CN111095661A - 用于运行电储能器单元的方法 - Google Patents

Abstract

描述一种用于运行电储能器单元的方法。在此，在使用第一数学模型的情况下确定第一机械状态参量、尤其机械压力或者位移。此外，在使用第二数学模型的情况下确定电化学状态参量、尤其在所述电储能器单元中的物质浓度。所述第一数学模型和所述第二数学模型耦合。此外，操控执行器，其中根据所确定的第一机械状态参量和/或所确定的所述电化学状态参量来进行所述操控。该执行器被这样设置，使得该执行器根据所述操控来改变所述电储能器单元的所述机械状态。此外，描述一种相应的设备、一种相应的计算机程序、一种相应的机器可读的存储介质、一种具有相应的设备的相应的电储能器单元以及其应用。

Description

用于运行电储能器单元的方法

技术领域

本发明从根据专利独立权利要求所述的用于运行电储能器单元的方法、设备、计算机程序以及机器可读的存储介质出发，其中，确定电储能器单元的第一机械状态参量和电化学状态参量并且基于如此确定的参量来操控执行器。同样地，描述一种电储能器单元以及其应用。

背景技术

电储能器单元、尤其基于锂离子技术的电储能器单元恰恰在汽车领域中作为在传动系中的重要的组件而得以越来越多的推广。在此，电储能器单元的电极由于锂离子的存入过程和提取过程而经受容量上的改变。根据充电状态、但是也根据电极的老化，使电极的相应维度尤其正交于电极的位置布置地改变。因此，相对于至今已经使用的电储能器单元的电压、温度或者电流这样的测量参量而言附加地可以使用这些机械变化，以便提高电极的老化的或者充电状态的确定准确性或者以便使基于电参量的单独检测的不准确性最小化。

尤其是，电极或者电储能器单元的老化状态和充电状态的基于模型的监测和确定是有用的，以便确保维持电储能器单元的安全运行。例如，在电极上的机械压力过高的情况下，锂离子电池组具有提高的老化速率。由于在锂离子电池组之内的电极的由嵌入引起的膨胀和钝化层的形成，由于机械结构空间的限制而在电极上产生机械压力。

此外，例如用于电极的例如基于硅的新的活性材料具有电势迟滞，这使得基于电极势能确定充电状态困难化。

就此而论，物理的或者电化学的模型、例如已知的Newman模型适合用于描述电化学过程，以便描述在电极中的电化学的过程。但是，这还没有提供关于电储能器单元的机械状态的信息，例如电极的膨胀或者被其施加到包围电极的壳体上的力。

在文献DE 10 2012 209 271 A1中描述一种电池组的电池组管理系统，其中，在电池组电池之内，在电极线圈上安装有压力敏感的薄膜传感器，所述薄膜传感器的测量值被电池组状态识别装置评估并且被用于电池组状态识别。

在文献US 2015/0188198 A1中描述一种电池组模块，所述电池组模块具有电池组电池以及测力计和控制模块，其中，测力计测量由于电池组电池的隆起引起的力并且控制模块设置用于，基于所接收的力测量数据估计电池组模块的剩余的使用寿命。

在文献US 2014/0107949 A1中描述一种电池组管理控制装置，该电池组管理控制装置基于根据经验确定的机械特性参量执行电储能器单元的充电状态确定或者老化状态确定。

在Shankar Mohan等人的文献“A phenomenological Model of Bulk Force in aLi-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estimation”，Journal of the Electrochemical Society（电化学学会杂志），161（14）A2222-A2231（2014）中借助于数学模型描述锂离子电池在充电或者放电期间产生的力。在此，描述一种试验构造，所述试验构造提供在电池组电池之外的力测量单元。

发明内容

公开一种具有专利独立权利要求的特征的、用于运行电储能器单元的方法。

在此，在使用电储能器单元的第一数学模型的情况下确定第一机械状态参量、尤其是机械压力或者位移，其中所述第一机械状态参量表示电储能器单元的机械状态。该第一机械状态参量可以包括例如由电储能器单元的壳体所施加的机械压力或者也包括由电储能器单元的电极所施加的压力。第一数学模型可以例如存储在电池组管理控制装置的存储器模块中。第一数学模型可以包括例如微分方程、尤其偏微分方程和/或代数方程。此外，基于数据的特性曲线族也可以是第一数学模型的组成部分。

此外，在使用电储能器单元的第二数学模型的情况下确定电化学状态参量、尤其在电储能器单元中的物质的浓度，其中该电化学状态参量表示电储能器单元的电化学状态，其中，第一数学模型和第二数学模型耦合。这种耦合引起：机械状态参量影响电学状态参量并且反之亦然。例如可以通过电储能器单元的机械状态而影响电极或者隔板的孔隙率和/或更普遍而言影响在电储能器单元中的电解质的流动行为。模型的耦合相应地在数学上反映这一点。第二数学模型可以例如存储在电池组管理控制装置存储器模块中并且包括例如微分方程、尤其偏微分方程和/或代数方程。这种类型的已知的模型是由Newman提出的电储能器单元的电化学模型，所述电化学模型基于浓缩的溶液和多孔的电极的理论。

可以一般而言地说，为了利用所提出的模型而进行的确定，必要时应选择合适的初始值。这尤其适用于基于微分方程的数学模型。这些初始值可以例如在真正的运行之前被确定并且保存在数据存储器中。在需要时，然后可能根据边缘条件来使用这些初始值，以用于模型初始化。

此外，根据所确定的第一机械状态参量和/或所确定的电化学状态参量来操控执行器，其中该执行器如此设置，使得该执行器根据所述操控来改变所述电储能器单元的机械状态。例如，为此可以使用压电执行器或者流体技术的执行器元件。对此，例如可以将通过执行器所施加的压力和机械状态参量、电化学状态参量之间的相应的相互关联保存在特性曲线族中，其中该特性曲线族又可以保存在数据存储器中。也可能的是，由第一数学模型来确定执行器的相应的操控信号，例如通过第一数学模型的反演。

该运行方法因此以有利的方式允许在最佳的机械条件下运行电储能器单元，因为通过该执行器可能随时根据电储能器单元的当前状态来进行机械特性参量的适配。这允许在没有经提高的老化速率的情况下运行电储能器单元。因此可以避免电储能器单元的过早失效并且实现更长的使用寿命。

本发明的其他有利实施方式是从属权利要求的主题。

适宜地，根据所确定的机械状态参量进行电储能器单元的电化学参数的值、尤其电储能器单元的电极的孔隙率特性值的确定，其中，接着，根据所确定的参数值、尤其孔隙率特性值进行电化学状态参量的确定。这具有以下优点：在确定电化学状态参量时考虑对电储能器单元产生影响的机械力，其中所述机械力对电储能器单元的电化学特性产生影响。因此，提高确定步骤的准确性和可靠性并因此提高电储能器单元的运行的准确性和可靠性。这尤其有助于电储能器单元的提高的使用寿命。

适宜地，借助于安装在电储能器单元之内的传感器和/或与电储能器单元处于物理接触的传感器来检测第二机械状态参量，其中所述第二机械状态参量表示电储能器单元的机械状态。传感器可以例如包括应变测量带或者压电元件。接着，进行所确定的第一状态参量与所检测的第二状态参量的第一比较并且接着根据该比较来进行第一数学模型的至少一个参数的改变和/或进行借助第一数学模型所确定的参量的改变。这具有如下优点：借助所检测的第二机械状态参量来执行一种模型更新（Modellnachführung）、也即一种模型升级。例如，这可以借助调节技术的观察者结构来进行或者在优化方法之内进行。因此提高运行方法的准确度，因为该第一数学模型也在变化的条件下或者机械边缘条件下通过模型更新而在确定第一机械状态参量时提供正确结果。

适宜地，执行所确定的第一机械状态参量与预先限定的机械状态参量阈值的第二比较。接着，在超出机械状态参量阈值的情况下生成信号，以便显示该比较结果。这具有如下优点：通过该显示而例如对电储能器单元的用户提供如下可能性：改变其行为，以便例如减少电储能器单元的机械负荷。也可以通过该显示来提供如下提示：例如寻找专业车间，以便检验该电储能器单元并且必要时使其修复该电储能器单元。因此，保证电储能器单元的安全运行。

适宜地，以预先限定的电流、例如预先限定的电流轨迹或者预先限定的电流分布或者以预先限定的充电方法来对该电储能器单元充电或放电，其中根据预先限定的电流来进行执行器的操控。例如在通过电流超出预先限定的第一阈值的情况下减小由该执行器所施加到电储能器单元上的压力并且在通过电流低于预先限定的第二阈值的情况下提高由该执行器所施加到电储能器单元上的压力。这具有如下优点：由此能够减小或防止锂的可能的沉积，尤其是在隔板和电极之间的接口上的可能的沉积。因此，以有利的方式来减小电储能器单元的内部短路的风险并且进一步提高其使用寿命。

此外，本公开的主题是一种用于运行电储能器单元的设备，所述设备包括执行器以及至少一个装置、例如电子的电池组管理控制装置，其中所述执行器以及至少一个装置设置用于，执行所公开的方法。利用该设备，以有利的方式来提高由该设备所运行的电储能器单元的使用寿命和安全性。

此外，本公开的主题是一种计算机程序，该计算机程序包括指令，所述指令促使，所公开的设备实施所公开的方法的方法步骤。因此，以有利的方式实现该方法的优点。

此外，本公开的主题是一种机器可读的存储介质，所公开的计算机程序存储在所述存储介质上。因此，以有利的方式提供一种推广计算机程序的简单的可能性。

此外，本公开的主题是一种电储能器单元，所述电储能器单元包括所公开的、用于运行电储能器单元的设备。这是有利的，因为延长电储能器单元的使用寿命并且提高其安全性。

此外，本公开的主题是所公开的电储能器单元的应用，其中所述电储能器单元应用在包括混合动力车辆在内的电驱动的车辆中、在固定的电储能器设施中、在电运行的手持式工具中、在用于电信或者数据处理的便携式的装置中以及在家用电器中。

电储能器单元尤其可以理解为一种电化学的电池组电池和/或具有至少一个电化学的电池组电池的电池组模块和/或具有至少一个电池组模块的电池组包。例如，电储能器单元可以是基于锂的电池组电池或者基于锂的电池组模块或者基于锂的电池组包。尤其是，电储能器单元可以是锂离子电池组电池或者锂离子电池组模块或者锂离子电池组包。此外，电池组电池可以是锂聚合物蓄电池类型的、镍金属氢化物蓄电池类型的、铅酸蓄电池类型的、锂空气蓄电池类型的或者锂硫蓄电池类型的或者非常一般而言地是任意的电化学成分的蓄电池类型的。作为电储能器单元，电容器也是可能的。在此，例如多孔的电极可以应用在电储能器单元的构造中。用于应用在这类电储能器单元中的相应的电解质可以是例如凝胶状的或者液态的。

所述至少一个装置可以包括例如电池组管理控制装置和相应的功率电子设备、例如逆变器以及电流传感器和/或电压传感器和/或温度传感器。电子控制单元、尤其是表现为电池组管理控制装置的电子控制单元可以是这样的装置。

电子控制单元尤其可以理解为如下电子控制装置，所述电子控制装置包括例如微控制器和/或应用专用的硬件模块、例如ASIC，但是所述电子控制单元同样可以包括个人电脑或者有存储器可编程的控制装置。

附图说明

在附图中示出并且在接下来的描述中进一步讲述本发明的有利的实施方式。

图1示出根据第一实施方式的所公开的方法的流程图；

图2示出根据第二实施方式的所公开的方法的流程图；

图3示出根据第三实施方式的所公开的方法的流程图；

图4示出根据第四实施方式的所公开的方法的流程图；

图5示出根据第五实施方式的所公开的方法的流程图；和

图6示出所公开的设备的示意图，所述设备设置用于实施所公开的方法。

具体实施方式

在所有的附图中，相同的附图标记标出相同的设备组件或者相同的方法步骤。

图1示出根据第一实施方式的所公开的方法的流程图。在第一步骤S11中，在使用电储能器单元的第一数学模型的情况下确定作用到电储能器单元上的机械力。因此，必要时，可以省去力传感器的使用。因此，已知作用到电储能器单元上的力，其中，该力对电储能器单元的效率产生影响。

在第二步骤S12中，在使用电储能器单元的基于微分方程的第二数学模型的情况下确定在电储能器单元之内的锂浓度。在此，根据在第一步骤S11中确定的机械力来确定锂浓度。因此，第二数学模型和第一数学模型耦合。

在第三步骤S13中，接着操控如下压电元件，该压电元件处在电储能器单元上或者必要时处在该电储能器单元中，其中根据所确定的机械力和所确定的锂浓度来进行该操控。在此，该压电元件这样设置，使得该压电元件根据所述操控来改变机械状态，例如作用到该电储能器单元上的力。因此作用到该电储能器单元上的力进行改变，这尤其是有利于该电储能器单元的更缓慢的老化。

图2示出根据第二实施方式的所公开的方法的流程图。在第一步骤S21中，在使用电储能器单元的第一数学模型的情况下确定作用到电储能器单元上的机械压力。因此，必要时，可以省去压力传感器的使用，其中，还是通过基于模型进行的确定而已知作用到电储能器单元上的压力。

在第二步骤S22中，根据在第一步骤S21中确定的机械压力来确定电储能器单元的电极的孔隙率或者孔隙率特性值作为电储能器单元的电化学的参数值。在此，将如此确定的电化学的参数用在第二数学模型中。替代地，也可以确定隔板和/或两个电极的孔隙率或者孔隙度。

在第三步骤S23中，接着，在使用第二数学模型的情况下进行对电储能器单元的电极的电势的确定，其中，在这种借助于第二数学模型的基于模型进行的确定之内使用在第二步骤S22中确定的参数值，由此改进确定结果。

在第四步骤S24中，接着，根据所确定的机械压力和必要时所确定的电势来操控执行器。在此，该执行器如此设置，使得该执行器根据所述操控来改变该电储能器单元上的机械压力，例如在经提高的通过电流情况下减小所施加的压力并且在经减小的通过电流情况下提高所施加的压力。这尤其是有助于防止在电极中的不期望的锂沉积、尤其是在负电极和隔板之间的界面上的不期望的锂沉积。

图3示出根据第三实施方式的所公开的方法的流程图。在第一步骤S31中，在使用电储能器单元或者电极的第一数学模型的情况下确定电储能器单元或者其电极之一所经历的机械膨胀。

在第二步骤S32中，在使用电储能器单元的第二数学模型的情况下确定在电储能器单元之内的锂浓度。在此，根据在第一步骤S31中确定的机械膨胀来确定锂浓度，以便考虑到如下事实情况：电储能器单元的经改变的机械状态引起电化学状态参量的变化。

在第三步骤S33中，借助于安装在电储能器单元的壳体上的应变传感器来检测机械膨胀。因此，不仅存在借助第一数学模型所确定的膨胀值也存在借助应变传感器所检测的膨胀值。

在第四步骤S34中，接着将所确定的应变值与所检测的应变值比较。

如果所确定的应变值和所检测的应变值的差超出预先限定的阈值，则在第五步骤S35中，改变该第一数学模型的至少一个参数，其中该第一数学模型已在第一步骤S31中被使用用于基于模型来确定机械膨胀。这种改变可以例如在使用数学的优化方法的情况下进行。

在第六步骤S36中，接着根据机械膨胀和锂浓度来操控机械的执行器，其中该执行器根据该操控而改变电储能器单元的机械状态，尤其是提高或减小电储能器单元上的压力。

如果在第四步骤S34中的比较中并不超出针对该差的预先限定的阈值，则这意味着，可以省去模型适配并且直接执行第六步骤S36。

图4示出根据第四实施方式的所公开的方法的流程图。在第一步骤S41中，在使用第二数学模型的情况下进行电储能器单元的电极的电势的确定，其中该第二数学模型与第一数学模型耦合。这种耦合必要时引起：针对相应的模型应选择在基于模型进行的确定的范畴内适合的边缘条件或初始值。

在第二步骤S42中，在使用电储能器单元的第一数学模型的情况下确定作用到电储能器单元上的机械压力。因此，必要时可以省去对压力传感器的使用，其中，还是通过基于模型进行的确定而已知作用到电储能器单元上的压力。

在第三步骤S43中，将所确定的机械压力与预先限定的机械压力阈值比较。该压力阈值可以例如这样选择，使得该阈值的超出表明了电储能器单元的不可逆的损坏，由此例如需要专业车间中的访问。

在第四步骤S44中因此在超出压力阈值的情况下生成信号，以便显示该比较的结果。这可以例如是在屏幕上的图形信号，也可以是信号灯的闪亮，其例如表明了需要的车间访问。

在第五步骤S45中，接着根据所确定的机械压力和所确定的电极电势来操控执行器。在此，该执行器这样设置，使得该执行器根据所述操控来改变所述电储能器单元上的机械压力，例如在经提高的通过电流的情况下减小所施加的压力并且在经减小的通过电流的情况下提高所施加的压力。这尤其是有助于，防止在电极中的不期望的锂沉积、尤其是在负电极和隔板之间的界面上的不期望的锂沉积。只要是所确定的机械压力超出预先限定的机械压力阈值，这就可以在该执行器的操控中如下地被考虑到，使得该执行器这样减小电储能器单元上的机械压力，以使得该压力阈值再次不被超出。

如果该机械压力阈值没有被超出，则在第三步骤S43之后实施第五步骤S45。因为电储能器单元的机械压力由此处在正常范围内，例如以经改变的操控参数来进行执行器的操控，由此使电储能器单元例如面临经提高的压力波动。然而这是没有问题的，因为该电储能器单元的机械压力在正常范围内。

图5示出根据第五实施方式的所公开的方法的流程图。在第一步骤S51中，在使用电储能器单元的基于微分方程的第二数学模型的情况下确定在电储能器单元之内的锂浓度。

在第二步骤S52中，在使用电储能器单元的第一数学模型的情况下确定作用到电储能器单元上的机械力。因此，必要时可以省去力传感器的使用。因此，已知作用到电储能器单元上的力。该第二数学模型和该第一数学模型在此因此是耦合的，由此针对该第一数学模型或该第二数学模型必要时应选择合适的初始值和边缘条件。所述初始值可以例如被保存（hinterlegen）在特性曲线族中，该特性曲线族被保存在数据存储器中，或者所述初始值可以借助适合的传感器、例如压力传感器来被确定。

在第三步骤S53中，该电储能器单元接着被充电，其中同时进行执行器的操控，该执行器被设置用于，根据所述操控来改变电储能器单元的机械状态。因此可以根据流入到电储能器单元中的电流来调整该电储能器单元的最佳的并且对于该电储能器单元的长使用寿命而言适合的机械压力状态。用于执行器的相应的操控值可以要么基于模型地获得，要么从特性曲线族中获得，其中在该特性曲线族中将电流值与电储能器单元的力状态相关联。

图6示出所公开的设备70的示意图，所述设备设置用于，实施所公开的方法。在此，借助于保存在第一数据存储器中的第一数学模型71确定电储能器单元的机械状态参量。接着，在确定电化学状态参量时，将所确定的机械状态参量使用在第二数学模型72中，所述第二数学模型保存在第二数据存储器中。电池组管理控制装置74由所确定的状态参量来确定用于该执行器73的适合的操控指令，其中该执行器被设置用于，根据所述操控来改变电储能器单元的机械状态。因此，延长电储能器单元的使用寿命或者实现电储能器单元的更经济的运行。

Claims (10)

1.一种用于运行电储能器单元的方法，所述方法包括如下步骤：

a）在使用所述电储能器单元的第一数学模型（71）的情况下确定第一机械状态参量、尤其机械压力或者所述电储能器单元的壳体的机械应变，其中所述第一机械状态参量表示所述电储能器单元的机械状态；

b）在使用所述电储能器单元的第二数学模型（72）的情况下确定电化学状态参量、尤其在所述电储能器单元中的物质浓度，其中所述电化学状态参量表示所述电储能器单元的电化学状态，其中，所述第一数学模型（71）和所述第二数学模型（72）耦合；

c）根据所确定的所述第一机械状态参量和/或所确定的电化学状态参量来操控执行器（73），其中所述执行器（73）设置用于，根据所述操控来改变所述电储能器单元的所述机械状态。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法此外包括：

d）根据在步骤a）中确定的所述机械状态参量来确定所述电储能器单元的在所述第二数学模型（72）中所使用的电化学参数的值、尤其孔隙率的值，其中，接着，根据在步骤d）中确定的所述参数值进行在步骤b）中的所述电化学状态参量的确定。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法此外包括：

e）借助于安装在所述电储能器单元之内的传感器和/或与所述电储能器单元处于物理接触的传感器检测第二机械状态参量，其中所述第二机械状态参量表示所述电储能器单元的机械状态；

f）执行所确定的所述第一机械状态参量与所检测的所述第二机械状态参量的第一比较；

g）根据所述比较来进行所述第一数学模型（71）的至少一个参数的改变和/或进行借助所述第一数学模型（71）所确定的参量的改变。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法此外包括：

h）执行在步骤a）中所确定的所述第一机械状态参量与预先限定的机械状态参量阈值的第二比较；

i）在超出所述机械状态参量阈值的情况下生成信号，以便显示所述比较结果。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法此外包括：

j）以预先限定的电流来对所述电储能器单元充电或放电，其中根据所述预先限定的电流来进行在步骤c）中的所述执行器（73）的操控。

6.一种用于运行电储能器单元的设备（70），所述设备包括执行器（73）以及至少一个装置（74）、尤其电子的电池组管理控制装置（74），所述执行器（73）以及所述至少一个装置（74）设置用于，执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。

7.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，所述指令促使根据权利要求6所述的设备（70）实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法步骤。

8.一种机器可读的存储介质，其中，根据权利要求7所述的计算机程序被存储在所述存储介质上。

9.一种电储能器单元，所述电储能器单元包括根据权利要求6所述的设备（70）。

10.一种根据权利要求9所述的电储能器单元的应用，其中所述电储能器单元应用在包括混合动力车辆在内的电驱动的车辆中、在固定的电储能器设施中、在电运行的手持式工具中、在用于电信或者数据处理的便携式的装置中以及在家用电器中。

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