DE102014225364A1 - Method for determining the state of aging of a battery module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls (10), das eine Vielzahl von zusammengeschalteten Zellen (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Abkoppeln des Batteriemoduls (10) von einem Kühlmittelkreislauf (20); Messen einer ersten Temperatur mittels der Temperatursensoren (12); Laden des Batteriemoduls (10) mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum; Messen einer zweiten Temperatur mittels der Temperatursensoren (12) nach Beenden des Ladevorganges; und Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls (10) basierend auf einer Temperaturdifferenz ∆T zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.The invention relates to a method for the calorimetric determination of the aging state of a battery module (10) which has a multiplicity of interconnected cells (11) and at least one temperature sensor (12). The method comprises the following steps: decoupling the battery module (10) from a coolant circuit (20); Measuring a first temperature by means of the temperature sensors (12); Charging the battery module (10) with a defined, constant current over a defined period of time; Measuring a second temperature by means of the temperature sensors (12) after completion of the charging process; and calculating the internal resistance of the battery module (10) based on a temperature difference ΔT between the first temperature and the second temperature.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul beispielsweise zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und insbesondere ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls. The present invention relates to a battery module, for example for use in hybrid and electric vehicles, and in particular to a method for calorimetric determination of the aging state of a battery module.

Stand der Technik State of the art

Batteriemodule, üblicherweise bestehend aus mehreren Zellen, die miteinander elektrisch verschaltet sind, kommen beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Häufig wird dabei eine relativ hohe Zahl von Zellen eingesetzt. Zunehmend werden in der Automobilindustrie Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Maßgebliche Parameter einer Zelle sind üblicherweise die Kapazität und der Innenwiderstand. Die Kapazität einer Zelle bezeichnet im Allgemeinen die Ladungsmenge, die von der Zelle gespeichert werden oder abgegeben werden kann. Wird eine Zelle bzw. ein Batteriemodul mit einem Strom geladen, so stellt der Innenwiderstand der Zellen im Stromkreis einen Widerstand dar. Idealisiert fällt am Innenwiderstand der Zelle eine Spannung ab, wobei eine Verlustleistung entsteht, die u.a. als Wärme messbar ist. Battery modules, usually consisting of several cells that are electrically interconnected, are used for example in hybrid and electric vehicles. Frequently, a relatively high number of cells is used. Increasingly, lithium-ion cells are used in the automotive industry. The decisive parameters of a cell are usually the capacitance and the internal resistance. The capacity of a cell generally refers to the amount of charge that can be stored or delivered by the cell. When a cell or a battery module is charged with a current, the internal resistance of the cells in the circuit represents a resistance. Ideally, a voltage drops across the internal resistance of the cell, resulting in a power loss which i.a. as heat is measurable.

Um eine thermische Verlustleistung zu messen, werden nach dem Stand der Technik Kalorimeter eingesetzt, in denen sich das Testobjekt befindet. Wird dem Testobjekt eine Energie zugeführt, entsteht üblicherweise eine thermische Verlustleistung das Testobjekt im Kalorimeter erwärmt. Mithilfe der bekannten Masse des Testobjekts, der spezifischen Wärmekapazität des Kalorimeters und der gemessenen Temperaturerhöhung kann die Verlustleistung ermittelt werden. In order to measure a thermal power loss, calorimeters are used in the prior art, in which the test object is located. If an energy is supplied to the test object, usually a thermal power dissipation is produced which heats the test object in the calorimeter. Using the known mass of the test object, the specific heat capacity of the calorimeter and the measured temperature increase, the power loss can be determined.

Für den Betrieb eines Batteriemoduls sind der Ladezustand, auch englisch: State of Charge (SOC) genannt, und der Alterungszustand, auch englisch: State of Health (SOH) genannt, von großer Bedeutung. Der Ladezustand beschreibt den aktuellen Ladezustand und damit wie viel Ladung (noch) in der Zelle enthalten ist. Eine vollständig geladene Zelle hat einen SOC von 100%. Eine präzise Ladezustandsanzeige ist für Hybrid- und Elektrofahrzeuge essenziell. Durch nutzungsbedingte zyklische Alterung, beispielsweise durch Über- und Tiefentladung oder zu hohe Ströme, und produktbedingte kalendarische Alterung verschlechtern sich die Parameter, wie beispielsweise der Innenwiderstand, die Kapazität, Selbstentladung und verbleibende Ladezyklen, einer Zelle in Gebrauch gegenüber denen einer neuen Zelle. Der Alterungszustand beschreibt den irreversiblen Kapazitätsverlust bzw. die Alterung einer Zelle. Eine neue Zelle hat einen SOH von 100%. In der Automobilindustrie, beispielsweise, gilt ein Batteriemodul mit einem SOH von 80% oder geringer als nicht mehr geeignet für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Der Alterungszustand einer Zelle stellt keinen Messwert einer physikalischen Größe dar, sondern vielmehr ein Maß für die Funktionsfähigkeit der Zelle, wobei dieses Maß indirekt auch ein Maß für die Restlebensdauer und der Restkapazität der Zelle sein kann. For the operation of a battery module, the state of charge, also called state of charge (SOC), and the state of aging, also known as state of health (SOH), of great importance. The state of charge describes the current state of charge and how much charge is (still) contained in the cell. A fully charged cell has an SOC of 100%. A precise charge level indicator is essential for hybrid and electric vehicles. Due to cyclical aging due to use, for example, over- and over-discharge or too high currents, and product-related calendar aging, parameters such as internal resistance, capacitance, self-discharge and remaining charge cycles of a cell in use become worse than those of a new cell. The state of aging describes the irreversible loss of capacity or the aging of a cell. A new cell has a SOH of 100%. In the automotive industry, for example, a battery module with an SOH of 80% or less is considered no longer suitable for hybrid and electric vehicles. The aging state of a cell is not a measurement of a physical quantity, but rather a measure of the functionality of the cell, which measure can indirectly also be a measure of the remaining life and the residual capacity of the cell.

Bekannte Verfahren zum Ermitteln des typischerweise in Prozent angegebenen Alterungszustandes eines Batteriemoduls erfassen Betriebsereignisse, die gewichtet gezählt werden und die unter Benutzung von Datenblattangaben zu Abnutzungswerten und weiter zu Werten des Alterungszustandes des Batteriemoduls führen. Mit anderen Worten wird eine Schätzung des Alterungszustandes vorgenommen, die auf einem typischen und dementsprechend erwarteten Abnutzungsverhalten einer Batterie basiert. Weiterhin führt die Bestimmung der Betriebstemperatur des Batteriemoduls rechnerisch zu Abnutzungswerten und weiter zu Werten des Alterungszustandes des Batteriemoduls. Known methods for determining the typically percent state of aging of a battery module detect operating events that are weighted and that result in wear values using data sheet information and, further, battery state of health values. In other words, an estimation of the aging state is made based on a typical and accordingly expected wear behavior of a battery. Furthermore, the determination of the operating temperature of the battery module leads arithmetically to wear values and further to values of the aging state of the battery module.

Aus der US 2005/0269991 A1 ist ein Verfahren zum Abschätzen des Ladungszustandes (SOC) einer Batterie bekannt, welches den Innenwiderstand der Batterie durch Vergleichen der gemessenen Betriebstemperatur mit einem Korrelationsdiagramm, in dem zuvor gespeicherte Batterietemperaturen in Abhängigkeit von dem Innenwiderstand der Batterie dargestellt sind, abschätzt. From the US 2005/0269991 A1 A method of estimating the state of charge (SOC) of a battery is known, which estimates the internal resistance of the battery by comparing the measured operating temperature with a correlation diagram in which previously stored battery temperatures are represented as a function of the internal resistance of the battery.

Der geschätzte Innenwiderstand der Batterie wird dann zur Bestimmung eines geschätzten Lade-/Entladestromes herangezogen, auf dessen Grundlage dann der geschätzte SOC bestimmt wird. Weiterhin wird mittels eines Stromsensors ein Lade-/Entladestrom gemessen, mit dessen Hilfe dann der Innenwiderstand der Batterie berechnet wird. Dieser Wert wird verwendet, um das Korrelationsdiagramm zu aktualisieren. The estimated internal resistance of the battery is then used to determine an estimated charge / discharge current, based on which the estimated SOC is determined. Furthermore, a charge / discharge current is measured by means of a current sensor, with the aid of which the internal resistance of the battery is then calculated. This value is used to update the correlation diagram.

Der Grundgedanke der offenbarten technischen Lösung besteht darin, dass der Alterungszustand einer Zelle offensichtlich eine Schlüsselkomponente für den Betrieb eines Batteriemoduls darstellt, dessen Kenntnis eine genauere Bestimmung tatsächlicher bzw. aktueller Zellparameter ermöglichen kann. Üblicherweise verändern sich die einzelnen Parameter einer Zelle während der Alterung unterschiedlich, sodass es sinnvoll erscheint, den Alterungszustand für unterschiedliche Zellparameter getrennt zu betrachten. The basic idea of the disclosed technical solution is that the aging state of a cell obviously represents a key component for the operation of a battery module whose knowledge can enable a more accurate determination of actual cell parameters. Usually, the individual parameters of a cell change differently during aging, so that it makes sense to consider the aging state separately for different cell parameters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie auf eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und/oder verbesserte Weise eine präzisere Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls ermöglicht werden kann. The invention has for its object to provide a way, as in a simplified and / or improved over the prior art, a more precise determination of the aging state of a battery module can be made possible.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Batteriemodul gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a method according to claim 1 and a battery module according to claim 10. Advantageous embodiments and further developments are specified in the respective subclaims.

Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls, das eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Zellen und zumindest einen Temperatursensor aufweist, vor, welches die folgenden Schritte umfasst: Abkoppeln des Batteriemoduls von einem Kühlmittelkreislauf, Messen einer ersten Temperatur mittels des/der Temperatursensor/en, Laden des Batteriemoduls mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum, Messen einer zweiten Temperatur mittels des/der Temperatursensor/en nach Beenden des Ladevorganges und Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls basierend auf einer Temperaturdifferenz ∆T zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur. Accordingly, the invention provides a method for calorimetrically determining the aging condition of a battery module having a plurality of interconnected cells and at least one temperature sensor, comprising the steps of: disconnecting the battery module from a coolant circuit, measuring a first temperature by means of the temperature sensor charging the battery module with a defined, constant current over a defined period of time, measuring a second temperature by means of the temperature sensor (s) after completion of the charging process, and calculating the internal resistance of the battery module based on a temperature difference ΔT between the first temperature and the second temperature.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass der aktuelle Innenwiderstand und damit der aktuelle Wirkungsgrad eines Batteriemoduls auf der Grundlage von kalorimetrischen Messungen berechnet werden kann und somit eine präzisere Bestimmung des Innenwiderstandes bzw. des Wirkungsgrades des Batteriemoduls möglich ist. The inventive method has the advantage over the prior art that the current internal resistance and thus the current efficiency of a battery module can be calculated on the basis of calorimetric measurements and thus a more precise determination of the internal resistance and the efficiency of the battery module is possible.

Da der ursprüngliche Innenwiderstand des Batteriemoduls bekannt ist bzw. vor Gebrauch des Batteriemoduls ermittelt wurde, kann ein Korrekturwert zur Berechnung des Alterungszustandes des Innenwiderstandes des Batteriemoduls ermittelt werden. Weiterhin kann basierend auf dem ursprünglichen Innenwiderstand des Batteriemoduls mit jeder nachfolgenden Messung eine Veränderung des Innenwiderstandes klassifiziert werden. Ein sprunghafter Anstieg des Innenwiderstandes des Batteriemoduls gegenüber vorangegangenen Messungen kann auf defekte Zellen hindeuten und bietet somit einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Mithilfe des berechneten aktuellen Innenwiderstandes des Batteriemoduls können weitere aktuelle Werte des Batteriemoduls, beispielsweise die Kapazität, ermittelt werden. Somit dient das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren einer genaueren Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls. Since the original internal resistance of the battery module is known or was determined before use of the battery module, a correction value for calculating the aging state of the internal resistance of the battery module can be determined. Furthermore, based on the original internal resistance of the battery module, a change in the internal resistance can be classified with each subsequent measurement. A sudden increase in the internal resistance of the battery module over previous measurements may indicate defective cells and thus offers a further advantage over the prior art. By means of the calculated actual internal resistance of the battery module further current values of the battery module, for example the capacity, can be determined. Thus, the calorimetric method according to the invention serves to more accurately determine the aging state of a battery module.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass vor dem Messen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur das Batteriemodul für einen ersten bzw. einen zweiten Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen wird. In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that prior to measuring the first temperature and the second temperature, the battery module for a first or a second period thermally insulated is left in the rest position.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass während des Ladevorganges die Spannung kontinuierlich gemessen wird. In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the voltage is continuously measured during the charging process.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass basierend auf den gemessenen Daten der Wirkungsgrad η des Batteriemoduls berechnet wird. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the efficiency η of the battery module is calculated on the basis of the measured data.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die einzelnen Verfahrensschritte von einem Batteriesteuergerät, das mit dem Batteriemodul und dem Kühlkreislauf verbunden ist, veranlasst werden. According to another preferred embodiment of the invention, it is provided that the individual method steps are initiated by a battery control device that is connected to the battery module and the cooling circuit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass basierend auf einer Temperaturdifferenz ∆T zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur die thermische Verlustleistung berechnet wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that based on a temperature difference .DELTA.T between the first temperature and the second temperature, the thermal power loss is calculated.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass basierend auf dem berechneten Innenwiderstand der Alterungszustand des Batteriemoduls ermittelt wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the aging state of the battery module is determined on the basis of the calculated internal resistance.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass Grenzwerte des Batteriemoduls nicht überschritten werden. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the charging duration and the charging current are dimensioned such that limit values of the battery module are not exceeded.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass ein Umschalten auf Konstantspannungsladen des Batteriemoduls vermieden wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the charging time and the charging current are dimensioned such that switching to constant voltage charging of the battery module is avoided.

Weiterhin sieht die Erfindung ein Batteriemodul, das eine oder mehrere zusammengeschaltete Zelle/n und zumindest einen Temperatursensor aufweist und mit einem Kühlkreislauf verbunden ist, wobei das Batteriemodul mit einem Batteriesteuergerät verbunden ist und von dem Steuergerät gesteuert und insbesondere überwacht wird, vor, wobei das Batteriemodul von dem Kühlkreislauf abkoppelbar ist und thermisch isoliert ein definierter Ladezyklus mittels des Steuergerätes durchführbar ist. Furthermore, the invention provides a battery module, which has one or more interconnected cell (s) and at least one temperature sensor and is connected to a cooling circuit, wherein the battery module is connected to a battery control unit and is controlled and in particular monitored by the control unit, wherein the battery module can be decoupled from the cooling circuit and thermally insulated a defined charging cycle by means of the control unit is feasible.

Durch die Abkopplung des Batteriemoduls von dem Kühlkreislauf und die Durchführugn eines definierten Ladezyklus mittels des Steuergerätes gestattet das erfindungsgemäße Batteriemodul die Durchführung des Verfahrens zur Feststellung des aktuellen inneren Widerstands des Batteriemoduls und damit ferner die Berechnung des Wirkungsgrades, woraus sich auf den Alterungszustand des Batteriemoduls schließen lässt. Due to the decoupling of the battery module from the cooling circuit and the Durchführugn a defined charging cycle by means of the control unit battery module according to the invention allows the implementation of the method for detecting the current internal resistance of the battery module and thus also the calculation of the efficiency, which suggests the aging state of the battery module ,

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen: The invention and advantageous embodiments according to the features of the further claims are explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in the drawings, without limiting the invention in this respect. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls; 1 a schematic representation of a device for determining the aging state of a battery module;

2 eine schematische Darstellung einer Temperaturerhöhung in einem Batteriemodul oder einer Zelle beim Ladevorgang; 2 a schematic representation of a temperature increase in a battery module or a cell during the charging process;

3 eine schematische Darstellung der beim Laden einer Zelle auftretenden Leistungen; und 3 a schematic representation of the occurring when loading a cell services; and

4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls. 4 a flowchart of a method for determining the aging state of a battery module.

Ausführungsform(en) der Erfindung Embodiment (s) of the invention

In 1 ist ein Batteriemodul 10 der mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden ist und von einem Batteriesteuergerät 30 gesteuert wird gezeigt. Das Batteriesteuergerät 30 wird unter anderem auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet. Der Batteriemodul 10 umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen 11, die die miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Zellen 11 können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen sein. Der Batteriemodul 10 kann beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. In dem Batteriemodul 10 sind an verschiedenen Stellen Temperatursensoren 12 verbaut, die die Zell- und Batteriemodultemperatur messen. In 1 is a battery module 10 the one with a cooling circuit 20 is connected and from a battery control unit 30 controlled is shown. The battery control unit 30 is also known as the battery management system. The battery module 10 usually includes a plurality of cells 11 that are electrically interconnected. The cells 11 may be, for example, lithium-ion cells. The battery module 10 can be used for example in hybrid and electric vehicles. In the battery module 10 are temperature sensors at various points 12 which measures the cell and battery module temperature.

In den 2 und 3 sind die Temperaturerhöhung in einem Batteriemodul oder einer Zelle beim Ladevorgang und die dabei auftretenden Leistungen schematisch dargestellt. Wird der Batteriemodul 10 über einen Zeitraum (t) mit einem definierten Strom geladen, so wird dem Batteriemodul 10 eine Energie P1 zugeführt. Diese teilt sich auf in die Energie P3, die in den Zellen gespeichert wird und die Energie P2, die als Wärme messbar ist. Die Energie P2 wird auch als thermische Verlustleistung bezeichnet. Je geringer die Temperaturerhöhung ΔT entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der zweiten, erhöhten Temperatur T2 am Ende des Ladezyklus und der ersten Temperatur T1 zu Beginn des Ladezyklus, umso geringer ist folglich der Innenwiderstand der Zellen. In the 2 and 3 are the temperature increase in a battery module or a cell during charging and the resulting services shown schematically. Will the battery module 10 Over a period of time (t) charged with a defined current, so does the battery module 10 an energy P 1 is supplied. This is divided into the energy P 3 , which is stored in the cells and the energy P 2 , which is measurable as heat. The energy P 2 is also called thermal power loss. The lower the temperature increase ΔT corresponding to the temperature difference between the second, elevated temperature T2 at the end of the charging cycle and the first temperature T1 at the beginning of the charging cycle, the lower the internal resistance of the cells.

In 4 sind die Schritte eines Verfahrens zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls 10 (dargestellt in 1) gezeigt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden von dem Batteriesteuergerät 30 veranlasst. Zunächst wird in einem Schritt 41 der Kühlkreislauf 20 von dem Batteriemodul 10 abgekoppelt und der Batteriemodul 10 für eine ausreichend lange Zeit t1 thermisch isoliert in Ruhestellung gebracht, was bedeutet, dass während dieser Zeit den Zellen 11 keine Energie entnommen oder zugeführt werden darf. Hierzu werden Komponenten, die der Temperaturregelung dienen, wie beispielsweise Pumpe, Kühler, Heizer und Ventile, von dem Batteriesteuergerät 30 ausgeschaltet. Dann erfolgt in einem Schritt 42 das Messen der Temperatur im Batteriemodul 10. Mithilfe der Temperatursensoren 12 werden die Temperaturen an verschiedenen Stellen im Batteriemodul 10 gemessen und als Temperaturen Ta1, Tb1, Tc1 ... abgespeichert. Es kann davon ausgegangen werden, dass nach ausreichend langer Betrachtungszeit die Temperaturverteilung innerhalb des Batteriemoduls gleich ist. Zusätzlich kann die Temperatur des im Kühlkreislauf 20 befindlichen Kühlmittels ermittelt werden und bei Bedarf zur Korrektur der ermittelten Temperatur des Batteriemoduls 10 herangezogen werden. In 4 are the steps of a method for determining the state of aging of a battery module 10 (shown in 1 ). The individual process steps are performed by the battery control unit 30 causes. First, in one step 41 the cooling circuit 20 from the battery module 10 uncoupled and the battery module 10 thermally isolated brought to rest for a sufficiently long time t 1 , which means that during this time the cells 11 no energy may be taken or supplied. For this purpose, components that serve to control the temperature, such as pump, radiator, heater and valves, from the battery control unit 30 switched off. Then done in one step 42 measuring the temperature in the battery module 10 , Using the temperature sensors 12 The temperatures are at different places in the battery module 10 measured and stored as temperatures T a1 , T b1 , T c1 .... It can be assumed that the temperature distribution within the battery module is the same after a sufficiently long observation time. In addition, the temperature of the cooling circuit 20 located coolant and, if necessary, to correct the detected temperature of the battery module 10 be used.

Nun wird in einem folgenden Schritt 43 das thermisch isolierte Batteriemodul 10 über einen definierten Zeitraum t2 mit einem definierten, konstanten Strom I geladen. Währenddessen wird in einem Schritt 44 die Spannung U kontinuierlich gemessen. Die Ladedauer ∆t und der Ladestrom I sollten so bemessen sein, dass über einen ausreichend langen Zeitraum ein konstanter Strom fließen kann, ohne dass Grenzwerte des Batteriemoduls 10 überschritten werden. Auch darf der Batteriemodul 10 nicht in einen Ladezustand gelangen, in dem auf Konstantspannungsladen umgeschaltet werden muss. Now in a following step 43 the thermally insulated battery module 10 over a defined period t 2 loaded with a defined, constant current I. Meanwhile, in one step 44 the voltage U is measured continuously. The charging duration .DELTA.t and the charging current I should be such that a constant current can flow for a sufficiently long period of time without battery module limits 10 be crossed, be exceeded, be passed. Also allowed is the battery module 10 do not go into a state of charge, in which must be switched to constant voltage charging.

Nachdem der definierte Ladezyklus beendet ist, wird das Batteriemodul 10 für einen ausreichend langen Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen. In einem nachfolgenden Schritt 45 werden mithilfe der Temperatursensoren 12 die Temperaturen an den gleichen Stellen wie zuvor im Batteriemodul 10 gemessen und als Temperaturen Ta2, Tb2, Tc2 ... abgespeichert. Ist das Verhältnis der Masse des Batteriemoduls 10 verglichen zum thermischen Widerstand zwischen dem Batteriemodul 10 und der Umgebung ausreichend klein, so kann auf eine dedizierte Isolation des Batteriemoduls 10 während der Zeiten t1, t2 und t3 verzichtet werden. After the defined charging cycle is completed, the battery module 10 leave for a sufficiently long period thermally isolated in the resting position. In a subsequent step 45 be using the temperature sensors 12 the temperatures in the same places as before in the battery module 10 measured and stored as temperatures T a2 , T b2 , T c2 .... Is the ratio of the mass of the battery module 10 compared to the thermal resistance between the battery module 10 and the environment is sufficiently small, so may be due to a dedicated isolation of the battery module 10 are dispensed with during the times t 1 , t 2 and t 3 .

Basierend auf den gemessenen Temperaturdaten Ta1, Tb1, Tc1 und Ta2, Tb2, Tc2 wird eine Temperaturdifferenz ΔT ermittelt. Dies kann für jeden einzelnen Messpunkt erfolgen oder gemittelt für den gesamten Batteriemodul 10. Anhand der Daten der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und der bekannten Parameter, wie beispielsweise Masse und spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls 10, Ladestromstärke, Ladezeit Δt, kann in einem weiteren Schritt 46 der Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 berechnet werden. Based on the measured temperature data T a1 , T b1 , T c1 and T a2 , T b2 , T c2 , a temperature difference ΔT is determined. This can be done for each individual measuring point or averaged over the entire battery module 10 , Based on the data of the determined temperature difference .DELTA.T and the known parameters, such as mass and specific heat capacity of the battery module 10 . Charge current, charging time .DELTA.t, in a further step 46 the internal resistance R of the battery module 10 be calculated.

Mit Hilfe der Grundgleichung der Kalorik, ΔQ = m·c ΔT mit

ΔQ
– Wärmeenergie
m
– Masse des Batteriemoduls 10
c
– spezifische Wärmekapazität de Batteriemoduls 10
ΔT
– Temperaturdifferenz
ist es möglich, die einem Körper, hier der Batteriemodul 10, zugeführte bzw. die von dem Körper abgegebene Wärmeenergie ΔQ zu ermitteln. Diese Gleichung gilt nur, wenn sich der Phasenzustand eines Körpers nicht ändert, was vorliegend gegeben ist. With the help of the basic equation of caloric, ΔQ = m · c ΔT With
.DELTA.Q
- Thermal energy
m
- Mass of the battery module 10
c
- specific heat capacity of the battery module 10
.DELTA.T
- temperature difference
is it possible for one body, here the battery module 10 to determine the heat energy ΔQ supplied or delivered by the body. This equation is valid only if the phase state of a body does not change, which is given here.

Mit Hilfe der ermittelten Wärmeenergie ΔQ ist es dann möglich, eine gemittelte momentane Wärmeleistung P, hier die thermische Verlustleistung P2, zu berechnen: P2 = ΔQ/Δt mit

Δt
– Ladezeit.
With the aid of the determined thermal energy ΔQ, it is then possible to calculate an averaged instantaneous heat output P, here the thermal power loss P 2 : P 2 = ΔQ / Δt With
.delta.t
- Loading time.

Die elektrische Leistung Pel ist wie folgt definiert: Pel = I2·R mit

I
– Ladestrom
R
– Innenwiderstand des Batteriemoduls 10
The electric power P el is defined as follows: P el = I 2 · R With
I
- charging current
R
- Internal resistance of the battery module 10

Setzt man die thermische Verlustleistung P2 mit der elektrischen Leistung Pel gleich, lässt sich der Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 wie folgt berechnen: R = P2/I2 mit

P2
– thermische Verlustleistung
I
– Ladestrom
If one sets the thermal power loss P 2 equal to the electrical power P el , the internal resistance R of the battery module can be determined 10 calculate as follows: R = P 2 / I 2 With
P 2
- thermal power loss
I
- charging current

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann ein vorteilhafter Ladestrom I = 10 A und eine vorteilhafte Ladezeit Δt = 7 Stunden betragen. Bei einer solchen beispielhaften Ladung kann bei einer Masse des Batteriemoduls 10 von 150 kg, einer spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls 10 von 2,4kJ/kgK und einer gemessenen Temperaturerhöhung ΔT von 7 K eine Wärmeenergie ΔQ von 2,52 MJ bestimmt werden, die während des Ladevorganges des Batteriemoduls 10 in Wärme umgewandelt wurde. Hieraus ergibt sich eine gemittelte momentane Wärmeleistung, die thermische Verlustleistung P2, von 100 W. Bei einem Ladestrom I von 10 A ergibt sich somit ein Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 von 1 Ω. According to one exemplary embodiment, an advantageous charging current I = 10 A and an advantageous charging time Δt = 7 hours. With such an exemplary charge, at a mass of the battery module 10 of 150 kg, a specific heat capacity of the battery module 10 of 2.4 kJ / kgK and a measured temperature increase ΔT of 7 K, a heat energy ΔQ of 2.52 MJ, which is determined during the charging process of the battery module 10 was converted into heat. This results in an average instantaneous heat output, the thermal power loss P 2 , of 100 W. With a charging current I of 10 A, this results in an internal resistance R of the battery module 10 of 1 Ω.

Da der ursprüngliche Innenwiderstand des Batteriemoduls bekannt ist bzw. vor Gebrauch des Batteriemoduls 10 ermittelt wurde, kann ein Korrekturwert zur Berechnung des Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 ermittelt werden. Weiterhin kann basierend auf dem ursprünglichen Innenwiderstand des Batteriemoduls 10 mit jeder nachfolgenden Messung eine Veränderung des Innenwiderstandes klassifiziert werden. Der berechnete Innenwiderstand des Batteriemoduls 10 kann somit zur Bestimmung des Alterungszustandes des Batteriemoduls 10 herangezogen werden. Mithilfe des berechneten aktuellen Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 können außerdem weitere aktuelle Werte des Batteriemoduls 10, beispielsweise die Kapazität, ermittelt werden. Since the original internal resistance of the battery module is known or before use of the battery module 10 has been determined, a correction value for calculating the internal resistance of the battery module 10 be determined. Furthermore, based on the original internal resistance of the battery module 10 with each subsequent measurement a change in the internal resistance can be classified. The calculated internal resistance of the battery module 10 can thus to determine the aging state of the battery module 10 be used. Using the calculated current internal resistance of the battery module 10 can also provide other current values of the battery module 10 For example, the capacity to be determined.

Ein sprunghafter Anstieg des Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 gegenüber vorangegangenen Messungen kann auf defekte Zellen 11 in dem Batteriemodul 10 hindeuten und bietet somit einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. A sudden increase in the internal resistance of the battery module 10 over previous measurements may be on defective cells 11 in the battery module 10 suggest and thus offers a further advantage over the prior art.

Weiterhin ist es möglich, den Wirkungsgrad η des Batteriemoduls 10 anhand der gemessenen Daten zu berechnen. Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades η η = 1 – c·m·ΔT / U·l·t mit

m
– Masse des Batteriemoduls 10
c
– spezifische Wärmekapazität de Batteriemoduls 10
ΔT
– Temperaturdifferenz
t
– Ladezeit t2
U
– Spannung
I
– Ladestrom
ist gültig für konstante Ströme und Spannungen. Zielführender erscheint eine Integration, also eine abschnittsweise Summation der Leistungen P(t1) = I(t1)·U(t1) + ... + I(tn)·U(tn). Auf Basis des aktuell ermittelten Wirkungsgrades kann der aktuelle Innenwiderstand des Batteriemoduls in einem Schritt 47 ermittelt werden. Da der ursprüngliche Wirkungsgrad des Batteriemoduls 10 bekannt ist oder vor Gebrauch des Batteriemoduls 10 ermittelt wurde, kann mit dem aktuell ermittelten Wirkungsgrad der Alterungszustand eines Batteriemoduls 10 ermittelt werden. Furthermore, it is possible the efficiency η of the battery module 10 based on the measured data. The formula for calculating the efficiency η η = 1 - c · m · ΔT / U · l · t With
m
- Mass of the battery module 10
c
- specific heat capacity of the battery module 10
.DELTA.T
- temperature difference
t
- Charging time t 2
U
- Tension
I
- charging current
is valid for constant currents and voltages. Targeting appears an integration, ie a section-wise summation of the power P (t 1 ) = I (t 1 ) · U (t 1 ) + ... + I (t n ) · U (t n ). On the basis of the currently determined efficiency, the current internal resistance of the battery module can be determined in one step 47 be determined. Because the original efficiency of the battery module 10 is known or before use of the battery module 10 could be determined with the currently determined efficiency of the aging state of a battery module 10 be determined.

Somit dient das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren einer genaueren Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls 10. Thus, the calorimetric method according to the invention serves to more accurately determine the aging state of a battery module 10 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2005/0269991 A1 [0006] US 2005/0269991 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls (10), der eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Zellen (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist, umfassend die Schritte: – Abkoppeln des Batteriemoduls (10) von einem Kühlmittelkreislauf (20); – Messen einer ersten Temperatur (T1) mittels des/der Temperatursensor/en (12); – Laden des Batteriemoduls (10) mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum (∆t); – Messen einer zweiten Temperatur (T2) mittels des/der Temperatursensor/en (12) nach Beenden des Ladevorganges; und – Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls (10) basierend auf einer Temperaturdifferenz (∆T) zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2). Method for calorimetric determination of the aging state of a battery module ( 10 ) having a plurality of interconnected cells ( 11 ) and at least one temperature sensor ( 12 ), comprising the steps of: - decoupling the battery module ( 10 ) of a coolant circuit ( 20 ); Measuring a first temperature (T1) by means of the temperature sensor (s) ( 12 ); - charging the battery module ( 10 ) with a defined, constant current over a defined period of time (Δt); Measuring a second temperature (T2) by means of the temperature sensor (s) ( 12 ) after completion of the charging process; and - calculating the internal resistance of the battery module ( 10 ) based on a temperature difference (ΔT) between the first temperature (T1) and the second temperature (T2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Messen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) das Batteriemodul (10) für einen ersten Zeitraum, insbesondere einen zweiten Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen wird. A method according to claim 1, characterized in that before measuring the first temperature (T1) and the second temperature (T2), the battery module ( 10 ) is left thermally isolated for a first period, in particular a second period at rest. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladevorganges die Spannung des Batteriemoduls (10) kontinuierlich gemessen wird. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that during the charging process, the voltage of the battery module ( 10 ) is continuously measured. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf den gemessenen Daten der Wirkungsgrad η des Batteriemoduls (10) berechnet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that based on the measured data, the efficiency η of the battery module ( 10 ) is calculated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte mittels eines Batteriesteuergerätes (30), das mit dem Batteriemodul (10) und dem Kühlkreislauf (20) verbunden ist, veranlasst, insbesondere überwacht, insbesondere ausgewertet werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the individual method steps by means of a battery control device ( 30 ) connected to the battery module ( 10 ) and the cooling circuit ( 20 ), causes, in particular monitored, in particular to be evaluated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf einer Temperaturdifferenz ∆T zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) eine thermische Verlustleistung (P2) berechnet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that based on a temperature difference .DELTA.T between the first temperature (T1) and the second temperature (T2), a thermal power loss (P 2 ) is calculated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem berechneten Innenwiderstand und/oder basierend auf dem berechneten Wirkungsgrad η der Alterungszustand des Batteriemoduls (10) ermittelt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that based on the calculated internal resistance and / or based on the calculated efficiency η of the aging state of the battery module ( 10 ) is determined. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass Grenzwerte des Batteriemoduls (10) nicht überschritten werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging time and the charging current are dimensioned such that limit values of the battery module ( 10 ) are not exceeded. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass ein Umschalten auf Konstantspannungsladen des Batteriemoduls (10) vermieden wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging time and the charging current are dimensioned such that switching to constant voltage charging of the battery module ( 10 ) is avoided. Batteriemodul (10), das eine oder mehrere zusammengeschaltete Zelle/n (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist und mit einem Kühlkreislauf verbunden ist, wobei das Batteriemodul (10) mit einem Batteriesteuergerät (30) verbunden ist und von dem Steuergerät gesteuert und insbesondere überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) von dem Kühlkreislauf (20) abkoppelbar ist und thermisch isoliert ein definierter Ladezyklus mittels des Steuergerätes (30) durchführbar ist Battery module ( 10 ) containing one or more interconnected cell (s) ( 11 ) and at least one temperature sensor ( 12 ) and is connected to a cooling circuit, wherein the battery module ( 10 ) with a battery control device ( 30 ) and is controlled and in particular monitored by the control unit, characterized in that the battery module ( 10 ) from the cooling circuit ( 20 ) can be decoupled and thermally isolated a defined charging cycle by means of the control unit ( 30 ) is feasible
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