DE102015016361A1

DE102015016361A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie

Info

Publication number: DE102015016361A1
Application number: DE102015016361.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) und Alterungsgrads (SOH) einer elektrischen Batterie (2) mit einer Anzahl von innerhalb eines Batteriegehäuses (2.1) angeordneten Einzelzellen (2.2 bis 2.n), wobei die Bestimmung des Ladezustands (SOC) und Alterungsgrads (SOH) anhand zumindest eines Messwerts (M) mittels zumindest einer Ladezustands-Kennlinie (KL1) und zumindest einer Alterungsgrad-Kennlinie (KL2) erfolgt, wobei als Messwert (M) – ein Verpressdruck zwischen mehreren Einzelzellen (2.2 bis 2.n) und/oder – ein Verpressdruck zwischen zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und dem Batteriegehäuse (2.1) und/oder – ein Volumen zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – eine Änderung des Volumens zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – ein Gasdruck innerhalb zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – eine Verformung zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder zumindest einer mit dieser verbundenen Komponente erfasst wird, – wobei bei der Bestimmung des Messwerts (M) zusätzlich der Alterungsgrad (SOH) berücksichtigt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines solchen Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Batterie (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie.
Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines solchen Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Batterie.
Aus der DE 10 2012 209 271 A1 ist ein Verfahren zur Zustandsbestimmung für eine elektrische Batterie mit einer Batteriezelle, einem Zellgehäuse und einem innerhalb des Zellgehäuses angeordneten Elektrodenwickel bekannt. Der Elektrodenwickel ist bereichsweise von einem drucksensitiven Foliensensor bedeckt, wobei ein von dem drucksensitiven Foliensensor bereitgestellter Messwert oder eine von diesem Messwert abgeleitete Größe eingelesen und als Auswerteparameter zur Bestimmung des Zustands der Batterie verwendet wird. Anhand des von dem drucksensitiven Foliensensor bereitgestellten Messwerts oder der von diesem Messwert abgeleiteten Größe wird eine Schwellkraft aus einer Anschwellung des Elektrodenwickels aufgrund eines Ladezustands desselbigen bestimmt, welche zur weiteren Bestimmung des Ladezustands oder Alterungsgrads verwendet wird. Hierbei werden batteriezellcharakteristische Messwerte oder Messreihen und Kennlinienfelder hinterlegt, welche zuvor mit Referenzbatteriezellen ermittelt wurden. Die Messwerte werden mit den gemessenen Größen an der zu vermessenden Batteriezelle verglichen. Mittels des drucksensitiven Foliensensors werden bei jeder vollständigen Ladung der Batteriezelle eine maximale Schwellkraft und bei jeder vollständigen Entladung der Batteriezelle eine minimale Schwellkraft aus der maximalen oder minimalen Anschwellung des Elektrodenwickels bestimmt und zur Auswertung bereitgestellt.
Weiterhin ist aus der DE 10 2014 103 800 A1 ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands einer elektrischen Batterie bekannt, wobei die Batterie einen Elektrolyten, eine Anode, eine Kathode und Stromkollektoren aufweist. Dabei wird mittels eines Sensors ein Messsignal erzeugt, welches eine Änderung eines 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 Einschränkungen unterliegen würden. Ferner wird mittels eines Reglers das Messsignal verwendet, um einen Ladezustand der Batterie physikalisch zu schätzen.
Auch ist es aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, dass eine Bestimmung eines Ladezustands von Einzelzellen, beispielsweise Lithiumionen-, Natriumionen-, Kaliumionen- und Magnesiumionen- und Metall-Schwefel-Zellen, im stromlosen Zustand erfolgt, d. h. nicht während eines Betriebs der Batterie. Die Bestimmung erfolgt durch mathematische Integration eines fließenden Batteriestroms und Berechnung des Ladezustands.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie und eine Verwendung eines solchen Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Batterie anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Verwendung durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie mit einer Anzahl von innerhalb eines Batteriegehäuses angeordneten Einzelzellen erfolgt die Bestimmung des Ladezustands und Alterungsgrads anhand zumindest eines Messwerts mittels zumindest einer Ladezustands-Kennlinie und zumindest einer Alterungsgrad-Kennlinie, wobei als Messwert

– ein Verpressdruck zwischen mehreren Einzelzellen und/oder
– ein Verpressdruck zwischen zumindest einer Einzelzelle und dem Batteriegehäuse und/oder
– ein Volumen zumindest einer Einzelzelle und/oder
– eine Änderung des Volumens zumindest einer Einzelzelle und/oder
– ein Gasdruck innerhalb zumindest einer Einzelzelle und/oder
– eine Verformung zumindest einer Einzelzelle und/oder zumindest einer mit dieser verbundenen Komponente erfasst wird und bei der Bestimmung des Messwerts zusätzlich der Alterungsgrad berücksichtigt wird.

Das Verfahren ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung des Ladezustands der Batterie, insbesondere auch während eines Betriebs derselben. Hierdurch können Überladungen der Batterie vermieden werden und Sicherheitsabstände zu einer oberen Grenze und einer unteren Grenze eines Ladezustands, welche ein so genanntes Potentialfenster begrenzen, können verringert werden. Daraus folgend ist es möglich, eine nutzbare Energiedichte der Batterie zu erhöhen, da das Potentialfenster der Anzahl von Einzelzellen besser ausgenutzt werden kann, ohne ein Sicherheitsrisiko zu erhöhen. Hierdurch wird auch eine elektrochemische Leistungsfähigkeit der Anzahl von Einzelzellen erhöht. Weiterhin ist es aufgrund der genauen Kenntnis des Ladezustands der Batterie möglich, eine bessere Angleichung von Zellspannungen unterschiedlicher Einzelzellen einer Batterie, auch als Balancierung oder Balancing bezeichnet, zu realisieren. Somit kann eine Alterung der Anzahl von Einzelzellen verlangsamt werden, eine Sicherheit erhöht und eine Datendokumentation von Betriebsparametern der Batterie verbessert werden, da die Anzahl von Einzelzellen im laufendem Betrieb der Batterie überwacht werden kann.
Das Volumen der zumindest einen Einzelzelle und/oder die Änderung des Volumens werden bzw. wird in einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens mittels zumindest eines kapazitiven Sensors ermittelt. Diese sind sehr genau und kostengünstig. Dagegen ist eine aus dem Stand der Technik bekannte hochpräzise Strommessung sehr kostenaufwendig und fehleranfällig.
Weiterhin ist es mittels des Verfahrens möglich, in Abhängigkeit des Ladezustands und des Alterungsgrads eine Ladegeschwindigkeit und/oder Entladegeschwindigkeit der Batterie einzustellen. Hierdurch ist es möglich, so genannte Hochenergiematerialen, beispielsweise LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiFePO₄, Hochenergie-Nickel-Mangan-Cobalt (kurz: HE-NMC), Nickel-Cobalt-Aluminium (kurz: NCA), in Batterien, auch in Batterien für mobile Anwendungen, zu verwenden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands und Alterungsgrads einer elektrischen Batterie.
In der einzigen 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Ladezustands SOC und Alterungsgrads SOH einer elektrischen Batterie 2 in stark vereinfachter Weise dargestellt.
Die Batterie 2 umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalter Einzelzellen 2.2 bis 2.n, welche gemeinsam in einem Batteriegehäuse 2.1 angeordnet sind.
Beispielsweise ist die Batterie 2 zu einer Verwendung als Starterbatterie und/oder Traktionsbatterie in einem Fahrzeug vorgesehen.
Für einen optimalen Betrieb einer solchen Batterie 2 mit einer möglichst großen nutzbaren Energiedichte ist eine genaue Kenntnis des Ladezustands SOC der Batterie 2 erforderlich. Ein möglicher Ladezustand SOC ist dabei abhängig vom Alterungsgrad SOH der Einzelzellen 2.2 bis 2.n bzw. der Batterie 2.
Die Einzelzellen 2.2 bis 2.n umfassen beispielsweise siliziumhaltige Anoden, zinnhaltige Elektroden und/oder eine so genannte Hochenergie-Zellchemie, welche beispielsweise LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiFePO₄, Hochenergie-Nickel-Mangan-Cobalt (kurz: HE-NMC) und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium (kurz: NCA), umfasst.
Derartige Einzelzellen 2.2 bis 2.n weisen während ihres Betriebs in Abhängigkeit des Ladezustands SOC unterschiedliche Volumina auf. Sind die Einzelzellen 2.2 bis 2.n zu einem Zellblock verpresst, bewirkt eine Veränderung des Volumens einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n eine Änderung eines Verpressdrucks zwischen den Einzelzellen 2.2 bis 2.n und/oder eine Änderung eines Verpressdrucks zwischen zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n und dem Batteriegehäuse 2.1. Aus dieser Änderung des Verpressdrucks ändert sich wiederum eine elektrische Ruhespannung der Einzelzellen 2.2 bis 2.n.
Zur Bestimmung des Ladezustands SOC und Alterungsgrads SOH der Batterie 2 ist deshalb vorgesehen, dass diese mittels zumindest eines Sensors 3 und einer Auswerteeinheit 4 anhand eines Verpressdrucks zwischen mehreren Einzelzellen 2.2 bis 2.n und/oder anhand eines Verpressdrucks zwischen zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n und dem Batteriegehäuse 2.1 und/oder anhand eines Volumens zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n, insbesondere eines verdrängten Volumens eines Elektrolyts oder einer anderen Flüssigkeit, und/oder anhand einer Änderung des Volumens zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n und/oder anhand eines Gasdrucks innerhalb zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n und/oder anhand einer Verformung zumindest einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n und/oder zumindest einer mit dieser verbundenen Komponente, beispielsweise einer Biegung eines Ableiters oder einer Schweißnaht, ermittelt werden. Eine Ausdehnung einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n ist dabei abhängig von ihrem Ladezustand SOC und Alterungsgrad SOH, so dass die Ermittlung des Ladezustands SOC und Alterungsgrads SOH anhand des mittels des Sensors 3 ermittelten Messwerts M und zumindest einer spezifischen Ladezustands-Kennlinie KL1 und zumindest einer spezifischen Alterungsgrad-Kennlinie KL2 erfolgt. Bei der Bestimmung des Ladezustands SOC wird zusätzlich der Alterungsgrad SOH der Batterie 2 berücksichtigt.
Der zumindest eine Sensor 3 ist dabei innerhalb einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n oder außerhalb einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n angeordnet und wird während einer Herstellung der Einzelzelle 2.2 bis 2.n oder der Batterie 2 installiert. Der zumindest eine Sensor 3 erfasst einen entsprechenden Messwert M optisch, induktiv, kapazitiv, konduktiv und/oder resistiv. In einer möglichen Ausgestaltung ist eine ortsaufgelöste Erfassung der Messwerte M mittels mehrere Sensoren 3 vorgesehen, so dass eine Ausdehnung einer Einzelzelle 2.2 bis 2.n ortsaufgelöst bezüglich ihrer Oberfläche ermittelt werden kann.
Die beschriebene Ermittlung des Ladezustands SOC und Alterungsgrads SOH der Batterie 2 ist dabei während eines Betriebs der Batterie 2 und bei variablen Umgebungsbedingungen, insbesondere unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichem Luftdruck, möglich.
In Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands SOC und des Alterungsgrads SOH wird eine Ladegeschwindigkeit und/oder Entladegeschwindigkeit der Batterie 2 eingestellt. Weiterhin ist es möglich, dass die Ladezustands-Kennlinie KL1 und Alterungsgrad-Kennlinie KL2 in Abhängigkeit einer Anzahl von Lade- und Entladezyklen angepasst werden. Diese Anpassung kann manuell oder automatisch, beispielsweise anhand einer übergeordneten nicht näher dargestellten Kennlinie, erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012209271 A1 [0003]
DE 102014103800 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) und Alterungsgrads (SOH) einer elektrischen Batterie (2) mit einer Anzahl von innerhalb eines Batteriegehäuses (2.1) angeordneten Einzelzellen (2.2 bis 2.n), wobei die Bestimmung des Ladezustands (SOC) und Alterungsgrads (SOH) anhand zumindest eines Messwerts (M) mittels zumindest einer Ladezustands-Kennlinie (KL1) und zumindest einer Alterungsgrad-Kennlinie (KL2) erfolgt, wobei als Messwert (M) – ein Verpressdruck zwischen mehreren Einzelzellen (2.2 bis 2.n) und/oder – ein Verpressdruck zwischen zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und dem Batteriegehäuse (2.1) und/oder – ein Volumen zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – eine Änderung des Volumens zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – ein Gasdruck innerhalb zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder – eine Verformung zumindest einer Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder zumindest einer mit dieser verbundenen Komponente erfasst wird, – wobei bei der Bestimmung des Messwerts (M) zusätzlich der Alterungsgrad (SOH) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der zumindest einen Einzelzelle (2.2 bis 2.n) und/oder die Änderung des Volumens mittels zumindest eines kapazitiven Sensors (3) ermittelt werden oder wird.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Betrieb einer elektrischen Batterie (2), wobei in Abhängigkeit des Ladezustands (SOC) und des Alterungsgrads (SOH) eine Ladegeschwindigkeit und/oder Entladegeschwindigkeit der Batterie (2) eingestellt werden oder wird.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezustands-Kennlinie (KL1) und Alterungsgrad-Kennlinie (KL2) in Abhängigkeit einer Anzahl von Lade- und Entladezyklen angepasst werden.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung automatisch erfolgt.