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DE102013102461A1 - Method for determining the state of charge of a rechargeable battery - Google Patents

Method for determining the state of charge of a rechargeable battery Download PDF

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DE102013102461A1
DE102013102461A1 DE102013102461.0A DE102013102461A DE102013102461A1 DE 102013102461 A1 DE102013102461 A1 DE 102013102461A1 DE 102013102461 A DE102013102461 A DE 102013102461A DE 102013102461 A1 DE102013102461 A1 DE 102013102461A1
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accumulator
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German (de)
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Sven Püschel
Dennis Gamrad
Wolfgang Deis
Anna Flemming
Carsten Kolligs
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Li Tec Battery GmbH
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Industries AG
Li Tec Battery GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung des Akkumulators empirisch ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs der zu Beginn vollständig geladene Akkumulator mit definierten Ladungen entladen wird und bei mehreren Entladungsstufen des Akkumulators Leerlaufspannungen gemessen werden, wobei den gemessenen Leerlaufspannungen im Anschluss an die Messungen Ladezustände des Akkumulators zugeordnet werden, und nach Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs, während eines Betriebs des Akkumulators anhand des funktionalen Zusammenhangs der Ladezustand aus einer abgeschätzten Leerlaufspannung bestimmt wird, wobei bei dem Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung in einer ersten Phase der Akkumulator schrittweise mit konstanten Stromstärken entladen wird, bis eine Grenzspannung unterschritten wird, und anschließend in einer zweiten Phase die Stromstärke in einem weiteren Schritt reduziert wird und der Akkumulator weiter entladen wird, bis eine Grenzstromstärke unterschritten wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, wobei die Vorrichtung zumindest einen Akkumulator, eine Steuerung zum Steuern oder Regeln der ein- und ausgespeicherten Leistung, eine Recheneinheit zur Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators und einen Datenspeicher umfasst, wobei in dem Datenspeicher die Daten des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung gespeichert sind und die Recheneinheit auf den Datenspeicher Zugriff hat.The invention relates to a method for determining the state of charge of an accumulator, wherein a functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage of the accumulator is determined empirically, wherein in the determination of the functional relationship of the initially fully charged accumulator is discharged with defined charges and at several discharge stages of the accumulator open-circuit voltages are measured, wherein the measured no-load voltages are assigned after the measurements of charge states of the accumulator, and determined after determining the functional relationship, during operation of the accumulator on the basis of the functional relationship, the state of charge from an estimated open circuit voltage, wherein in determining the functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage in a first phase of the accumulator is gradually discharged at constant currents until a limit voltage below is stepped, and then in a second phase, the current is reduced in a further step and the battery is further discharged until a threshold current is exceeded. The invention also relates to a device for carrying out such a method, wherein the device comprises at least one accumulator, a controller for controlling or regulating the stored and stored power, a computing unit for determining the state of charge of the accumulator and a data memory, wherein in the data memory the Data of the functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage are stored and the arithmetic unit has access to the data memory.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung des Akkumulators empirisch ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs der zu Beginn vollständig geladene Akkumulator mit definierten Ladungen entladen wird und bei mehreren Entladungsstufen des Akkumulators Leerlaufspannungen gemessen werden, wobei den gemessenen Leerlaufspannungen im Anschluss an die Messungen Ladezustände des Akkumulators zugeordnet werden, und nach Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs, während eines Betriebs des Akkumulators anhand des funktionalen Zusammenhangs der Ladezustand aus einer abgeschätzten Leerlaufspannung bestimmt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. The invention relates to a method for determining the state of charge of an accumulator, wherein a functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage of the accumulator is determined empirically, wherein in the determination of the functional relationship of the initially fully charged accumulator is discharged with defined charges and at several discharge stages the battery idle voltages are measured, the measured no-load voltages are assigned after the measurements of charge states of the accumulator, and determined after determining the functional relationship, during operation of the accumulator on the basis of the functional relationship, the state of charge from an estimated open circuit voltage. The invention also relates to a device for carrying out such a method.

Die Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators ist häufig essentiell für den Einsatz des Akkumulators. Wenn der Akkumulator für die Bereitstellung von Regelleistung verwendet werden soll, kann die Ladezustandsbestimmung dabei helfen, den Akkumulator in einer besonders wirtschaftlichen Weise zu betreiben. Für die Bereitstellung von Regelleistung müssen die verwendeten Akkumulatoren relativ groß ausgelegt werden, da sie über gewisse Zeiträume teilweise beträchtliche Energien aufnehmen oder abgegeben können müssen. The determination of the state of charge of a rechargeable battery is often essential for the use of the rechargeable battery. When the accumulator is to be used for the provision of control power, the state of charge determination may help to operate the accumulator in a particularly economical manner. For the provision of control power, the accumulators used must be made relatively large, since they must be able to take up or deliver some considerable energy for certain periods of time.

Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es in Stromnetzen zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen. Both the generation and the consumption of energy can lead to unplanned fluctuations in power grids. These can arise on the energy producer side, for example, in that a power plant or part of the power grid fails or, for example, in the case of renewable energies such as wind, that the energy production is higher than predicted. Consumers may also experience unexpectedly high or low consumption. For example, the failure of a portion of the grid, which cuts off some consumers from the power supply, can lead to a sudden reduction in power consumption.

Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50,000 Hz. Solche gewünschten Wechselstromfrequenzen werden auch als Sollfrequenzen bezeichnet. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber einem (prognostizieren) Plan führt zu einer Erhöhung der Netzfrequenz bei entsprechend der Prognose erzeugter Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Stromproduktion gegenüber dem Plan bei entsprechend prognostiziertem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung der Energieerzeuger gegenüber dem Plan bei entsprechend prognostiziertem Verbrauch führt dagegen zu einer Verringerung der Netzfrequenz, gleiches gilt für eine Erhöhung des Verbrauchs gegenüber dem prognostiziertem Verbrauch und entsprechend plangemäßer Erzeugung. This generally results in power network fluctuations due to unplanned and / or short-term variations in power generation and / or consumption. For example, the desired AC frequency in Europe is 50,000 Hz. Such desired AC frequencies are also referred to as nominal frequencies. A reduction of consumption compared to a (forecast) plan leads to an increase of the grid frequency with power generated according to the forecast by the energy producers, as well as to an increase of the electricity production compared to the plan with correspondingly predicted consumption. On the other hand, a reduction in the output of the energy producers compared to the plan with correspondingly forecast consumption leads to a reduction in the grid frequency, as well as to an increase in consumption compared to the forecast consumption and correspondingly scheduled generation.

Aus Gründen der Netzstabilität ist es erforderlich, diese Abweichungen in einem definierten Rahmen zu halten. Dazu muss je nach Höhe und Richtung der Abweichung gezielt positive Regelleistung durch Zuschalten von zusätzlichen Erzeugern oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern oder Hinzuschalten von Verbrauchern bereitgestellt werden. Es besteht allgemein der Bedarf an einer wirtschaftlichen und effizienten Bereitstellung dieser Regelleistungen, wobei die Anforderungen an die bereitzuhaltenden Kapazitäten und die Dynamik der Regelleistungsquellen beziehungsweise Regelleistungssenken je nach Charakteristik des Stromnetzes variieren können. For reasons of network stability, it is necessary to keep these deviations within a defined range. For this purpose, depending on the amount and direction of the deviation, it is necessary to provide specifically positive control power by connecting additional generators or switching off consumers, or negative balancing power by shutting down generators or adding consumers. There is a general need for economic and efficient provision of these balancing services, where the requirements for the capacities to be kept available and the dynamics of the balancing power sources or control power sinks can vary depending on the characteristics of the electricity grid.

In Europa gibt es beispielsweise ein Regelwerk („UCTE Handbook“), das drei verschiedene Kategorien an Regelleistung beschreibt. Darin sind auch die jeweiligen Anforderungen an die Regelleistungsarten festgelegt. Die Regelleistungsarten unterscheiden sich unter anderem in den Anforderungen an die Dynamik und die Dauer der Leistungserbringung. Außerdem werden sie unterschiedlich hinsichtlich der Randbedingungen eingesetzt. Primärregelleistung (PRL) ist unabhängig vom Ort der Verursachung der Störung europaweit von allen eingebundenen Quellen zu erbringen und zwar im Wesentlichen proportional zur aktuellen Frequenzabweichung. Die maximale positive Leistung (Einspeisung ins Netz) ist bei Frequenzabweichungen von minus 200 mHz und (absolut) darunter zu erbringen, die maximale negative Leistung ist bei Frequenzabweichungen von plus 200 mHz und darüber zu erbringen. Hinsichtlich der Dynamik gilt, dass aus dem Ruhezustand die jeweils (betragsmäßig) maximale Leistung innerhalb von 30 Sekunden gleichmäßig bereitgestellt werden muss. Demgegenüber sind Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MR) in den Netzteilen zu erbringen, in denen die Störung aufgetreten ist. Ihre Aufgabe ist es, die Störung möglichst schnell zu kompensieren und somit dafür zu sorgen, dass die Netzfrequenz wieder möglichst schnell, vorzugsweise spätestens nach 15 Minuten wieder im Sollbereich liegt. Hinsichtlich der Dynamik werden an die SRL und die MRL geringere Anforderungen gestellt (5 beziehungsweise 15 Minuten bis zur vollen Leistungserbringung nach Aktivierung). In Europe, for example, there is a set of rules ("UCTE Handbook"), which describes three different categories of control power. This also defines the respective requirements for the control power types. The types of balancing power differ, among other things, in the demands on the dynamics and the duration of the service provision. In addition, they are used differently with respect to the boundary conditions. Primary control power (PRL), regardless of the location of the fault, is to be delivered across Europe from all embedded sources, essentially in proportion to the actual frequency deviation. The maximum positive power (feed into the grid) is to be provided at frequency deviations of minus 200 mHz and (absolute) lower, the maximum negative power is to be provided at frequency deviations of plus 200 mHz and above. With regard to the dynamics, it must be ensured that the (maximum) power has to be provided evenly within 30 seconds from the idle state. On the other hand, secondary control power (SRL) and minute reserve power (MR) are to be provided in the power supplies in which the fault has occurred. Their task is to compensate for the disturbance as quickly as possible and thus to ensure that the grid frequency is back within the desired range as quickly as possible, preferably at the latest after 15 minutes. In terms of dynamics, lower requirements are placed on the SRLs and MRLs (5 or 15 minutes to full service delivery after activation).

In den bisher betriebenen Stromnetzen wird ein Großteil der Regelleistung von konventionellen Kraftwerken, insbesondere Kohle- und Atomkraftwerken bereitgestellt. Zwei grundsätzliche Problemstellungen resultieren hieraus. Zum einen werden die konventionellen, Regelleistung bereitstellenden Kraftwerke nicht bei Volllast und damit maximalen Wirkungsgraden, sondern leicht unterhalb derselben betrieben, um bei Bedarf positive Regelleistung bereitstellen zu können, gegebenenfalls über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum. Zum anderen sind mit zunehmendem Ausbau und zunehmender bevorzugter Nutzung der erneuerbaren Energien immer weniger konventionelle Kraftwerke in Betrieb, was aber oftmals die Grundvoraussetzung für die Erbringung von Regelleistungen ist. In the power grids operated so far, a large part of the control power is provided by conventional power plants, in particular coal and nuclear power plants. Two fundamental problems result from this. On the one hand, the conventional power plants providing control power are not operated at full load and thus maximum efficiencies, but slightly below them in order to be able to provide positive control power if required, possibly over a theoretically unlimited period of time. On the other hand, with increasing expansion and preferential use of renewable energies, fewer and fewer conventional power plants are in operation, which is often the prerequisite for the provision of balancing services.

Aus diesem Grund wurden Ansätze entwickelt, vermehrt Energiespeicher wie Akkumulatoren einzusetzen, um negative Regelleistung zu speichern und bei Bedarf als positive Regelleistung bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass dieselbe Energie, die zu einem ersten Zeitpunkt aus dem Stromnetz als negative Regelleistung entnommen wurde, zu einem zweiten Zeitpunkt als positive Regelleistung bereitgestellt werden kann, ohne dass diese neu erzeugt werden muss. Dazu ist eine möglichst genaue Kenntnis des Ladezustands eines hierzu verwendeten Akkumulators wichtig. For this reason, approaches have been developed to increase the use of energy storage devices such as accumulators in order to store negative control power and provide it as positive control power when needed. This has the advantage that the same energy, which was taken from the power grid as a negative control power at a first time, can be provided as a positive control power at a second time, without having to be regenerated. For this purpose, the most accurate possible knowledge of the state of charge of a battery used for this purpose is important.

Es ist aus der WO 2010 042 190 A2 und der JP 2008 178 215 A bekannt, Energiespeicher zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu verwenden. Wenn die Netzfrequenz einen Bereich um die gewünschte Netzfrequenz verlässt, wird entweder Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt oder in den Energiespeicher aufgenommen, um die Netzfrequenz zu regulieren. Auch die DE 10 2008 046 747 A1 schlägt vor, einen Energiespeicher in einem Inselstromnetz derart zu betreiben, dass der Energiespeicher zur Kompensation von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsminima eingesetzt wird. Nachteilig ist hieran, dass die Energiespeicher nicht die notwendige Kapazität haben, um eine längere Störung oder mehrere, hinsichtlich der Frequenzabweichung gleichgerichtete Störungen hintereinander zu kompensieren. It is from the WO 2010 042 190 A2 and the JP 2008 178 215 A known to use energy storage to provide positive and negative control power. When the grid frequency leaves a range around the desired grid frequency, either energy is provided from the energy store or added to the energy store to regulate the grid frequency. Also the DE 10 2008 046 747 A1 proposes to operate an energy storage in an island power network such that the energy storage is used to compensate for consumption peaks and consumption minima. The disadvantage hereof is that the energy stores do not have the necessary capacity to compensate for a longer disturbance or a plurality of disturbances rectified with respect to the frequency deviation one after the other.

In dem Artikel „Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control“ von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007 , wird die Kapazität eines Akkumulators in Abhängigkeit von technischen und betrieblichen Randbedingungen bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen („UCTE Handbook“) Primärregelleistung bereitstellen kann. Es zeigt sich, dass auf Grund der Ein- und Ausspeicherverluste langfristig immer wieder ein Aufladen des Energiespeichers in größeren Zeitabständen unvermeidbar ist. Trotzdem kann es kurzfristig beziehungsweise vorübergehend dazu kommen, dass der Energiespeicher schon voll geladen ist und daher nach einer anderen Verbrauchsmöglichkeit gesucht werden muss. In dem Artikel wird ein (begrenzter Einsatz) von Widerständen vorgeschlagen. Dies führt jedoch zu einer Energievernichtung und in der Regel einer Entwertung der Energie. Trotz dieser Maßnahme ist der Energiespeicher mit einer Volllast-Laufzeit von 1,6 Stunden immer noch vergleichsweise groß dimensioniert, jedenfalls deutlich größer als es den Minimalanforderungen des „UCTE Handbooks“ entspricht. Die vergleichsweise hohen Kapazitäten sind mit entsprechenden Investitionskosten verbunden und machen den Einsatz von Energiespeichern oftmals unwirtschaftlich. Bei einer genauen Bestimmung des aktuellen Ladezustands eines Akkumulators während des Betriebs zur Bereitstellung von Regelleistung kann der Ladezustand des Akkumulators genauer eingestellt werden. Möglichkeiten hierzu sind beispielsweise aus der US 7,839,027 B2 sowie der WO 2010 042 190 A2 bekannt. Dadurch muss nur eine geringere Kapazität bereitgehalten werden, wodurch die Kosten gesenkt werden können. In the article "Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" by Oudalov et al., In IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 3, August 2007 , the capacity of a rechargeable battery is determined according to technical and operational constraints, so that it can provide primary control power according to the European standards ("UCTE Handbook"). It turns out that due to the injection and Ausspeicherverluste long-term recharging of the energy storage at longer intervals is inevitable. Nevertheless, it may happen at short notice or temporarily, that the energy storage is already fully charged and therefore must be searched for another consumption option. The article suggests a (limited use) of resistors. However, this leads to an energy destruction and usually a devaluation of energy. Despite this measure, the energy storage with a full-load runtime of 1.6 hours is still comparatively large, at least significantly larger than it meets the minimum requirements of the "UCTE Handbooks". The comparatively high capacities are associated with corresponding investment costs and make the use of energy storage often uneconomical. By accurately determining the current state of charge of an accumulator during operation to provide control power, the state of charge of the accumulator can be more accurately adjusted. Possibilities for this are for example from the US 7,839,027 B2 as well as the WO 2010 042 190 A2 known. As a result, only a smaller capacity must be kept available, which can reduce costs.

Akkumulatoren können sehr schnell Energie aufnehmen oder abgeben, wodurch sie sich grundsätzlich zur Bereitstellung von PRL eignen. Nachteilig ist jedoch hieran, dass sehr große Kapazitäten der Akkumulatoren bereitgestellt werden müssen, um die Regelleistung auch über einen längeren Zeitraum oder wiederholt liefern zu können. Akkumulatoren mit sehr großer Kapazität sind aber auch sehr teuer. Accumulators can absorb or release energy very quickly, making them basically suitable for providing PRL. A disadvantage, however, is that very large capacities of the batteries must be provided in order to deliver the control power over a longer period or repeatedly. However, very large capacity batteries are also very expensive.

Auf Grund der Verluste beim Ein- und Ausspeichern von Energie erfolgt bei statistisch symmetrischer Abweichung der Netzfrequenzen vom Sollwert durch den Betrieb früher oder später eine Entleerung des Energiespeichers, wie zum Beispiel eines Akkumulators. Es ist daher erforderlich, den Energiespeicher mehr oder weniger regelmäßig gezielt aufzuladen. Eventuell muss dieser Ladestrom separat bezahlt werden. Due to the losses during storage and withdrawal of energy takes place at a statistically symmetric deviation of the mains frequencies from the setpoint by the operation sooner or later emptying of the energy storage, such as a rechargeable battery. It is therefore necessary to recharge the energy storage more or less regularly targeted. It may be necessary to pay for this charging current separately.

Aus der US 7,839,027 B2 sowie der WO 2010 042 190 A2 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung mit einem Energiespeicher bekannt. Dabei wird in den Zeiten, in denen keine Regelleistung benötigt wird, also innerhalb eines Totbands um die Sollfrequenz der Netzfrequenz der Energiespeicher geladen oder entladen, um einen gewünschten Ausgangsladungszustand zu erzielen. Nachteilig ist hieran, dass sich der Ladezustand eines Akkumulators nur bedingt genau bestimmen lässt. Zudem altern die verschiedenen Akkumulatoren mit der Zeit und mit der Dauer der Benutzung. Dadurch ist der Ladezustand des Akkumulators nicht genau bestimmbar. Ferner ist nachteilig, dass, wenn die Frequenz längere Zeit außerhalb des Totbands ist, der Energiespeicher noch immer stark geladen oder entladen wird. Es muss also immer noch eine große Kapazität (Energiespeicherkapazität) des Energiespeichers vorgehalten werden. From the US 7,839,027 B2 as well as the WO 2010 042 190 A2 a method for providing control power with an energy storage is known. In this case, in the times in which no control power is needed, so loaded or discharged within a dead band to the nominal frequency of the power frequency of the energy storage in order to achieve a desired output state of charge. The disadvantage of this is that the state of charge of an accumulator can only be determined with limited accuracy. In addition, the different accumulators age with time and with the duration of use. As a result, the state of charge of the accumulator can not be determined exactly. Furthermore, it is disadvantageous that, if the frequency is outside the deadband for a long time, the energy store is still heavily charged or discharged. So it still has a big one Capacity (energy storage capacity) of the energy storage are kept.

Ein weiterer Nachteil des Stands der Technik ist darin zu sehen, dass zumindest zeitweise im Totband keine Regelleistung erbracht wird oder das Stromnetz sogar mit einer kontraproduktiven Leistung zur Anpassung des Ladezustands des Energiespeichers belastet wird. Another disadvantage of the prior art is the fact that at least temporarily in the deadband no control power is provided or the power grid is even charged with a counterproductive power to adjust the state of charge of the energy storage.

Aus einem Artikel von Michael Roscher und Dirk Sauer (Journal of Power Sources 196 (2011) 331–336) mit dem Titel „Dynamic electric behavior and open-circuit-voltage modeling of LiFePO4-based lithium ion secondary batteries“ ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands (State of Charge „SoC“) eines Akkumulators bekannt, bei dem eine Kennlinie des Ladezustands des Akkumulators in Abhängigkeit von einer Leerlaufspannung (open-circuit-voltage „OCV“) bestimmt wird, indem der Akkumulator schrittweise mit immer gleichen Ladungsmengen entladen wird und nach jeder Entladung und einer ausreichenden Relaxationszeit die Leerlaufspannung des Akkumulators gemessen wird. Anschließend kann mit Hilfe eines Ersatzschaltbilds der aktuelle Ladezustand des Akkumulators während des Betriebs bestimmt werden, wobei auch verschiedene Einflüsse auf die Kapazität und den Ladezustand des Akkumulators berücksichtigt werden können. Für die Details zu diesem Verfahren sei auf den genannten Artikel von Roscher und Sauer verwiesen. From an article by Michael Roscher and Dirk Sauer (Journal of Power Sources 196 (2011) 331-336) entitled "Dynamic Electric Behavior and Open-Circuit-Voltage Modeling of LiFePO4-based Lithium Ion Secondary Batteries" a generic method for determining the state of charge (SoC ") of an accumulator is known in which a characteristic of the state of charge of the accumulator in dependence on an open circuit voltage (open circuit voltage" OCV ") is determined by the accumulator step by step is discharged with always the same charge quantities and after each discharge and a sufficient relaxation time, the open circuit voltage of the battery is measured. Subsequently, the current state of charge of the accumulator during operation can be determined with the help of an equivalent circuit diagram, whereby also different influences on the capacity and the state of charge of the accumulator can be considered. For the details of this procedure, reference is made to the aforementioned article by Roscher and Sauer.

Bei dem Verfahren nach Roscher und Sauer wird die SOC-OCV-Kennlinie, durch eine konstante Entladung mit 1C bis zur Abschaltspannung erzeugt, wobei eine feste Kapazität der Zelle (40 Ah) angenommen wird. Das dabei verwendete elektrische Ersatzschaltbild verwendet konstante Parameter Rs, Rp, Cp für Widerstände beziehungsweise Impedanzen und für die kapazitiven Anteile. Die Leerlaufspannung wird während der SOC-Bestimmung in jedem Schritt angepasst. Zur kontinuierlichen Ladezustandsbestimmung wird ein Coulomb-Counting durchgeführt, das ausschließlich über eine Strommessung erfolgt. Anschließend erfolgt ein Korrekturschritt mit Hilfe des elektrischen Modells auf den über Coulomb-Counting bestimmten Ladezustand, um den tatsächlichen Ladezustand des Akkumulators zu bestimmen. In the Roscher and Sauer method, the SOC-OCV characteristic is generated by a constant discharge of 1C to the turn-off voltage, assuming a fixed capacity of the cell (40 Ah). The electrical equivalent circuit used here uses constant parameters Rs, Rp, Cp for resistors or impedances and for the capacitive components. The open circuit voltage is adjusted during the SOC determination in each step. For continuous charge state determination, a Coulomb counting is performed, which takes place exclusively via a current measurement. Subsequently, a correction step takes place with the aid of the electrical model to the state of charge determined by means of Coulomb counting, in order to determine the actual state of charge of the accumulator.

Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass es bei der Bestimmung der SoC-OCV-Kennlinie, also der Ladezustands-Leerlaufspannungs-Kennlinie, zu Ungenauigkeiten kommen kann, da diese Kennlinie von der Temperatur und dem Altern der Batterie abhängt, so dass eine exakte Bestimmung des aktuellen Ladezustands nur bedingt möglich ist. Die Ungenauigkeiten führen in der Praxis dazu, dass der Akkumulator nicht optimal gesteuert oder geregelt wird. Im Falle der Bereitstellung von Regelleistung muss eine unnötig große Kapazität des Akkumulators bereitgehalten werden, um die möglichen Fehler bei der Verwendung der Ladezustands-Leerlaufspannungs-Kennlinie zu kompensieren und immer ausreichend Kapazität zur Bereitstellung und Aufnahme der Regelleistung zur Verfügung zu haben. A disadvantage of this method is that in the determination of the SoC-OCV characteristic, ie the state of charge no-load voltage characteristic, inaccuracies may occur, since this characteristic depends on the temperature and the aging of the battery, so that an exact determination of the current state of charge is only conditionally possible. The inaccuracies lead in practice to the fact that the accumulator is not optimally controlled or regulated. In the case of the provision of control power, an unnecessarily large capacity of the accumulator must be kept in order to compensate for the possible errors in the use of the state of charge no-load voltage characteristic and always have sufficient capacity to provide and absorb the control power.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. In Anbetracht des Stands der Technik ist es nun insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators bereitzustellen, so dass eine genauere ladezustandsabhängige Steuerung bei der Bereitstellung von Regelleistung möglich ist. Insbesondere sollen bisher unberücksichtigte Ladungsanteile des Akkumulators berücksichtigt werden, um eine genauere Ladezustands-Leerlaufspannungs-Kennlinie zu bestimmen, insbesondere weniger abhängig von Temperatur und Alter der Batterie. Dadurch ist unter anderem eine kleinere Dimensionierung des Akkumulators möglich, da für jeden möglichen Fehler bei der Bestimmung des Ladezustands eine entsprechende Kapazität des Akkumulators bereitgehalten werden muss. The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art. In view of the prior art, it is a particular object of the present invention to provide a technically improved method for determining the state of charge of a rechargeable battery, so that a more precise state of charge-dependent control in the provision of control power is possible. In particular, previously disregarded charge components of the accumulator should be taken into account in order to determine a more accurate charge state open-circuit voltage characteristic, in particular less dependent on the temperature and age of the battery. As a result, inter alia, a smaller dimensioning of the accumulator is possible because for each possible error in the determination of the state of charge, a corresponding capacity of the accumulator must be kept.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass insbesondere bei einer Verwendung von galvanischen Elementen, wie Akkumulatoren, die Kapazität des Energiespeichers aus Kostengründen möglichst gering sein soll, um die erforderliche Regelleistung bereitzustellen. A further object of the invention is to be seen in that, in particular when using galvanic elements, such as accumulators, the capacity of the energy store for cost reasons should be as low as possible in order to provide the required control power.

Darüber hinaus sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten. In addition, the process should be able to be carried out with as few process steps as possible, whereby they should be simple and reproducible.

Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Ansprüchen. Other tasks not explicitly mentioned emerge from the overall context of the following description, the exemplary embodiments and the claims.

Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Energiespeicher dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt und/oder aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt, werden in den Unteransprüchen 2 bis 14 unter Schutz gestellt. Ferner hat Patentanspruch 15 eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand, während zweckmäßige Abwandlungen dieser Vorrichtung in den Unteransprüchen 16 bis 18 unter Schutz gestellt werden. These and other non-explicitly stated objects, which, however, are readily derivable or deducible from the contexts discussed hereinabove, are solved by a method having all the features of claim 1. Advantageous modifications of the inventive method for providing control power for a power network, in which at least one connected to the power grid energy storage power supply to the power grid as needed and / or absorbs power from the power grid as needed, are placed in the dependent claims 2 to 14 under protection. Furthermore, claim 15 has an apparatus for carrying out such a method to the object, while expedient modifications of this device are provided in the subclaims 16 to 18 under protection.

Die vorliegende Erfindung wird dementsprechend gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung des Akkumulators empirisch ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs der zu Beginn vollständig geladene Akkumulator mit definierten Ladungen entladen wird und bei mehreren Entladungsstufen des Akkumulators Leerlaufspannungen gemessen werden, wobei den gemessenen Leerlaufspannungen im Anschluss an die Messungen Ladezustände des Akkumulators zugeordnet werden, und nach Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs, während eines Betriebs des Akkumulators anhand des funktionalen Zusammenhangs der Ladezustand aus einer abgeschätzten Leerlaufspannung bestimmt wird, wobei bei dem Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung in einer ersten Phase der Akkumulator schrittweise mit konstanten Stromstärken entladen wird, bis eine Grenzspannung unterschritten wird, und anschließend in einer zweiten Phase die Stromstärke in einem weiteren Schritt reduziert wird und der Akkumulator weiter entladen wird, bis eine Grenzstromstärke unterschritten wird. Accordingly, the present invention is achieved by a method for determining the state of charge of a rechargeable battery, wherein a functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage of the rechargeable battery is determined empirically, wherein in the determination of the functional relationship the initially fully charged rechargeable battery is discharged with defined charges and in the case of a plurality of discharge stages of the accumulator, open-circuit voltages are measured, the measured open-circuit voltages being assigned to charging states of the accumulator following the measurements, and, after the functional relationship has been established, determined during operation of the accumulator on the basis of the functional relationship, the charge state is determined from an estimated open circuit voltage, wherein in determining the functional relationship between the state of charge and the open-circuit voltage in a first phase of the accumulator stepwise entla with constant currents is the until a threshold voltage is exceeded, and then in a second phase, the current is reduced in a further step and the battery is further discharged until a threshold current is exceeded.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Leerlaufspannung, die bei der letzten Entladungsstufe nach Erreichen der geringsten Stromstärke, vorzugsweise nach Erreichen der Grenzstromstärke gemessen wird, ein Ladezustand von 0% zugeordnet wird und der Leerlaufspannung, die bei vollständig geladenem Akkumulator gemessen wird, ein Ladezustand von 100% zugeordnet wird. It can be provided that the no-load voltage, which is measured at the last discharge stage after reaching the lowest current, preferably after reaching the limit current, a state of charge of 0% is assigned and the open circuit voltage, which is measured at fully charged accumulator, a state of charge of 100% is assigned.

Auch kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator mehrere parallel geschaltete und/oder in Reihe geschaltete galvanische Zellen umfasst. It can also be provided that the accumulator comprises a plurality of galvanic cells connected in parallel and / or connected in series.

Eine solche Anordnung ist für größere Akkumulatoren zur Bereitstellung von Regelenergie besonders gut geeignet. Such an arrangement is particularly well suited for larger accumulators for the provision of control energy.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich auch dadurch auszeichnen, dass es bei der Bereitstellung von Regelleistung durch den Akkumulator eingesetzt wird, vorzugsweise bei der Bereitstellung von Primärregelleistung und/oder Sekundärregelleistung. The inventive method may also be characterized in that it is used in the provision of control power by the accumulator, preferably in the provision of primary control power and / or secondary control power.

Erfindungsgemäße Verfahren können sich auch dadurch auszeichnen, dass die Grenzspannung einer Lithium-basierten galvanischen Zelle des Akkumulators zwischen 1 V und 10 V liegt, vorzugsweise zwischen 3 V und 4,2 V, besonders bevorzugt bei 3 V. Inventive methods can also be characterized in that the limit voltage of a lithium-based galvanic cell of the accumulator is between 1 V and 10 V, preferably between 3 V and 4.2 V, particularly preferably at 3 V.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Grenzstromstärke einer Lithium-basierten galvanischen Zelle des Akkumulators zwischen 0,1 A und 10 A liegt, vorzugsweise zwischen 0,5 A und 3 A, besonders bevorzugt bei 1 A. Furthermore, it can be provided that the limiting current intensity of a lithium-based galvanic cell of the accumulator is between 0.1 A and 10 A, preferably between 0.5 A and 3 A, particularly preferably 1 A.

Bis zu diesen Grenzspannungen und Grenzstromstärken arbeiten die bevorzugten galvanischen Lithium-Ionen-Zellen, die zur Umsetzung erfindungsgemäßer Verfahren besonders gut geeignet sind. The preferred galvanic lithium-ion cells, which are particularly well suited for the implementation of methods according to the invention, operate up to these limiting voltages and limiting current strengths.

Auch kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator vor Erreichen der Grenzspannung mit einer Entladungsrate (C-Rate) zwischen 0,5 C und 2 C, vorzugsweise mit 1 C entladen wird und/oder nach Erreichen der Grenzspannung und vor Unterschreiten des Grenzstroms mit einer abnehmenden Entladungsrate (C-Rate) zwischen C/500 und 2 C, vorzugsweise zwischen C/100 und 1 C entladen wird. It can also be provided that the accumulator is discharged before reaching the limit voltage with a discharge rate (C rate) between 0.5 C and 2 C, preferably with 1 C and / or after reaching the threshold voltage and before falling below the limiting current with a decreasing Discharge rate (C rate) between C / 500 and 2 C, preferably between C / 100 and 1 C is discharged.

Bei diesen Entladungsraten kann auch der letzte Rest der im Akkumulator enthaltenen Ladung großenteils und definiert entladen werden, um das gesamte Spektrum des Ladezustands des Akkumulators für eine Messung der Leerlaufspannung zugänglich zu machen. At these discharge rates, the last remainder of the charge contained in the accumulator can also be discharged in large part and in a defined manner in order to make the entire spectrum of the state of charge of the accumulator available for measuring the open-circuit voltage.

Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete Akkumulatoren zentral gesteuert als Regelleistungsvorrichtung betrieben werden, wobei die Regelleistungsvorrichtung je nach Bedarf aus einem Stromnetz Regelleistung aufnimmt oder in das Stromnetz Regelleistung abgibt und der Ladezustand der Regelleistungsvorrichtung aus der Summe der Ladezustände der Akkumulatoren bestimmt wird. Preferably, it can also be provided that several parallel and / or series-connected accumulators are operated centrally controlled as a control power device, wherein the control power device receives as required from a power grid control power or outputs control power in the grid and the state of charge of the control power device from the sum of the charge states the accumulators is determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Bestimmung des Ladezustands von Akkumulatoren bei der Erbringung von Regelenergie besonders gut geeignet und führt umgekehrt dazu, dass die Kapazität des Akkumulators klein gewählt werden kann und so kostengünstiger ist, da der Ladezustand genauer eingeschätzt werden kann. The inventive method is particularly well suited for determining the state of charge of accumulators in the provision of control energy and, conversely, leads to the fact that the capacity of the accumulator can be chosen small and is more cost-effective, since the state of charge can be estimated more accurately.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass bei einer Aufnahme und/oder Abgabe von Leistung durch den Akkumulator, insbesondere durch die Regelleistungsvorrichtung, der Ladezustand berücksichtigt wird, wobei die aufgenommene und/oder abgegebene Leistung, insbesondere Regelleistung, in Abhängigkeit vom Ladezustand gesteuert oder geregelt wird. A further development of the invention may provide for the charge state to be taken into account in the case of a recording and / or delivery of power by the accumulator, in particular by the control power device, wherein the recorded and / or delivered power, in particular control power, is controlled or regulated as a function of the state of charge becomes.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natrium-Schwefel-Akkumulator oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren verwendet wird. According to a particularly preferred embodiment of the invention it can be provided that the accumulator used is a lithium-ion accumulator, a lead-sulfuric acid accumulator, a nickel-cadmium accumulator, a sodium-sulfur accumulator or a composite of at least two of these accumulators becomes.

Diese Akkumulatoren sind besonders gut zur Umsetzung erfindungsgemäßer Verfahren einsetzbar. These accumulators can be used particularly well for implementing methods according to the invention.

Auch kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des Akkumulators mindestens 40 Ah, bevorzugt mindestens 1 kAh beträgt und/oder der Akkumulator mindestens eine Energie von zumindest 4 kWh, bevorzugt zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh speichern kann. It can also be provided that the capacity of the rechargeable battery is at least 40 Ah, preferably at least 1 kAh, and / or the rechargeable battery stores at least an energy of at least 4 kWh, preferably at least 10 kWh, particularly preferably at least 50 kWh, very particularly preferably at least 250 kWh can.

Diese Ladungen und Kapazitäten sind besonders gut zur Bereitstellung von Regelleistung geeignet. These loads and capacities are particularly well suited for providing control power.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators die Kapazität des Akkumulators als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators berücksichtigt wird, wobei vorzugsweise der maximale Ladezustand als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators aufgrund einer Messung der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators bestimmt wird. According to a particularly preferred variant of a method according to the invention it can be provided that the capacity of the accumulator as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator and / or the current during charging and discharging of the accumulator is taken into account in the determination of the state of charge of the accumulator, wherein preferably the maximum state of charge as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator and / or the current during charging and discharging of the accumulator due to a measurement of the temperature of the galvanic cells of the accumulator and / or the current during charging and discharging of the accumulator is determined.

Das Berücksichtigen dieser zusätzlichen Variablen führt zu einer Verbesserung der Einschätzung des Ladezustands des Akkumulators. Considering these additional variables leads to an improvement in the estimation of the state of charge of the accumulator.

Ferner kann bei besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren auch vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators ein Ersatzschaltbild umfassend wenigstens einen Widerstand und/oder wenigstens einen Kondensator zur Bestimmung der Leerlaufspannung des Akkumulators als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators, der Stromrichtung und/oder der Entladungsrate berücksichtigt wird. Furthermore, in particularly preferred inventive method can also be provided that when determining the state of charge of the accumulator an equivalent circuit comprising at least one resistor and / or at least one capacitor for determining the open circuit voltage of the accumulator as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator, the current direction and / or the discharge rate is taken into account.

Mit Hilfe des Ersatzschaltbilds kann eine noch genauere und realistischere Einschätzung des Ladezustands gegeben werden. With the aid of the equivalent circuit diagram an even more accurate and realistic estimation of the state of charge can be given.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der während des Betriebs bestimmte Ladezustand unter Berücksichtigung des Schätzwerts der Leerlaufspannung und/oder eines Fehlers der Leerlaufspannung bestimmt wird, der oder die bei der vorherigen Bestimmung der Leerlaufspannung ermittelt wurde oder wurden. Furthermore, it can be provided that the state of charge determined during operation is determined taking into account the estimated value of the open circuit voltage and / or an open circuit voltage which was or were determined in the previous determination of the open circuit voltage.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass als Anodenmaterial der galvanischen Zellen des Akkumulators Graphit oder Lithiumtitanoxid, bevorzugt Li2Ti5O12 verwendet wird und als Kathodenmaterial der galvanischen Zellen des Akkumulators Lithiumcobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumnickelmangancobaltoxid, Lithiumnickelcobaltalluminiumoxid und/oder Lithiumeisenphosphoroxid verwendet wird, bevorzugt LiCoO2, LiMn2O4, Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, Li(Ni0,85Co0,1Al0,05)O2 und/oder LiFePO4. Particularly preferably, it can be provided that graphite or lithium titanium oxide, preferably Li 2 Ti 5 O 12 , is used as the anode material of the galvanic cells of the rechargeable battery and lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel manganese cobalt oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide and / or lithium iron phosphoroxide is used as the cathode material of the galvanic cells of the rechargeable battery LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ) O 2 , Li (Ni 0.85 Co 0.1 Al 0.05 ) O 2 and / or LiFePO 4 .

Diese Elektrodenmaterialien bewirken gut berechenbare galvanische Zellen, auf die erfindungsgemäße Verfahren besonders gut anwendbar sind. These electrode materials bring about highly calculable galvanic cells, to which methods of the invention are particularly well applicable.

Insbesondere kann es sich bei dem Verfahren auch um ein Verfahren zur Bereitstellung von Primärregelleistung und/oder von Sekundärregelleistung handeln. In particular, the method can also be a method for providing primary control power and / or secondary control power.

Hierdurch gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators zu realisieren, bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Energiespeicher in Abhängigkeit von seinem Ladezustand dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt und/oder aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist. This makes it possible to implement a method for determining the state of charge of an accumulator in an unpredictable manner, in which at least one energy storage connected to the power supply depending on its state of charge to the power grid supplies energy as needed and / or absorbs energy from the power grid as needed does not suffer from the disadvantages of conventional methods.

Dabei wird die Wirtschaftlichkeit des Betriebs von Energiespeichern, wie Akkumulatoren, zur Primärregelleistungsbereitstellung durch Vermeidung von ineffizienten Ladezuständen durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessert, wobei insbesondere eine Bereitstellung von Primärregelleistung mit geringerer Energiespeicher-Kapazität ermöglicht wird. The economy of the operation of energy storage devices, such as accumulators, for the primary control power supply by avoiding inefficient charging states is improved by the inventive method, in particular a provision of primary control power is made possible with lower energy storage capacity.

Außerdem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Auswirkung der Alterungsbelastung genauer bestimmbar. In addition, the effect of the aging load can be determined more accurately by the method according to the invention.

Als Energiespeicher kommen insbesondere Systeme mit stark eingeschränkter Speichergröße in Frage. Im englischsprachigen Raum werden diese unter anderem als Limited Energy Storage Resources (LESRs) bezeichnet. As energy storage systems in particular with very limited memory size in question. In English-speaking countries, these are referred to inter alia as Limited Energy Storage Resources (LESRs).

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden. Ferner kann das Verfahren mit relativ wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind. In addition, the inventive method can be carried out very easily and inexpensively. Furthermore, the process can be carried out with relatively few process steps, the same being simple and reproducible.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Bandbreite, innerhalb der der Ladezustand des Akkumulators durch Laden oder Entladen verändert werden kann, um einen mittleren Ladezustand anzustreben, proportional einer Ladezustandsdifferenz des aktuellen Ladezustands des Akkumulators von einem mittleren Ladezustand gewählt wird, insbesondere die Bandbreite linear von der Ladezustandsdifferenz des aktuellen Ladezustands vom mittleren Ladezustand abhängt. According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention can be provided that a bandwidth, within the state of charge of the accumulator by Charging or discharging can be changed to aim for a mean state of charge, proportional to a state of charge difference of the current state of charge of the accumulator is selected from a medium state of charge, in particular the bandwidth depends linearly on the state of charge state of charge of the current state of charge from the average state of charge.

Hierbei werden Berechnungen durchgeführt, die das Verfahren zwar verkomplizieren, aber auch dazu führen, dass sich der Ladezustand des Akkumulators nur bei großen Abweichungen stark ändert und somit eine zweckmäßige Rückführung des Ladezustands zu dem mittleren Ladezustand bewirkt. In this case, calculations are carried out which, although complicating the method, also lead to the fact that the state of charge of the accumulator changes greatly only in the case of large deviations and thus causes an expedient return of the state of charge to the mean state of charge.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand des Akkumulators kontinuierlich bestimmt wird, wobei bevorzugt die vom Akkumulator ans Stromnetz abgegebene Regelleistung in Abhängigkeit vom Ladezustand geregelt wird. Furthermore, it can be provided that the state of charge of the accumulator is determined continuously, wherein preferably the output from the accumulator to the power grid control power is regulated in dependence on the state of charge.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass außerhalb der Bandbreite Regelleistung wie vom Stromnetzbetreiber gewünscht bereitgestellt wird und/oder der Betrag der Regelleistung bezüglich der Frequenzabweichung bereichsweise antiproportional zur Frequenzabweichung der Netzfrequenz erbracht wird, vorzugsweise linear zur Frequenzabweichung. A further embodiment of the method according to the invention can provide that outside the bandwidth control power is provided as desired by the power grid operator and / or the amount of control power with respect to the frequency deviation in regions antiproportional to the frequency deviation of the grid frequency is provided, preferably linear to the frequency deviation.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass bei einer Änderung der benötigten Regelleistung der Zeitpunkt nach der Änderung, ab dem vom Energiespeicher eine Regelleistung bereitgestellt wird, in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand des Akkumulators gewählt wird. A further embodiment of the invention can provide that, in the event of a change in the required control power, the time after the change, after which a control power is provided by the energy store, is selected as a function of the current state of charge of the battery.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt in einem Zeitintervall zwischen der Änderung der benötigten Regelleistung und einer maximalen Zeit nach der Änderung liegt, wobei insbesondere das Zeitintervall im Falle einer Bereitstellung von Primärregelleistung 30 Sekunden beträgt. It can be provided that the time is in a time interval between the change in the required control power and a maximum time after the change, in particular, the time interval in the case of provision of primary control power is 30 seconds.

Durch ein Anstreben eines mittleren gewünschten Ladezustands beziehungsweise eines mittleren gewünschten Energiegehalts des Akkumulators kann die Verwendung eines solchen Akkumulators in überraschender vorteilhafter Weise für die Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz genutzt werden, ohne dass beispielsweise Akkumulatoren mit größeren Kapazitäten notwendig werden. Hierdurch können die Nachteile klassischer Energieerzeuger und Energieverbraucher, die für die Bereitstellung von Regelleistung zumeist in Teillast gefahren werden müssen, vermieden werden. Der Ladezustand entspricht im Fall von Akkumulatoren dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge“, SOC). By striving for an average desired state of charge or an average desired energy content of the accumulator, the use of such a rechargeable battery can be used in a surprisingly advantageous manner for the provision of control power for a power grid, without requiring, for example, accumulators with larger capacities. As a result, the disadvantages of conventional energy producers and energy consumers, which usually have to be operated at partial load for the provision of control power, can be avoided. The state of charge in the case of accumulators corresponds to the state of charge (SOC).

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, wobei die Vorrichtung zumindest einen Akkumulator, eine Steuerung zum Steuern oder Regeln der ein- und ausgespeicherten Leistung, eine Recheneinheit zur Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators und einer Datenspeicher umfasst, wobei in dem Datenspeicher die Daten des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung gespeichert sind und die Recheneinheit auf den Datenspeicher Zugriff hat. The object of the invention is also achieved by a device for carrying out such a method, wherein the device comprises at least one accumulator, a controller for controlling or regulating the stored and stored power, a computing unit for determining the state of charge of the accumulator and a data memory, wherein in the data memory, the data of the functional relationship between the state of charge and the open-circuit voltage are stored and the arithmetic unit has access to the data memory.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator derart an ein Stromnetz angeschlossen ist, dass durch die Vorrichtung Leistung in das Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar ist. It can be provided that the accumulator is connected to a power supply in such a way that power can be fed into the power grid and removed from the power supply system by the device.

Auch kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Amperemeter zum Bestimmen der Stromstärke und vorzugsweise auch der Stromrichtung des in den Akkumulator eingespeicherten Stroms und des aus dem Akkumulator abfließenden Stroms und/oder zumindest ein Thermoelement zur Bestimmung der Temperatur wenigstens eines galvanischen Elements des Akkumulators umfasst. It can also be provided that the device comprises an ammeter for determining the current intensity and preferably also the current direction of the current stored in the accumulator and the current flowing out of the accumulator and / or at least one thermocouple for determining the temperature of at least one galvanic element of the accumulator.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natriumsulfid-Akkumulator und/oder ein Li-Ionen-Akkumulator und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren ist. According to a development of the device according to the invention it can be provided that the accumulator is a lithium-ion accumulator, a lead-sulfuric acid accumulator, a nickel-cadmium accumulator, a sodium sulfide accumulator and / or a Li-ion accumulator and / or is a composite of at least two of these accumulators.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Messen des Ladezustands des zumindest einen Akkumulators und/oder eine Vorrichtung zum Messen der Frequenzabweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz und einen Datenspeicher umfasst, wobei in dem Datenspeicher vorzugsweise der mittlere Ladezustand des Energiespeichers gespeichert ist, wobei die Steuerung auf den Datenspeicher Zugriff hat und dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Energiespeichers und/oder von der Frequenzabweichung die vom Energiespeicher abgegebene und aufgenommene Regelleistung zu steuern. Furthermore, it can be provided that the device comprises a device for measuring the state of charge of the at least one accumulator and / or a device for measuring the frequency deviation of the network frequency from the nominal frequency and a data memory, wherein in the data memory preferably the average state of charge of the energy storage is stored, wherein the controller has access to the data memory and is designed to control the output and energy absorbed by the energy storage and control function depending on the state of charge of the energy store and / or the frequency deviation.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch einen Entladungsschritt oder mehrere zusätzliche Entladungsschritte bei einer reduzierten Entladungsstromstärke gelingt, auch die letzten Reste der Kapazität des Akkumulators zu entladen und damit eine deutlich genauere Bestimmung der Leerlaufspannung des entleerten Ladezustands zu ermöglichen. The invention is based on the surprising finding that, by means of a discharge step or a plurality of additional discharge steps at a reduced discharge current intensity, it is also possible to discharge the last remnants of the capacity of the accumulator and thus enable a much more accurate determination of the open circuit voltage of the discharged state of charge.

Während mit bisherigen Verfahren nur die Leerlaufspannungen bei Ladezuständen zwischen 100% und einem Ladezustand deutlich über 0% zu bestimmen, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein geringerer Ladezustand als bisher in die Kennlinie mit aufgenommen werden. Aus dieser erfindungsgemäßen Erkenntnis ergibt sich ebenfalls, dass die Kapazität des Akkumulators geringer gewählt werden kann und es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut gelingen kann, die Kapazität des Akkumulators klein zu halten. While with previous methods only the open circuit voltages at charge states between 100% and a state of charge well above 0% determine, with the method according to the invention, a lower state of charge than previously included in the characteristic. From this realization of the invention it also follows that the capacity of the accumulator can be chosen lower and it can succeed with a method according to the invention particularly well to keep the capacity of the accumulator small.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Akkumulatoren gepoolt und in erfindungsgemäßer Verfahrensweise betrieben. Die Größe der Akkumulatoren innerhalb des Pools kann dabei variieren. In preferred embodiments of the invention, several accumulators are pooled and operated in accordance with the method of the invention. The size of the accumulators within the pool can vary.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren kann ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden, indem eine variable Kapazität der galvanischen Zellen oder des Akkumulators abhängig von der C-Rate und der Temperatur verwendet wird. Dadurch spiegelt der berechnete SOC die im aktuellen Betriebszustand tatsächlich entnehmbare Kapazität wider. In contrast to the previously known methods, a method according to the invention can be carried out by using a variable capacitance of the galvanic cells or the accumulator depending on the C-rate and the temperature. As a result, the calculated SOC reflects the actually removable capacity in the current operating state.

Besonders vorteilhaft wirkt sich bei erfindungsgemäßen Verfahren aus, dass die SOC-OCV-Kennlinie, die über einen CV-Schritt bis Erreichen einer Grenzspannung, vorzugsweise bis Unterschreitung von 3 V erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass 0% SOC unabhängig von der Temperatur des Akkumulators und der C-Rate eindeutig definiert ist. Zudem spiegelt so der berechnete SOC die tatsächlich entnehmbare Kapazität wider. In the method according to the invention, it is particularly advantageous that the SOC-OCV characteristic which is generated over a CV step until reaching a threshold voltage, preferably below 3 V, is produced. This has the advantage that 0% SOC is uniquely defined regardless of the temperature of the accumulator and the C rate. In addition, the calculated SOC reflects the actual extractable capacity.

Das Ersatzschaltbild, wird, wie von Roscher und Sauer vorgeschlagen, anhand eines in Serie geschalteten virtuellen Widerstands Rs und anhand einer virtuellen Parallelschaltung eines Kondensators Cp und eines Widerstands Rp berechnet. Erfindungsgemäß kann nun besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das elektrische Ersatzschaltbild einen Parameter Rs verwendet, der abhängig von Temperatur, SOC und C-Rate bestimmt wird. Rp und Cp sind dagegen konstant. Hierdurch erfolgt eine Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustands des Akkumulators. Erfindungsgemäß können so Veränderungen des Innenwiderstands aufgrund von Alterung berücksichtigt werden. The equivalent circuit, as proposed by Roscher and Sauer, is calculated using a series-connected virtual resistance Rs and a virtual parallel connection of a capacitor Cp and a resistor Rp. According to the invention, it can now be particularly preferred for the electrical equivalent circuit to use a parameter Rs which is determined as a function of temperature, SOC and C rate. Rp and Cp, on the other hand, are constant. This results in a consideration of the current operating state of the accumulator. According to the invention, changes in the internal resistance due to aging can thus be taken into account.

Die Parameter Rs und die Leerlaufspannung des elektrischen Ersatzschaltbilds können erfindungsgemäß in jedem Schritt angepasst werden. Der Fehler der geschätzten Spannung (U_schätz) bestimmt dabei die Anpassung. The parameters Rs and the open circuit voltage of the equivalent electrical circuit diagram can be adjusted according to the invention in each step. The error of the estimated voltage (U_ estimation) determines the adaptation.

Das Coulomb-Counting erfolgt erfindungsgemäß besonders bevorzugt basierend auf dem letzten endgültigen SOC-Wert, der um Berechnungen aus elektrischem Modell korrigiert wurde. Der abschließende Korrekturschritt wird über das elektrische Modell auf die über das Coulomb-Counting bestimmte Leerlaufspannung durchgeführt und so die endgültige Leerlausspannung bestimmt. The Coulomb counting is carried out according to the invention particularly preferably based on the last final SOC value, which has been corrected by calculations from electrical model. The final correction step is carried out via the electrical model to the determined by the Coulomb counting open circuit voltage and thus determines the final Leerlausspannung.

Da ein endgültiger SOC-Wert bereits korrigiert wurde, werden Messfehler durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nicht aufintegriert. Außerdem bleibt der Korrekturschritt über den gesamten Zeitraum klein, da der Coulomb-Counting-Schritt bereits auf dem letzten korrigierten SOC-Wert (endgültigem SOC) basiert. Since a final SOC value has already been corrected, measurement errors are not integrated by a method according to the invention. In addition, the correction step remains small over the entire period since the Coulomb Counting step is already based on the last corrected SOC value (final SOC).

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von einer schematisch dargestellten Figur und anhand von acht Diagrammen erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt: In the following, embodiments of the invention will be explained with reference to a schematically illustrated figure and with reference to eight diagrams, without, however, limiting the invention. Showing:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators und zur Bereitstellung von Regelenergie; 1 : a schematic representation of a device according to the invention for determining the state of charge of an accumulator and for providing control energy;

2: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit –1 A Strommessfehler bei Anwendung des Algorithmus von Roscher und Sauer; 2 : a diagram of the accuracy of the SOC estimate with -1 A current measurement error using the algorithm of Roscher and Sauer;

3: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit +1 A Strommessfehler bei Anwendung des Algorithmus von Roscher und Sauer; 3 : A SOC estimation accuracy diagram with +1 A current measurement error using the Roscher and Sauer algorithm;

4: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit –1 A Strommessfehler bei Anwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus; 4 FIG. 4 is a diagram of the accuracy of the SOC estimate with -1 A current measurement error using the algorithm according to the invention; FIG.

5: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit +1 A Strommessfehler bei Anwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus; 5 FIG. 3 is a SOC estimation accuracy diagram with +1 A current measurement error using the algorithm of the invention; FIG.

6: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit –5 A Strommessfehler bei Anwendung des Algorithmus von Roscher und Sauer; 6 : A SOC estimation accuracy chart with -5 A current measurement error using the Roscher and Sauer algorithm;

7: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit +5 A Strommessfehler bei Anwendung des Algorithmus von Roscher und Sauer; 7 : A SOC estimation accuracy diagram with +5 A current measurement error using the Roscher and Sauer algorithm;

8: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit –5 A Strommessfehler bei Anwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus; und 8th FIG. 4 is a SOC estimation accuracy diagram with -5 A current measurement error using the algorithm of the invention; FIG. and

9: ein Diagramm zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit +5 A Strommessfehler bei Anwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus. 9 FIG. 5 is a graph of accuracy of the SOC estimate with +5 A current measurement error using the algorithm of the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators 2 und zur Bereitstellung von Regelenergie. Der Akkumulator 2 wird von einem Leitsystem 3 gesteuert und überwacht. Der Akkumulator 2 ist an ein Stromnetz 4 zur Aufnahme und Abgabe von Regelenergie angeschlossen. Die ein- und ausgespeicherte Energie wird mit einem Amperemeter 5 gemessen. Das Amperemeter 5 ist mit dem Leitsystem 3 verbunden. In dem Leitsystem 3 wird ein Programm ausgeführt, so dass ein erfindungsgemäßes Verfahren von dem Leitsystem 3 durchgeführt wird. Das Leitsystem 3 steuert zudem die Stromstärke der ein- und ausgespeicherten Regelleistung vom Stromnetz 4 in den Akkumulator 2. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention 1 for determining the state of charge of a rechargeable battery 2 and to provide control energy. The accumulator 2 is from a control system 3 controlled and supervised. The accumulator 2 is connected to a power grid 4 connected to the intake and delivery of control energy. The stored and stored energy is measured with an ammeter 5 measured. The ammeter 5 is with the guidance system 3 connected. In the control system 3 a program is executed, so that a method according to the invention of the control system 3 is carried out. The control system 3 also controls the current intensity of the stored and stored control power from the power grid 4 in the accumulator 2 ,

Zur Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators 2 ist in einem Datenspeicher des Leitsystems 3 ein Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung des Akkumulators 2 und dem Ladezustand des Akkumulators 2 gespeichert. Dabei können zusätzlich auch die eingespeicherte und ausgespeicherte Regelleistung und andere Faktoren berücksichtigt werden, um den Ladezustand des Akkumulators 2 während des Betriebs zu bestimmen. For determining the state of charge of the accumulator 2 is in a data memory of the control system 3 a relationship between the open circuit voltage of the accumulator 2 and the state of charge of the accumulator 2 saved. In addition, the stored and stored control power and other factors can additionally be taken into account in order to determine the state of charge of the battery 2 during operation.

Der Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung des Akkumulators und dem Ladezustand wurde dabei wie folgt bestimmt. Zunächst wird der Akkumulator 2 voll aufgeladen, wobei er dabei bis zu einer oberen Abschaltspannung und danach weiter bis zu einem Abschaltstrom geladen wird. Anschließend wird ein gewisser Zeitraum, beispielsweise eine halbe Stunde gewartet, ohne dass der Akkumulator 2 in dieser Zeit betrieben wird. Dann wird die Leerlaufspannung des Akkumulators 2 bestimmt und dieser Leerlaufspannung der Ladezustand 100% zugeordnet. Anschließend wird der Akkumulator 2 in definierten Schritten mit konstanter Stromstärke entladen und nach ähnlichen Wartezeiten wieder die Leerlaufspannung bestimmt. Bei Erreichen einer Grenzspannung von beispielsweise 50 V wird die Stromstärke der Entladung reduziert und so lange weitere Leerlaufspannungen gemessen, bis eine Grenzstromstärke unterschritten wird. Der letzten gemessenen Leerlaufspannung wird ein Ladezustand von 0% zugeordnet. Den dazwischen gemessenen Leerlaufspannungen werden die entsprechenden Zwischenwerte des Ladezustands zugeordnet, wobei für den prozentualen Anteil einer Entladung die aus dem Akkumulator 2 entnommene Ladung durch die Stromstärke und die Zeit über der die Stromstärke abgegeben wurde, berücksichtigt wird. The relationship between the open circuit voltage of the battery and the state of charge was determined as follows. First, the accumulator 2 fully charged, in which case it is charged up to an upper cut-off voltage and then further to a turn-off current. Subsequently, a certain period of time, for example half an hour is waited without the accumulator 2 is operated during this time. Then the open circuit voltage of the accumulator 2 determined and assigned to this open circuit voltage of state of charge 100%. Subsequently, the accumulator 2 discharged in defined steps with constant current and after similar waiting times again determines the open circuit voltage. When a threshold voltage of, for example, 50 V is reached, the current intensity of the discharge is reduced and as long as further no-load voltages are measured until a limit current intensity is undershot. The last measured no-load voltage is assigned a charge state of 0%. The idle voltages measured therebetween are assigned the corresponding intermediate values of the state of charge, with the percentage of a discharge from the accumulator 2 taken by the current and the time over which the current was discharged taken into account.

Die entsprechenden Wertepaare beziehungsweise die Referenzkurve und der mathematische Zusammenhang, die durch einen mathematischen Fit aus den Wertepaaren erzeugt werden können, wird im Speicher des Leitsystems 2 hinterlegt und zur Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators 2 verwendet. Dabei können noch weitere bekannte Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands verwendet werden. The corresponding value pairs or the reference curve and the mathematical relationship, which can be generated by a mathematical fit from the value pairs, is stored in the memory of the control system 2 deposited and for determining the state of charge of the accumulator 2 used. In this case, other known methods for determining the state of charge can be used.

Bei der Abgabe von Regelleistung an das Stromnetz 4 oder bei der Aufnahme von Regelleistung aus dem Stromnetz 4 kann der Ladezustand des Akkumulators 2 berücksichtigt werden, indem dieser mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens bestimmt wird. So kann beispielsweise Regelleistung erst bei einer größeren Frequenzabweichung der Netzfrequenz abgegeben werden, wenn der Ladezustand des Akkumulators 2 zu gering ist und es kann Regelleistung erst bei einer größeren Frequenzabweichung der Netzfrequenz aufgenommen werden, wenn der Ladezustand des Akkumulators 2 zu hoch ist. Dadurch kann die Kapazität des Akkumulators 2 geringer gehalten werden, als wenn eine ungenauere Methode zur Bestimmung des Ladezustands verwendet würde. When delivering control power to the mains 4 or when receiving control power from the mains 4 can the state of charge of the accumulator 2 be considered by this is determined using the method described. For example, control power can be delivered only at a greater frequency deviation of the mains frequency when the state of charge of the accumulator 2 is too low and it can be recorded control power only at a greater frequency deviation of the mains frequency when the state of charge of the accumulator 2 is too high. This can increase the capacity of the accumulator 2 lower than if a more inaccurate method of determining the state of charge were used.

In den 2 bis 9 sind Diagramme zur Genauigkeit der SOC-Schätzung mit unterschiedlichen Strom-Messfehlern bei Anwendung bekannter Algorithmen nach Roscher und Sauer (2, 3, 6 und 7), und nach einem erfindungsgemäßen Verfahren (4, 5, 8 und 9) dargestellt. Die Diagramme zeigen dabei die Häufigkeit einer gemessenen Abweichung in Abhängigkeit von dem prozentualen Fehler. Die Abweichung kommt durch einen Messfehler bei der Bestimmung des Stroms zustande und ist für –1A (2 und 4) und +1A (3 und 5) sowie für –5A (6 und 8) und +5A (7 und 9) in den Diagrammen gezeigt. In the 2 to 9 are diagrams of the accuracy of the SOC estimation with different current measurement errors using well-known algorithms according to Roscher and Sauer ( 2 . 3 . 6 and 7 ), and according to a method of the invention ( 4 . 5 . 8th and 9 ). The diagrams show the frequency of a measured deviation as a function of the percentage error. The deviation is due to a measurement error in the determination of the current and is for -1A ( 2 and 4 ) and + 1A ( 3 and 5 ) as well as for -5A ( 6 and 8th ) and + 5A ( 7 and 9 ) shown in the diagrams.

Als Daten für die Erstellung der Diagramme wurden reale zeitliche Verläufe von Spannungen und Strömen von Akkumulatoren mit verwendet, insbesondere, wie sie zur Bereitstellung von Regelleistung (PRL oder SRL) geeignet sind. Die Spannungs- und Stromverläufe wurden dazu über einen Zeitraum von circa 10 Stunden aufgenommen. Dabei wurde der Akkumulator mehrfach geladen und entladen. Die SOC-OCV-Kennlinien nach den Verfahren nach Roscher und Sauer und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden anhand des verwendeten Akkumulators bestimmt. Der exakte Ladezustand konnte im Labor auch dank nachträglicher Ladezustandsbestimmungen sowie kontrollierter Ladung und Entladung des Akkumulators genau bestimmt werden. Dadurch konnte der mit den verschiedenen Verfahren ermittelte Ladezustand mit dem realen Ladezustand des Akkumulators verglichen werden. Real time waveforms of voltages and currents of accumulators were used as data for the generation of the diagrams, in particular, as they are suitable for the provision of control power (PRL or SRL). The voltage and current profiles were recorded over a period of about 10 hours. The accumulator was charged and discharged several times. The SOC-OCV characteristics according to the methods of Roscher and Sauer and according to the method of the invention were determined on the basis of the accumulator used. The exact state of charge could also be accurately determined in the laboratory thanks to subsequent state of charge determinations as well as controlled charging and discharging of the accumulator. As a result, the state of charge determined with the various methods could be compared with the actual state of charge of the accumulator.

Es zeigt sich, dass mit den herkömmlichen Verfahren nach Roscher und Sauer (2, 3, 6 und 7) größere Abweichungen auftreten als mit einem erfindungsgemäßen Verfahren (4, 5, 8 und 9). Die größeren Abweichungen sind in den Diagrammen nach den 2, 3, 6 und 7 durch die ovalen Einkreisungen an den x-Achsen (Fehler) hervorgehoben. It can be seen that with the conventional methods according to Roscher and Sauer ( 2 . 3 . 6 and 7 ) greater deviations than with a method according to the invention ( 4 . 5 . 8th and 9 ). The larger deviations are in the diagrams after the 2 . 3 . 6 and 7 highlighted by the oval encirclements on the x-axis (error).

Bei einem Messfehler der Strommessung von 1 A (2 und 3) und dem Verfahren von Roscher und Sauer ergibt sich ein maximaler Schätzfehler von 18%. Bei einem Messfehler der Strommessung von 1 A (4 und 5) und einem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich ein maximaler Schätzfehler von etwa 5,3%. Dabei liegen 99% der abgeschätzten Werte bei einem Schätzfehler von unter 5%. At a measuring error of the current measurement of 1 A ( 2 and 3 ) and the method of Roscher and Sauer results in a maximum estimation error of 18%. At a measuring error of the current measurement of 1 A ( 4 and 5 ) and a method according to the invention results in a maximum estimation error of about 5.3%. Here, 99% of the estimated values are at an estimation error of less than 5%.

Bei einem Messfehler der Strommessung von 5 A (6 und 7) und dem Verfahren von Roscher und Sauer ergibt sich ein maximaler Schätzfehler von 18%. Bei einem Messfehler der Strommessung von 5 A (8 und 9) und einem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich ein maximaler Schätzfehler von etwa 8%. Dabei liegen 93% der abgeschätzten Werte bei einem Schätzfehler von unter 5%. At a measurement error of the current measurement of 5 A ( 6 and 7 ) and the method of Roscher and Sauer results in a maximum estimation error of 18%. At a measurement error of the current measurement of 5 A ( 8th and 9 ) and a method according to the invention results in a maximum estimation error of about 8%. In this case, 93% of the estimated values are at an estimation error of less than 5%.

Die höheren systematischen Fehler der Modelle nach Roscher und Sauer rühren unter anderem daher, dass bei der Bestimmung der SOC-OCV-Kennlinie die vollständige Entladung des Akkumulators nicht korrekt erfasst wird, sondern die Kapazität des Akkumulators unterschätzt wird. The higher systematic errors of the Roscher and Sauer models are due, among other things, to the fact that in determining the SOC-OCV characteristic curve, the complete discharge of the accumulator is not correctly detected, but the capacity of the accumulator is underestimated.

Für Einzelheiten zur Regelung von Regelleistung und zum Informationsaustausch mit den Netzbetreibern sei auf das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007“ vom November 2009 verwiesen. For details on the regulation of balancing power and the exchange of information with network operators, see the Forum Netztechnik / Netzbetrieb im VDE (FNN) "TransmissionCode 2007" from November 2009 directed.

Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, as well as the claims, figures and embodiments may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Vorrichtung zum Steuern oder Regeln des Ladezustands Device for controlling or regulating the state of charge
2 2
Akkumulator accumulator
3 3
Leitsystem / Steuerung Control system / control
4 4
Stromnetz power grid
5 5
Amperemeter ammeter
P P
Leistung power
t t
Zeit Time

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2010042190 A2 [0009, 0010, 0013] WO 2010042190 A2 [0009, 0010, 0013]
  • JP 2008178215 A [0009] JP 2008178215 A [0009]
  • DE 102008046747 A1 [0009] DE 102008046747 A1 [0009]
  • US 7839027 B2 [0010, 0013] US 7839027 B2 [0010, 0013]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control“ von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007 [0010] "Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" by Oudalov et al., In IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 3, August 2007 [0010]
  • Michael Roscher und Dirk Sauer (Journal of Power Sources 196 (2011) 331–336) mit dem Titel „Dynamic electric behavior and open-circuit-voltage modeling of LiFePO4-based lithium ion secondary batteries“ [0015] Michael Roscher and Dirk Sauer (Journal of Power Sources 196 (2011) 331-336) entitled "Dynamic Electric Behavior and Open-Circuit-Voltage Modeling of LiFePO4-based Lithium Ion Secondary Batteries" [0015]
  • VDE (FNN) „TransmissionCode 2007“ vom November 2009 [0095] VDE (FNN) "TransmissionCode 2007" of November 2009 [0095]

Claims (18)

Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators (2), wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung des Akkumulators (2) empirisch ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs der zu Beginn vollständig geladene Akkumulator (2) mit definierten Ladungen entladen wird und bei mehreren Entladungsstufen des Akkumulators (2) Leerlaufspannungen gemessen werden, wobei den gemessenen Leerlaufspannungen im Anschluss an die Messungen Ladezustände des Akkumulators (2) zugeordnet werden, und nach Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs, während eines Betriebs des Akkumulators (2) anhand des funktionalen Zusammenhangs der Ladezustand aus einer abgeschätzten Leerlaufspannung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung in einer ersten Phase der Akkumulator (2) schrittweise mit konstanten Stromstärken entladen wird, bis eine Grenzspannung unterschritten wird, und anschließend in einer zweiten Phase die Stromstärke in einem weiteren Schritt reduziert wird und der Akkumulator (2) weiter entladen wird, bis eine Grenzstromstärke unterschritten wird. Method for determining the state of charge of a rechargeable battery ( 2 ), wherein a functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage of the accumulator ( 2 ) is determined empirically, wherein in determining the functional relationship of the initially fully charged accumulator ( 2 ) is discharged with defined charges and at several discharge stages of the accumulator ( 2 ), Whereby the measured open-circuit voltages are followed by the states of charge of the accumulator ( 2 ) and after determining the functional relationship, during operation of the accumulator ( 2 ) is determined based on the functional relationship of the state of charge from an estimated open circuit voltage, characterized in that in determining the functional relationship between the state of charge and the open circuit voltage in a first phase of the accumulator ( 2 ) is discharged stepwise at constant current levels until a limit voltage is exceeded, and then in a second phase, the current is reduced in a further step and the accumulator ( 2 ) is discharged further until a limit current is exceeded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerlaufspannung, die bei der letzten Entladungsstufe nach Erreichen der geringsten Stromstärke, vorzugsweise nach Erreichen der Grenzstromstärke gemessen wird, ein Ladezustand von 0% zugeordnet wird und der Leerlaufspannung, die bei vollständig geladenem Akkumulator (2) gemessen wird, ein Ladezustand von 100% zugeordnet wird. A method according to claim 1, characterized in that the no-load voltage, which is measured at the last discharge stage after reaching the lowest current, preferably after reaching the limit current, a state of charge of 0% is assigned and the open circuit voltage, the fully charged accumulator ( 2 ), a state of charge of 100% is assigned. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (2) mehrere parallel geschaltete und/oder in Reihe geschaltete galvanische Zellen umfasst. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the accumulator ( 2 ) comprises a plurality of galvanic cells connected in parallel and / or connected in series. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzspannung einer Lithium-basierten galvanischen Zelle des Akkumulators (2) zwischen 1 V und 10 V liegt, vorzugsweise zwischen 3 V und 4,2 V, besonders bevorzugt bei 3 V. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the limit voltage of a lithium-based galvanic cell of the accumulator ( 2 ) is between 1 V and 10 V, preferably between 3 V and 4.2 V, particularly preferably at 3 V. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstromstärke einer Lithium-basierten galvanischen Zelle des Akkumulators (2) zwischen 0,1 A und 10 A liegt, vorzugsweise zwischen 0,5 A und 3 A, besonders bevorzugt bei 1 A. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the limiting current intensity of a lithium-based galvanic cell of the accumulator ( 2 ) is between 0.1 A and 10 A, preferably between 0.5 A and 3 A, more preferably 1 A. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (2) vor Erreichen der Grenzspannung mit einer Entladungsrate (C-Rate) zwischen 0,5 C und 2 C, vorzugsweise mit 1 C entladen wird und/oder nach Erreichen der Grenzspannung und vor Unterschreiten des Grenzstroms mit einer abnehmenden Entladungsrate (C-Rate) zwischen C/500 und 2 C, vorzugsweise zwischen C/100 und 1 C entladen wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the accumulator ( 2 ) is discharged before reaching the limit voltage at a discharge rate (C rate) between 0.5 C and 2 C, preferably with 1 C and / or after reaching the threshold voltage and before falling below the limiting current with a decreasing discharge rate (C rate) between C / 500 and 2 C, preferably between C / 100 and 1 C is unloaded. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete Akkumulatoren (2) zentral gesteuert als Regelleistungsvorrichtung (1) betrieben werden, wobei die Regelleistungsvorrichtung je nach Bedarf aus einem Stromnetz (4) Regelleistung aufnimmt oder in das Stromnetz (4) Regelleistung abgibt und der Ladezustand der Regelleistungsvorrichtung (1) aus der Summe der Ladezustände der Akkumulatoren (2) bestimmt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of parallel and / or series-connected accumulators ( 2 ) centrally controlled as a control power device ( 1 ), wherein the control power device is adapted from a power grid as required ( 4 ) Receives control power or in the power grid ( 4 ) Outputs control power and the state of charge of the control power device ( 1 ) from the sum of the states of charge of the accumulators ( 2 ) is determined. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Aufnahme und/oder Abgabe von Leistung durch den Akkumulator (2), insbesondere durch die Regelleistungsvorrichtung (1), der Ladezustand berücksichtigt wird, wobei die aufgenommene und/oder abgegebene Leistung, insbesondere Regelleistung, in Abhängigkeit vom Ladezustand gesteuert oder geregelt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during a recording and / or delivery of power by the accumulator ( 2 ), in particular by the control power device ( 1 ), the state of charge is taken into account, wherein the recorded and / or delivered power, in particular control power, is controlled or regulated as a function of the state of charge. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Akkumulator (2) ein Lithium-Ionen-Akkumulator (2), ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natrium-Schwefel-Akkumulator oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren (2) verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that as accumulator ( 2 ) a lithium-ion battery ( 2 ), a lead-sulfuric acid secondary battery, a nickel-cadmium secondary battery, a sodium-sulfur secondary battery or a composite of at least two of these batteries ( 2 ) is used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Akkumulators (2) mindestens 40 Ah, bevorzugt mindestens 1 kAh beträgt und/oder der Akkumulator (2) mindestens eine Energie von zumindest 4 kWh, bevorzugt zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh speichern kann. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the capacity of the accumulator ( 2 ) is at least 40 Ah, preferably at least 1 kAh and / or the accumulator ( 2 ) can store at least one energy of at least 4 kWh, preferably at least 10 kWh, particularly preferably at least 50 kWh, very particularly preferably at least 250 kWh. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators (2) die Kapazität des Akkumulators (2) als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators (2) und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators (2) berücksichtigt wird, wobei vorzugsweise der maximale Ladezustand als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators (2) und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators (2) aufgrund einer Messung der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators (2) und/oder der Stromstärke beim Laden und Entladen des Akkumulators (2) bestimmt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that in determining the state of charge of the accumulator ( 2 ) the capacity of the accumulator ( 2 ) as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator ( 2 ) and / or the current during charging and discharging of the accumulator ( 2 ), wherein preferably the maximum state of charge as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator ( 2 ) and / or the current during charging and discharging of the accumulator ( 2 ) due to a measurement of the temperature of the galvanic cells of the accumulator ( 2 ) and / or the current during charging and discharging of the accumulator ( 2 ) is determined. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators (2) ein Ersatzschaltbild umfassend wenigstens einen Widerstand und/oder wenigstens einen Kondensator zur Bestimmung der Leerlaufspannung des Akkumulators (2) als Funktion der Temperatur der galvanischen Zellen des Akkumulators (2), der Stromrichtung und/oder der Entladungsrate berücksichtigt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that in determining the state of charge of the accumulator ( 2 ) an equivalent circuit diagram comprising at least one resistor and / or at least one capacitor for determining the open circuit voltage of the accumulator ( 2 ) as a function of the temperature of the galvanic cells of the accumulator ( 2 ), the current direction and / or the discharge rate is taken into account. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der während des Betriebs bestimmte Ladezustand unter Berücksichtigung des Schätzwerts der Leerlaufspannung und/oder eines Fehlers der Leerlaufspannung bestimmt wird, der oder die bei der vorherigen Bestimmung der Leerlaufspannung ermittelt wurde oder wurden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determined during operation state of charge is determined taking into account the estimate of the open circuit voltage and / or an error of the open circuit voltage or was determined in the previous determination of the open circuit voltage or have been. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Anodenmaterial der galvanischen Zellen des Akkumulators (2) Graphit oder Lithiumtitanoxid, bevorzugt Li2Ti5O12 verwendet wird und als Kathodenmaterial der galvanischen Zellen des Akkumulators (2) Lithiumcobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumnickelmangancobaltoxid, Lithiumnickelcobaltalluminiumoxid und/oder Lithiumeisenphosphoroxid verwendet wird, bevorzugt LiCoO2, LiMn2O4, Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, Li(Ni0.85Co0.1Al0.05)O2 und/oder LiFePO4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that as the anode material of the galvanic cells of the accumulator ( 2 ) Graphite or lithium titanium oxide, preferably Li 2 Ti 5 O 12 is used and as the cathode material of the galvanic cells of the accumulator ( 2 Lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel manganese cobalt oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide and / or lithium iron phosphoroxide, preferably LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ) O 2 , Li (Ni 0.85 Co 0.1 Al 0.05 ) O 2 and / or LiFePO 4 . Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zumindest einen Akkumulator (2), eine Steuerung (3) zum Steuern oder Regeln der ein- und ausgespeicherten Leistung, eine Recheneinheit (3) zur Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators (2) und einer Datenspeicher umfasst, wobei in dem Datenspeicher die Daten des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Ladezustand und der Leerlaufspannung gespeichert sind und die Recheneinheit (3) auf den Datenspeicher Zugriff hat. Device for carrying out a method according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 1 ) at least one accumulator ( 2 ), a controller ( 3 ) for controlling or regulating the stored and stored power, a computing unit ( 3 ) for determining the state of charge of the accumulator ( 2 ) and a data memory, wherein in the data memory, the data of the functional relationship between the state of charge and the open-circuit voltage are stored and the arithmetic unit ( 3 ) has access to the data store. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (2) derart an ein Stromnetz (4) angeschlossen ist, dass durch die Vorrichtung Leistung in das Stromnetz (4) einspeisbar und aus dem Stromnetz (4) entnehmbar ist. Apparatus according to claim 15, characterized in that the accumulator ( 2 ) to a power grid ( 4 ) connected by the device power in the power grid ( 4 ) and from the power grid ( 4 ) is removable. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Amperemeter (5) zum Bestimmen der Stromstärke und vorzugsweise auch der Stromrichtung des in den Akkumulator (2) eingespeicherten Stroms und des aus dem Akkumulator (2) abfließenden Stroms und/oder zumindest ein Thermoelement zur Bestimmung der Temperatur wenigstens eines galvanischen Elements des Akkumulators (2) umfasst. Device according to claim 15 or 16, characterized in that the device ( 1 ) an ammeter ( 5 ) for determining the current intensity and preferably also the current direction of the current in the accumulator ( 2 ) stored current and that from the accumulator ( 2 ) flowing out stream and / or at least one thermocouple for determining the temperature of at least one galvanic element of the accumulator ( 2 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (2) ein Lithium-Ionen-Akkumulator (2), ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natriumsulfid-Akkumulator und/oder ein Li-Ionen-Akkumulator und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren (2) ist. Device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the accumulator ( 2 ) a lithium-ion battery ( 2 ), a lead-sulfuric acid accumulator, a nickel-cadmium accumulator, a sodium sulfide accumulator and / or a Li-ion accumulator and / or a composite of at least two of these accumulators ( 2 ).
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