DE102014103800B4 - SOC-Bestimmung durch Evaluierung von durch Dimensionsänderungen der Batterie hervorgerufenen Effekten - Google Patents

SOC-Bestimmung durch Evaluierung von durch Dimensionsänderungen der Batterie hervorgerufenen Effekten Download PDF

Info

Publication number
DE102014103800B4
DE102014103800B4 DE102014103800.2A DE102014103800A DE102014103800B4 DE 102014103800 B4 DE102014103800 B4 DE 102014103800B4 DE 102014103800 A DE102014103800 A DE 102014103800A DE 102014103800 B4 DE102014103800 B4 DE 102014103800B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
charge
state
measurement signal
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102014103800.2A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102014103800A1 (de
Inventor
Harald Schlag
Christoph Klunker
Matthias Hampel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102014103800A1 publication Critical patent/DE102014103800A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102014103800B4 publication Critical patent/DE102014103800B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Ein System zum Überwachen eines Ladezustands einer Batterie, wobei die Batterie einen Elektrolyten, eine Anode, eine Kathode und Stromkollektoren aufweist, wobei das System umfasst:- einen Sensor, der ein Messsignal liefert, welches eine Änderung des nominalen Volumens der Batterie anzeigt, wobei das nominale Volumen dasjenige Volumen ist, welches der Elektrolyt, die Anode, die Kathode und die Stromkollektoren einnehmen würden, wenn diese keiner Einschränkung unterliegen würden; und- eine Steuereinheit, die auf das Messsignal reagiert und dazu programmiert ist, das Messsignal zu verwenden, um einen Ladezustand der Batterie physikalisch zu schätzen, wobei das System ein Flüssigkeitsbad zur Temperaturregelung der Batterie umfasst, und wobei der Sensor ein Dimensionssensor ist, der ein Dimensionsmesssignal liefert, wobei ein Betrag an verdrängter Flüssigkeit eine Anzeige für die Änderung im Volumen der Batterie ergibt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen eines Ladezustands (SOC) einer Batterie und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen des Ladezustands einer Batterie unter Verwendung von Änderungen in der Größe oder dem Druck der Batterie.
  • Diskussion des Standes der Technik
  • Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite, die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die aus verschiedenen Batteriearten sein kann, wie zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Das Batteriesystem kann einzelne Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul wiederum eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel zwölf Zellen.
  • Da Batterien eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung von Elektrofahrzeugen und mit Fahrzeugen spielen, ist eine effektive Batterieregelung und ein Leistungsmanagement essenziell für die Fahrzeugleistungsfähigkeit, den Treibstoffverbrauch, die Batterielebensdauer und den Komfort für die Passagiere. Eine exakte Kenntnis des Ladezustands ist für eine korrekte Steuerung des Batteriesystems in einem Elektrofahrzeug extrem wichtig, um eine lange Batterielebensdauer und einen guten Treibstoffverbrauchswert zu erhalten. Da der Ladezustand während des Betriebs des Fahrzeugs nicht direkt gemessen werden kann, muss eine Batteriesteuereinheit den Ladezustand in Echtzeit unter Verwendung anderer Batterieparameter, beispielsweise der Leerlaufspannung und des Stroms, vorhersagen und schätzen.
  • Es ist im Stand der Technik gut bekannt, dass die Batteriedynamiken im allgemeinen nicht linear und in hohem Maße von den Batteriebetriebsbedingungen abhängig sind, was bedeutet, dass eine exakte Schätzung des Batterieladezustands nicht garantiert werden kann. Ein Ansatz, um den Batterieladezustand zu schätzen, ist es, die Leerlaufspannung der Batterie zu überwachen. Im Allgemeinen gilt, dass je höher die Leerlaufspannung ist, desto höher ist der Ladezustand. Es ist jedoch inhärent schwierig, die Leerlaufspannung zu verwenden, um den Ladezustand genau zu schätzen, da die Batteriespannung von vielen Faktoren beeinflusst wird, nicht nur vom Ladezustand, sondern beispielsweise auch von der Temperatur kurzfristigen Ladezyklen, der langfristigen Fahrzeugfahrgeschichte, dem Alter der Batterie etc. Bei den meisten Batteriezellenchemie sinkt der Spannungslevel nur leicht, wenn überhaupt, wenn die Batterie anfängt, entladen zu werden. Zu einem gewissen Punkt bei einem niedrigen Ladezustand beginnt der Spannungslevel, mit einer schnelleren Rate abzufallen.
  • Lithiumionen-Batterien haben sich für Hybridelektrofahrzeuge als vielversprechend erwiesen. Das Schätzen des Ladezustands ist bei Lithiumionen-Batterien signifikant herausfordernder als bei Batterien, die auf der älteren Nickel-Technologie basieren, da auf Lithiumionen basierende Batterien ihren Spannungslevel für eine lange Zeit behalten, auch wenn der Ladezustand abfällt. Die Spannung einer Lithiumionen-Batterie wird sich in einem Bereich von ungefähr 20 % bis 80 % des Ladezustands nicht signifikant ändern.
  • Eine andere Art dafür, wie die Batteriesteuereinheit den Ladezustand schätzen kann, besteht darin, die elektrische Ladung, die in die Batterie und aus der Batterie fließt, zu berechnen, indem der Strom über die Zeit integriert wird. Ein Problem bei diesem Ansatz liegt darin, dass der geschätzte Ladezustand vom echten Ladezustand über die Zeit abweicht. Demzufolge muss die Batteriesteuereinheit den geschätzten Ladezustand periodisch zurücksetzen oder neu justieren, damit dieser mit dem echten Ladezustand übereinstimmt. Eine Art, den geschätzten Ladezustand zurückzusetzen, besteht darin, die Batterie auf 100 % zu laden. Der Fahrzeugführer jedoch kann die Batterie laden, wenn der Ladezustand unten bei 30 % ist. Der Fahrzeugführer kann die Batterie für die nächste Fahrt laden, wobei aber beim Start für den nächste Fahrt die Batterie nur auf 70 % Ladezustand wieder aufgeladen sein kann. Das Fahrzeug könnte dann gefahren werden, bis die Batterie auf 40 % Ladezustand entleert ist und dann wieder aufgeladen wird, aber immer noch nicht 100 % Ladezustand erreicht, bevor das Fahrzeug für eine weitere Fahrt abgeschaltet wird. Unter Annahme dieses Szenarios ist das Zurücksetzen des Ladezustands, wenn die Ladung bei 100 % liegt, problematisch. Eine andere Option ist es, die Batterie auf 0 % Ladezustand zu entladen, was aber für die Batterie sehr schlecht ist, wenn sie wieder auf 100 % Ladezustand geladen wird. Aus der WO 2011/072295 A2 ist ein Batterie-Pack-System mit einer Vielzahl von Batteriezellen mit einem Verbindungsband und mit einem Spannungsmesser zur Erfassung der Spannung des Verbindungsbands bekannt. Aus der US 2010/0075209 A1 ist eine Batterie-Einheit mit einer Festkörper-Batterie mit einem Gehäuse bekannt, wobei an dem Gehäuse ein Spannungssensor angeordnet ist. Aus der DE 10 2009 034 854 A1 ist ein System zur Zustandserkennung eines elektrochemischen Energiespeichers mit Batteriezellen bekannt, wobei der Ladezustand der Batteriezellen auf der Basis eines Anoden- und eines Kathodenpotentials ermittelt wird.
  • Demnach besteht ein Bedürfnis danach, den Ladezustand einer Batterie zu schätzen, wobei die Einschränkungen der gegenwärtigen Ladezustandsschätzungsverfahren beseitigt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands (SOC) einer Batterie offenbart, wobei das System einen Sensor und eine Steuereinheit umfasst. Der Sensor liefert ein Messsignal, das einen nominalen Volumenwert entweder durch Messen einer Dimension oder eines Drucks der Batterie erfassen kann, wobei das nominale Volumen dasjenige Volumen ist, welches der Elektrolyt, die Anode, die Kathode und die Stromkollektoren ohne eine Einschränkung einnehmen würden. Die Steuereinheit ist dazu programmiert, um den Ladezustand der Batterie aus dem Messsignal physikalisch zu schätzen, wobei das System ein Flüssigkeitsbad zur Temperaturregelung der Batterie umfasst, und wobei der Sensor ein Dimensionssensor ist, der ein Dimensionsmesssignal liefert, wobei ein Betrag an verdrängter Flüssigkeit eine Anzeige für die Änderung im Volumen der Batterie ergibt. Ferner kann die Steuereinheit dazu programmiert sein eine Funktion zu verwenden, um den Ladezustand aus dem Messignal zu schätzen. Die Funktion kann eingerichtet werden, nachdem eine Lade- und eine Entladekurve der Batterie eingerichtet wurde, welche das Messsignal im Vergleich zu dem Ladezustand der Batterie zeigt, und durch Auffinden einer charakteristischen Gestalt.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Veranschaulichung eines Fahrzeugs mit einer Batterie und einer Steuereinheit;
    • 2 ist eine Frontansicht einer Taschenbatteriezelle;
    • 3 ist eine Seitenansicht einer Taschenbatteriezelle;
    • 4 ist eine Seitenansicht eines Batteriemoduls mit einer Menge von Taschenbatteriezellen, die an ihrem Ausdehnen gehindert sind;
    • 5 ist ein Graph, der einen Druck zeigt, wenn eine Batterie geladen und entladen wird; und
    • 6 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm, das eine mögliche Ausführungsform für das Verwenden der Änderung in dem nominalen Volumen der Batterie zeigt, um deren Ladezustand zu schätzen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf das Überwachen des Ladezustands (SOC) einer Batterie gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihrer Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise finden die unten diskutierten Batteriesteuertechniken eine besondere Anwendung bei Elektrofahrzeugen und Lithiumionen-Batterien. Fachleute können jedoch leicht erkennen, dass diese Ladezustandsschätzungsverfahren eine Anwendung bei anderen Batterien finden können, die nicht zu Elektrofahrzeugen gehören und andere Batteriechemien verwenden.
  • Batterien werden aus verschiedenen Chemien und physikalischen Strukturen hergestellt, wobei einige Batteriechemien dafür bekannt sind, sich ausgehend vom Ladezustand sich im Volumen zu ändern, beispielsweise, dass sich diese ausdehnen, wenn der Ladezustand zunimmt. Lithiumionen-Batterien liefern ein Beispiel für ein solches Ausdehnen und sind dafür bekannt, einen Druck aufzubauen, wenn diese sich in einem starren Behälter befinden, da eine Lithiumionenbewegung zwischen der Kathode und der Anode stattfindet. Der starre Behälter muss fest genug sein, um einen Bruch aufgrund des Drucks zu vermeiden, der von dem Ausdehnen des Lithiumionen-Elektrolyten, der Anode, der Kathode und den Stromkollektoren herrührt. Eine Art, eine feste Struktur verwenden zu müssen, liegt darin, dem Volumen zu gestatten, zu zunehmen, indem eine Batterie gebaut wird, die innerhalb einer Tasche (pouch) enthalten ist, was auch als Soft-Pack bekannt ist, welcher eine Ausdehnung erlaubt, so dass sich kein Druck aufbaut.
  • 1 ist eine einfache Veranschaulichung eines Fahrzeugs 10 mit einer Batterie 12 und einer Batteriesteuereinheit 14. Die Steuereinheit 14 steuert das Laden der Batterie 12 und die Verwendung der Batterie 12, um das Fahrzeug 10 anzutreiben.
  • 2 ist eine Frontansicht und 3 ist eine Seitenansicht einer Taschenbatteriezelle 20. Die Taschenzelle 20 hat eine positive Klemme 22 und eine negative Klemme 24 und eine Folienabdeckung 26, die eine gasdichte Versiegelung des Elektrolyten, der Anode, der Kathode und der Stromkollektoren in der Batteriezelle 20 ermöglicht. Die Taschenkonfiguration ermöglicht es, dass der Elektrolyt, die Anode und die Kathode der Batteriezelle 20 sich ausdehnen und zusammenziehen können.
  • 4 ist eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 40 mit einem Batteriezellensatz 42 mit beispielsweise zwölf bis sechzehn Taschenbatteriezellen 20, wobei eine Schaumschicht (nicht gezeigt) zwischen den Zellen 20 angeordnet sein kann. Der Batteriezellensatz 42 ist innerhalb eines starren Behälters 44 angeordnet und wird von diesem starren Behälter 44 begrenzt, wobei ein Drucksensor 46 innerhalb des Behälters 44 angeordnet ist. Die Taschenbatteriezellen 20 sind so gestapelt, dass die flachen Oberflächen der Zellen 20 benachbart zueinander in direkter oder alternierender Reihenfolge angeordnet sind, so dass die Batteriezellen 20 wie gewünscht elektrisch parallel oder in Reihe gekoppelt werden können. Die dicke der flachen Oberflächen der Taschenbatteriezellen 20 neigen dazu, anzusteigen und abzufallen, wenn die Zellen 20 geladen und entladen werden. Das Laden des Batteriemoduls 40 kann bewirken, dass sich der Zellensatz 42 ausdehnt und zusammenzieht, wobei der Batteriezellensatz 42 von dem Behälter 44 beschränkt wird, so dass der Druck in dem Behälter 44, welcher von dem Sensor 46 gemessen wird, sich ändert.
  • Die Taschenbatteriezelle 20 weist einen bevorzugten Druck auf, welche ihren Betrieb optimiert und welcher von dem Konstrukteur oder dem Hersteller der Taschenbatteriezelle zur Verfügung gestellt wird. Der Behälter 44 kann den Batteriezellensatz 42 komprimieren, um einen nominalen Startdruck ausgehend von dem bevorzugten Druck aufzuweisen.
  • Ein Satz von Lithiumionen-Batteriezellen wurde in einem starren Behälter getestet und es wurde eine konsistente Beziehung zwischen der Änderung im Druck, der durch eine Menge von Lithiumionen-Taschenbatteriezellen ausgeübt wurde, und dem Ladezustand der Zellen während des Ladens und des Entladens gefunden.
  • 5 ist ein Graph 60, der den Druck zeigt, wenn das Batteriemodul 40 geladen und entladen wird. Der Graph 60 zeigt den Ladezustand entlang der horizontalen Achse 62 in einem Bereich vom Ladezustand 0 % bis zum Ladezustand 100 % an. Die Druckmessung ist auf der vertikalen Achse 64 aufgetragen und reicht von einem nominalen Druck 66 zu einem maximalen Druck 76. Die Ladekurve beginnt beim Ladezustand 0 % bei dem nominalen Druck 66. Wenn das Batteriemodul 40 geladen wird, steigt der Ladezustand mit einer konsistenten Krümmung im Bereich 68. Wenn das Batteriemodul 40 weiter geladen wird geht die Ladekurve mit einer leicht höheren Krümmung im Bereich 70 bei ein wenig weniger als 10 % Entladezustand über, bis diese ein lokales Maximum für den Ladedruck 72 bei ein wenig mehr als 30 % Ladezustand erreicht. Wenn das Batteriemodul 40 weiterhin geladen wird, fällt der Druck danach ab und die in einen Bereich 74 bis zu einem Ladezustand von ungefähr 80 %, wobei der Druck sich wiederum aufbaut, bis der Druck den Punkt 76 bei einem Ladezustand von 100 % erreicht. Wenn das geladene Batteriemodul 40 ruht und für seinen Gebrauch wartet, wird der Druck abfallen.
  • Nachdem das vollständig geladene Batteriemodul 40 geruht hat und auf eine Gleichgewichtsbedingung abgekühlt ist, wird der Entladezyklus gestartet. Der Druck startet beim Punkt 78. Die Entladekurve tritt in einen Bereich 80 ein, in dem der Druck abfällt, bis der Ladezustand ein lokales Minimum bei ungefähr 60 % Ladezustand erreicht, wobei an diesem Punkt der Druck zu steigen beginnt, bis dieser einen lokal maximalen Druck 82 erreicht. Wenn der Ladezustand weiterhin abfällt, fällt der Druck mit einer stetigen Rate im Bereich 84 ab, bis dieser den Bereich 68 erreicht, an welchem dieser weniger als 10 % Ladezustand ist, wobei die Krümmung des Entladens mit derselben Krümmung, die während des vorhergehenden Ladens erkennbar war, fortschreitet.
  • Die Tatsache, dass der Batteriezellensatz 42 sich in einem wiederholbaren charakteristischen Muster ausdehnt und zusammenzieht, kann dazu verwendet werden, um einen geschätzten Ladezustand des Batteriemoduls 40 bereitzustellen. Tests haben gezeigt, dass eine Dimensionsänderung, insbesondere die Dicke einer Taschenzelle, welche gemessen wurde, während sich der Druck änderte, dazu verwendet werden kann, um den Ladezustand des Batteriezellensatzes 42 zu bestimmen. Die charakteristische Gestalt kann sich bei einem gemittelten Druck variieren, aber nicht in ihrer Grundgestalt, und das charakteristische Merkmal (lokales Maximum) ist immer in einem Graph sichtbar, der den Ladezustand des Batteriemoduls 40 mit dem Druck während eines Ladens oder Entladens vergleicht. Während des Betriebs des Batteriemoduls 40 kann das charakteristische Merkmal verwendet werden, um den Ladezustand des Batteriemoduls 40 zu bestimmen.
  • Es gibt viele Möglichkeiten, mit denen ein Batteriemodul konstruiert werden kann, um eine Änderung in dessen nominalen Volumen zumessen, wobei das nominale Volumen als das Volumen des Elektrolyten, der Anode, der Kathode und der Stromkollektoren definiert ist, welches diese einnehmen würden, wenn diese nicht eingeschränkt sind. Eine Änderung in dem nominalen Volumen kann zu einer Änderung in einer Dimension oder im Druck führen. Die Änderung in der Größe oder in der Dimension wird nicht auftreten, wenn die Größe keiner Einschränkung unterliegt. Die Änderung in der Dimension kann mit einer Messung überwacht werden, die die Größe des Zellengehäuses umfasst. Die Änderung im Druck wird auftreten, wenn die Dimension nicht einer Einschränkung unterliegt. Eine Batterie kann Änderungen sowohl in der Dimension als auch im Druck aufweisen, aber eine von beiden wird dominieren und genau diese kann dazu verwendet werden, um das nominale Volumen zu schätzen, oder sowohl die Dimension als auch der Druck könnten dazu verwendet werden, um die Änderung im nominalen Volumen zu schätzen. Es könnte ein Sensor für jede Batteriezelle oder ein Sensor für eine Gruppe von Batteriezellen, wie das in den Batteriemodul 40 gezeigt ist, vorgesehen sein. Ein Satz von Taschenbatteriezellen würde eine größere Bewegung als eine einzelne Taschenbatteriezelle hervorrufen und dies könnte eine erhöhte Genauigkeit beim Messen der Änderung in der Größe liefern. Andere Optionen sind verfügbar, um das nominale Volumen zu messen, beispielsweise könnte ein Sensor die Spannung auf einem um eine Batteriezelle oder um einen Satz von Zellen gewickeltes Band messen. Alternativ dazu könnte eine Spannvorrichtung das Band durch Lockern und durch Spannen des Bandes je nach Notwendigkeit auf eine konstante Spannung halten, wobei dann die Gesamtlänge des Bandes den Umfang anzeigen würde, welcher ein Volumen anzeigen würde. Ein Band könnte für andere Batterieausführungsformen, beispielsweise zylindrische, prismatische oder andere Ausgestaltungen, nützlich sein. Eine andere Option wäre es, einen Drucksensor innerhalb des Metallgehäuses der Batterie anzuordnen, um den Druck zu messen. Wenn die Temperatur der Batterie durch ein Flüssigkeitsbad geregelt wird, dann könnte der Betrag an verdrängte Flüssigkeit eine Anzeige für die Änderung im Volumen der Batterie ergeben. Viele verschiedene und alternative Konfigurationen und Sensoren können verwendet werden, die über die hier aufgeführte Liste hinausgehen, um die Änderung im nominalen Volumen der Batterie zu detektieren, um den Ladezustand der Batterie zu schätzen.
  • Obwohl diese Beschreibung die Details für das Messen der Ausdehnung einer Lithiumionenbatterie offenbart, könnte jede beliebige Batteriechemie verwendet werden, die in einer Änderung im nominalen Volumen resultiert. Andere Batteriechemien können vollkommen andere Lade- und Entladekurven aufweisen. Um diesen Ansatz zum Schätzen des Ladezustands auf andere Chemien anzuwenden, wäre es notwendig, die Lade- und Entlade Kurven durch Testen und Prüfen der Kurven für wiederholbare Bereiche zu erzeugen. Wenn ein wiederholbarer Bereich auftritt, der ein charakteristisches Merkmal liefert, dann könnte dieses charakteristische Merkmal als eine gute Größe verwendet werden, um einen elektrisch geschätzten Ladezustand des Batteriemoduls 40 zurückzusetzen und neu zu justieren. Ein charakteristisches Merkmal ist ein Kurvenmerkmal, welches für einen Bestimmungsalgorithmus aussagekräftig genug ist. Beispiele für charakteristische Merkmale wären ein lokales Maximum, ein lokales Minimum oder ein Wendepunkt. Der Graph 60 zeigt einige Beispiele für charakteristische Merkmale mit dem lokalen Maximum für das Laden 72 und dem lokalen Maximum für das Entladen 82. In einer Ausführungsform könnte ein Algorithmus das lokale Maximum für das Entladen 82 durch Überwachen des Drucks detektieren, wenn das Batteriemodul 40 entladen wird und wenn der Druck vom Ansteigen zum Abfallen übergeht, würde dies den Ort für das lokale Maximum 82 anzeigen.
  • 6 ist ein Flussdiagramm 120, welches eine mögliche Ausführungsform für das Verwenden der Änderung in dem nominalen Volumen des Batteriemoduls 40 zeigt, um dessen Ladezustand zu schätzen. Das Flussdiagramm 120 beginnt im Kasten 122, wobei das Verfahren den nominalen Druck ausgehend von der Batterieausführungsform bestimmt. Danach bestimmt das Verfahren im Kasten 124 ein Messsignal, welches die Änderung in dem nominalen Wert anzeigt. Eine Option ist es, den Druck, den die Batteriezellen 20 ausüben, wenn diese in dem Behälter 44 einer Beschränkung unterliegen, zu messen. Im Kasten 126 stellt das Verfahren einen Sensor, beispielsweise den Drucksensor 46, auf dem Batteriezellensatz 42 bereit. Danach vollführt der Algorithmus im Kasten 128 Tests auf dem Batteriemodul 40, um Lade- und Entladekurven auf einem Graph zu erzeugen, bei dem auf der horizontalen Achse der Ladezustand aufgetragen ist und auf der vertikalen Achse das gemessene Drucksignal liegt, beispielsweise den Graphen 60. Danach erzeugt das Verfahren im Kasten 130 eine Funktion, die den Graphen 60 darstellt, wobei das Messsignal dazu verwendet werden kann, um den Ladezustand zu schätzen. Die Funktion kann jede geeignete Methode, beispielsweise eine Gleichung, eine Look-Up-Tabelle, einen Algorithmus etc. verwenden. Zuletzt ist die Batterie im Kasten 132 in Betrieb und ein Messsignal in Echtzeit kann dazu verwendet werden, kontemporär einen physikalisch geschätzten Ladezustand zu liefern, wobei ein Echtzeit Messsignal den gegenwärtigen Zustand des Batteriemoduls 40 liefert.
  • Herkömmliche elektrische Ladezustandsschätzverfahren für eine Batterie mögen lokal gesehen genauer sein, aber der physikalisch geschätzte Ladezustand kann über die Zeit genauer sein, da der physikalisch geschätzte Ladezustand von Temperaturen und anderen Faktoren unabhängiger sein kann. Da der physikalisch geschätzte Ladezustand genauer und unabhängig sein kann, kann dieser dazu verwendet werden, um einen elektrisch geschätzten Ladezustand zurückzusetzen oder neu zu justieren, insbesondere, da der elektrisch geschätzte Ladezustand über die Zeit vom tatsächlichen Ladezustand abweicht.
  • Eine Steuereinheit kann den elektrisch geschätzten Ladezustand der Batterie in Kombination mit dem physikalisch geschätzten Ladezustand verwenden, um eine verlässliche Vorhersage des Ladezustands bereitzustellen. Ein Ansatz ist es, ein charakteristisches Merkmal zu verwenden, um den elektrisch geschätzten Ladezustand zurückzusetzen oder neu zu justieren. Es wäre gut, ein charakteristisches Merkmal auf dem Druck/Ladezustandsgraphen zu besitzen, um die Position auf der Lade- oder Entladekurve verlässlich zu lokalisieren. Das Auftreten des charakteristischen Merkmals kann dazu verwendet werden, um den elektrisch geschätzten Ladezustand zurückzusetzen oder neu zu justieren. Betrachtet man den Graphen 60, liegt dort als charakteristisches Merkmal das lokale Maximum 82 für das Entladen vor. Beim Entladen von einem hohen Ladezustand könnte eine Steuereinheit das lokale Maximum 82 dazu verwenden, um die Position auf der Entladekurve zu bestimmen und dann den elektrisch geschätzten Ladezustand zurückzusetzen oder neu zu justieren, indem auf den Ort auf dieser Kurve vertraut wird.
  • Vorzugsweise wird der Ladezustand der Batterie zurückgesetzt oder neu justiert, wenn sich dieser dem Ladezustand 0 % nähert, da ein Schätzfehler von 5 % bei einem Ladezustand von 90 % wahrscheinlich nicht wichtig ist, wohingegen ein Fehler von 5 % einen großen Unterschied macht, wenn der Ladezustand sich 0 % nähert. Beispielsweise würde ein Überschätzen von 5 % bei einem Ladezustand von 10 % dem Fahrzeugführer den Eindruck vermitteln, dass er noch 10 Meilen (ca. 16 km) zurücklegen könnte, um zuhause wiederaufzuladen, wohingegen in der Realität das Fahrzeug nur noch 6,6 Meilen (ca. 11 km) zurücklegen kann, so dass der Fahrer dann mit dem Fahrzeug auf der Straße liegen bleibt.
  • Alle Begriffe, die in den Patentansprüchen verwendet werden, sollen ihre breitestmögliche Konstruktion und ihre normale Bedeutung aufweisen, wie diese von Fachleuten verstanden wird. Die Verwendung des Singulars in den Artikeln „einer, eine, eines“, „der, die, das“ oder „dieser, diese, dieses“ sollte so verstanden werden, dass ein oder mehrere der damit bezeichneten Elemente darunter gelesen werden sollten.

Claims (8)

  1. Ein System zum Überwachen eines Ladezustands einer Batterie, wobei die Batterie einen Elektrolyten, eine Anode, eine Kathode und Stromkollektoren aufweist, wobei das System umfasst: - einen Sensor, der ein Messsignal liefert, welches eine Änderung des nominalen Volumens der Batterie anzeigt, wobei das nominale Volumen dasjenige Volumen ist, welches der Elektrolyt, die Anode, die Kathode und die Stromkollektoren einnehmen würden, wenn diese keiner Einschränkung unterliegen würden; und - eine Steuereinheit, die auf das Messsignal reagiert und dazu programmiert ist, das Messsignal zu verwenden, um einen Ladezustand der Batterie physikalisch zu schätzen, wobei das System ein Flüssigkeitsbad zur Temperaturregelung der Batterie umfasst, und wobei der Sensor ein Dimensionssensor ist, der ein Dimensionsmesssignal liefert, wobei ein Betrag an verdrängter Flüssigkeit eine Anzeige für die Änderung im Volumen der Batterie ergibt.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit dazu programmiert ist, einen elektrisch geschätzten Ladezustand der Batterie ausgehend von dem physikalisch geschätzten Ladezustand der Batterie zurückzusetzen oder neu zu justieren.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit dazu programmiert ist, eine Funktion zu verwenden, um den Ladezustand der Batterie physikalisch zu schätzen.
  4. System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit den elektrisch geschätzten Ladezustand der Batterie ausgehend von dem physikalisch geschätzten Ladezustand zurücksetzt oder neu justiert, wenn der physikalisch geschätzte Ladezustand ein bestimmter Ladezustand auf einer Lade- oder Entladekurve der Batterie ist.
  5. System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit den elektrisch geschätzten Ladezustand der Batterie ausgehend von einem charakteristischen Merkmal auf einer Lade- oder Entladekurve der Batterie zurücksetzt oder neu justiert, wobei die Lade- oder Entladekurve das Messsignal zu dem Ladezustand in Beziehung setzt.
  6. System nach Anspruch 5, wobei das charakteristische Merkmal ein lokales Maximum, ein lokales Minimum oder ein Wendepunkt ist.
  7. System nach Anspruch 3, wobei die Funktion eine Historie des Messsignals umfasst.
  8. System nach Anspruch 3, wobei die Funktion eine Look-Up-Tabelle verwendet.
DE102014103800.2A 2013-05-08 2014-03-20 SOC-Bestimmung durch Evaluierung von durch Dimensionsänderungen der Batterie hervorgerufenen Effekten Active DE102014103800B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/889,894 US9476946B2 (en) 2013-05-08 2013-05-08 SOC determination by evaluation of effects invoked by dimensional changes of battery cells
US13/889,894 2013-05-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102014103800A1 DE102014103800A1 (de) 2014-11-13
DE102014103800B4 true DE102014103800B4 (de) 2020-02-27

Family

ID=51787662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014103800.2A Active DE102014103800B4 (de) 2013-05-08 2014-03-20 SOC-Bestimmung durch Evaluierung von durch Dimensionsänderungen der Batterie hervorgerufenen Effekten

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9476946B2 (de)
CN (1) CN104142476B (de)
DE (1) DE102014103800B4 (de)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9455582B2 (en) 2014-03-07 2016-09-27 Apple Inc. Electronic device and charging device for electronic device
US9917335B2 (en) 2014-08-28 2018-03-13 Apple Inc. Methods for determining and controlling battery expansion
US20160064961A1 (en) * 2014-09-02 2016-03-03 Apple Inc. User-behavior-driven battery charging
DE102015211598A1 (de) 2015-06-23 2016-12-29 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Batteriemanagementsystems
WO2017010475A1 (ja) * 2015-07-13 2017-01-19 三菱電機株式会社 リチウムイオン電池の充電状態推定方法およびリチウムイオン電池の充電状態推定装置
US9954255B2 (en) * 2015-10-16 2018-04-24 Chroma Ate Inc. Measurement fixture for a battery cell
WO2017087807A1 (en) 2015-11-19 2017-05-26 The Regents Of The University Of Michigan State of battery health estimation based on swelling characteristics
DE102015016361A1 (de) 2015-12-17 2016-06-09 Daimler Ag Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie
DE102015016359A1 (de) 2015-12-17 2016-06-09 Daimler Ag Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie
KR20170092344A (ko) 2016-02-03 2017-08-11 삼성전자주식회사 배터리 관리 장치 및 방법
US20170324122A1 (en) * 2016-05-03 2017-11-09 Ford Global Technologies, Llc Sensitive strain-based soc and soh monitoring of battery cells
US10393821B2 (en) * 2017-03-29 2019-08-27 Amazon Technologies, Inc. Power supply monitoring system using optical estimation
CN107748329A (zh) * 2017-09-18 2018-03-02 清华大学 锂离子电池荷电状态监测方法、监测装置和监测模块
CN107748338A (zh) * 2017-12-07 2018-03-02 力信(江苏)能源科技有限责任公司 一种锂离子电池循环寿命的检测装置及评估方法
CN110596610A (zh) * 2018-06-12 2019-12-20 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种电池模组的充放电电量状态检测的方法、装置和电池
JP7361122B2 (ja) * 2018-09-11 2023-10-13 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー アクティブバッテリ管理方法
CN109543305A (zh) * 2018-11-23 2019-03-29 北斗航天汽车(北京)有限公司 一种基于cae的车辆电池包抗挤压性的模拟测试方法
US20200280109A1 (en) 2019-03-01 2020-09-03 Ses Holdings Pte. Ltd. Rechargeable Battery
JP7347063B2 (ja) * 2019-09-20 2023-09-20 株式会社デンソー 残存容量設定装置
WO2022006214A1 (en) * 2020-07-01 2022-01-06 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University System and methods for detecting and mitigating lithium plating
CN112098872B (zh) * 2020-08-13 2021-06-22 湖南大学 一种动力电池快速诊断与评测的方法
DE102020130834A1 (de) 2020-11-23 2022-05-25 Audi Aktiengesellschaft Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung und Kraftfahrzeug
CN112816878B (zh) * 2021-01-04 2024-03-01 浙江南都电源动力股份有限公司 一种soc估算方法、装置及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100075209A1 (en) * 2008-09-19 2010-03-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Battery unit
DE102009034854A1 (de) * 2009-07-27 2011-02-10 Continental Automotive Gmbh Anordnung und Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands
WO2011072295A2 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 A123 Systems, Inc. System and method for estimating a state of a battery pack

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08194037A (ja) * 1995-01-19 1996-07-30 Nippon Soken Inc アルカリ電池の残存容量測定方法および装置
JP4529516B2 (ja) * 2004-03-30 2010-08-25 Tdk株式会社 電源
JP4655568B2 (ja) * 2004-05-25 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 二次電池の状態推定方法およびシステム
KR100889244B1 (ko) * 2005-04-20 2009-03-17 주식회사 엘지화학 압전 센서가 내장된 이차전지 모듈
DE102007063188A1 (de) * 2007-12-20 2009-06-25 Daimler Ag Batterie und Verfahren zum Betreiben einer Batterie
US20110033735A1 (en) * 2008-12-05 2011-02-10 Masahiro Kinoshita Battery pack
US9634295B2 (en) 2010-01-15 2017-04-25 Pellion Technologies, Inc. Expandable battery pack containment device for pouch battery cells
WO2012170873A2 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Purdue Research Foundation Battery and battery-sensing apparatuses and methods
US20130029185A1 (en) * 2011-07-27 2013-01-31 Primus Power Corporation Electrochemical System Having a System for Determining a State of Charge

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100075209A1 (en) * 2008-09-19 2010-03-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Battery unit
DE102009034854A1 (de) * 2009-07-27 2011-02-10 Continental Automotive Gmbh Anordnung und Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands
WO2011072295A2 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 A123 Systems, Inc. System and method for estimating a state of a battery pack

Also Published As

Publication number Publication date
CN104142476B (zh) 2017-10-31
DE102014103800A1 (de) 2014-11-13
CN104142476A (zh) 2014-11-12
US20140333312A1 (en) 2014-11-13
US9476946B2 (en) 2016-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014103800B4 (de) SOC-Bestimmung durch Evaluierung von durch Dimensionsänderungen der Batterie hervorgerufenen Effekten
DE102013112533B4 (de) Plug-In Ladungskapazitätsschätzungsverfahren für Lithium-Eisenphosphatbatterien
DE102014214010B4 (de) Vorrichtung zur Schätzung von Batterie-Leerlaufspannung auf Basis von transienten Widerstandseffekten
DE102012207815B4 (de) Systeme und verfahren zum bestimmen von zellenkapazitätswerten in einer batterie mit vielen zellen
DE102009005218B4 (de) Schneller Suchalgorithmus zum Auffinden einer Anfangs-Diffusionsspannung bei elektrochemischen Sytemen
CN103969589B (zh) 通过阳电极半电池电压曲线的优化拟合检测开路电压偏移的方法
DE102014221547A1 (de) Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie
CN106597289B (zh) 电池健康状态测算方法
DE112014006399T5 (de) Ladezustandschätzvorrichtung für eine Sekundärbatterie
EP1562049A1 (de) Verfahren zur Bestimmung von Kenngrössen für elektrische Zustände einer Speicherbatterie und Überwachungseinrichtung hierzu
DE102013103923A1 (de) Modellierungsänderungen in der Ladezustandsleerlaufspannungskurve unter Verwendung von Regressionsparametern in einem physikalischen Reduced-Order-Model
DE102005062148B4 (de) Verfahren zum Ermitteln des Betriebszustands eines Energiespeichers für elektrische Energie
DE102014103803A1 (de) Batteriezustandsschätzer, der ein elektrochemisches Festkörperkonzentrationsmodell mit einem empirischen Ersatzschaltungsmodell kombiniert
WO2013174591A1 (de) VORRICHTUNG ZUM ERMITTELN EINER ZUSTANDSGRÖßE EINER ZELLE ZUR UMWANDLUNG VON CHEMISCHER ENERGIE IN ELEKTRISCHE ENERGIE, ZELLE, ZELLENMODUL UND VERFAHREN ZUM ERMITTELN EINER ZUSTANDSGRÖßE EINER ZELLE
DE102015203461A1 (de) System und verfahren zur beurteilung des gesundheitszustands anhand von batteriemodellparametern
DE112018001790T5 (de) Vorrichtung zur verwaltung eines energiespeichergeräts und verfahren zur ver waltung eines energiespeichergeräts
DE102012010486A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bewerten eines Alterungszustands einer Batterie
DE102012200414A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zu einer Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers
DE102019211913A1 (de) Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batterie sowie Steuergerät und Fahrzeug
DE112018005402T5 (de) Verwaltungssystem, batterie und verwaltungsverfahren für energiespeichervorrichtung
DE102013010311A1 (de) Verfahren zur Zustandsbestimmung von Batterie-Einzelzellen einer Hochvolt-Batterie sowie System hierfür
DE102018203824A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers, Steuerung für einen elektrischen Energiespeicher und Vorrichtung und/oder Fahrzeug
DE102020206272A1 (de) Batterieverwaltungssystem mit gemischter elektrode
DE102012010487B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen der tatsächlichen Kapazität einer Batterie
DE102011087761B4 (de) Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustands einer Batterieanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: SCHWEIGER & PARTNER, DE

Representative=s name: SCHWEIGER & PARTNERS, DE

R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01R0031360000

Ipc: H01M0010480000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R082 Change of representative

Representative=s name: SCHWEIGER, MARTIN, DIPL.-ING. UNIV., DE