DE102012110551A1

DE102012110551A1 - Magnetsensorübertrager zur Bestimmung des Ladezustands von Eisenphosphat-Lithiumionen-Batterien

Info

Publication number: DE102012110551A1
Application number: DE102012110551A
Authority: DE
Inventors: Jonathan O. Conell; Brian J. Koch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: US9511670B2; US20130149565A1; CN103149534B; CN103149534A; DE102012110551B4

Abstract

Ein Magnetsensor zum Messen der magnetischen Eigenschaften einer Batteriezelle und zum Umwandeln der magnetischen Eigenschaften in einen Batteriezellen-Ladezustand. Der Magnetsensor beinhaltet einen Magnetkern, der aus laminierten hochpermeablen Platten mit einer C-förmigen Gestalt ausgebildet ist. Ein langgezogener Bereich der Batteriezellen erstreckt sich durch eine transversale Öffnung in dem Kern, so dass dieser innerhalb des Kerns angeordnet ist. Eine Treiberwicklung ist um ein Ende des Magnetkerns gewickelt und erzeugt ein Magnetfeld in dem Kern, das sich durch die transversale Öffnung und durch die Batteriezelle erstreckt. Eine Aufnahmewicklung ist um ein entgegengesetztes Ende des Kerns gewickelt, das das Magnetfeld empfängt und das Magnetfeld in einen entsprechenden Strom umwandelt. Ein Detektionsschaltkreis wandelt den empfangenen Wicklungsstrom in den Batteriezellen-Ladezustand um.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Magnetsensor zum Bestimmen des Ladezustands (state-of-charge = SOC) einer Batterie und insbesondere auf einen Magnetsensor zum Bestimmen des Ladezustands einer Eisenphosphat-Lithiumionen-Batterie für ein Elektrofahrzeug, wobei der Magnetsensor einen C-förmigen Metallkern beinhaltet.
2. Diskussion des Standes der Technik
Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die eine Anzahl von Batteriezellen umfasst. Diese Batterien können verschiedene Batteriearten sein, wie zum Beispiel eine Lithiumionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Ein typisches Hochvoltbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug kann eine große Anzahl von Batteriezellen oder Modulen beinhalten, wobei die Module mehrere Batteriezellen beinhalten, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen, wobei jedes Batteriemodul wiederum eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel 12 Zellen. Die einzelnen Batteriezellen können miteinander elektrisch in Reihe geschaltet oder eine Reihe von Zellen kann elektrisch parallelgeschaltet sein, wobei eine Anzahl von Zellen in dem Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul mit den anderen Modulen elektrisch parallel geschaltet ist. Verschiedene Fahrzeugkonzepte erfordern verschiedene Batteriekonzepte, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung mit sich bringen.
Um die Batterielebensdauer zu maximieren und eine brauchbare Reichweiteninformation an einen Fahrzeugführer zu geben, ist es wichtig, den Ladezustand (state-of-charge = SOC) einer Batterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug genau zu bestimmen. Ein gewöhnliches Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie erfolgt über das Messen der Leerlaufspannung oder Null-Last-Spannung der Batterie. Die Leerlaufspannungsmessung ist leicht zu erhalten, kann aber unglücklicherweise fehlerbehaftet sein. Leerlaufspannungsfehler können von einem Spannungssensor selbst, von einem Spannungsmessschaltkreis in einem Controller, von der Größe der elektronischen Hardware, A/D-Wandlern, Filterverstärkungen oder von Kombinationen dieser und anderer Faktoren herrühren.
Gewisse für Elektrofahrzeuge geeignete Batterien, wie zum Beispiel Nickelmetallhydrid-Batterien und einige Arten von Lithiumionen-Batterien, erzeugen eine nahezu konstante Leerlaufspannung über den größten Bereich des Ladezustands der Batterie. Komplexe Modelle und Algorithmen können verwendet werden, um die Leerlaufspannung unter einer Last schätzen zu können und es können sehr präzise Messungen der echten Leerlaufspannung erhalten werden, wenn die Batterie im Ruhezustand ist. Es verbleibt jedoch die Tatsache, dass sehr wenig Information über den Ladezustand aus dieser Spannung in gewissen Betriebsbereichen erhalten werden kann. Eine schwache Abhängigkeit der Leerlaufspannung von dem Ladezustand kann in fehlerhaften Schätzungen der verbleibenden Batterieenergie und Reichweite des Fahrzeugs resultieren und kann darüber hinaus zu einer Überbeanspruchung oder Unterbeanspruchung der Batterie führen. Gewöhnlicherweise sind diese Arten von Batterien allerdings immer noch als Antriebsquellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge aufgrund ihrer geringen Masse, ihres hohen Leistungsvermögens und ihrer größeren Energiespeicherkapazität sehr begehrt. Demzufolge ist es wünschenswert, für Fahrzeuge, die die Batteriearten verwenden, die eine nahezu konstante Leerlaufspannung über den größten Bereich des Batterie-Ladezustands aufweisen, ein System und ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands der Batterie bereitzustellen, das nicht auf deren Leerlaufspannung beruht.
In einer spezifischen Lithiumionen-Batterieausgestaltung umfassen die positiven Anschlussplatten der einzelnen Zellen Eisenphosphat und die negativen Anschlussplatten Graphit, wobei sich die magnetischen Eigenschaften des Eisenphosphats ändern, wenn sich der Zell-Ladezustand in einer linearen Weise ändert. Während insbesondere der Ladezustand der Batteriezelle zunimmt, nimmt die magnetische Suszeptibilität des Eisenphosphats ab. Deswegen ist es im Stand der Technik bekannt, Magnetsensoren zu verwenden, um den Ladezustand dieser Batteriearten zu messen.
Die US-Patent Application Publication US2010/0079145 mit dem Titel ”System und Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie unter Verwendung der Magnetustriktion zur Detektion einer magnetischen Antwort eines Batteriematerials”, angemeldet auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart eine Technik zum Bestimmen eines Batterie-Ladezustands mithilfe der magnetischen Antwort des Batteriematerials. Die '145-Patentanmeldung offenbart einen Magnetsensor, der zu einer Batteriezelle gekoppelt ist, wobei der Sensor eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfasst. Ein Wechselstromsignal wird an die erste Wicklung gelegt, welches ein Magnetfeld innerhalb der Batteriezelle induziert, welches wiederum einen Stromfluss in die zweite Wicklung induziert. Der Stromfluss in der zweiten Wicklung wird gemessen, wobei die Magneteigenschaften der Batteriezelle sich aufgrund der Änderungen in dem Batterie-Ladezustand ändern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung, werden ein Magnetsensor zum Messen der magnetischen Eigenschaften einer Batteriezelle und zum Umwandeln der magnetischen Eigenschaften in einen Batteriezellen-Ladezustand offenbart. Der Magnetsensor beinhaltet einen Magnetkern, der aus laminierten, hochpermeablen, magnetischen Platten mit einer C-förmigen Gestalt ausgebildet ist. Ein langgezogener Bereich der Batteriezelle erstreckt sich durch eine transversale Öffnung in den Kern, so dass diese innerhalb des Kerns positioniert ist. Eine Treiberwicklung ist um ein Ende des Magnetkerns gewickelt und erzeugt ein Magnetfeld in dem Kern, das sich durch die transversale Öffnung und durch die Batteriezelle erstreckt. Eine Aufnahmewicklung ist um ein entgegengesetztes Ende des Kerns gewickelt, welche das Magnetfeld empfängt und das Magnetfeld in einen entsprechenden Strom umwandelt. Ein Detektionsschaltkreis wandelt den empfangenen Wicklungsstrom in den Batteriezellen-Ladezustand um.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine einfache Darstellung eines elektrischen Hybridfahrzeuges;
2 ist ein Graph, bei dem der Batteriezellen-Ladezustand auf der horizontalen Achse, die Batteriezellenspannung auf der rechten vertikalen Achse und die Magnetsensor-Antwort auf der linken vertikalen Achse aufgetragen sind, was eine Beziehung zwischen der Batteriezellen-Leerlaufspannung und dem Batteriezellen-Ladezustand und eine Beziehung zwischen der Magnetsensor-Antwort und dem Batteriezellen-Ladezustand zeigt;
3 ist eine schematische Darstellung eines Magnetsensors mit einem C-förmigen Kern, der zu einer Batteriezelle in einem Batteriemodul gekoppelt ist; und
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Umwandeln eines Magnetsensor-Stromausgangssignals in einen Batteriezellen-Ladezustand zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Magnetsensor zum Messen der magnetischen Eigenschaften einer Batteriezelle zum Bestimmen des Zell-Ladezustands gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise betrifft die unten geführte Diskussion das Bestimmen des Zell-Ladezustands einer Eisenphosphat-Lithiumionen-Batteriezelle für ein Elektrofahrzeug. Für Fachleute ist es allerdings leicht verständlich, dass die vorliegende Erfindung eine Anwendung beim Ermitteln des Ladezustands anderer Arten von Batterien, die für andere Anwendungen verwendet werden, haben wird.
1 ist eine einfache Darstellung eines Fahrzeugs 10, das dazu gedacht ist, jede Art von Elektrofahrzeug oder elektrischem Hybridfahrzeug darzustellen. Das Fahrzeug 10 kann ein reines Plug-in-Elektrofahrzeug, ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, ein Benzin-Elektrohybridfahrzeug, ein Diesel-Elektrohybridfahrzeug oder jede andere Art von Fahrzeug sein, das eine Hochvoltbatterie teilweise oder ganz für seinen Antrieb verwendet. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Hochvoltbatterie 12 oder einen Batteriepack, der auf einer geeigneten Halterung innerhalb des Fahrzeugs 10 befestigt ist, wobei die Batterie 12 eine Vielzahl von Batteriezellen 14 beinhaltet. Die Batterie 12 kann jede für ein Elektrofahrzeug geeignete Batterie sein, wie beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, eine Lithiumionen-Batterie, eine Metallhydrid-Batterie etc. Die Batterie 12 liefert Energie an einen Motor 20, welcher die Fahrzeugräder 18 antreibt. Das Fahrzeug 10 kann darüber hinaus eine separate Antriebsquelle 16, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. umfassen.
Die Batterie-Leerlaufspannung wird oft als ein Indikator für den Batterie-Ladezustand verwendet, da bekannt ist, dass die Leerlaufspannung steigt, wenn der Batterie-Ladezustand fällt. Die Kenntnis des Ladezustands der Batterie 12 ist für ein ordnungsgemäßes Energie- und Leistungsmanagement des Fahrzeugs wichtig. In einem reinen Elektrofahrzeug muss ein niedriger Ladezustand an den Fahrzeugführer kommuniziert werden, so dass die Batterie 12 dann eingesteckt und wieder aufgeladen werden kann. In einem Hybridfahrzeug wird ein niedriger Ladezustand das Einschalten der Quelle 16 auslösen, welche die Batterie 12 wieder aufladen kann. Ein Controller 22 ist vorgesehen, um den Ladezustand der Batterie 12 zu bestimmen, was mit der hier geführten Diskussion konsistent ist.
Bei vielen Arten von chemisch unterschiedlichen Batterien ist die Beziehung zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand sehr linear und zeigt keine oder eine nur geringe Steigung. Insgesamt gibt es einige Bereiche des Batterie-Ladezustands, bei denen die Leerlaufspannung kein hinreichend guter Indikator für den Batterie-Ladezustand ist. Das liegt daran, dass in diesen Bereichen die Leerlaufspannung über einen ziemlich weiten Bereich des Ladezustands nahezu konstant bleibt. In den Bereichen, in denen die Leerlaufspannung kein guter Indikator für den Ladezustand ist, ist es wünschenswert, irgendeine andere Messung zu verwenden, um den Batterie-Ladezustand zu schätzen. Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung eines Magnetsensors vor, um den Batteriezellen-Ladezustand für diese Batteriearten zu bestimmen.
Im Folgenden wird eine kurze Übersicht darüber wiedergegeben, wie der Batteriezellen-Ladezustand für gewisse Arten von Batteriematerialien verschiedene magnetische Antworten erzeugt.
Die magnetische Suszeptibilität beschreibt, in welchem Ausmaß ein Material in Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes magnetisiert wird. Die magnetische Suszeptibilität pro Volumeneinheit eines Materials X ist durch die Gleichung gegeben: X_v = MH, (1) wobei M die Magnetisierung, ausgedrückt als der magnetische Dipol pro Volumeneinheit, ist und H das angelegte Magnetfeld ist.
Die magnetische Suszeptibilität X kann auch pro Masseneinheit oder pro Mol des Materials ausgedrückt werden. Die mechanische Kraft, die von dem angelegten Magnetfeld auf das Material ausgeübt wird, ist proportional zu der magnetischen Suszeptibilität X, zu der Magnetfeldstärke und zu dem Magnetfeldgradienten. Wenn die Suszeptibilität X positiv ist, wird das Material zu Bereichen ansteigender Magnetfeldstärke hingezogen und wird als ”paramagnetisch” bezeichnet. Wenn die Suszeptibilität X negativ ist, wird das Material im Gegensatz dazu abgestoßen und wird als ”diamagnetisch” bezeichnet.
Die durch die Wirkung des angelegten Magnetfelds induzierte Magnetisierung in dem Material erzeugt sein eigenes Magnetfeld, das sich mit dem angelegten Feld überlagert. Im Fall eines paramagnetischen Materials übersteigt das überlagerte Magnetfeld im Allgemeinen das reine angelegte Magnetfeld, wobei dieser Anstieg proportional zu der paramagnetischen Suszeptibilität des Materials ist. Im Fall eines diamagnetischen Materials ist das resultierende überlagerte Magnetfeld im Gegensatz dazu reduziert. Beide Fälle können im Prinzip für die Zwecke dieser Erfindung ausgenutzt werden.
Magnetismus kann durch frei zirkulierende elektrische Ströme, beispielsweise solche, wie man sie in Elektromagneten findet, oder durch Elektronenströme, die in den Ringstrukturen einiger organischer Moleküle beobachtet wurden, erzeugt werden. Ein bemerkenswerter Fall für die sogenannten ”paramagnetischen Ringströme” ergibt sich, wenn Alkalimetallionen zwischen die Schichten von Kohlenstoff-6-Ringe aufweisendem Graphit eingeführt werden. Die Speicherung von Lithium in Graphit bildet die Grundlage für ein gemeinhin bekanntes negatives Elektrodenmaterial in Lithiumionen-Batterien. Der Magnetismus in Materialien entsteht gemeinhin sowohl durch den lokalisierten Spin von Elektronen als auch durch die Orbitalbewegung der Elektronen innerhalb der Atome. Magnetische Suszeptibilität wird in freien Ionen der Eisen-Gruppe, der Aktiniden-Reihe und der Seltenerd-Element-Reihe im Periodensystem beobachtet. Verbindungen finden Anwendung als aktive Materialien für elektrochemische Energiespeicher in Batterien. Sie gehören oft zu einer Klasse, die als Interkalations- oder Einlagerungsverbindungen bekannt sind, welche durch die Fähigkeit, kleine Ionen, wie zum Beispiel Lithium, leicht eingesetzt und aus ihren Festkörperstrukturen wieder entfernt zu bekommen, gekennzeichnet sind. Dieses Verhalten sorgt für die Lade- und Entlade-Prozesse einer Batterie.
Gebräuchliche Metalloxide für Lithiumionen-Batterien, die Einlagerungsmaterialien sind, umfassen Lithiumkobaltoxid LiCoO₂, Lithiumnickeloxid LiNiO₂ und Varianten von der Form LiCo_xNi_yMn_zO₂, wobei die Kobalt, Nickel und Mangan-Anteile die gleichen Gitterplätze besetzen und x + y + z = 1 ist. Einige Lithium-Batteriematerialien bilden zwei Phasen, da sie eine Einlagerung eingehen, was Grund für eine flache Leerlaufspannungscharakteristik gibt, wo auch immer die zwei Phasen koexistieren. Ein Beispiel für eine Zwei-Phasen-Einlagerungs-Elektrode, die gegenwärtig für die Verwendung als Kathode in Lithiumionen-Batterien in Betracht gezogen wird, ist Eisenphosphat. Die relevante elektrochemische Reaktion wird wiedergegeben durch: Li_(1-n)FePO₄ + nLi⁺ne^– = LiFePO₄, (2) wobei n die Zahl der Lithiumionen und Elektronen ist, die in der Reaktion involviert sind.
Während der Entladung der Batterie 12 wird Lithium in das Eisenphosphat eingelagert und während der Aufladung der Batterie 12 wird das Lithium entfernt. Der Anteil an Lithium in dem Material relativ zum maximalen Betrag an Lithium, das das Material aufnehmen kann, d. h. ein Li in LiFePO4, korrespondiert zu dem Ladezustandsbruchteil, welcher durch Multiplikation mit 100 den Ladezustand ergibt.
Wenn die freien Atome Eisen (Fe), Phosphor (P) und Sauerstoff (O) sich zu Eisenphosphat verbinden, werden die einzelnen elektronischen Strukturen modifiziert, um Teil der größeren Verbindung zu werden. Die Valenzelektronen jedes Atoms tragen zu der Bindung innerhalb der Verbindung bei und es erfolgt ein Ladungsaustausch zwischen den Atomen. Die neue Elektronenstruktur, die gebildet wird, ist charakteristisch für die spezifische Verbindung und weist eine eindeutige, zu ihr zugehörige Suszeptibilität auf. Darüber hinaus erfolgt eine Modifikation der Elektronenstruktur, wenn mehr Ionen in die Verbindung eingelagert werden, wie es im Fall der Einlagerung von Lithium in die Eisenphosphat-Elektrode während der Entladung einer Lithiumionen-Batterie der Fall ist. Diese Änderung hat einen messbaren Effekt auf die Suszeptibilität der Elektrode proportional zu dem zugefügten Lithiumbetrag. Durch systematisches Variieren des Anteils an Lithium in der Elektrode und Messen der korrespondierenden Suszeptibilität X ist es möglich, eine Beziehung zwischen den zwei Variablen herzustellen.
2 ist ein Graph, bei dem der Batterie-Ladezustand auf der horizontalen Achse, die Batteriezellenspannung auf der rechten vertikalen Achse und die Magnetsensor-Antwort auf der linken vertikalen Achse aufgetragen sind, welches eine repräsentative Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Batteriezellen-Ladezustand und der Batteriezellenspannung und der Beziehung zwischen dem Magnetismus einer Eisenphosphat-Lithiumionen-Batterie und dem Batteriezellen-Ladezustand zeigt. Die Graphenlinie 28 zeigt die Beziehung zwischen Batteriezellen-Ladezustand und Zellspannung, wenn die Batterie 12 geladen wird, und die Graphenlinie 30 zeigt die Beziehung zwischen Batteriezellen-Ladezustand und Zellspannung, wenn die Batterie 12 entladen wird, wobei die Beziehung zwischen den Graphenlinien 28 und 30 einen Hystereseausgang bereitstellt. Es ist deutlich, dass die Lade- und Entlade-Kurven signifikant unterschiedlich sind und beide relativ flach über den meisten Ladezustand der Batteriezelle verlaufen. Demnach wäre es, wie oben diskutiert, schwierig, eine genaue Schätzung des Batteriezellen-Ladezustands mithilfe einer Batterie-Leerlaufspannung zu erstellen. Die Bereiche 34 und 36 definieren Orientierungspunkte an den Entladungs- und Ladungsenden der Linien 28 und 30, wobei die Beziehung zwischen dem Batteriezellen-Ladezustand und der Zellspannung nicht flach ist sondern eine signifikante Steigung aufweist und dazu verwendet werden kann, den Batteriezellen-Ladezustand akkurat zu bestimmen.
Bei einigen Batterietechnologien, so zum Beispiel LiFePO₄ Lithiumionenarten, ist die gemessene Gleichgewichts-Zellspannung relativ invariant gegenüber dem Ladezustand und liefert deswegen einen schlechten Ausgangspunkt für einen Ladezustandsalgorithmus. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Gleichgewichtsspannung im Hinblick auf den Batteriezellen-Ladezustand ziemlich flach mit Ausnahme der Kurvenextrema in den Bereichen 34 und 36, die hier als Orientierungsbereiche bezeichnet werden. In den Bereichen 0–20%, 15–30%, 65–70% und 97–100% des Ladezustands stellt man eine gewisse Abhängigkeit der Spannung vom Ladezustand fest und in den Bereichen 34 und 36 ist es möglich, einen Algorithmus zu implementieren, der den Ladezustand von der Gleichgewichtsspannung ableitet, welche entweder im Ruhezustand gemessen wird oder durch Berechnung von einer Spannung unter Last abgeschätzt wird. Wie erwähnt treten die deutlichsten und leicht erkennbarsten Spannungsorientierungspunkte bei 0 und 100% Ladezustand auf. An beiden Punkten ist der Batteriezellen-Ladezustand mit Sicherheit bekannt und kann deswegen als Referenz zum Kalibrieren des Ausgangs eines Magnetsensors verwendet werden. Wenn die Gleichgewichtszellenspannung 0% Ladezustand anzeigt, kann man dem korrespondierenden Ausgang des Magnetsensors ebenfalls 0% Ladezustand zuordnen. Analog dazu kann man dem korrespondierenden Ausgang des Magnetsensors 100% Ladezustand zuordnen, wenn die Gleichgewichtszellspannung 100% Ladezustand anzeigt. Weitere Spannungs-Orientierungspunkte können auf ähnliche Weise verwendet werden und können entweder bei Gleichgewicht oder unter Last bestimmt werden. Ein Stromschwellenwert kann einer bestimmten Spannung zugeordnet werden, um den Punkt zu identifizieren, bei welchem diese Spannung für die Verwendung als Kalibrierpunkt tauglich ist. Nach Kalibrierung des Magnetsensors kann die Änderung in seinem Ausgang relativ zum Kalibrierpunkt dazu verwendet werden, den Ladezustand zu bestimmen, ohne sich dabei strikt auf den absoluten Wert des Ausgangs verlassen zu müssen.
Die Graphenlinie 32 aus der 2 zeigt die Beziehung zwischen den magnetischen Eigenschaften des Eisenphosphats in der Batteriezelle und dem Batteriezellen-Ladezustand. Es ist offensichtlich, dass die Beziehung linear ist, eine signifikante Steigung aufweist und für die Batterieaufladung und -entladung die gleiche ist. Da die magnetischen Eigenschaften einiger Batteriematerialien bekannterweise vom Ladezustand abhängen und sich als Grundlage für einen Ladezustandsalgorithmus erwiesen haben, können alle Orientierungspunkte, die in der Beziehung zwischen diesen Eigenschaften und dem Batterie-Ladezustand auftreten, dazu verwendet werden, einen Sensor zu kalibrieren, der dazu verwendet wird, diese Eigenschaften zu detektieren. Ein Beispiel eines magnetischen Suszeptibilität-Orientierungspunkts ist in der Graphenlinie 32 im Bereich 38 gezeigt, wo im Magnetsensor-Ausgang zwischen 0 und 10% Ladezustand aufgrund eines Übergangs zwischen Diamagnetismus und Paramagnetismus eine Umkehr im Verlauf festgestellt wird, der in der Zellenanode auftritt. Dieses besondere Merkmal ist charakteristisch für Graphit-Anoden, in die Lithium eingelagert ist. Andere Orientierungspunkte können in anderen Materialien gefunden werden, die gleich nützlich sein können. Der Umkehr im Verlauf oder ein Wechsel in der Steigung oder im Vorzeichen des Sensorausgangs, wie zum Beispiel dieser, können verwendet werden, um den Sensorausgang auf einen bekannten Ladezustandswert zu kalibrieren oder um einen anderen Ladezustandsalgorithmus, der vielleicht spannungs- oder strombasierend ist, zu kalibrieren, der parallel zu dem Magnetsensor-Algorithmus 1. Die Orientierung des Sensors kann wichtig sein, um die gewünschte Eigenschaft, wie im Fall der Graphit-Anoden, zu überwachen, wobei ladezustandsabhängiger Paramagnetismus nur in einem Magnetfeld auftritt, welches parallel zu der C-Achse der Elementarzelle orientiert ist. Die Position des Sensors kann dann so spezifiziert werden, dass die Magnetfeldlinien senkrecht oder parallel zu den Flächen der Elektroden innerhalb der Zelle oder in irgendeiner Orientierung, die geeignet ist, um diese Eigenschaft zu überwachen, verlaufen.
Magnetsensoren wurden im Stand der Technik vorgeschlagen, um die magnetischen Eigenschaften verschiedener Arten von Batterien zu messen und diese magnetischen Antworten in den Batterie-Ladezustand umzuwandeln. Eine bekannte Technik wird in der oben erwähnten '145-Offenlegungsschrift diskutiert. Da die Batteriezellen typischerweise innerhalb eines Batteriemoduls oder eines anderen Gehäuses dicht zueinander gepackt sind, können in der Technik verschiedene Ausgestaltungen erforderlich sein, um einen geeigneten Magnetsensor zum Messen der magnetischen Antwort einer Batteriezelle für verschiedene Batterieausgestaltungen bereitzustellen. Eine gewöhnliche Ausgestaltungsart beinhaltet das Befestigen eines Permanentmagneten auf eine Endfläche der Randzellen in einem Batteriemodul und das Messen eines Stroms, der durch die Feldlinien des Permanentmagneten durch die Batteriezelle induziert wird. Andere Arten von Magnetsensorausgestaltungen können jedoch für eine adäquate Messung des Batteriezellen-Ladezustands wünschenswerter sein.
3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Batteriemoduls 40 mit einem Gehäuse 42, das eine Vielzahl von Batteriezellen 44 umschließt, deren Zahl für verschiedene Batteriemodule variieren kann. In dieser Ausführungsform sind die Batteriezellen 44 Eisenphosphat-Lithiumionen-Batteriezellen von der oben beschriebenen Art, obwohl auch andere Arten von Batteriezellen in dieser Erfindung anwendbar sind. Ein Magnetsensor 48 ist auf einer äußeren Oberfläche des Gehäuses 44 befestigt, der die magnetischen Eigenschaften einer Zelle 50 von der Vielzahl von Zellen 44 misst. Obwohl der Magnetsensor 48 als auf eine äußere Oberfläche des Gehäuses 42 befestigt gezeigt ist, ist dies rein veranschaulichend für eine allgemeine Konfiguration, bei der der Magnetsensor 44 auf jeden geeigneten Ort im oder auf dem Batteriemodul 40 befestigt sein kann. Ferner wird die Zelle 50 im Zentrum der Vielzahl von Zellen 44 gezeigt. Dies dient nur als nichteinschränkendes Beispiel, wobei der Ladezustand jeder der Zellen 44 konsistent mit der hier geführten Diskussion gemessen werden kann.
Der Magnetsensor 48 beinhaltet einen C-förmigen Kern 52, der eine Vielzahl von laminierten Schichten 54 umfasst, die C-förmig ausgebildet sind, um eine zentrale Öffnung 56 und eine transversale Öffnung 58 zu definieren. Die laminierten Schichten 54 können aus jedem geeigneten Material, vorzugsweise einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, beispielsweise Mu-Metall, bestehen. Ein langgezogener Bereich 60 der Zelle 50 erstreckt sich aus dem Gehäuse 42 durch die transversale Öffnung 58 heraus und in die zentrale Öffnung 56 hinein, wie gezeigt. Eine Wechselstrom-Treiberwicklung 62 ist um einen Endbereich 64 des Kerns 52 gewickelt und eine Wechselstrom-Aufnahmewicklung 66 ist um einen entgegengesetzten Bereich 68 des Kerns 52, wie gezeigt, gewickelt. Ein Treiber-Wechselstrom wird von einem Stromkontroller 70 auf die Treiberwicklung 62 gegeben, um ein Magnetfeld 74 innerhalb des Kerns 52 zu erzeugen, das durch die transversale Öffnung 58 und demnach durch den erweiterten Bereich 60 der Zelle 50 propagiert.
Das Magnetfeld 74 induziert einen Wechselstrom in der Aufnahmewicklung 66, der zu einem Detektionsschaltkreis 78 gesendet wird, um die daraus resultierende Wechselspannung zu messen und sie in eine Anzeigemagnetfeldstärke umzuwandeln. In Abhängigkeit von der Ladung in der Zelle 50 wird der Magnetismus in der Zelle 50 der Graphenlinie 32 in der 2 bei einer konstanten Temperatur folgen, wobei je höher die Ladung ist, desto niedriger ist die entsprechende magnetische Anziehung. Demzufolge kann die Magnetfeldstärke, die aus dem Stromfluss in der Aufnahmewicklung 66 umgewandelt wurde, in einen Batteriezellen-Ladezustand aufgrund der bekannten magnetischen Eigenschaften des Zellenmaterials umgewandelt werden. Aus dem Stand der Technik sind Batteriediagnoseverfahren verfügbar und bekannt, um zu bestimmen, ob der Zellen-Ladezustand einer Batteriezelle indikativ für den Zellen-Ladezustand der anderen Zellen 44 in dem Batteriemodul 40 ist. Ein Temperatursensor 46 misst die Temperatur des Batteriemoduls 40 und stellt ein Temperatursignal für den Detektionsschaltkreis 78 zur Verfügung, um eine Temperaturkompensation bereitzustellen, da die magnetischen Eigenschaften der Zelle 50 sich mit der Temperatur ändern, wie unten in größerem Detail diskutiert werden wird.
Der Kern 52 erzeugt eine Konzentration des Magnetfelds 74, die die Möglichkeit, Änderungen in dem Batteriezellen-Ladezustand zu detektieren, gegenüber den Magnetsensoren, die aus dem Stand der Technik für diesen Zweck bekannt sind, steigert. Der Sensor 48 kann darüber hinaus auch innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet werden, da er gegenüber Schwingungen unempfindlich ist. Das Magnetfeld 74 ist ferner in dem Kern 52 konzentriert, was diesem einen konsistenteren Pfad gibt, der es gestattet, dass mehr von dem Feld 74 sauber in die Aufnahmewicklung 66 geführt werden kann. Der Sensor 48 misst nicht das Magnetfeld direkt sondern den von dem Feld 74 erzeugten Strom oder Leistung.
4 ist ein Flussdiagramm 80, das ein Beispiel für ein Verfahren zum Umwandeln des Stromausgangssignals der Aufnahmewicklung 66 in einen Batteriezellen-Ladezustand in dem Detektionsschaltkreis 78 basierend auf der obigen Diskussion zeigt. Obwohl das hier diskutierte Verfahren zum Umwandeln des Aufnahmewicklungsstroms in einen geeigneten Batteriezellen-Ladezustand für den Magnetsensor 48 erfolgt, ist es für Fachleute leicht verständlich, dass das in dem Flussdiagramm 80 gezeigte Verfahren für andere Magnetsensoren, die zum Bestimmen des Batteriezellen-Ladezustand verwendet werden, verwendet werden kann.
Das Ausgangssignal von der Aufnahmewicklung 60 wird im Kasten 82 bereitgestellt und im Kasten 84 Offset-korrigiert. Die Offset-Korrektur liefert eine Kalibrierung, um sicherzustellen, dass das Stromausgangssignal von der Aufnahmewicklung 66 mit dem bekannten Magnetfeld 74, das innerhalb des Kerns 52 erzeugt wird, übereinstimmt. Um die Drift in dem Sensor 48 zu korrigieren, welcher das Magnetfeld 74 misst, ist es wünschenswert, den Sensor 48 periodisch einem Magnetfeld bekannter Intensität auszusetzen. Dies wird am leichtesten durch Abschalten des Wechselstromtreibersignals zusammen mit dem Entfernen des Magnetfelds 74 erzielt und durch Erfassen des Sensorausgangs in Abwesenheit des Magnetfelds 74. Mit anderen Worten wird die Treiberwicklung 62 abgeschaltet, so dass sie nicht das Magnetfeld 74 innerhalb des Kerns 52 erzeugt und das Ausgangsstromsignal der Aufnahmewicklung 66 wird auf Null gesetzt. Der Stromsignalausgang des Sensors 48 kann dann korrigiert werden, um ein Null-Feld zu identifizieren, und jeglicher Offset-Fehler in dem Stromausgangssignal der Aufnahmewicklung 60 wird daher entfernt. Wenn das Magnetfeld 74 von einem Elektromagneten, wie es in dem Fall dieses spezifischen Sensors geschieht, erzeugt wird, kann dieser in der Praxis einfach lange genug ausgeschaltet werden, um die Offset-Korrektur zu erzielen. Dieses Vorgehen muss unter Berücksichtigung der Umgebung des Sensors 48 durchgeführt und zu Zeiten, wenn keine anderen zufälligen Magnetfelder vorhanden sind, ausgeführt werden. Im Kontext einer Hybridfahrzeug- oder Elektrofahrzeuganwendung bedeutet dies, dass das Fahrzeug höchstwahrscheinlich ausgeschaltet werden würde. Ein Feld bekannter Stärke aber mit einer Nicht-Null-Magnetintensität kann ebenfalls vorgesehen sein, um die Offset-Korrektur zu erzielen.
Im Kasten 86 führt der Algorithmus eine Temperaturkompensation für das Offset-korrigierte Signal durch, welches von dem Temperatursensor 46 bereitgestellt wird. Da die magnetischen Eigenschaften der Materialien temperaturabhängig sind und die Änderung in diesen Eigenschaften im Hinblick auf die Temperatur viel größer als die Änderung aufgrund der Ladezustandsänderungen sein kann, ist es notwendig, einen Temperaturkorrekturfaktor auf das Stromausgangssignal anzuwenden. Paramagnetische Materialien unterliegen dem Curie-Weiss-Gesetz, welches aussagt, dass ihre molare magnetische Suszeptibilität Xm umgekehrt proportional zur Temperatur verläuft: X_m = C / (T – θ) (3) wobei C die Curie-Konstante, θ die Weiss-Konstante und T die absolute Temperatur sind.
Die Temperaturempfindlichkeit kann in einer Laborumgebung gemessen, aufgezeichnet und in einer Look-up-Tabelle in dem Detektionsschaltkreis 78 abgespeichert und auf sie zugegriffen werden, um das Stromausgangssignal mit dem Sensorsteueralgorithmus zu jeder gegebenen Zeit zu kompensieren. Die Temperatur sollte so nahe wie möglich an dem Magnetsensor 48 gemessen werden und sollte repräsentativ für die interne Zellentemperatur am Ort des interessierenden Materials sein. Das Temperatursignal kann einfach gemessen werden oder es kann ein Algorithmus verwendet werden, der die interne Zellentemperatur auf Basis einer gemessenen Zellenummantelungstemperatur schätzt. Eine zusätzliche Temperaturkorrektur kann für die Magnetsensor-Hardware selbst erforderlich sein, falls irgendeine Temperaturempfindlichkeit existiert.
Im Kasten 88 führt der Algorithmus eine Stromkompensationskorrektur aus, um das Magnetfeld 74, das in dem Kern von anderen Quellen als der primärseitigen Treiberwicklung induziert wird, zu korrigieren. Strom, der durch eine Batterie fließt, wird Magnetfelder in der Umgebung der elektrischen Leiter innerhalb einer Batteriezelle induzieren. Leiter außerhalb der Zelle, wie zum Beispiel Anschlüsse und Verteilerplatten, werden ebenso Magnetfelder induzieren. Diese Felder werden von dem Magnetsensor 48 zusätzlich zu dem Magnetfeld 74, das zum Zweck des Messens des Batteriezellen-Ladezustands angelegt wird, gemessen. Falls Messungen mit dem Magnetsensor 48 vorgenommen werden müssen, während Strom durch das Batteriemodul 40 fließt, muss das Stromausgangssignal dementsprechend kompensiert werden. Mit anderen Worten muss der Stromfluss in der Aufnahmewicklung 66, der von Anteilen des Magnetfelds 74 erzeugt wird, welche nicht von der Batteriezelle, deren Ladezustand gemessen wird, erzeugt werden, entfernt oder abgezogen werden. Analog zu der Temperaturkorrektur wird der Effekt des Stromflusses durch den Sensor 48 im Labor gemessen, aufgezeichnet und in einer Look-up-Tabelle in dem Detektionsschaltkreis 78 abgespeichert und jederzeit zugegriffen, um das Stromausgangssignal durch den Sensorsteueralgorithmus zu kompensieren. Separate Korrekturen können für Lade- und Entladeströme angewendet werden oder für verschiedene Orte innerhalb eines Batteriepacks. Die Strom-Offsetkorrektur kann ebenfalls eine Funktion der Temperatur sein.
Das kompensierte Magnetsensorsignal, das letztendlich durch die Look-up-Tabellen-Konversion gelaufen ist, um den Batteriezellen-Ladezustand zu ergeben, ist wie folgt offset-, temperatur- und stromkompensiert: Kompensiertes Sensorsignal = S_gemessen – S_offset – S_temp – S_strom (4)
Der Algorithmus bestimmt dann in der Entscheidungsraute 90, ob die Batteriezellenspannung sich an einem Orientierungspunkt in der Batterie/Ladezustands-Kurve befindet. Falls die Zellenspannungs-/Ladezustands-Graphenlinien 30 und 32 sich in den Orientierungspunktbereichen 34 und 36 aus der 2 befinden, wo die Graphenlinien 30 und 32 eine signifikante Steigung aufweisen, kann dann die Zellenspannung verwendet werden, um den Batteriezellen-Ladezustand auf eine sehr genaue Art und Weise zu bestimmen. Falls die Zellenspannung sich in der Entscheidungsraute 90 in einem dieser Bereiche befindet, setzt der Algorithmus den Batteriezellen-Ladezustand auf den Ladezustand für den korrespondierenden Spannungswert im Kasten 92 zurück und gibt diesen Batteriezellen-Ladezustand als Ausgangswert im Kasten 94 aus.
Falls in der Entscheidungsraute 90 sich die Zellenspannung nicht an einem Spannungs-Orientierungspunkt befindet, dann bestimmt der Algorithmus, ob die magnetische Antwort anzeigt, dass sie sich an einem magnetischen Orientierungspunkt, der über den Bereich 38 aus der 2 identifiziert wird, befindet, welcher ebenso im Kasten 96 dazu verwendet werden kann, den Zellen-Ladezustand auf die oben diskutierte Art zurückzusetzen oder zu kalibrieren. Falls die Zellenspannung oder die magnetische Antwort sich nicht an irgendeinem Orientierungspunkt befinden, wird die korrigierte kompensierte Ausgangsspannung von der Aufnahmewicklung 66 zurück zu einem Look-Up im Kasten 98 gesendet, um diesen Wert in einen Batteriezellen-Ladezustand umzuwandeln, der im Kasten 94 ausgegeben wird.
Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0079145 [0006]

Claims

Eine Magnetsensoranordnung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batteriezelle, wobei die Sensoranordnung umfasst: – einen Magnetkern mit einer beinahe kontinuierlichen Umführung von Material, das eine hohe magnetische Permeabilität besitzt, wobei der Kern zwei entgegengesetzte Endbereiche und zwei entgegengesetzte Seitenbereiche aufweist, die eine zentrale Öffnung vorgeben, und der Kern des Weiteren eine transversale Öffnung durch einen der Seitenbereiche aufweist, wobei die transversale Öffnung einen Teil der Batteriezelle aufnimmt, die sich durch diese so erstreckt, dass der Teil der Batteriezelle innerhalb der zentralen Öffnung angeordnet ist; – eine Treiberwicklung, die um einen der Endbereiche gewickelt ist und auf ein Treibersignal anspricht, welches ein Magnetfeld in dem Kern erzeugt, welches sich durch die transversale Öffnung und den Teil der Batteriezelle erstreckt; – eine Aufnahmewicklung, die um den anderen Endbereich gewickelt ist, wobei das Magnetfeld in dem Kern einen Stromfluss in der Aufnahmewicklung induziert; und – ein Prozessor, der auf den Stromfluss von der Aufnahmewicklung anspricht, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, um den Stromfluss in der Aufnahmewicklung zu einem proportionalen magnetischen Signal umzuwandeln, das indikativ für die Feldstärke des Magnetfelds in dem Kern ist, und das Magnetsignal in den Ladezustand der Batteriezelle umwandelt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern eine Vielzahl von Laminatplatten beinhaltet.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Laminatplatten C-förmig ausgebildet ist, um die zentrale Öffnung und die transversale Öffnung zu definieren.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern aus einem hochpermeablen Mu-metallartigen Material besteht.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelle eine Eisenphosphat-Lithiumionen-Batteriezelle ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelle Teil eines Batteriemoduls ist, das eine Vielzahl von Batteriezellen beinhaltet.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, wobei das Batteriemodul Teil eines Batteriesystems auf einem Elektrofahrzeug ist.
Ein Batteriemodul für ein Elektrofahrzeug, wobei das Batteriemodul umfasst: – eine Vielzahl von Batteriezellen; und – einen Magnetsensor zum Messen eines Ladezustands einer der Batteriezellen in dem Modul, wobei der Magnetsensor einen Magnetkern mit einer beinahe kontinuierlichen Umführung aus Material, das eine hohe magnetische Permeabilität besitzt, beinhaltet, wobei der Kern zwei entgegengesetzte Endbereiche und zwei entgegengesetzte Seitenbereiche aufweist, die eine zentrale Öffnung definieren, wobei der magnetische Kern des Weiteren eine transversale Öffnung durch eine der Seitenbereiche beinhaltet, wobei die transversale Öffnung einen Teil der einen Batteriezelle aufnimmt, wobei der Magnetsensor ferner eine Treiberwicklung beinhaltet, die um einen der Endbereiche gewickelt ist und auf ein Treibersignal anspricht, das ein Magnetfeld in dem Kern erzeugt, der sich durch die transversale Öffnung und den Teil der Batteriezelle erstreckt, wobei der Magnetsensor des Weiteren eine Aufnahmewicklung beinhaltet, die um einen entgegengesetzten Endbereich gewickelt ist, wobei das Magnetfeld in dem Kern einen Stromfluss in der Aufnahmewicklung induziert.
Batteriemodul nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend einen Prozessor, der auf den Stromfluss in der Aufnahmewicklung anspricht und dazu konfiguriert ist, um den Stromfluss zu einem proportionalen magnetischen Signal umzuwandeln, das für die Feldstärke des Magnetfelds in dem Kern indikativ ist, und der das Magnetsignal in den Ladezustand der einen Batteriezelle umwandelt.
Batteriemodul nach Anspruch 8, wobei der Magnetkern eine Vielzahl von Laminatplatten beinhaltet.