WO2019175357A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen energiespeichers, steuerung für einen elektrischen energiespeicher und vorrichtung und/oder fahrzeug - Google Patents

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Joerg Poehler
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • US 2014/0062415 A1 shows an apparatus and a method for charging a battery with a predetermined charging duration.
  • US 2017/0070061 A1 shows a device and method for fast charging a battery.
  • the core of the invention in the method for operating an electrical energy storage device is that the method is the following temporally successive
  • Method steps comprises:
  • Background of the invention is that the overall life of an electrical energy storage is controllable. As a result, occasional fast charging operations are possible, whereby the increased load of the electrical energy storage can be compensated for by gentler charge cycles, so that the predetermined total service life of the electrical energy storage is achieved.
  • predetermined maintenance intervals in particular for the replacement of the electrical energy store, can be maintained.
  • the electrical energy stores are replaced at the end of their entire service life, when the electrical energy store has approximately 80% of its capacity.
  • a failure of the electrical energy storage during the maintenance interval is avoided as well as an exchange of an electrical energy storage, which has a higher performance than at the end of
  • the total service life is less than a maximum possible life of the electrical energy storage. This is occasional
  • At least one voltage and / or state of charge and / or temperature and / or electrical resistance and / or capacity of the electrical energy store is determined as the state parameter of the electrical energy store.
  • the loading profile is stored from a list of
  • Reference load profiles is selected.
  • a reference charging profile is selected, which has caused the desired aging for an electrical reference energy storage with comparable state parameters in a simulation and / or in an experiment.
  • Reference charging profiles can be used for a variety of electrical energy storage.
  • a charging time is experimentally and / or by means of a simulation as a function of a temperature and / or a state of charge of the electrical energy storage determined.
  • the reference charging profiles are determined once, stored and used for a variety of energy storage.
  • an electrical energy storage model is modeled from the at least one state parameter of the electrical energy store.
  • the effects, in particular the resulting aging state and / or the resulting anode potential, of a charging profile, in particular of a charging current can be simulated on the electrical energy storage.
  • any loading profiles can be used during the process. A limitation to pre-simulated or experimentally tested loading profiles is eliminated.
  • Energy storage model determines an anode potential, wherein the charging profile is adjusted such that the anode potential of the electric energy storage model a
  • a charging process of the electrical energy storage model is simulated as a function of at least one charging parameter, wherein an aging state of the electrical energy storage model is determined, wherein the at least one charging parameter is adjusted such that the aging state of the electrical
  • Energy storage model reaches an aging state setpoint.
  • the advantage here is that complex aging processes of the electrical energy storage can be simulated for specific operating parameters.
  • the loading profile is thus dynamically optimized.
  • the essence of the invention in the control of an electrical energy store is that the controller is suitable for carrying out a method as described above or according to one of the claims directed to the method.
  • Background of the invention is that the overall life of the electrical energy storage is controllable. As a result, occasional fast charging operations are possible, whereby the increased load of the electrical energy storage can be compensated for by gentler charge cycles, so that the predetermined total service life of the electrical energy storage is achieved.
  • the controller is part of a battery management system of the electrical energy storage, which controls the electrical energy storage.
  • the controller may be arranged integrated in the electrical energy store or may be arranged at a distance from the electrical energy store.
  • controller an aging control and / or a
  • the controller is configured to carry out the method according to the invention.
  • the essence of the invention in the device and / or the vehicle is that the device and / or the vehicle has at least one electrical energy storage and a control as described above or according to one of the claims related to the control.
  • Implementations of the invention also include not explicitly mentioned combinations of features described above or below with regard to the exemplary embodiments Invention.
  • the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the
  • an electrical energy storage 5 is understood here as a rechargeable energy storage, in particular an electrochemical energy storage cell and / or a
  • Energy storage module having at least one electrochemical energy storage cell and / or an energy storage pack comprising at least one energy storage module.
  • the energy storage cell is as a lithium-based battery cell, in particular lithium-ion battery cell, executable.
  • the energy storage cell is designed as a lithium-polymer battery cell or nickel-metal hydride battery cell or lead-acid battery cell or lithium-air battery cell or lithium-sulfur battery cell.
  • a first method step a total life of 1 of the electric
  • Energy storage 5 is a function of the number of charging cycles that the electric
  • the charging profile ie the time course of the charging current Icell during the respective charging cycle, the temperature Tcell of the electrical energy storage device 5, the charging voltage Ucell, the resistance of the electric Robs
  • An overall lifetime is understood as meaning a period within which the electrical energy store has at least 80% of its capacity (SOH> 80%).
  • At least one state parameter in particular a voltage Ucell and / or a state of charge SOCobs and / or a temperature Tobs and / or an electrical resistance Robs and / or a capacitance Cobs of the electrical
  • Energy storage 5 determines, in particular estimated.
  • the at least one state parameter is evaluated and the state of aging (SOHc, SOHr) of the electrical energy store 5 is determined.
  • the aging state (SOHc, SOHr) is determined based on the capacitance Cobs the resistance Robs.
  • a modeled voltage Umod of the electrical energy storage model 7 is transferred to an evaluation unit 6 and compared with the voltage Ucell in order to determine the error in the determination of the state of aging (SOHc, SOHr) and / or the at least one
  • an aging controller 2 evaluates the state of aging (SOHc, SOHr) of the electrical energy store 5 and / or of the electrical system
  • the aging control 2 outputs an aging factor 3, which indicates whether the electrical energy storage device 5 and / or the electrical energy storage model 7 has aged as predefined or more strongly or aged less than predetermined.
  • the aging factor 3 and / or the state of charge SOC and / or the temperature T of the electrical energy storage device 5 and / or the electrical energy storage model 7 are used to generate a charge profile for the electrical energy storage device 5 from a storage device 4 by reference charging profiles for various Temperatures and states of charge are stored to select.
  • the reference charging profiles were determined experimentally in advance and / or simulated and stored by means of the storage means 4.
  • a charging profile is selected, which protects the electrical energy storage, for example by a lower charging current Icell and a resulting extended charging time.
  • a charging profile is selected, which allows a shorter charging time, whereby the electrical energy storage 5 ages more.
  • the method steps two to six are executed again.
  • Lig. 2 a second embodiment of the method according to the invention for operating an electrical energy storage device 5 is shown.
  • the method steps three, four and five are varied in the second embodiment.
  • the at least one state parameter is evaluated and the aging state (SOHc, SOHr) and additionally an anode potential 108 of the electrical energy store 5 are determined.
  • an electrical energy storage model 7 of the electrical energy storage device 5 is modeled by means of the at least one state parameter.
  • the aging state (SOHc, SOHr) is determined based on the capacitance Cobs the resistance Robs.
  • a modeled voltage Umod of the electrical energy storage model 7 is transferred to an evaluation unit 6 and connected to the Voltage Ucell compared to reduce the error in the determination of the state of aging (SOHc, SOHr) and / or the at least one state parameter.
  • An aging controller 102 evaluates the aging state (SOHc, SOHr) of the electric energy storage model 7 and compares it with one in the given one
  • Aging controller 102 determines therefrom an anode potential setpoint 103 and provides it to an anode potential controller 104.
  • the anode potential setpoint value 103 is higher for an electrical energy storage model 7 that has aged more strongly than predetermined, than for an electrical energy storage model 7 that is less aged than specified.
  • the anode potential reference value 103 is at least as great as the potential of the reactive material of the electrical energy store 5, in particular higher than the potential of lithium.
  • Energy storage model 7 used by the anode potential controller 104 to control the charging current Icell or the charging profile for the electrical energy storage 5 such that the anode potential target value 103 is reached.
  • the method steps two to five are repeated during the charging process continuously or at least after a predetermined time interval periodically.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the method according to the invention for operating an electrical energy store 5.
  • the method steps four and five are varied in the third embodiment.
  • An aging controller 202 evaluates the aging state (SOHc, SOHr) of the electric energy storage model 207 and compares it with one in the predetermined one
  • the aging controller 202 determines therefrom an aging state target value 203, in particular a charging time reference value, and transfers this to a simulation unit 204.
  • the aging state desired value 203 in particular the charging time reference value, is higher for an electrical energy storage model 7 which has aged more strongly than predetermined, than for an electrical energy storage model 7 which is less aged than predetermined.
  • an electrical energy storage simulation 211 based on simulated
  • Energy storage simulation 211 occurring aging processes are analyzed and an aging state of the electric energy storage model 7 is determined.
  • the at least one charging parameter is dynamically optimized by means of arithmetic unit 212, so that the
  • Aging state of the electric energy storage model 7 reaches an aging state target value 203 when using an optimized charging profile 209.
  • the method steps two to five are repeated during the charging process continuously or at least after a predetermined time interval periodically.
  • a controller according to the invention for an electrical energy store 5 has:
  • an aging control (2, 102, 202) for determining the aging factor 3 and / or the anode potential setpoint value 103 and / or the aging state setpoint 203 and / or a storage means 4 for storing reference charging profiles and / or
  • an anode potential controller 104 for controlling the anode potential of the electrical energy storage model and / or
  • a simulation unit 204 for simulating the electrical energy storage simulation 211 and / or
  • a computing unit 212 for the dynamic optimization of the loading parameters and / or an evaluation unit 6 for determining the at least one state parameter (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs), in particular a voltage sensor and / or a state of charge sensor and / or a temperature sensor and / or has a current sensor, and / or

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers (5), Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher (5) und Vorrichtung und/oder Fahrzeug, aufweisend die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte: - Vorgabe einer Gesamtlebensdauer (1) des elektrischen Energiespeichers (5), - Messung zumindest eines Zustandsparameters (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs) des elektrischen Energiespeichers (5), - Bestimmung eines Alterungszustandes (SOHr, SOHc) des elektrischen Energiespeichers (5), - Berechnung einer Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers (5), - Auswahl eines Ladeprofils zum Laden des elektrischen Energiespeichers (5) derart, dass die Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers (5) angepasst wird, so dass die vorgegebene Gesamtlebensdauer (1) des elektrischen Energiespeichers (5) erreicht wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers, Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher und Vorrichtung und/oder Fahrzeug
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines
elektrischen Energiespeichers, eine Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung und/oder ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen
Patentansprüche.
Stand der Technik
Die US 2014/0062415 Al zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer vorgegebenen Ladedauer.
Die US 2017/0070061 Al zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schnellladen einer Batterie.
Offenbarung der Erfindung
Der Kern der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers besteht darin, dass das Verfahren die folgenden zeitlich aufeinander folgenden
Verfahrensschritte aufweist:
Vorgabe einer Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers,
Messung zumindest eines Zustandsparameters des elektrischen Energiespeichers, Bestimmung eines Alterungszustandes des elektrischen Energiespeichers,
Berechnung einer Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers,
Auswahl eines Ladeprofils zum Laden des elektrischen Energiespeichers derart, dass die Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers angepasst wird, so dass die vorgegebene Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers erreicht wird. Hintergrund der Erfindung ist, dass die Gesamtlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers steuerbar ist. Dadurch sind gelegentliche Schnellladevorgänge möglich, wobei die dadurch erhöhte Belastung des elektrischen Energiespeichers durch schonendere Ladezyklen ausgleichbar ist, so dass die vorgegebene Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers erreicht wird.
Vorteilhafterweise sind so vorgegebene Wartungsintervalle, insbesondere für den Austausch des elektrischen Energiespeichers, einhaltbar. Dabei werden die elektrischen Energiespeicher am Ende ihrer Gesamtlebensdauer, wenn der elektrische Energiespeicher circa 80 % seiner Leistungsfähigkeit aufweist, ausgetauscht. Ein Ausfall des elektrischen Energiespeichers während des Wartungsintervalls wird genauso vermieden wie ein Austausch eines elektrischen Energiespeichers, der noch eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist, als am Ende der
Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers erforderlich ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gesamtlebensdauer kleiner als eine maximal mögliche Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers. Dadurch sind gelegentliche
Schnellladevorgänge des elektrischen Energiespeichers ermöglicht.
Von Vorteil ist es dabei, wenn als Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers zumindest eine Spannung und/oder ein Ladezustand und/oder eine Temperatur und/oder ein elektrischer Widerstand und/oder eine Kapazität des elektrischen Energiespeichers bestimmt wird. Mittels dieser Zustandsparameter lässt sich der aktuelle Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers bestimmen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Ladeprofil aus einer Liste von gespeicherten
Referenzladeprofilen ausgewählt wird. Dabei wird ein Referenzladeprofil ausgewählt, das für einen elektrischen Referenzenergiespeicher mit vergleichbaren Zustandsparametern in einer Simulation und/oder in einem Experiment die erwünschte Alterung bewirkt hat. Die
Referenzladeprofile sind für eine Vielzahl von elektrischen Energiespeichern verwendbar.
Vorteilhafterweise wird für jedes Referenzladeprofil eine Ladezeit experimentell und/oder mittels einer Simulation als Funktion einer Temperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers bestimmt. Somit werden die Referenzladeprofile einmalig bestimmt, gespeichert und für eine Vielzahl von Energiespeichern verwendet.
Von Vorteil ist dabei, wenn das Ladeprofil während des Verfahrens angepasst wird. Dadurch können unvorhergesehene Änderungen eines oder mehrerer Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers während des Betriebs, insbesondere während des Ladens des elektrischen Energiespeichers, berücksichtigt werden. Dadurch wird die Genauigkeit des Verfahrens verbessert.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn aus dem zumindest einen Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers ein elektrisches Energiespeichermodell modelliert wird. Mittels des elektrischen Energiespeichermodells sind die Auswirkungen, insbesondere der resultierende Alterungszustand und/oder das resultierende Anodenpotential, eines Ladeprofils, insbesondere eines Ladestroms, auf den elektrischen Energiespeicher simulierbar. Somit sind beliebige Ladeprofile während des Verfahrens verwendbar. Eine Begrenzung auf im Vorfeld simulierte oder experimentell getestete Ladeprofile entfällt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird für das elektrische
Energiespeichermodell ein Anodenpotential bestimmt, wobei das Ladeprofil derart angepasst wird, dass das Anodenpotential des elektrischen Energiespeichermodells einen
Anodenpotentialsollwert erreicht. Von Vorteil ist dabei, dass Kurzschlüsse und thermisches Durchgehen des elektrischen Energiespeichers infolge von Lithium Plating vermeidbar sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Ladevorgang des elektrischen Energiespeichermodells als Funktion zumindest eines Ladeparameters simuliert, wobei ein Alterungszustand des elektrischen Energiespeichermodells bestimmt wird, wobei der zumindest eine Ladeparameter derart angepasst wird, dass der Alterungszustand des elektrischen
Energiespeichermodells einen Alterungszustandssollwert erreicht. Von Vorteil ist dabei, dass komplexe Alterungsprozesse des elektrischen Energiespeichers für konkrete Betriebsparameter simulierbar sind. Das Ladeprofil ist somit dynamisch optimierbar.
Der Kern der Erfindung bei der Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass die Steuerung zur Ausführung eines Verfahrens wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Verfahren gerichteten Ansprüche geeignet ist. Hintergrund der Erfindung ist, dass die Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers steuerbar ist. Dadurch sind gelegentliche Schnellladevorgänge möglich, wobei die dadurch erhöhte Belastung des elektrischen Energiespeichers durch schonendere Ladezyklen ausgleichbar ist, so dass die vorgegebene Gesamtlebensdauer des elektrischen Energiespeichers erreicht wird.
Vorteilhafterweise ist die Steuerung Bestandteil eines Batteriemanagementsystems des elektrischen Energiespeichers, die den elektrischen Energiespeicher steuert.
Die Steuerung kann in dem elektrischen Energiespeicher integriert angeordnet sein oder beabstandet von dem elektrischen Energiespeicher angeordnet sein.
Von Vorteil ist es dabei, wenn die Steuerung eine Alterungssteuerung und/oder ein
Speichermittel und/oder eine Anodenpotentialsteuerung und/oder eine Simulationseinheit und/oder eine Messeinheit und/oder eine Modelliereinheit aufweist. Somit ist die Steuerung eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug zumindest einen elektrischen Energiespeicher und eine Steuerung wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf die Steuerung bezogenen Ansprüche aufweist.
Hintergrund der Erfindung ist, dass vorgegebene Wartungsintervalle der Vorrichtung und/oder des Fahrzeugs, insbesondere für den Austausch des elektrischen Energiespeichers, einhaltbar sind. Dabei werden die elektrischen Energiespeicher am Ende ihrer Gesamtlebensdauer, wenn der elektrische Energiespeicher circa 80 % seiner Leistungsfähigkeit aufweist, ausgetauscht. Ein Ausfall des elektrischen Energiespeichers während des Wartungsintervalls wird genauso vermieden wie ein Austausch eines elektrischen Energiespeichers, der noch eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist, als am Ende der Gesamtlebensdauer des elektrischen
Energiespeichers erforderlich ist.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und
Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Elmfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Energiespeichers 5;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Energiespeichers 5;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Energiespeichers 5.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers 5 dargestellt. hinter einem elektrischen Energiespeicher 5 wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein
Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen- Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer- Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Gesamtlebensdauer 1 des elektrischen
Energiespeichers 5 vorgegeben. Der Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen
Energiespeichers 5 ist eine Funktion der Anzahl der Ladezyklen, die der elektrische
Energiespeicher 5 durchlaufen hat. Dabei sind auch das Ladeprofil, also der zeitliche Verlauf des Ladestroms Icell während des jeweiligen Ladezyklus, die Temperatur Tcell des elektrischen Energiespeichers 5, die Ladespannung Ucell, der Widerstand Robs des elektrischen
Energiespeichers 5 und der Ladezustand SOCobs des elektrischen Energiespeichers 5 für den Alterungszustand (SOHc, SOHr) relevant.
Unter einer Gesamtlebensdauer wird dabei ein Zeitraum verstanden, innerhalb dessen der elektrische Energiespeicher mindestens 80 % seiner Leistungsfähigkeit aufweist (SOH > 80%).
In einem zweiten Verfahrensschritt wird zumindest ein Zustandsparameter, insbesondere eine Spannung Ucell und/oder ein Ladezustand SOCobs und/oder eine Temperatur Tobs und/oder ein elektrischer Widerstand Robs und/oder eine Kapazität Cobs, des elektrischen
Energiespeichers 5 bestimmt, insbesondere geschätzt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der zumindest eine Zustandsparameter ausgewertet und der Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen Energiespeichers 5 bestimmt.
Vorzugsweise wird dabei ein elektrisches Energiespeichermodell 7 des elektrischen
Energiespeichers 5 mittels des zumindest einen Zustandsparameters modelliert. Dabei wird der Alterungszustand (SOHc, SOHr) basierend auf der Kapazität Cobs dem Widerstand Robs bestimmt. Eine modellierte Spannung Umod des elektrischen Energiespeichermodells 7 wird an eine Auswerteeinheit 6 übergeben und mit der Spannung Ucell verglichen, um den Fehler bei der Bestimmung des Alterungszustands (SOHc, SOHr) und/oder des zumindest einen
Zustandsparameters zu reduzieren.
In einem vierten Verfahrensschritt wertet eine Alterungssteuerung 2 den Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen Energiespeichers 5 und/oder des elektrischen
Energiespeichermodells 7 aus und vergleicht ihn mit einem in der vorgegebenen
Gesamtlebensdauer 1 resultierenden Verlauf des Alterungszustands als Funktion der Anzahl der Ladezyklen. Die Alterungssteuerung 2 gibt einen Alterungsfaktor 3 aus, der anzeigt, ob der elektrische Energiespeicher 5 und/oder das elektrische Energiespeichermodell 7 wie vorgegeben oder stärker gealtert oder weniger gealtert ist als vorgegeben. In einem fünften Verfahrensschritt wird der Alterungsfaktor 3 und/oder der Ladezustand SOC und/oder die Temperatur T des elektrischen Energiespeichers 5 und/oder des elektrischen Energiespeichermodells 7 verwendet, um ein Ladeprofil für den elektrischen Energiespeicher 5 aus einem Speichermittel 4, indem Referenzladeprofile für verschiedene Temperaturen und Ladezustände gespeichert sind, auszuwählen. Die Referenzladeprofile wurden im Vorfeld experimentell bestimmt und/oder simuliert und mittels des Speichermittels 4 gespeichert.
Dabei wird bei Vorliegen eines Alterungsfaktors 3, der eine zu starke Alterung anzeigt, ein Ladeprofil ausgewählt, das den elektrischen Energiespeicher schont, beispielsweise durch einen geringeren Ladestrom Icell und einer daraus resultierenden verlängerten Ladezeit.
Bei Vorliegen eines Alterungsfaktors 3, der eine zu geringe Alterung anzeigt, wird ein Ladeprofil ausgewählt, das eine verkürzte Ladezeit ermöglicht, wodurch der elektrische Energiespeicher 5 stärker altert.
In einem sechsten Verfahrensschritt wird der elektrische Energiespeicher 5 mit einem
Ladestrom Icell gemäß dem gewählten Ladeprofil geladen.
Vor einem erneuten Laden des elektrischen Energiespeichers 5 oder nach einem vorgegebenen Zeitintervall während des Lade Vorgangs werden die Verfahrensschritte zwei bis sechs erneut ausgeführt.
In Lig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers 5 dargestellt.
Im Vergleich zum Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden beim zweiten Ausführungsbeispiel die Verfahrensschritte drei, vier und fünf variiert.
Im dritten Verfahrensschritt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der zumindest eine Zustandsparameter ausgewertet und der Alterungszustand (SOHc, SOHr) und zusätzlich ein Anodenpotential 108 des elektrischen Energiespeichers 5 bestimmt. Dazu wird ein elektrisches Energiespeichermodell 7 des elektrischen Energiespeichers 5 mittels des zumindest einen Zustandsparameters modelliert. Dabei wird der Alterungszustand (SOHc, SOHr) basierend auf der Kapazität Cobs dem Widerstand Robs bestimmt. Eine modellierte Spannung Umod des elektrischen Energiespeichermodells 7 wird an eine Auswerteeinheit 6 übergeben und mit der Spannung Ucell verglichen, um den Fehler bei der Bestimmung des Alterungszustands (SOHc, SOHr) und/oder des zumindest einen Zustandsparameters zu reduzieren.
Im vierten Verfahrensschritt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
wertet eine Alterungssteuerung 102 den Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen Energiespeichermodells 7 aus und vergleicht ihn mit einem in der vorgegebenen
Gesamtlebensdauer 1 resultierenden Verlauf des Alterungszustands als Funktion der Anzahl der Ladezyklen. Die Alterungssteuerung 102 bestimmt daraus einen Anodenpotentialsollwert 103 und übergibt diesen an eine Anodenpotentialsteuerung 104.
Dabei ist der Anodenpotentialsollwert 103 höher für ein elektrisches Energiespeichermodell 7, das stärker gealtert ist als vorgegeben, als für ein elektrisches Energiespeichermodell 7, das weniger gealtert ist als vorgegeben. Der Anodenpotentialsollwert 103 ist mindestens so groß wie das Potential des reaktiven Materials des elektrischen Energiespeichers 5, insbesondere höher als das Potential von Lithium.
In dem fünften Verfahrensschritt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der
Anodenpotentialsollwert 103 und das Anodenpotential 108 des elektrischen
Energiespeichermodells 7 von der Anodenpotentialsteuerung 104 verwendet, um den Ladestrom Icell beziehungsweise das Ladeprofil für den elektrischen Energiespeicher 5 derart zu steuern, dass der Anodenpotentialsollwert 103 erreicht wird.
Die Verfahrensschritte zwei bis fünf werden während des Ladevorgangs kontinuierlich oder zumindest nach einem vorgegebenen Zeitintervall periodisch wiederholt.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers 5 dargestellt.
Im Vergleich zum Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden beim dritten Ausführungsbeispiel die Verfahrensschritte vier und fünf variiert.
Im vierten Verfahrensschritt gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
wertet eine Alterungssteuerung 202 den Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen Energiespeichermodells 207 aus und vergleicht ihn mit einem in der vorgegebenen
Gesamtlebensdauer 1 resultierenden Verlauf des Alterungszustands als Funktion der Anzahl der Ladezyklen. Die Alterungssteuerung 202 bestimmt daraus einen Alterungszustandssollwert 203, insbesondere einen Ladezeitsollwert, und übergibt diesen an eine Simulationseinheit 204.
Dabei ist der Alterungszustandssollwert 203, insbesondere der Ladezeitsollwert, höher für ein elektrisches Energiespeichermodell 7, das stärker gealtert ist als vorgegeben, als für ein elektrisches Energiespeichermodell 7, das weniger gealtert ist als vorgegeben.
In dem fünften Verfahrensschritt gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird der
Alterungszustandssollwert 203 und/oder der Ladezustand SOC und/oder die Temperatur T und/oder der Alterungszustand (SOHc, SOHr) des elektrischen Energiespeichermodells 7 von der Simulationseinheit 204 verwendet, um den Ladestrom Icell beziehungsweise das Ladeprofil für den elektrischen Energiespeicher 5 derart zu steuern, dass der Alterungszustandssollwert 203 erreicht wird.
Dazu wird eine elektrische Energiespeichersimulation 211 basierend auf simulierten
Ladevorgängen des elektrischen Energiespeichermodells 7 als Funktion zumindest eines Ladeparameters, insbesondere eines simulierten Ladeprofils 210, simuliert. In der
Energiespeichersimulation 211 auftretende Alterungsprozesse werden analysiert und ein Alterungszustand des elektrischen Energiespeichermodells 7 bestimmt. Der zumindest eine Ladeparameter wird mittels Recheneinheit 212 dynamisch optimiert, so dass der
Alterungszustand des elektrischen Energiespeichermodells 7 einen Alterungszustandssollwert 203 bei Verwendung eines optimierten Ladeprofils 209 erreicht.
Die Verfahrensschritte zwei bis fünf werden während des Ladevorgangs kontinuierlich oder zumindest nach einem vorgegebenen Zeitintervall periodisch wiederholt.
Eine erfindungsgemäße Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher 5 weist auf:
eine Alterungssteuerung (2, 102, 202) zur Bestimmung des Alterungsfaktors 3 und/oder des Anodenpotentialsollwerts 103 und/oder des Alterungszustandssollwerts 203 und/oder ein Speichermittel 4 zum Speichern von Referenzladeprofilen und/oder
eine Anodenpotentialsteuerung 104 zum Steuern des Anodenpotentials des elektrischen Energiespeichermodells und/oder
eine Simulationseinheit 204 zur Simulation der elektrischen Energiespeichersimulation 211 und/oder
eine Recheneinheit 212 zur dynamischen Optimierung der Ladeparameter und/oder eine Auswerteeinheit 6 zur Bestimmung des zumindest einen Zustandsparameters (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs), insbesondere die einen Spannungssensor und/oder einen Ladezustandssensor und/oder einen Temper atursensor und/oder einen Stromsensor aufweist, und/oder
eine Modelliereinheit zur Modellierung des elektrischen Energiespeichermodells 7.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers (5), aufweisend die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte:
Vorgabe einer Gesamtlebensdauer (1) des elektrischen Energiespeichers (5),
Messung zumindest eines Zustandsparameters (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs) des elektrischen Energiespeichers (5),
Bestimmung eines Alterungszustandes (SOHr, SOHc) des elektrischen
Energiespeichers (5),
Berechnung einer Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers (5),
Auswahl eines Ladeprofils zum Laden des elektrischen Energiespeichers (5) derart, dass die Restlebensdauer des elektrischen Energiespeichers (5) angepasst wird, so dass die vorgegebene Gesamtlebensdauer (1) des elektrischen Energiespeichers (5) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gesamtlebensdauer (1) kleiner ist als eine maximal mögliche Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers (5).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Zustandsparameter (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs) des elektrischen
Energiespeichers (5) zumindest eine Spannung (Ucell) und/oder ein Ladezustand (SOCobs) und/oder eine Temperatur (Tobs) und/oder ein elektrischer Widerstand (Robs) und/oder eine Kapazität (Cobs) des elektrischen Energiespeichers (5) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ladeprofil aus einer Liste von gespeicherten Referenzladeprofilen ausgewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Referenzladeprofil eine Ladezeit experimentell und/oder mittels einer Simulation als Funktion einer Temperatur und/oder eines Ladezustands des elektrischen
Energiespeichers (5) bestimmt wurde.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ladeprofil während des Verfahrens angepasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
aus dem zumindest einen Zustandsparameter (Ucell, SOCobs, Tobs, Robs, Cobs) des elektrischen Energiespeichers (5) ein elektrisches Energiespeichermodell (7) modelliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
für das elektrische Energiespeichermodell (7) ein Anodenpotential (108) bestimmt wird, wobei das Ladeprofil derart angepasst wird, dass das Anodenpotential (108) des elektrischen Energiespeichermodells (7) einen Anodenpotentialsollwert (103) erreicht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Ladevorgang des elektrischen Energiespeichermodells (7) als Funktion zumindest eines Ladeparameters simuliert wird, wobei ein Alterungszustand des elektrischen
Energiespeichermodells (7) bestimmt wird, wobei der zumindest eine Ladeparameter derart angepasst wird, dass der Alterungszustand des elektrischen Energiespeichermodells (7) einen Alterungszustandssollwert (203) erreicht.
10. Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.
11. Steuerung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eine Alterungssteuerung (2, 102, 202) und/oder ein Speichermittel (4) und/oder eine Anodenpotentialsteuerung (104) und/oder eine Simulationseinheit (204) und/oder eine Auswerteeinheit (6) und/oder eine Modelliereinheit aufweist.
12. Vorrichtung und/oder Fahrzeug aufweisend zumindest einen elektrischen Energiespeicher (5) und eine Steuerung nach Anspruch 10 oder 11.
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