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1. WO2020120311 - VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES ELEKTRISCHEN ENERGIESPEICHERS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers

Stand der Technik

Elektrische Energiespeicher wie beispielsweise Batterien, die u. a. in Elektro-oder Hybridfahrzeugen zur Anwendung kommen, unterliegen einer gewissen Alterung. Diese Alterung lässt sich im Allgemeinen durch zwei Anteile

beschreiben, nämlich einen kalendarischen und einen zyklischen Anteil. Die zyklische Alterung wird hervorgerufen durch Ladungsdurchsatz, also durch Benutzung des elektrischen Energiespeichers. Im Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie ist der Ladevorgang ein maßgeblicher Faktor bei der Alterung. Gerade hier gilt zusätzlich der Zusammenhang, je schneller ein Ladevorgang

durchgeführt wird, desto größer ist die Alterung der Lithium-Ionen-Batterie in diesem Zeitraum.

Für den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien, wie sie derzeit in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, werden sogenannte Schnellladeprofile hinterlegt, die eine Schnellladung in einer definierten Zeit mit einer definierten Alterung ermöglichen. Die Schnellladeprofile werden mittels Versuchsreihen im Labor erstellt. Im Allgemeinen werden die Batterien so designt, dass nur eine vorgegebene Anzahl der über die gesamte Lebensdauer geplanten Ladezyklen ein

Schnellladevorgang sein darf. So kann eine Batterie beispielsweise auf 200 Schnellladezyklen bei 1000 Ladezyklen insgesamt ausgegeigt sein. Wird dieser Anteil überschritten, so altert die Batterie schneller als vorgesehen. Ebenfalls können zusätzliche Einflüsse wie z. B. aggressive Entladevorgänge oder hohe Temperaturen die Alterung beschleunigen. Altert eine Batterie schneller als vorgesehen, muss diese gegebenenfalls vor Erreichen des geplanten

Lebensendes ersetzt werden.

Relevanter Stand der Technik ist aus der US 2016/0172886 und der US

2016/0006286 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen

Energiespeichers, dessen Alterungsverhalten mittels eines erwarteten

Alterungsverlaufs abgeschätzt ist, hat demgegenüber den Vorteil, dass ein zu verwendendes Schnellladeprofil des elektrischen Energiespeichers in

Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen einem erfassten Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers und eines mittels des erwarteten Alterungsverlaufs bestimmten Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers ermittelt wird. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich insbesondere um eine Batterie, insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln.

Vorteilhaft ist, dass die Ermittlung des zu verwendenden Schnellladeprofils erfolgt, indem das zu verwendende Schnellladeprofil aus einer Vielzahl von hinterlegten Schnellladeprofilen, die sich bezüglich ihres Einflusses auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers unterscheiden, ausgewählt wird. Somit kann das Verfahren in besonders einfacher Weise implementiert werden.

Vorteilhaft ist, dass das zu verwendende Schnellladeprofil derart ermittelt wird, dass eine zukünftige Abweichung zwischen dem erfassten Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers und dem mittels des erwarteten Alterungsverlaufs bestimmten Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers geringer ist als eine zugehörige Abweichung zwischen dem erfassten Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers und dem mittels des erwarteten Alterungsverlaufs bestimmten Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers, die bei Verwendung eines Standard-Schnellladeprofils zu erwarten wäre. Bei dem Standard-Schnellladeprofil kann es sich insbesondere um ein Schnellladeprofil handeln, das eine schnellstmögliche Aufladung des elektrischen

Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, ermöglicht. Unter einer

zugehörigen Abweichung ist dabei insbesondere die Abweichung zum Zeitpunkt der prädizierten zukünftigen Abweichung gemeint.

Vorteilhaft ist, dass das zu verwendende Schnellladeprofil derart ermittelt wird, dass der zu einem in der Zukunft liegenden Horizontzeitpunkt erfasste

Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers mit einem zugehörigen, aus dem erwarteten Alterungsverlauf ermittelten Alterungszustand übereinstimmt. Mit anderen Worten wird das zu verwendende Schnellladeprofil derart ausgewählt, dass nach einer oder mehrerer unter Verwendung des zu verwendenden

Schnellladeprofils durchgeführten Schnellladevorgängen der erfasste

Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers wieder mit dem erwarteten Alterungszustand übereinstimmt. Sollte der elektrische Energiespeicher schneller als geplant altern, ist es somit vorteilhafter Weise möglich, korrigierend in den Alterungsverlauf des elektrischen Energiespeichers einzugreifen und somit ein Soll-Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers wiederherzustellen. Unter Horizontzeitpunkt kann dabei jeder in der Zukunft liegende Zeitpunkt verstanden werden, der mindestens für die Dauer eines Schnellladevorgangs in der Zukunft liegt. Vorteilhafter Weise liegt der Horizontzeitpunkt derart weit in der Zukunft, dass bis zum Erreichen des Horizontzeitpunkts mehrere

Schnellladevorgänge unter Verwendung des zu verwendenden Schnellladeprofils durchgeführt werden können.

Vorteilhaft ist, dass ein Anwender des elektrischen Energiespeichers,

insbesondere ein Anwender eines Elektrofahrzeugs, indem eine Batterie verbaut ist, das zu verwendende Schnellladeprofil aus einer Auswahl an zur Verfügung stehenden Schnellladeprofilen auswählen kann. Somit hat der Anwender vorteilhafter Weise die Möglichkeit, selbst zu bestimmen, wie weit der

Horizontzeitpunkt in der Zukunft liegen soll. Mit anderen Worten kann der Anwender des elektrischen Energiespeichers selbst bestimmen, wie viele Schnellladezyklen unter Verwendung des zu verwendenden Schnellladeprofils durchgeführt werden müssen, bis der erfasste Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers wieder mit dem aus dem erwarteten Alterungsverlauf ermittelten Alterungszustand übereinstimmt. Durch die Auswahl der Anzahl an zu verwendeten Schnellladezyklen hat der Anwender des elektrischen

Energiespeichers somit direkt die Möglichkeit auszuwählen, wie lange

Schnellladevorgange unter Verwendung des zu verwendenden Schnellladeprofils in Zukunft dauern, da ein direkter Zusammenhang zwischen einer Dauer eines Schnellladevorgangs und einem positiven Effekt auf den Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers gegeben ist. Die zur Verfügung stehenden Schnellladeprofile können dabei in vorteilhafter Ausgestaltung identisch mit der Vielzahl von hinterlegten Schnellladeprofilen sein.

Vorteilhaft ist, dass dem Anwender des elektrischen Energiespeichers vor der Auswahl des zu verwendenden Schnellladeprofils der Horizontzeitpunkt oder eine mit dem Horizontzeitpunkt korrelierende Auswahlinformation der zur Verfügung stehenden Schnellladeprofile angezeigt wird. Der Horizontzeitpunkt der zur Verfügung stehenden Schnellladeprofile ist dabei der Zeitpunkt, zu dem davon auszugehen ist, dass der erfasste Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers durch Anwendung der zu verwendenden Schnellladeprofile wieder dem mittels des erwarteten Alterungsverlaufs bestimmten Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers entspricht. Eine

korrelierende Auswahlinformation kann dabei jede Größe sein, die mit dem Horizontzeitpunkt korreliert, beispielsweise der individuelle Einfluss eines Schnellladeprofils auf den Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers oder, da hier eine physikalische Korrelation gegeben ist, die Dauer eines vollständigen Schnellladevorgangs unter Verwendung des jeweiligen

Schnellladeprofils.

Vorteilhafter Weise umfasst der elektrische Energiespeicher eine Batterie eines Elektrofahrzeugs, da das vorgestellte Verfahren insbesondere zum Betrieb einer Lithium-Ionen-Batterie eines Elektrofahrzeugs geeignet ist.

Vorteilhaft ist eine Vorrichtung, die eingerichtet ist, jeden Schritt des

erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Vorteilhaft ist außerdem ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einer

Recheneinheit abläuft. Bei der Recheneinheit kann es sich beispielsweise um eine Steuereinheit des elektrischen Energiespeichers wie beispielsweise ein Batteriemanagementsystem (BMS) einer Batterie handeln.

Vorteilhafter Weise werden im Rahmen des vorgestellten Verfahrens

Schnellladeprofile verwendet, die zuvor in einem Labor ermittelt wurden.

Alternativ zur Betrachtung des Alterungszustands des elektrischen

Energiespeichers kann auch ein Alterungsgradient, also auch eine Änderung des Alterungszustands pro Zeiteinheit des elektrischen Energiespeichers betrachtet und als Grundlage des vorgestellten Verfahrens verwendet werdet werden.

Ebenso ist es denkbar, das vorgestellte Verfahren nicht unter Verwendung von definierten Zeitpunkten wie beispielsweise einem Horizontzeitpunkt

durchzuführen, sondern als Bezugssystem eine Gesamtladungsmenge zu verwenden, die durch den elektrischen Energiespeicher geflossen ist. Ebenso kann als Bezugssystem eine Gesamtanzahl von Ladevorgängen des elektrischen Energiespeichers verwendet werden.

Bei dem Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers kann es sich beispielsweise um einen State-of-Health-of-Capacity (SOHc) handeln, insbesondere dann, wenn es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um eine Batterie handelt. Verfahren zur Bestimmung des SOHc sind hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt.

Vorteilhafter Weise wird das vorgestellte Verfahren unter Verwendung eines Alterungscontrollers durchgeführt, wobei es sich bei dem Alterungscontroller beispielsweise um ein Softwaremodul handeln kann. Mit Hilfe des

Alterungscontrollers kann ein Degradationsfaktor (DegFac) bestimmt werden, der zur Reduktion der Alterung des elektrischen Energiespeichers verwendet wird. Der Degradationsfaktor berechnet sich dabei wie folgt:

DegFac =


SOH bezeichnet dabei den Stat-of- Health, also ein Maß für die Alterung des elektrischen Energiespeichers. QHOR bezeichnet einen Ladungsdurchsatz, der während der gesamten Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers konstant ist. Der Ladungsdurchsatz QHOR ist das Produkt aus Alterungsgradient und einem Alterungshorizont. Der Alterungshorizont ist die Differenz zweier State-of- Health Werte zu verschiedenen Zeitpunkten. Mit dem Index mess sind Messgrößen bezeichnet. Mit dem Index esf sind Schätzgrößen bezeichnet. AGsoii bezeichnet einen für den elektrischen Energiespeicher zu erwartenden Alterungsgradienten, wobei gilt:


Qmax ist der Ladungsdurchsatz über die Lebensdauer des elektrischen

Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie vom Begin der erwarteten Lebensadauer (BOL) bis zum Ende der erwarteten Lebensdauer (EOL). Ein aktueller Alterungsgradient AGest bestimmt sich als Quotine t aus gemessenem Ladungsdurchsatz und gemessenem Kapazitätsverlust gemäß:


Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher vorgestellt. Dabei zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs;

Figur 2 eine schematische Darstellung des jeweiligen Einflusses von verschiedenen Schnellladeprofilen auf das Alterungsverhalten eines elektrischen Energiespeichers;

Figur 3 eine schematische Darstellung der Wirkung der Anwendung eines zu verwendenden Schnellladeprofils auf den Alterungs zustand des elektrischen Energiespeichers;

Figur 4 ein schematischer Ablauf eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs (10), das einen Elektromotor (17) sowie einen elektrischen Energiespeicher (12) umfasst. Der elektrische Energiespeicher (12) umfasst eine Speicherzelle (14) sowie eine Steuereinheit (16). Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Das vorgestellte

Verfahren eignet sich insbesondere zum Betrieb einer Batterie eines

Elektrofahreugs.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des jeweiligen Einflusses von verschiedenen Schnellladeprofilen auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12). Mit dem Bezugszeichen 20 ist dabei eine

Alterungszustandsachse bzw. eine State-of-Health-Achse bezeichnet, wobei ein niedriger Wert auf der Alterungszustandsachse einer hohen Alterung entspricht. Mit dem Bezugszeichen 22 ist eine Zeitachse bezeichnet. Alternativ kann es sich bei der Achse 22 auch um eine Ladungsachse, auf der eine kumulierte

Gesamtladung, die im Laufe der Lebensdauer durch den elektrischen

Energiespeicher (12) fließt, aufgetragen ist. Alternativ kann es sich bei der Achse 22 um eine Ladezyklenachse handeln, auf der eine Summe von durchgeführten bzw. durchzuführenden Ladezyklen des elektrischen Energiespeichers (12) aufgetragen ist.

Ein erstes Schnellladeprofil (24) hat einen ersten Einfluss auf das

Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12). Wie in Figur 2 gezeigt, verringert sich der State-of- Health im Laufe der Zeit. Ein zweites Schnellladeprofil (25) hat einen zweiten Einfluss auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12). Ein drittes Schnellladeprofil (26) hat einen dritten Einfluss auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12). Ein viertes Schnellladeprofil, das einem Standardschnellladeprofil entspricht, hat einen vierten Einfluss auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12). Wie in Figur 2 zu sehen ist, ist der Einfluss des Standard-Schnellladeprofils (27) so, dass unter Verwendung des Standard-Schnellladeprofils für Schnellladevorgänge des elektrischen Energiespeichers (12) ein niedriger State-of- Health (SOH) zu einem relativ frühen Zeitpunkt erreicht wird, wohingegen unter Verwendung beispielsweise des ersten

Schnellladeprofils (24) der gleiche State-of- Health (SOH) zu einem späteren Zeitpunkt erreicht werden würde.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkung der Anwendung eines zu verwendenden Schnellladeprofils auf den Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12). Mit dem Bezugszeichen 30 ist wieder eine Alterungszustandsachse bzw. eine State-of-Health-Achse bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 32 ist wieder eine Zeitachse bzw. eine Ladungsachse bzw. eine Ladezyklenachse bezeichnet. Die Funktion 34 illustriert einen erwarteten Alterungsverlauf, d. h. eine Abnahme des State-of- Health des elektrischen Energiespeichers (12) bei fortschreitender Zeit. Zu einem ersten Zeitpunkt (38) wird im in Figur 3 illustrierten Beispiel der tatsächliche Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) erfasst. Hierbei wird ein State-of- Health ermittelt, der dem Ausgangspunkt der mit den Bezugszeichen 35 und 36 versehenen Pfeile entspricht. Der zum ersten Zeitpunkt (38) ermittelte State-of-Health des elektrischen Energiespeichers (12) liegt dabei unterhalb des anhand des erwarteten Alterungsverlaufs (34) bestimmten Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12), die dem Wert des erwarteten

Alterungsverlaufs (34) zum ersten Zeitpunkt (38) entspricht.

Ein weiterer Betrieb des elektrischen Energiespeichers unter Verwendung des Standard-Schnellladeprofils (27) würde zu einem erfassten Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) zum Horizontzeitpunkt (39) führen, der einem Endpunkt des mit Bezugszeichen 35 bezeichneten Pfeiles entspricht. D. h. ein Weiterbetrieb des elektrischen Energiespeichers (12) unter Verwendung des Standard-Schnellladeprofils (27) würde dazu führen, dass zum Horizontzeitpunkt (39) immer noch eine Abweichung zwischen erfasstem Alterungszustand und Soll-Alterungszustand, der dem Wert des erwarteten Alterungsverlaufs (34) zum Horizontzeitpunkt (39) entspricht, vorhanden ist. Unter Verwendung eines zu verwendenden Schnellladeprofils, bei dem es sich beispielsweise um das erste Schnellladeprofil (24) handeln kann, kann sichergestellt werden, dass zum Horizontzeitpunkt (39) der erfasste Alterungszustand des elektrischen

Energiespeichers (12) wieder dem erwarteten Alterungsverlauf (34) zum

Horizontzeitpunkt (39) entspricht. Dies ist möglich, da der Einfluss des zu verwendenden Schnellladeprofils, z.B. des ersten Schnellladeprofils (24) auf das Alterungsverhalten des elektrischen Energiespeichers (12) geringer ist als der Einfluss des Standard-Schnellladeprofils (27).

Figur 4 zeigt einen schematischen Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Ausführungsbeispiel startet mit Schritt 100, in dem ein Schnellladevorgang initiiert wird. Die Initiierung eines

Schnellladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (12), bei dem es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie eines Elektrofahrzeugs (10) handeln kann, kann beispielsweise durch Verbindung des elektrischen

Energiespeichers (12) mit einer Schnellladesäule oder durch Betätigung eines entsprechenden Betätigungselements erfolgen. Im Anschluss an Schritt 100 folgt Schritt 110.

In Schritt 110 wird überprüft, ob das zu verwendende Schnellladeprofil kürzlich geändert wurde. Bei einer kürzlichen Änderung kann es sich beispielsweise um eine Änderung handeln, die innerhalb eines zurückliegenden Intervalls von wenigen, vorgebbaren Schnellladezyklen erfolgt ist. Beispielsweise kann überprüft werden, ob ein aktuell hinterlegtes Schnellladeprofil bereits zehn Mal für einen Schnellladevorgang verwendet wurde. Ergibt die Prüfung im Rahmen von Schritt 110, dass das Schnellladeprofil kürzlich geändert wurde, folgt Schritt 150 auf Schritt 110. Ergibt die Prüfung im Rahmen von Schritt 110, dass das Schnellladeprofil kürzlich nicht geändert wurde, also beispielsweise, dass ein hinterlegtes Schnellladeprofil bereits für zehn Schnellladezyklen verwendet wurde, so folgt Schritt 120.

In Schritt 120 wird der Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) erfasst. Hierfür kann beispielsweise der State-of- Health des elektrischen

Energiespeichers (12) gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ermittelt werden. Im Rahmen von Schritt 120 wird außerdem der Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) zum aktuellen

Zeitpunkt bestimmt. Hierfür wird der erwartete Alterungsverlauf (34) des elektrischen Energiespeichers (12) zum aktuellen Zeitpunkt ausgewertet. Im Anschluss an Schritt 120 folgt Schritt 130.

In Schritt 130 erfolgt ein Vergleich des in Schritt 120 erfassten Alterungszustands des elektrischen Energiespeichers (12) und des in Schritt 120 bestimmten Soll-Alterungszustands des elektrischen Energiespeichers (12). Ergibt dieser

Vergleich eine Abweichung, die größer als eine vorgebbare Toleranz ist, folgt Schritt 140 auf Schritt 130. Ergibt der Vergleich keine Abweichung, die größer als eine vorgebbare Toleranz ist, so folgt Schritt 100 auf Schritt 130.

In Schritt 140 werden einem Anwender des elektrischen Energiespeichers (12), bei dem es sich insbesondere um die Lithium-Ionen-Batterie eines

Elektrofahrzeugs (10) handeln kann, verschiedene Schnellladeprofile sowie mit dem Horizontzeitpunkt korrelierende Auswahlinformationen für die verschiedenen Schnellladeprofile zur Anzeige gebracht. Bei den mit dem Horizontzeitpunkt korrelierenden Auswahlinformationen kann es sich insbesondere um eine Anzahl an Schnellladevorgängen handeln, die mit dem jeweiligen Schnellladeprofil durchgeführt werden müssen, um den erfassten Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) wieder mit dem Soll-Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (12) in Deckung zu bringen. Bei den mit dem Horizontzeitpunkt (39) korrelierenden Auswahlinformationen kann es sich beispielsweise auch um die Dauer eines Schnellladevorgangs handeln, die unter Verwendung eines jeden Schnellladeprofils für ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers (12) benötigt wird. Der Anwender des elektrischen

Energiespeichers (12) wählt anschließend ein ihm angezeigtes Schnell-Ladeprofil aus. In alternativer Ausgestaltung erfolgt die Auswahl des

Schnellladeprofils im Rahmen von Schritt 140 nicht durch einen Anwender, sondern durch eine Recheneinheit, die das Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Im Anschluss an Schritt 140 folgt Schritt 150.

In Schritt 150 wird das in Schritt 140 ausgewählte Schnellladeprofil in einem Speicher hinterlegt und anschließend ein Schnellladevorgang unter Verwendung des neu hinterlegten Schnellladeprofils durchgeführt. Wurde im Rahmen von Schritt 150 kein Schnellladeprofil neu hinterlegt, so wird unter Anwendung eines bereits gespeicherten Schnellladeprofils der Schnellladevorgang durchgeführt.

Durch das vorgestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers (12), bei dem es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln kann, erhöht werden. Eine Überbeanspruchung des elektrischen Energiespeichers (12) durch zu häufiges Schnellladen wird mittels des vorgestellten Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens erkannt und durch Verwendung eines geeigneten Schnellladeprofils kompensiert. Eine spezifizierte Lebenserwartung des elektrischen Energiespeichers (12) wird somit eingehalten. Besonders vorteilhaft ist, dass das vorgestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzliche Hardware erfordert, sondern lediglich durch

Verwendung geeigneter Software implementiert werden kann.