DE102013204527A1 - Batteriezelleinrichtung mit Lithiumablagerungssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle - Google Patents

Batteriezelleinrichtung mit Lithiumablagerungssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (21) und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle (21). Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung (240) und eine Zustandsermittlungsvorrichtung, (250) die dazu ausgebildet ist, anhand einer Auswertung von durch die Sensorvorrichtung (240) bereitgestellten aktuellen Messwerten von physikalischen Größen einen Batteriezellzustand zu erkennen, sowie eine Aktorvorrichtung (260), die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle (21) aus einem kritischen Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen. Vorzugsweise wird ferner eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion (270) bereitgestellt, mittels der ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, ermittelt werden kann und die Batteriezelle (21) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt werden kann.

Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Überwachen der in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels der in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Überwachungsvorrichtung. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit mindestens einer erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung.
  • Stand der Technik
  • Es ist üblich, Batterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterien zu bezeichnen, da diese Batterien für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt werden. Um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, werden in den eingesetzten Traktionsbatterien einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Bei Elektrofahrzeugen werden häufig 100 Batteriezellen oder mehr in Serie verschaltet, wobei die Traktionsbatterien Spannungen von bis zu 450 V aufweisen. Auch bei Hybridfahrzeugen wird üblicherweise die Spannungsgrenze von 60V überschritten, welche bei einer Berührung durch Menschen noch als unkritisch eingestuft wird.
  • In der 1 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 10 mit einer derartigen Traktionsbatterie 20 dargestellt. Die Batterie 20 umfasst mehrere Batteriezellen 21. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der 1 wurden nur zwei Batteriezellen mit dem Bezugszeichen 21 versehen.
  • Die Batterie 20 ist aus zwei Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 ausgebildet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 umfassen. Die Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 sind mit ihren Anschlüssen jeweils mit einem Batterieterminal 24, 25 sowie einem Anschluss eines Servicesteckers 30 verbunden. Das positive Batterieterminal 24 ist mit der Batterie 20 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar, die einen Trennschalter 41 umfasst, der zu einer Reihenschaltung aus einem Ladeschalter 42 und einem Ladewiderstand 43 parallel geschaltet ist. Das negative Batterieterminal 25 ist mit der Batterie 20 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar, die einen weiteren Trennschalter 51 umfasst.
  • 2 zeigt ein Diagramm 60, das die Fehlmechanismen von Lithium-Ionen-Batterien und deren Konsequenzen 62 stark schematisiert darstellt. Die dargestellten Fehlmechanismen können zu einem durch eine unzulässige Temperaturerhöhung 63 hervorgerufenen thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) 64 der Batteriezellen 21 führen. Bei Vorliegen eines thermischen Durchgehens 64 kann es zu einer Emittierung vom Gas 65, die beispielsweise beim Öffnen eines Berstventils als Folge eines erhöhten Batteriezellinnendruckes auftreten kann, zu einem Brennen 66 der Batteriezellen, oder im Extremfall sogar zu einem Bersten 67 der Batteriezellen 21 kommen. Daher muss das Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 bei dem Einsatz von Batteriezellen 21 in Traktionsbatterien mit einer höchsten Wahrscheinlichkeit nahe 1 ausgeschlossen werden.
  • Ein thermisches Durchgehen 64 kann bei einem Überladen 70 einer Batteriezelle, als Folge einer Tiefenentladung 80 einer Batteriezelle 21 während des anschließenden Ladevorganges oder bei Vorliegen von unzulässig hohen Lade- und Entladeströmen der Batteriezelle 21, die beispielsweise bei Vorliegen eines externen Kurzschlusses 90 entstehen können, auftreten. Ferner kann ein thermisches Durchgehen 64 auch bei Vorliegen eines batteriezellinternen Kurzschlusses 100 auftreten, der beispielsweise als Folge einer starken mechanischen Krafteinwirkung während eines Unfalls 101 oder als Folge der Bildung von batteriezellinternen Dendriten 102 entstehen kann, die beispielsweise bei Vorliegen von zu hohen Ladeströmen bei tiefen Temperaturen entstehen können. Weiterhin kann ein thermisches Durchgehen 64 auch als Folge von batteriezellinternen Kurzschlüssen auftreten, die durch bei der Fertigung entstehende Verunreinigungen der Batteriezellen 21, insbesondere durch in den Batteriezellen 21 vorhandenen metallischen Fremdpartikeln 103, verursacht werden können. Auch kann ein thermisches Durchgehen 64 bei Vorliegen einer unzulässigen Erwärmung der Batteriezellen 21, die beispielsweise als Folge eines Fahrzeugbrandes entstehen kann, oder bei Vorliegen einer Überlastung 120 der Batteriezellen 21 auftreten.
  • Für Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen 21 transportieren zu können, müssen beispielsweise UN Transport-Tests durchgeführt werden. Die Testergebnisse müssen gemäß den EUCAR Gefahrenstufen beziehungsweise Gefahrenlevel (EUCAR Hazard Levels) bewertet werden. Die Batteriezellen 21 müssen dabei vorgegebene Mindestsicherheitslevels einhalten. Um dies zu erreichen, werden in den Batteriezellen 21, die für den Einsatz in Traktionsbatterien ausgebildet sind, umfangreiche Zusatzmaßnahmen getroffen. Solche Zusatzmaßnahmen werden dadurch getroffen, dass sogenannte Sicherheitsvorrichtungen (Safety Devices) in den Batteriezellen integriert werden. Typischerweise werden die im Folgenden angegebenen Sicherheitsvorrichtungen integriert.
  • In einer Batteriezelle 21 wird eine Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device (OSD)) integriert. Eine solche Überladesicherheitsvorrichtung bewirkt dass die Batteriezelle 21 bei einem Überladevorgang eine EUCAR Gefahrenstufe 4 nicht überschreitet. Der zulässige Bereich der Batteriezellspannung endet bei 4,2 V. Bei einem Überladevorgang baut die Batteriezelle 21 ab einer Batteriezellspannung von etwa 5 V einen so hohen Innendruck auf, das eine Membran der Überladesicherheitsvorrichtung nach außen gewölbt wird und die Batteriezelle 21 elektrisch kurzschließt. Als Folge davon wird die Batteriezelle 21 solange entladen, bis eine batteriezellinterne Sicherung aktiviert wird. Der Kurzschluss der Batteriezelle 21 zwischen den beiden Batteriezellterminals bleibt über die Überladesicherheitsvorrichtung erhalten.
  • In einer Batteriezelle 21 wird ferner eine Batteriezellsicherung (Cell Fuse) integriert. Diese in der Batteriezelle 21 integrierte Schmelzsicherung ist ein sehr wirksames Schutzinstrument auf Batteriezellebene, verursacht aber erhebliche Probleme bei der Verbau der Batteriezellen 21 in einer Serienschaltung eines Batteriemoduls beziehungsweise in einem Batteriesystem. Dort sind diese Maßnahmen eher kontraproduktiv.
  • In einer Batteriezelle 21 wird auch eine Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NDS)) integriert. Diese Nageleindringsicherheitsvorrichtung schützt die Batteriezelle 21, indem beim Eindringen eines Nagels in der Batteriezelle 21 ein definierter Kurzschlusspfad aufgebaut wird, der nicht zu einer starken lokalen Erwärmung der Batteriezelle im Bereich des Nageleintrittes führt, welche zu einem lokalen Schmelzen des vorhandenen Separators führen könnte.
  • In einer Batteriezelle 21 wird auch eine Funktionssicherheitsschicht (Safety Function Layer (SFL)) integriert. Die Funktionssicherheitsschicht wird durch die keramische Beschichtung einer der beiden Elektroden, vorzugsweise durch die keramische Beschichtung der Anode, realisiert. Mittels der Funktionssicherheitsschicht kann bei einem Schmelzen des Separators ein flächiger Kurzschluss der Batteriezelle 21 und damit eine extrem schnelle Umsetzung der elektrischen Energie der Batteriezelle 21 in Verlustwärme verhindert werden.
  • In einer Batteriezelle 21 wird ferner auch eine Stoßsicherheitsvorrichtung (Crush Safety Device) integriert. Die Stoßsicherheitsvorrichtung weist eine ähnliche Funktionsweise wie die Nageleindringsicherheitsvorrichtung auf. Bei einer starken mechanischen Deformation des Batteriezellgehäuse wird ein definierter Kurzschlusspfad in der Batteriezelle 21 bereitgestellt, der eine starke lokale Erwärmung der Batteriezelle 21 verhindert und dadurch die Sicherheit der Batteriezelle 21 erhöht.
  • Bei den aktuell in der Entwicklung befindlichen Batteriezellen 21 sind insbesondere die Maßnahmen für die elektrische Sicherheit, die beispielsweise vor einem Überladen schützen oder einen Überstromschutz gewährleisten, mit erheblichem Aufwand verbunden. Diese Maßnahmen sind zudem nach dem Verbau einer Batteriezelle 21 in ein Batteriemodul beziehungsweise in ein Batteriesystem eher kontraproduktiv als sinnvoll. Beispielsweise kann bei einer Aktivierung der Schmelzsicherung einer Batteriezelle 21 die Situation entstehen, dass die Elektronik des vorhandenen Batteriemanagementsystems (BMS) sehr hohen negativen Spannungen ausgesetzt wird. Dadurch entsteht auf der Batteriesystemebene ein zusätzlicher Aufwand, der verursacht wird, weil die Transportvorschriften auf der Batteriezellebene erfüllt werden müssen, ohne dass ein Nutzen damit verbunden wäre.
  • In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 dargestellt, das eine Traktionsbatterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 und ein Batteriemanagementsystem umfasst. Die Elektronik des Batteriemanagementsystem (BMS) weist eine dezentrale Architektur auf, bei der die aus der Überwachungselektronik (CSC Elektronik) der Batteriezellen 21 ausgebildeten Zellüberwachungseinheiten 130 als Satelliten ausgeführt sind, zum Überwachen des Funktionszustandes einer oder mehreren Batteriezellen 21 jeweils ausgebildet sind und über ein internes Bussystem 141 mit einem zentralen Batteriesteuergerät (BCU) 140 kommunizieren.
  • Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen 21, ist dabei erforderlich, um die Batteriezellen 21 vor den kritischen, in der 2 dargestellten Zuständen zu schützen, die zu einem thermischen Durchgehen führen können. In der Elektronik des Batteriemanagementsystems wird ein hoher Aufwand betrieben, um zum einen die Batteriezellen 21 vor einer Überlastung durch externe Ursachen, wie beispielsweise durch einen Kurzschluss in dem Inverter eines Elektroantriebes, zu schützen und zum anderen nicht durch eine Fehlfunktion der Elektronik des Batteriemanagementsystems, wie beispielsweise durch eine fehlerhafte Erfassung der Batteriezellspannungen durch die Zellüberwachungseinheiten 130, zu gefährden.
  • So wie bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 die Traktionsbatterie 20 mit einem positiven Batterieterminal 24 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar und mit einem negativen Batterieterminal 25 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar. Für die Bezeichnung gleicher Komponenten der in den 1 und 3 dargestellten Batteriesysteme wurden hier gleiche Bezugszeichen verwendet.
  • Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den Trennschalter (Relais) 41 und den Ladeschalter (Relais) 42 der Trenn- und Ladeeinrichtung 40 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 41 und des Ladeschalters 42 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 142 symbolisiert. Auch ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den weiteren Trennschalter (Relais) 51 der Trenneinrichtung 50 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 51 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 143 symbolisiert.
  • Das zentrale Batteriesteuergerät 140 ist jeweils über eine Hochvoltleitung 144, 145 mit einem jeweils anderen Batterieterminal 24, 25 verbunden. Ferner umfasst das zentrale Batteriesteuergerät 140 Stromsensoren 150, 160, die dazu ausgebildet sind, den durch die Traktionsbatterie 20 fließenden Strom zu messen. Das Batteriesteuergerät 140 kommuniziert auch mit einer Fahrzeugschnittstelle über einen CAN-Bus 146. Über den CAN-Bus können dem Batteriesteuergerät 140 Informationen über den Funktionszustand des Fahrzeuges bereitgestellt werden.
  • Mit einem Batteriemanagementsystem eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems 10 so zu erhöhen, dass keine unzumutbare Gefährdung auftritt. Dabei werden gemäß der ISO 26262 hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Batteriemanagementsystems gestellt, da eine Fehlfunktion der Elektronik eine Gefährdung darstellen kann. Für Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen und Steckdosenhybriden (Plug-in-Hybride) wird sich voraussichtlich eine Einstufung gemäß der Gefahrenstufe ASIL C etablieren, falls die Sicherheit der Batteriezellen 21 nicht signifikant erhöht werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, die eine aus Graphit ausgebildete Batteriezellanode umfasst, und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle bereitgestellt. Dabei umfasst die Überwachungsvorrichtung eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von mehreren die Batteriezelle betreffenden physikalischen Größen, eine Zustandsermittlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand einer insbesondere modellbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen einen aktuellen und/oder künftigen Batteriezellzustand zu erkennen und/oder vorherzusagen, und eine Aktorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle aus einem kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen und/oder zu halten. Die Überwachungsvorrichtung stellt bevorzugt eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion bereit, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, ermittelt werden kann, und die Batteriezelle bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle keine Spannung an Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung abgibt, überführt und/oder gehalten werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Lithium-Ionen-Batteriezelle, die eine aus Graphit ausgebildete Batteriezellanode umfasst, mittels einer in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Überwachungsvorrichtung bereitgestellt. Dabei werden mehrere physikalische Größe zum Ermitteln eines Batteriezellzustandes mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Sensorvorrichtung erfasst. Ferner wird ein aktueller und/oder künftiger Batteriezellzustand mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Zustandsermittlungsvorrichtung anhand einer insbesondere modelbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen erkannt und/oder vorhergesagt, wobei bei Vorliegen eines kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Aktorvorrichtung in einen sicheren Betriebsmodus überführt wird. Weiterhin wird von der Überwachungsvorrichtung bevorzugt eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion bereitgestellt, mittels der das Auftreten eines kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ermittelt, wobei bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle keine Spannung an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung abgibt, überführt und/oder gehalten wird.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Einfach ausgedrückt wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer erfindungsgemäßen Überwachungseirichtung beziehungsweise Überwachungselektronik bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Überwachungselektronik kann auch in der Batteriezelle integriert sein. Eine Batteriezelle mit integrierter erfindungsgemäßer Überwachungselektronik wird im Folgenden auch als (elektrisch) eigensichere Batteriezelle bezeichnet.
  • Eine elektrisch eigensichere Batteriezelle umfasst eine elektrochemische Batteriezelle, insbesondere eine elektrochemische Lithium-Ionen-Batteriezelle, eine Sensorik (Sensorvorrichtung) zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Batteriezustandserkennung und -Prädiktion (Zustandsermittlungsvorrichtung), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Zustand der Batteriezelle (Batteriezellzustand) insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit ermittelt und auch das künftige Verhalten der Batteriezelle prädizieren (vorhersagen) kann, und eine Sicherheitsaktorik (Aktorvorrichtung), mit der die Batteriezelle bei Erkennung eines kritisch werdenden Zustandes und/oder Betriebes der Batteriezelle bei Bedarf in einen sicheren Betriebsmodus überführt werden kann.
  • Ferner sind in der eigensicheren Batteriezelle bevorzugt Sicherheitsfunktionen, insbesondere eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion, integriert, die bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen. Die Lithiumablagerungssicherheitsfunktion wird zur Verhinderung von als Folge von unzulässig hohen Ladeströmen auftretenden Lithiumablagerungen (Lithium-Plating) auf der graphitbasierten Anode einer Batteriezelle (Batteriezellanode) eingesetzt.
  • Die Batteriezelle wird dann insbesondere in Verbindung mit der hier vorgestellten Lithiumablagerungssicherheitsfunktion so sicher ausgeführt, dass die Anforderungen an ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem insbesondere bezüglich der Vermeidung von Lithiumablagerungen auf der graphitbasierten Anode der Batteriezelle gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden können.
  • Die eigensichere Batteriezelle kann sich selbst vor unzulässigen Betriebszuständen schützen, ohne dabei auf die Funktion der Elektronik eines übergeordneten Batteriemanagementsystems angewiesen zu sein. Mit einer eigensicheren Batteriezelle steht ein Grundbaustein zur Verfügung, aus dem in einfacher Weise sichere Batteriesysteme aufgebaut werden können. So kann die Sicherheit insbesondere von großen Batteriesystemen, wie sie beispielsweise bei Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, signifikant erhöht werden. Darüber hinaus können die heute durchgeführten, nicht zielführenden Maßnahmen für die elektrische Sicherheit der Batteriezelle, wie beispielsweise das Ausstatten der Batteriezelle mit einer Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device) oder mit einer Batteriezellsicherung (Cell Fuse), entfallen. Auch die beispielsweise durch das Ausstatten der Batteriezelle mit einer Nail Penetration Safety Device NSD durchgeführten Maßnahmen für die Erhöhung der Sicherheit bei starken mechanischen Krafteinwirkungen, die beispielsweise bei Penetration der Batteriezelle mit spitzen Gegenständen, die durch den Nageleindringtest (Nail Penetration Test) simuliert wird, sowie bei starken Deformation der Batteriezelle, die durch die Stoßtests (Crush Tests) in den drei Raumachsen simuliert werden, auftreten, können entfallen beziehungsweise zumindest wesentlich einfacher realisiert werden, da die Anforderungen seitens der Batteriezelle geringer sind.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet, die Batteriezellspannung zu erfassen und/oder das Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag sich in einem vorbestimmten Batteriezellspannungsbereich befindet, zu überwachen. Ferner ist die Sensorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, einen durch die Batteriezelle fließenden Strom und/oder eine Batteriezelltemperatur, insbesondere eine Batteriezellinnentemperatur und/oder eine Batteriezellwickeltemperatur und/oder eine Batteriezellaußentemperatur, und/oder einen Batteriezellinnendruck und/oder eine lineare Beschleunigung der Batteriezelle und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle zu erfassen. Weiterhin ist die Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, zum Überführen der Batteriezelle in den sicheren Betriebsmodus und/oder zum Halten der Batteriezelle in dem sicheren Betriebsmodus eine in der Batteriezelle angeordnete Entladevorrichtung zu aktivieren. Dabei ist die Entladevorrichtung dazu vorgesehen, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle mittels eines vorbestimmten Entladestroms und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus mittels eines derartigen Entladestroms, der einen vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstromes der Batteriezelle beträgt, zu entladen. Auch ist die Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, einen in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Strombypass zu aktivieren. Der Strombypass ist dazu vorgesehen, im aktivierten Zustand einen zwischen den Batteriezellterminals fließenden Strom über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten.
  • Mit anderen Worten werden in der Sensorvorrichtung beziehungsweise Sensorik die im Folgenden angegebenen Sensorelemente zur Erfassung des Batteriezustands eingesetzt.
  • Die Sensorvorrichtung umfasst bevorzugt zunächst eine Batteriezellspannungserfassung, mittels der die die Ausgangsspannung der elektrochemischen Batteriezelle erfasst wird. Optional kann diese Batteriezellspannungserfassung noch durch eine Spannungsbereichskontrolle ergänzt werden, mit der überwacht wird, ob die Batteriezellspannung innerhalb des spezifizierten zulässigen Bereichs liegt, der sich beispielsweise zwischen 2,8 V bis 4,2 V erstreckt.
  • Ferner oder alternativ umfasst die Sensorvorrichtung bevorzugt eine Batteriezellstromerfassung, mit der der elektrische Strom durch die elektrochemische Batteriezelle erfasst wird, und/oder eine Batteriezelltemperaturerfassung, mit der die Temperatur der elektrochemischen Batteriezelle erfasst wird. Besonders interessant ist die Temperatur des Zellwickels. Falls erforderlich können die Außentemperatur und die Innentemperatur der Batteriezelle erfasst werden.
  • Auch umfasst die Sensorvorrichtung bevorzugt alternativ oder zusätzlich eine Druckerfassung, mit der der Innendruck einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen Batteriezelle mit Hartschalen-Gehäuse (Hardcase Gehäuse), erfasst wird.
  • Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung bevorzugt alternativ oder zusätzlich Beschleunigungssensoren für die drei Raumachsen zur Erfassung von linearen Beschleunigungen der Batteriezelle. Weitere Sensorelemente können in Abhängigkeit von der Batteriezelltechnologie erforderlich sein oder gegebenenfalls sinnvoll sein, um die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit der Batteriezustandserkennung zu verbessern und einen sicherheitsrelevanten Betrieb oder Zustand der Batteriezelle voraussagen zu können. So kann beispielsweise der Einsatz von Drehratensensoren (Drehbeschleunigungssensoren) sinnvoll sein, um eine fahrdynamisch kritische Situation zu erkennen und frühzeitig die Überführung der Batteriezellen in einen auch beim Auftreten eines Unfalls sicheren Betriebsmodus einzuleiten.
  • Aus den Sensorelementsignalen für Spannung, Strom, Temperatur, und Innendruck der Batteriezelle kann mittels einer erfindungsgemäßen Batteriezustandserkennung ermittelt werden, ob die Batteriezelle sich in einem kritischen Zustand befindet beziehungsweise in der Zukunft in einen kritischen Zustand kommen wird. Für die Batteriezustandserkennung und -Prädiktion können in vorteilhafter Weise modellbasierte Verfahren beziehungsweise Auswertungen zum Einsatz kommen.
  • Des Weiteren ist die Aktorvorrichtung beziehungsweise die Sicherheitsaktorik dazu ausgebildet, die Batteriezelle wieder in einen sicheren Zustand zu überführen beziehungsweise in einem sicheren Bereich zu halten.
  • Dazu ist die Sicherheitsaktorik einer der Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bevorzugt in der Lage, die Batteriezelle entladen zu können. Die Anforderungen an die dabei zu realisierenden Entladeströme sind abhängig von der verwendeten Batteriezellchemie und den Worst-Case-Betriebsbedingungen und Worst-Case-Fehlgebrauchsbedingungen (worst case misuse) oder Worst-Case-Missbrauchsbedingungen (worst case abuse), denen die Batteriezelle ausgesetzt werden kann.
  • In vielen Fällen wird es vorteilhaft sein, die Entladevorrichtung mit einer Schnellentladevorrichtung (Ultra Fast Discharge Device (UFDD)) beziehungsweise mit einem Schnellentlademodus vorzusehen, um die Zelle eigensicher zu bekommen. Mit einer Schnellentladevorrichtung kann die Batteriezelle mit sehr hohen Entladeströmen nahe dem Kurzschlussstrom sehr schnell entladen werden.
  • Die Möglichkeit zur Entladung der Batteriezelle ist für die Realisierung einer eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen Batteriezelle, bevorzugt eine notwendige Bedingung.
  • Ferner ist die Sicherheitsaktorik für die Realisierung einer eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bevorzugt in der Lage, einen Strombypass für die Batteriezelle zu schalten beziehungsweise zu aktivieren. Über den Strombypass kann ein Strom zwischen den beiden Batteriezellterminals beziehungsweise Ausgangsterminals fließen, ohne dass dieser Strom durch die elektrochemische Batteriezelle fließt. Der Strombypass muss in der Lage sein, Ströme beider Polaritäten führen zu können.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet, das Auftreten des kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batterie durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle fließenden Ladestroms, der einen in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand und/oder von dem Batteriezelltemperatur und/oder von dem Batteriezellalterung mittels eines Berechnungsmodels berechneten Ladestromgrenzwertes überschreitet, zu ermitteln. Ferner ist die Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle in dem Lithiumablagerungsbetriebsmodus mittels einer Aktivierung des Strombypasses zu überführen.
  • Vorzugsweise sinkt der mittels des Berechnungsmodels berechnete Ladestromgrenzwert mit einem zunehmenden Batteriezellzustand und/oder mit einem sinkenden Batteriezelltemperatur und/oder mit einer zunehmenden Batteriezellalterung.
  • Mittels der bevorzugt integrierten Lithiumablagerungssicherheitsfunktion wird eine Ermittlung des Grenzwertes (iLade_max) für den zulässigen Ladestrom ermöglicht, bei dem sicher noch keine Lithiumablagerung (Lithium-Plating) auftritt. Als Lithiumablagerung (Lithium-Plating) wird die die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bezeichnet, die als Folge von zu hohen Ladeströmen auftreten kann. Die Lithium-Atome können in diesem Fall nicht schnell genug in der Anode interkaliert werden und lagern sich daher an der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt ab. Dieser Effekt tritt bei Anoden auf, die auf Basis von Graphit aufgebaut sind. Dabei spielt es keine Rolle, ob natürlicher oder synthetischer Graphit oder Mischungen aus natürlichem und synthetischem Graphit zum Einsatz kommen. Bei anderen Anodenmaterialien, wie beispielsweise bei Lithium-Titanat-Anoden, tritt dieser Effekt nicht auf. Der Grenzwert für den Ladestrom (Ladestromgrenzwert), ab der eine Lithiumablagerung auf der Anode auftritt, ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig.
  • Der Grenzwert für den Ladestrom (Ladestromgrenzwert) hängt unter anderem vom Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (Batteriezellladezustand) ab. Mit zunehmendem Ladezustand der Batteriezelle sind mehr Plätze in der Schichtstruktur des Graphits durch interkalierte Lithiumatome belegt. Dadurch benötigen neu zu interkalierende Atome mehr Zeit, bis sie an noch freien Positionen in der Schichtstruktur angekommen sind. Deswegen wird mit zunehmendem Ladezustand der Grenzwert für den Ladestrom geringer.
  • Der der Grenzwert für den Ladestrom (Ladestromgrenzwert) hängt ferner von der Temperatur (T) der Batteriezelle (Batteriezelltemperatur) ab. Mit sinkender Temperatur einer Batteriezelle verlangsamt sich die Kinetik der Batteriezelle. Deswegen wird der Grenzwert für den Ladestrom (Ladestromgrenzwert) mit sinkender Temperatur der Batteriezelle geringer.
  • Der Grenzwert für den Ladestrom (Ladestromgrenzwert) hängt ferner auch von dem Alterungszustand (SOH) der Batteriezelle (Batteriezellalterungszustand) ab. Mit zunehmender Alterung, insbesondere mit zunehmender kalendarischer und/oder zyklischer Alterung der Batteriezelle (Batteriezellalterung), verringert sich die Kapazität der Batteriezelle, und der Innenwiderstand der Batteriezelle erhöht sich. Eine Ursache hierfür ist, dass die Korrosionsschicht (Solid Elektrolyte Interface (SEI)), die sich bei der Formierung der Batteriezelle auf der Anode bildet, über der Lebensdauer der Batteriezelle wächst und der Batteriezelle dadurch Lithium für den Ladungstransport zwischen Kathode und Anode verloren geht. Zum anderen wird durch den mechanischen Stress, dem die Anode bei den Volumenänderungen ausgesetzt ist, die sich bei Lade- und Entladevorgängen einstellen, die elektrische Anbindung des Graphits an die Stromkollektoren der Kathode (negativer Elektrode) schlechter. Es gibt zunehmend Aktivmaterial, das elektrisch nicht mehr angebunden ist. Dadurch verringert sich die Anzahl der freien Plätze in der Schichtstruktur des Graphits, und der Ladestromgrenzwert, ab der eine Lithiumablagerung auf der Anode (Lithium-Plating) auftritt, verringert sich mit zunehmendem Alterung (Alter) der Batteriezelle. Der Grenzwert für den maximal zulässigen Ladestrom der Batteriezelle kann modellbasiert in Abhängigkeit der Einflussgrößen Temperatur (T), Ladezustand (SOC), und Alterungszustand (SOH) der Batteriezelle ermittelt werden.
  • Eine Lithiumablagerung auf der Anode (Lithium-Plating) ist für die Sicherheit der Batteriezelle kritisch, da sich bei nachfolgenden Lade- und Entladevorgängen der Batteriezelle diese Lithium-Atome nicht mehr in die Anode beziehungsweise die Kathode interkalieren lassen, sondern spitze Dendriten bilden, die den Separator durchstoßen können. Dann kommt es zu batteriezellinternen Kurzschlüssen, die zu einer sehr starken lokalen Erwärmung und schließlich zu einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) führen können.
  • Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Lademodus oder den Schnelllademodus der Entladungsvorrichtung zum Entladen der in den Lithiumablagerungsbetriebsmodus überführten Batteriezelle zu aktivieren.
  • Überschreitet der Batteriezellladestrom den maximal zulässigen Grenzwert iLade_max, wird durch die Lithiumablagerungssicherheitsfunktion bevorzugt der Strombypass aktiviert. Es fließt dann kein Ladestrom mehr in die elektrochemische Batteriezelle und die Lithiumablagerung auf der Anode (Lithium-Plating) kann verhindert werden. Ein Stromfluss über die Batteriezelle ist über den Strombypass weiter möglich.
  • Optional kann die eigensichere Batteriezelle eine zusätzliche Elektronik (Spannungseinstellungsvorrichtung) umfassen, mittels der die Ausgangsspannung der Batteriezelle derartig geschaltet werden kann, dass an den Batteriezellterminals (Ausgangsterminals) die Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung oder eine Spannung von 0 V anliegen kann.
  • Mit der beschriebenen, integrierten Lithiumablagerungssicherheitsfunktion (Sicherheitsfunktion zur Vermeidung von Lithium-Plating) kann die Batteriezelle alle Maßnahmen, die dazu erforderlich sind, die Batteriezelle vor einer Lithiumablagerung auf der Anode (Lithium-Plating) zu schützen, selbst durchführen und ist nicht auf die Funktionalität eines übergeordneten Batteriemanagementsystems angewiesen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
  • Die Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung kann eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sein.
  • Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die funktionellen Merkmale der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung einzeln oder in Kombination.
  • Ein anderer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, und ein Batteriemanagementsystem, das dazu ausgebildet ist, mit den in den Batteriezelleinrichtungen angeordneten Überwachungsvorrichtungen zu kommunizieren, umfasst.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
  • 1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Traktionsbatterie,
  • 2 ein Diagramm, dass die Fehlermechanismen einer aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterie darstellt, die zu einem thermischen Durchgehen dieser Lithium-Ionen-Batterie führen können,
  • 3 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Traktionsbatterie und einem Batteriemanagementsystem,
  • 4 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 ein Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und Prädiktion, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann, nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
  • 6 ein Ablaufdiagramm einer Sicherheitsfunktionalität einer eigensicheren Batteriezelle, die mit der erfindungsgemäßen Lithiumablagerungssicherheitsfunktion ausgestattet ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 4 ist das Prinzipschaltbild einer eigensicheren Batteriezelleinrichtung 221 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die elektrisch eigensichere Batteriezelleinrichtung 221 umfasst eine Batteriezelle 21, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine Überwachungsvorrichtung (Überwachungselektronik) zum Überwachen der Batteriezelle 21. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Zustandsermittlungsvorrichtung 250 (Batteriezellzustandserkennung und -prädiktion), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Batteriezellzustand insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit erkennt und auch das zukünftige Verhalten der Batteriezelle 21 vorhersagen beziehungsweise prädizieren kann, und eine Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 260, mit der die Batteriezelle 21 beim Erkennen eines kritisch werdenden Batteriezellzustands in einen sicheren Betriebsmodus überführt werden kann.
  • Dabei ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet ist, die Batteriezellspannung zu erfassen und zu überwachen, einen durch die Batteriezelle fließenden Strom, eine Batteriezelltemperatur, und einen Batteriezellinnendruck zu erfassen. Ferner ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet, eine lineare Beschleunigung und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle 21 zu erfassen.
  • Die Aktorvorrichtung 260 ist dazu ausgebildet, zum Überführen der Batteriezelle 21 in den sicheren Betriebsmodus und/oder zum Halten der Batteriezelle 21 in dem sicheren Betriebsmodus eine in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordnete Entladevorrichtung (nicht separat dargestellt) zu aktivieren. Die Entladevorrichtung ist dazu ausgebildet ist, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle 21 mittels von moderaten Entladeströmen und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle mittels von hohen Entladeströmen nahe dem Kurzschlussstrom zu entladen. Weiterhin ist die Aktorvorrichtung 260 dazu ausgebildet, auch einen in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordneten Strombypass (nicht separat dargestellt) zu aktivieren, der dazu ausgebildet ist, im aktivierten Zustand einen zwischen den Batteriezellterminals (Ausgangsterminals) 222, 223 fließenden Strom beider Polaritäten über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten.
  • Ferner sind in der Batteriezelleinrichtung 221 Sicherheitsfunktionen, insbesondere eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion 270, integriert, die von der Überwachungsvorrichtung bereitgestellt werden und bei einem kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustand die Batteriezelle 21 sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen. Bei Vorliegen eines kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle 21 durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, überführt die Lithiumunfallsicherheitsfunktion 270 die Batteriezelle 21 durch die Aktorvorrichtung 260, die den Strombypass aktiviert, in einen sicheren Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle 21 zwischen ihren beiden Batteriezellterminals 222, 223 eine Spannung von 0 V abgibt.
  • Vorzugsweise kann die Lithiumablagerungssicherheitsfunktion 270 ferner durch die Aktorvorrichtung 260, die Entladevorrichtung geeignet aktivieren. Dadurch kann dann die Batteriezelle 21 über die Entladevorrichtung entladen beziehungsweise vollständig entladen werden.
  • Optional umfasst die Überwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221 eine Spannungseinstellvorrichtung (Schaltaktorik) 280, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung der Batteriezelle 21 derartig zu schalten, dass die Batteriezelle 21 an den Batteriezellterminals 222, 223 die Batteriezellspannung in positiver Orientierung (+UBatteriezelle) oder keine Spannung (0V) oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung (–UBatteriezelle) abgeben kann. Einfach ausgedrückt, die Ausgangsspannung der Batteriezelle 21 kann mittels der Spannungseinstellungsvorrichtung 280 auf die Spannungswerte +UBatteriezelle, 0V und gegebenenfalls auch noch –UBatteriezelle geschaltet werden.
  • Bei der in der 4 dargestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221, die, wenn die erfindungsgemäße Überwachungselektronik in der Batteriezelle 21 integriert wird, als eigensichere Batteriezelle bezeichnet wird, können die bisher im Stand der Technik eingesetzten Überladesicherheitsvorrichtungen (Overcharge Safety Devices (OSDs)) und Batteriezellsicherungen (Cell Fuses) entfallen, und die zur Erhöhung der Sicherheit bei mechanischer Deformierung oder Penetration eingesetzten Maßnahmen, wie beispielsweise das Ausstatten der Batteriezellen 21 mit einer Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NSD)), können entweder ebenfalls entfallen oder zumindest wesentlich einfacher ausgeführt werden, da deutlich geringere Anforderungen an diese Maßnahmen gestellt werden. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Verbesserung dar. Die UN Transporttests werden für die erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung 221 beziehungsweise für die eigensichere Batteriezelle 21, das heißt für die Batteriezelle 21 mit der zugehörigen Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 und Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 250 durchgeführt. Die Batteriezelle 21 kann dann auch als eine in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordnete Batteriezelle 21 oder als eigensichere Batteriezelle mit integrierter Überwachungselektronik transportiert werden.
  • Mit Batteriezelleinrichtungen, die jeweils so wie die in der 4 dargestellten Batteriezelleinrichtung 221 ausgebildet sind, können Batteriesysteme aufgebaut werden, bei denen wesentlich geringere Anforderungen an das zugeordnete Batteriemanagementsystem gestellt werden. Die Elektronik eines solchen Batteriemanagementsystems kann dann voraussichtlich mit den üblichen Qualitätssicherungsmaßnahme (ASIL-Einstufung QM) entwickelt werden und muss nicht ASIL C erfüllen.
  • Die erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung 221 ist nicht auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen 21 beschränkt und kann stattdessen auch für andere Batteriezelltechnologien, wie beispielsweise für Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen, eingesetzt werden.
  • In der 5 wird das Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und -prädiktion gezeigt, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann. Die Zustandsermittlung 510 wird an einer Batterie 20 durchgeführt, in der eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 221 angeordnet sein können. Die Zustandsermittlung 510 wird von der erfindungsgemäßen Zustandsermittlungsvorrichtung 250 durchgeführt, die als Beobachter fungiert und ein Batteriemodell 507 mit Parameteradaption implementiert. Wie in 5 gezeigt wird, erhält das Batteriemodell 507 aktuelle Messwerte von unterschiedlichen, die Batterie 20 betreffenden physikalischen Größen. Diese umfassen insbesondere einen aktuellen Batteriezellstrom IBatt, eine Batteriezelltemperatur TBatt, und einen Batteriezellinnendruck PBatt. Von der Zustandsermittlungsvorrichtung wird mit Hilfe des Batteriemodells 507 ein aktueller Batteriezustand ermittelt. Das Batteriemodell 507 und der daraus ermittelte Zustand werden laufend anhand von aktuellen Messwerten überprüft. So kann beispielsweise eine modellbasierten Batteriezellspannung UMod mit einer gemessenen aktuellen Batteriespannung UBatt verglichen werden. Anhand des Vergleichs und einer dabei festgestellten Abweichung kann das angewandte Batteriemodell 507 entsprechend angepasst werden.
  • Das Batteriemodell liefert außerdem Einschätzungen oder berechnete Werte über einen Ladezustand (SOC) 501, einen Alterungszustand (SOH) 502, und einen Sicherheitszustand 503, die zur Verarbeitung im Rahmen der Batteriezustandsprädiktion 511 als Eingangsgrößen an ein weiteres Batteriemodell 509 mit Zustandsprädiktion übergeben werden. Die Batteriezustandsprädiktion erhält ferner weitere, für die Genauigkeit der Vorhersage relevante Informationen 508, die insbesondere Lastprofile und Randbedingungen umfassen. Beispielsweise können die Informationen gespeicherte Werte mit dem zeitlichen Verlauf eines Ladestroms I(t) enthalten, die als weiterer Parameter in das weitere Batteriemodell 509 einfließen. Mit Hilfe des weiteren Batteriemodells 509 werden daraufhin die Eingangsdaten 501, 502, 503, I(t) verarbeitet und Vorhersagen ausgegeben. Insbesondere werden Vorhersagen über die Batterieleistung 504 über die in der Batterie 20 gespeicherte Energie 505, den Funktionszustand (SOF) 506 der Batterie 20, und/oder den vorhersehbaren Sicherheitszustand 503 der Batterie 20 getroffen.
  • Auf diese Weise können der vorhersehbare Sicherheitszustand 512 oder der aktuelle Sicherheitszustand 503 Aufschluss darüber geben, ob ein normaler Betriebszustand der Batterie 20 vorliegt, oder ob sich die Batterie 20 in einem kritischen Zustand befindet.
  • In 6 wird ein Ablaufdiagramm einer Sicherheitsfunktionalität einer eigensicheren Batteriezelle, die mit der erfindungsgemäßen Lithiumablagerungssicherheitsfunktion 270 ausgestattet ist, dargestellt. Die integrierte Lithiumablagerungssicherheitsfunktion 270 umfasst eine Auswertungsfunktionalität 601, mit der ein Grenzwert für einen maximal zulässigen Batterieladestrom iLade_max bestimmt werden kann, bei dem sicher noch kein Lithium-Plating auftritt.
  • Wie in der 6 gezeigt, wird der maximale Ladestrom iLade_max als Funktion des Alterungszustandes SOH der Batteriezelle 21, des Ladezustandes SOC, und der Batteriezelltemperatur T berechnet. Genauer gesagt kann der Grenzwert für den maximal zulässigen Ladestrom iLade_max der modellbasiert in Abhängigkeit der Einflussgrößen Temperatur T, Ladezustand SOC und Alterungszustand SOH ermittelt werden. So wird beispielsweise mit zunehmendem Ladezustand SOC der Grenzwert iLade_max für den Ladestrom geringer, und umgekehrt. Analog wird mit sinkender Temperatur T wird der Grenzwert iLade_max. für den Ladestrom geringer, und mit steigender Temperatur T wird der maximal zulässige Ladestrom iLade_max höher. Überschreitet der durch die Batteriezelle 21 fließende Strom I den oben genannten, gemäß der Auswertung 601 aktuell geltenden maximal zulässigen Grenzwert iLade_max für den Ladestrom, wird dies durch Vergleich 602 erkannt, und es wird durch die Lithiumablagerungssicherheitsfunktion 270 der Strombypass 603 aktiviert. Es fließt dann kein Ladestrom mehr in die elektrochemische Batteriezelle und das Lithium-Plating kann verhindert werden. Ein Stromfluss durch die Batteriezelle 21 über den Strombypass 603 ist jedoch ohne weiteres möglich.
  • Erfindungsgemäß werden die Batteriezellen oder Batteriemodule dabei derart angesteuert, dass sich deren Betriebsparameter innerhalb der jeweiligen Grenzwerte befinden, die für einen sicheren Betrieb notwendig sind.
  • So werden Lithium-Ionen-Batteriezellen typischerweise innerhalb eines Spannungsbereichs Umin bis Umax von 2,8 V bis 4,2 V, oder bevorzugt 3,0 V bis 4,2 V Volt betrieben. Dies gilt insbesondere für sicherheitsrelevante für Werte Umin_safety oder Umax_safety. Diese Angaben gelten jedoch für die zu messenden Spannungen U Batteriezelle im Leerlauf, das heißt, wenn kein Strom durch die Batteriezelle fließt. Dabei sind diese Grenzwerte unbedingt zu beachten, da ansonsten die Elektroden Beschädigungen erleiden können.
  • Die Leerlaufspannung der Batteriezellen hängt im Wesentlichen von deren Ladezustand ab. Dabei wird typischerweise bei einer Spannung UBatteriezelle von 2,8 V ein Ladezustand SOC von 0%, bei 3,5 V ein Ladezustand von 20%, und bei 4,2 V ein Ladezustand von 100% angenommen, wobei diese Werte jeweils von Art und Material der Kathode, der Anode, und/oder des verwendeten Elektrolyts abhängen.
  • Wenn ein Strom durch eine Batteriezelle fließt, können die Batteriezellspannungen UBatteriezelle von den obigen Zahlenangaben abweichen. Angenommen, die Leerlaufspannung betrage 3,5 V, und der Innenwiderstand der Batteriezelle bei 25 °C sei 10 mΩ. Bei einem Ladestrom von 100 A ergäbe das dann einen zu messenden Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V + 1,0 V = 4,5 V. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt der Innenwiderstand der Batteriezelle beispielhaft jedoch bis zu 50 mΩ, was bei einem beispielhaften Entladestrom von 50 A einen Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V minus 2,5 V = 1,0 V ergäbe. Aufgrund der angewandten Ansteuerung und der verwendeten Sensoren werden diese Spannungswerte bei Raumtemperatur beziehungsweise bei 0°C aber nicht erreicht. Allgemein können im Betrieb der Batteriezellen der Wert für Umax zwischen 4,2 V und 5,0 V liegen und der Wert für Umin zwischen 1,5 V und 4,2 V, vorzugsweise zwischen 1,8 V und 4,15 V, diese Werte beziehen sich jedoch nicht auf die Leerlaufspannung.
  • Die obigen Spannungswerte gelten für eine einzelne Batteriezelle. Für ein Batteriemodul kommt es darauf an, wie viele Zellen in Reihe oder parallel geschaltet sind. So liegt die zulässige Modul-Leerlaufspannung UBatteriemodul zwischen n × 2,8 V bis n × 4,2 V, wobei n für die Anzahl der Batteriezellen steht, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
  • Grenzwerte für Temperaturen bei Lithium-Ionen-Batteriezellen liegen etwa bei Tmin = –40 °C und Tmax = 30°C bis 50 °C, bevorzugt 30°C bis 45 °C, am meisten bevorzugt 35°C bis 40°C. Aus Sicherheitsaspekten sollte eine maximale Temperatur Tmax-safety von 46°C bis 80°C, bevorzugt 50°C bis 60°C nicht überschritten werden. Ferner sollte die maximale Außentemperatur Taußen, bei der die Batteriezellen betrieben werden, 40 °C nicht übersteigen.
  • Die Batterieströme durch die Batteriezellen sollten nicht außerhalb eines Bereichs von –1000 A bis +1000 A, bevorzugt –600 A bis +600 A, noch mehr bevorzugt –500 A bis +500 A, noch mehr bevorzugt –450 A bis +450 A, und noch mehr bevorzugt –350 A bis +350 A, liegen.
  • Der Innendruck einer Batteriezelle sollte den Druckbereich von 2 bar bis 8 bar, bevorzugt 3 bar bis 7 bar, nicht verlassen.
  • Die obige Diskussion wurde beispielhaft für Lithium-Ionen-Batteriezellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriemodule geführt, wobei die angegebenen Werte insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Lithium-Mangan-Kobalt-Oxid als Aktivmaterial für die Kathode gelten. Jedoch ist die Erfindung jedoch nicht auf solche Batteriezellen, insbesondere nicht auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt. In der Praxis hängen die Zahlenwerte der zu wählenden Betriebsparameter somit vom jeweiligen Batteriezelltyp ab.
  • Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISO 26262 [0019]

Claims (10)

  1. Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (21), die eine aus Graphit ausgebildete Batteriezellanode umfasst, und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung eine Sensorvorrichtung (240) zur Erfassung von mehreren die Batteriezelle (21) betreffenden physikalischen Größen, eine Zustandsermittlungsvorrichtung, (250) die dazu ausgebildet ist, anhand einer insbesondere modellbasierten Auswertung von durch die Sensorvorrichtung (240) bereitgestellten aktuellen Messwerten der physikalischen Größen einen aktuellen und/oder künftigen Batteriezellzustand zu erkennen und/oder vorherzusagen, und eine Aktorvorrichtung (260), die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle (21) aus einem kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen und/oder zu halten, umfasst und vorzugsweise eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion (270) bereitstellt, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, ermittelt werden kann und die Batteriezelle (21) bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes durch die Aktorvorrichtung (260) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt und/oder gehalten werden kann.
  2. Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (240) dazu ausgebildet ist, die Batteriezellspannung zu erfassen und/oder das Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag sich in einem vorbestimmten Batteriezellspannungsbereich befindet, zu überwachen, und/oder einen durch die Batteriezelle (21) fließenden Strom und/oder eine Batteriezelltemperatur und/oder eine Batteriezellinnentemperatur, insbesondere eine Batteriezellwickeltemperatur und/oder eine Batteriezellaußentemperatur, und/oder einen Batteriezellinnendruck zu erfassen und/oder eine lineare Beschleunigung der Batteriezelle und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle (21) zu erfassen und/oder die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, zum Überführen der Batteriezelle (21) in den sicheren Betriebsmodus und/oder zum Halten der Batteriezelle (21) in dem sicheren Betriebsmodus eine in der Batteriezelle (21) angeordnete Entladevorrichtung zu aktivieren, die dazu vorgesehen ist, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle (21) mittels eines vorbestimmten Entladestroms und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle (21) mittels eines Entladestroms, der einen vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstromes der Batteriezelle (21) beträgt, zu entladen, und/oder einen in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Strombypass zu aktivieren, der dazu vorgesehen ist, im aktivierten Zustand einen zwischen den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) fließenden Strom über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten.
  3. Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 2, wobei die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) dazu ausgebildet ist, das Auftreten des kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batterie (20) durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden Ladestroms, der einen in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand und/oder von dem Batteriezelltemperatur und/oder von dem Batteriezellalterung mittels eines Berechnungsmodels berechneten Ladestromgrenzwertes (imax_lade) überschreitet, zu ermitteln und/oder die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) mittels einer Aktivierung des Strombypasses (603) in den Lithiumablagerungsbetriebsmodus zu überführen.
  4. Batteriezelleinrichtung (221) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, den Lademodus oder den Schnelllademodus der Entladevorrichtung zum Entladen der in den Lithiumablagerungsbetriebsmodus überführten Batteriezelle (21) zu aktivieren.
  5. Batteriezelleinrichtung (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelleinrichtung (221) eine Spannungseinstellungsvorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, die während des Normalbetriebsmodus an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) anliegende Batteriezellspannung derartig einzustellen, dass an den Ausgangsterminals (222, 223) eine Batteriezellspannung in positiver oder negativer Orientierung anliegt oder die Batteriezelle (21) an den Ausgangsterminals (222, 223) eine Spannung von 0 V abgibt.
  6. Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Lithium-Ionen-Batteriezelle, die eine aus Graphit ausgebildete Batteriezellanode umfasst, mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Überwachungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere physikalische Größen zum Ermitteln eines Batteriezellzustandes mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Sensorvorrichtung (240) erfasst werden, ein aktueller und/oder künftiger Batteriezellzustand mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Zustandsermittlungsvorrichtung (250) anhand einer insbesondere modelbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung (240) bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen erkannt und/oder vorhergesagt wird, bei Vorliegen eines kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Aktorvorrichtung (260) in einen sicheren Betriebsmodus überführt wird, und von der Überwachungsvorrichtung vorzugsweise eine Lithiumablagerungssicherheitsfunktion (270) bereitgestellt wird, mittels der das Auftreten eines kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle (21) durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, durch die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ermittelt wird und bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) durch die Aktorvorrichtung (260) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Lithiumablagerungsbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt und/oder gehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Auftreten des kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle (21) durch eine Lithiumablagerung auf der Batteriezellanode beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden Ladestroms, der einen in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand (SOC) und/oder von dem Batteriezelltemperatur (T) und/oder von dem Batteriezellalterung (SOH) mittels eines Berechnungsmodels berechneten Ladestromgrenzwertes (imax_lade) überschreitet, mittels der Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der mittels des Berechnungsmodels berechneten Ladestromgrenzwert (imax_lade) mit einem zunehmenden Batteriezellladezustand (SOC) und/oder mit einer sinkenden Batteriezelltemperatur (T) und/oder mit einer zunehmenden Batteriezellalterung (SOH) sinkt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die in dem Lithiumablagerungsbetriebsmodus überführte Batteriezelle (21) über eine in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordnete und von der Aktorvorrichtung (260) aktivierte Entladevorrichtung entladen wird.
  10. Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie (20) mit mehreren Batteriezelleinrichtungen (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und ein Batteriemanagementsystem, das dazu ausgebildet ist, mit den in den Batteriezelleinrichtungen (221) angeordneten Überwachungsvorrichtungen zu kommunizieren, umfasst.
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