermittelten Datensignale 43 der Komponenten 30, 32, 33 können zum Bestimmen des Alterungszustandes 34 bevorzugt mit dem im Vorfeld in Komponente 39 ermittelten Kennfeld bzw. mit auf diesem Kennfeld basierenden Vorhersagen verglichen werden. Dadurch kann ein Bestimmen des Alterungszustands 34 der Batterie 10, basierend im Wesentlichen rein auf während des Betriebs der Batterie ermittelten Daten ermöglicht werden. Gleichzeitig werden Rückkopplungssignale 44 der Überwachung eines Betriebsparameters 32, einer Ermittlung einer Kapazität 33 und der Bestimmung des Alterungszustands 34 wiederum dem Schätzen eines Ladungszustands 30 zugeführt, wobei insbesondere die Rückkopplungssignale 44 der Komponenten 32 und 34 für eine Bestimmung von Korrekturwerten 38 für das Schätzen des Ladungszustands 30 verwendet werden. Die so bestimmten Korrekturwerte 38 werden dann als Datensignal 43 dem Schätzen eines Ladungszustands 30 der Batterie als Eingabeparameter zugeführt. Weitere Eingabeparameter stellen das direkte Rückkopplungssignal 44 vom Ermitteln einer Kapazität 33 der Batterie sowie in der Komponente 37 bestimmte Initialisierungswerte und Ladungswerte, die in Komponente 35 ermittelt wurden, dar. Auf diese Weise ist ein iteratives Schätzen eines Ladungszustands 30 der Batterie 10 ermöglicht, wodurch die Genauigkeit des ermittelten Schätzwerts des Ladungszustands erhöht, insbesondere deutlich erhöht, werden kann. Durch die direkte Übermittlung von Datensignalen 43 vom Schätzen eines Ladungszustands 30 zum Bestimmen eines Alterungszustands 34 wirkt sich dabei ein besser geschätzter Ladungszustand durch einen direkten, und über die Datensignale 43 zu den Komponenten 31 bzw. 33 durch einen indirekten Signalfluss auf die Qualität beim Bestimmen eines Alterungszustands 34 aus. Koordiniert wird das Schätzen eines Ladungszustands 30 insbesondere durch eine Komponente 36, die beispielsweise Koordinierungssignale 45 an die Komponenten 30, 33, 35, 37, 38 sendet, und so das gesamte Schätzen eines Ladungszustands 30 steuert und/oder regelt. Der iterative Charakter des Schätzens des Ladungszustands 30 wird ferner dadurch verstärkt, dass das Ermitteln einer Kapazität der Batterie 33 durch die Komponente 30, in der ein Ladungszustand der Batterie geschätzt wird, durch ein Datensignal verbunden ist. Auch die Komponente 31, in der ein Grenzwert für einen Betriebsparameter festgelegt wird, welcher in Komponente 32 überwacht wird, wird von Komponente 30 mit einem Datensignal 43 versorgt. Ferner ist in 2 sichtbar, dass die Signale 43, 44, die durch die Überwachung eines Betriebsparameters 32 erzeugt werden, als Auslösesignale 40, beispielsweise als Aufladeauslösesignale 41 bzw. Entladeauslösesignale 42 ausgebildet sind.
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3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System 20, das in einem Fahrzeug 21 verbaut ist. Insbesondere weist das System 20 eine Batterie 10 auf und ist zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Dadurch ist es möglich, dem Fahrzeug bzw. dem Benutzer des Fahrzeugs zu jeder Zeit eine Information zumindest über den Alterungszustand der Batterie 10 zur Verfügung zu stellen. Selbstverständlich weist dabei das System 20 sämtliche nötigen Komponenten, wie beispielsweise Sensoren, Auswerteelektronik und/oder Rechnereinheiten, auf, um ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen zu können. Informationen über den Alterungszustand der Batterie 10, aber auch beispielsweise über eine maximale bzw. minimale Spannung, einen maximalen bzw. minimalen Strom oder einer Leistungsfähigkeit der Batterie 10, können so insbesondere zu jeder Zeit zugänglich gemacht werden. Ein besonders sicherer und planbarer Betrieb eines Fahrzeugs 21 mit einem derartigen System 20 kann dadurch ermöglicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 11
- Kennfeld
- 20
- System
- 21
- Fahrzeug
- 30
- Schätzen eines Ladungszustands
- 31
- Festlegen eines Grenzwerts
- 32
- Überwachen eines Betriebsparameters
- 33
- Ermitteln einer Kapazität der Batterie
- 34
- Bestimmen eines Alterungszustandes
- 35
- Ermitteln eines Ladungswerts
- 36
- Koordinierung des Verfahrens
- 37
- Bestimmung von Initialisierungswerten
- 38
- Bestimmung von Korrekturwerten
- 39
- Ermitteln eines Kennfeldes
- 40
- Auslösesignal
- 41
- Aufladeauslösesignal
- 42
- Entladeauslösesignal
- 43
- Datensignal
- 44
- Rückkopplungssignal
- 45
- Koordinierungssignal
- 50
- Schritt a)
- 51
- Schritt b)
- 52
- Schritt c)
- 53
- Schritt d)
- 54
- Schritt e)
- 55
- Schritt f)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0244846 A1 [0003]
- DE 102010038646 A1 [0003]