DE102015222804A1 - ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE - Google Patents
ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015222804A1 DE102015222804A1 DE102015222804.5A DE102015222804A DE102015222804A1 DE 102015222804 A1 DE102015222804 A1 DE 102015222804A1 DE 102015222804 A DE102015222804 A DE 102015222804A DE 102015222804 A1 DE102015222804 A1 DE 102015222804A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- energy storage
- cathode
- anode
- analog
- reference electrode
- 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.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
- G01R19/2506—Arrangements for conditioning or analysing measured signals, e.g. for indicating peak values ; Details concerning sampling, digitizing or waveform capturing
- G01R19/2509—Details concerning sampling, digitizing or waveform capturing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
- G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0445—Multimode batteries, e.g. containing auxiliary cells or electrodes switchable in parallel or series connections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
- H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
- H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, beispielsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, welche mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode aufweist, einer Referenzelektrode, welche in die Energiespeicherzelle integriert ist, einer Verstärkungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Anode oder Kathode und der Referenzelektrode zu verstärken, und einer Verarbeitungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand der verstärkten Potentialdifferenz einen Betriebszustand, insbesondere eines Ladezustands, der Energiespeicherzelle zu ermitteln. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul mit solchen Energiespeichervorrichtungen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul.The invention relates to an energy storage device having an electrochemical energy storage cell, for example a lithium-ion accumulator, which has at least one anode and at least one cathode, a reference electrode, which is integrated in the energy storage cell, an amplifying device, which is adapted to a potential difference between the Anode or cathode and the reference electrode to amplify, and a processing device which is adapted to determine based on the increased potential difference an operating condition, in particular a state of charge, the energy storage cell. The invention further relates to a method for operating such an energy storage device, a battery module with such energy storage devices and a vehicle with such a battery module.
Description
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul mit solchen Energiespeichervorrichtungen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul.The invention relates to an energy storage device, a method for operating such an energy storage device, a battery module with such energy storage devices and a vehicle with such a battery module.
Batterien zur Speicherung elektrischer Energie spielen in fast jedem Aspekt des täglichen Lebens eine große Rolle, zum Beispiel in Uhren, tragbaren Elektrogeräten und auf dem Gebiet der drahtlosen Telekommunikation. Von zentraler Bedeutung sind sie insbesondere in dem Bereich der sogenannten Elektromobilität, sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Besonders hierbei ist es von großer Bedeutung, den Betriebszustand der Batterien, beispielsweise den Ladezustand oder die Lebensdauer, genau ermitteln zu können.Batteries for storing electrical energy play an important role in almost every aspect of daily life, for example in watches, portable electrical appliances and in the field of wireless telecommunications. They are of central importance, in particular in the field of so-called electromobility, both in vehicles with pure electric drive and in vehicles with hybrid drive. Especially here it is of great importance to be able to accurately determine the operating state of the batteries, for example the state of charge or the service life.
Zum Bestimmen des Betriebszustandes der Batterien, insbesondere des Ladezustandes (state of charge, SOC), werden verschiedene Methoden herangezogen, beispielsweise ein einfaches Abgleichen einer gemessenen Spannung mit einer bekannten Ladungs-Spannungskurve, eine direkte Messung der abgeflossenen Ladung durch Integration des bereits geflossenen Stroms oder ein Abgleich von integriertem Strom mit computergestützten Echtzeitberechnungen der im Betrieb auftretenden Überspannungspotentiale eines Batteriemodells. Die Genauigkeit der Ermittlung des Betriebszustandes, insbesondere des Ladezustandes, wird dabei im Allgemeinen maßgeblich von der Messgenauigkeit bei der Spannungs- bzw. Strommessung bestimmt.To determine the operating state of the batteries, in particular the state of charge (SOC), various methods are used, for example, a simple comparison of a measured voltage with a known charge voltage curve, a direct measurement of the charge flow by integration of the already flowed or an adjustment of integrated current with computer-aided real-time calculations of the overvoltage potentials of a battery model occurring during operation. The accuracy of the determination of the operating state, in particular of the state of charge, is generally determined substantially by the measurement accuracy in the voltage or current measurement.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeicherzelle, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeicherzelle, ein Batteriemodul mit solchen Energiespeicherzellen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul anzugeben, welche bzw. welches hinsichtlich der Bestimmung des Betriebszustandes besonders präzise ist.It is an object of the present invention to provide an energy storage cell, a method for operating such an energy storage cell, a battery module with such energy storage cells and a vehicle with such a battery module, which is particularly precise with respect to the determination of the operating state.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weist auf: eine elektrochemische Energiespeicherzelle mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, eine Referenzelektrode, welche in die Energiespeicherzelle integriert ist, eine Verstärkungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Anode oder Kathode und der Referenzelektrode zu verstärken, sowie eine Verarbeitungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand der verstärkten Potentialdifferenz einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu ermitteln.The energy storage device according to the invention comprises: an electrochemical energy storage cell having at least one anode and at least one cathode, a reference electrode, which is integrated in the energy storage cell, an amplifying device, which is designed to increase a potential difference between the anode or cathode and the reference electrode, and a processing device which is designed to determine an operating state of the energy storage cell based on the amplified potential difference.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist zwei oder mehrere miteinander verschaltete erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtungen auf.The battery module according to the invention has two or more interconnected inventive energy storage devices.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, weist einen Elektroantrieb oder einen Hybridantrieb sowie mindestens eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung und/oder mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriemodul auf.An inventive vehicle, in particular a motor vehicle, has an electric drive or a hybrid drive and at least one energy storage device according to the invention and / or at least one battery module according to the invention.
Bei einem Kraftfahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um ein nicht dauerhaft spurgeführtes Landfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, beispielsweise um einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibus oder ein Kraftrad.A motor vehicle in the sense of the present invention is preferably a non-permanently track-guided land vehicle, in particular a road vehicle, for example a passenger car, lorry, bus or a motorcycle.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, welche eine elektrochemische Energiespeicherzelle mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode und eine in die Energiespeicherzelle integrierte Referenzelektrode aufweist, weist folgende Schritte auf: Verstärkung einer Potentialdifferenz zwischen Anode oder Kathode und Referenzelektrode durch eine Verstärkungseinrichtung und Ermittlung eines Betriebszustandes der Energiespeicherzelle in einer Verarbeitungseinrichtung anhand der verstärkten Potentialdifferenz zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode.The method according to the invention for operating an energy storage device which has an electrochemical energy storage cell with at least one cathode and at least one anode and a reference electrode integrated in the energy storage cell has the following steps: amplification of a potential difference between anode or cathode and reference electrode by an amplification device and determination of an operating state the energy storage cell in a processing device based on the increased potential difference between the cathode or anode and reference electrode.
Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, anstelle einer Messung des Spannungsabfalls zwischen Kathode und Anode der jeweiligen Energiespeicherzelle eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode oder Anode einerseits und einer in der Energiespeicherzelle zusätzlich integrierten Referenzelektrode andererseits abzugreifen und diese durch eine Verstärkungseinrichtung zu verstärken. Die Verstärkungseinrichtung weist hierbei einen Verstärkungsfaktor auf, welcher vorzugsweise so einstellbar ist, dass die im Betrieb der Energiespeicherzelle auftretenden bzw. zu erwartenden Potentialdifferenzen zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode so verstärkt werden, dass diese den Dynamikumfang einer nachgeschalteten Auswertungselektronik während des Betriebs der Zelle größtenteils oder sogar im Wesentlichen vollständig ausschöpfen. Hierdurch wird bei vorgegebenem Dynamikumfang der Auswertungselektronik, welcher durch die Sampling- oder Bittiefe der Auswertungselektronik bestimmt wird, die Genauigkeit, d. h. die Auflösung, mit der die verstärkte Potentialdifferenz von der Auswertungselektronik erfasst und weiterverarbeitet werden kann, deutlich erhöht. Die verstärkten Potentialdifferenzen werden dadurch in der Auswertungselektronik mit hoher Auflösung verarbeitet, so dass sich der Betriebszustand, insbesondere der Ladezustand, der Energiespeicherzelle mit besonders hoher Präzision bestimmen lässt.The invention is based on the approach, instead of measuring the voltage drop between the cathode and anode of the respective energy storage cell to tap a potential difference between the cathode or anode on the one hand and in the energy storage cell additionally integrated reference electrode on the other hand, and amplify it by an amplifying device. In this case, the amplification device has an amplification factor, which is preferably adjustable so that the potential differences between cathode or anode and reference electrode occurring or expected during operation of the energy storage cell are amplified in such a way that they greatly affect the dynamic range of a downstream evaluation electronics during operation of the cell or even completely exhausted. As a result, at a given dynamic range of the evaluation electronics, which is determined by the sampling or bit depth of the evaluation electronics, the accuracy, ie the resolution with which the amplified potential difference can be detected and further processed by the evaluation electronics, significantly increased. The amplified potential differences are thereby processed in the evaluation electronics with high resolution, so that the operating state, in particular the state of charge, the energy storage cell can be determined with very high precision.
Das folgende Beispiel soll dies veranschaulichen: in Lithium-Ionen-Zellen nimmt, je nach Bauart, die Kathodenspannung gegenüber der auf Masse liegenden Anode über den Zeitraum der Entladung typischerweise von 4,2 auf 3 Volt ab, so dass die zur Ermittlung des Ladezustandes wesentliche Spannungsänderung 1,2 Volt beträgt. Der Dynamikumfang einer mit den Elektroden der Zelle verschalteten Auswertungselektronik kann bei Betrachtung der gesamten Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode aufgrund des relativ hohen Offsets in Höhe von 3 Volt somit bei der Bestimmung des Ladezustands nicht vollständig ausgenutzt werden. Das Einführen einer Referenzelektrode mit einer Spannung von beispielsweise 3 Volt gegenüber der Anode bzw. Masse verkleinert dagegen den betrachteten Messbereich der sich während des Entladens ändernden Potenzialdifferenz zwischen Kathode und Referenzelektrode auf etwa 1,2 Volt. Durch eine geeignete bzw. angepasste Verstärkung der im Betrieb auftretenden Potentialdifferenzen zwischen Kathode und Referenzelektrode kann der Dynamikumfang der Auswerteelektronik nun vollständig oder zumindest zum größten Teil ausgenutzt werden, wodurch bei gegebener Bittiefe der Auswertungselektronik die Auflösung der bei der Ermittlung des Ladezustands herangezogenen Potenzialdifferenz erheblich verbessert wird. Beträgt die Bittiefe der Auswertungselektronik beispielsweise 10 Bit, so kann die im Betrieb der Zelle auftretende Potentialdifferenz zwischen Kathode und Referenzelektrode von bis zu etwa 1,2 Volt nach entsprechender Verstärkung mit bis zu 1024 Abstufungen genau verarbeitet werden, was einer Auflösung von rund 1,2 mV entspricht.The following example is intended to illustrate this: in lithium-ion cells, depending on the design, the cathode voltage with respect to the grounded anode typically decreases from 4.2 to 3 volts over the period of discharge, so that the essential for determining the state of charge Voltage change is 1.2 volts. The dynamic range of a connected to the electrodes of the cell evaluation electronics can not be fully exploited in the determination of the state of charge when considering the total potential difference between the cathode and anode due to the relatively high offset in the amount of 3 volts. On the other hand, the introduction of a reference electrode with a voltage of, for example, 3 volts with respect to the anode or ground reduces the range of measurement of the potential difference between the cathode and the reference electrode which changes during the discharge to approximately 1.2 volts. By means of a suitable or adapted amplification of the potential differences between the cathode and the reference electrode during operation, the dynamic range of the evaluation electronics can now be fully or at least largely utilized, whereby the resolution of the potential difference used in determining the state of charge is considerably improved for a given bit depth of the evaluation electronics , For example, if the bit depth of the evaluation electronics is 10 bits, then the potential difference between the cathode and the reference electrode of up to about 1.2 volts can be accurately processed after appropriate amplification with up to 1024 steps, resulting in a resolution of about 1.2 mV corresponds.
Insgesamt wird dadurch die Ermittlung des Betriebszustandes von Energiespeichervorrichtungen und Batteriemodulen mit solchen Energiespeichervorrichtungen deutlich verbessert.Overall, this significantly improves the determination of the operating state of energy storage devices and battery modules with such energy storage devices.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Energiespeichervorrichtung einen Analog-Digital-Wandler auf, welcher dazu ausgebildet ist, die verstärkte Potentialdifferenz in ein entsprechendes digitales Ausgangssignal umzuwandeln. Dementsprechend ist die dem Analog-Digital-Wandler nachgeschaltete Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise ein entsprechend programmierter Mikrocontroller, dazu ausgebildet, anhand des digitalen Ausgangssignals den Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu ermitteln. Auf diese Weise kann aus der verstärkten Potentialdifferenz der Betriebszustand besonders zuverlässig ermittelt werden.In a preferred embodiment of the invention, the energy storage device comprises an analog-to-digital converter, which is designed to convert the amplified potential difference into a corresponding digital output signal. Accordingly, the analog-to-digital converter downstream processing device, such as a suitably programmed microcontroller, is adapted to determine the operating state of the energy storage cell based on the digital output signal. In this way, the operating state can be determined particularly reliably from the increased potential difference.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der Analog-Digital-Wandler einen Eingangsspannungsbereich auf und ist dazu ausgebildet, innerhalb des Eingangsspannungsbereiches liegende Potentialdifferenzen in entsprechende digitale Ausgangssignale umzuwandeln. Entsprechend ist die Verstärkungseinrichtung dazu ausgebildet, die während des Betriebs der Energiespeicherzelle zu erwartenden oder auftretenden Potentialdifferenzen zwischen der Anode bzw. Kathode und der Referenzelektrode so zu verstärken, dass die verstärkten Potentialdifferenzen in einem Spannungsbereich liegen, welcher einen Großteil des Eingangsspannungsbereichs des Analog-Digital-Wandlers abdeckt. Vorzugsweise decken die verstärkten Potenzialdifferenzen mehr als 70%, insbesondere mehr als 80% oder mehr als 90%, des Eingangsspannungsbereichs ab. Folgendes Beispiel soll dies veranschaulichen: Eine beim Entladen der Zelle auftretende maximale Potenzialdifferenz zwischen Kathode und Referenzelektrode beträgt 1,2 V. Diese wird in der Verstärkungseinrichtung z. B. um den Faktor 4 verstärkt und beträgt dann maximal 4,8 V. Ein Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers von beispielsweise 5 V wird durch die maximal auftretende verstärkte Potenzialdifferenz während des Entladens also bis zu 96% ausgeschöpft. Bei einem Verstärkungsfaktor von beispielsweise 3,5 wird der Eingangsspannungsbereich bis zu 84% ausgeschöpft. Dadurch wird sichergestellt, dass die zur Bestimmung des Betriebszustandes der Energiespeicherzelle benötigten Potentialdifferenzen zu jeder Zeit mit höchstmöglicher Auflösung und kleinstmöglichem Quantisierungsfehler digitalisiert werden.In a further preferred embodiment, the analog-to-digital converter has an input voltage range and is designed to convert potential differences lying within the input voltage range into corresponding digital output signals. Accordingly, the amplification device is designed to amplify the potential differences between the anode or cathode and the reference electrode to be expected or occurring during operation of the energy storage cell in such a way that the amplified potential differences lie in a voltage range which covers a large part of the input voltage range of the analog-to-digital interface. Converter covers. The amplified potential differences preferably cover more than 70%, in particular more than 80% or more than 90%, of the input voltage range. The following example illustrates this: A occurring during discharge of the cell maximum potential difference between the cathode and the reference electrode is 1.2 V. This is in the amplification device z. B. amplified by a factor of 4 and is then a maximum of 4.8 V. An input voltage range of the analog-to-digital converter, for example, 5 V is thus exhausted by the maximum occurring increased potential difference during discharge up to 96%. For example, with a gain factor of 3.5, the input voltage range is depleted by up to 84%. This ensures that the potential differences required for determining the operating state of the energy storage cell are digitized at any time with the highest possible resolution and the smallest possible quantization error.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers eine Auflösung auf, die mindestens zwei Millivolt (2 mV) beträgt. Das heißt, dass die verstärkte Potentialdifferenz in ein digitales Ausgangssignal in Form einer Ausgangsspannung umgewandelt wird, deren Höhe durch ein ganzzahliges Vielfaches eines Faktors, der zwei Millivolt oder weniger beträgt, gegeben ist. Mit Hilfe dieser Genauigkeit des digitalen Ausgangsignals lässt sich der Betriebszustand der Energiespeicherzelle durch die Verarbeitungseinrichtung mit besonders hoher Präzision ermitteln.In a particularly preferred embodiment, the output of the analog-to-digital converter has a resolution that is at least two millivolts (2 mV). That is, the amplified potential difference is converted into a digital output signal in the form of an output voltage whose magnitude is given by an integer multiple of a factor that is two millivolts or less. With the aid of this accuracy of the digital output signal, the operating state of the energy storage cell can be determined by the processing device with particularly high precision.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers durch eine am Analog-Digital-Wandler anliegende Referenzspannung, insbesondere eine Betriebsspannung des Analog-Digital-Wandlers, gegeben. Diese Referenzspannung wird vorzugsweise durch eine zeitlich möglichst konstante Spannungsquelle vorgegeben, wodurch ein gleichbleibender Dynamikumfang des Analog-Digital-Wandlers genau eingestellt wird und das digitalisierte Ausgangssignal die am Analog-Digital-Wandler anliegende, zu digitalisierende Potentialdifferenz möglichst genau widergibt.In a further preferred embodiment, the input voltage range of the analog-to-digital converter is given by a voltage applied to the analog-to-digital converter reference voltage, in particular an operating voltage of the analog-to-digital converter. This reference voltage is preferably predetermined by a temporally constant as possible voltage source, whereby a constant dynamic range of the analog-to-digital converter is set accurately and the digitized output signal reproduces the voltage applied to the analog-to-digital converter, to be digitized potential difference as accurately as possible.
In einer bevorzugten Ausführung ist die am Analog-Digital-Wandler anliegende Referenzspannung, insbesondere die Betriebsspannung des Analog-Digital-Wandlers, mindestens so groß wie die während des Betriebs der Energiespeicherzelle maximal zu erwartende oder auftretende Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Damit ist der Dynamikumfang des Analog-Digital-Wandlers ausreichend groß, um im Bedarfsfall auch die im Betrieb der Energiespeicherzelle auftretenden Potentialdifferenzen zwischen Kathode und Anode zur Bestimmung des Betriebszustandes der Energiespeicherzelle heranzuziehen. In a preferred embodiment, the voltage applied to the analog-to-digital converter reference voltage, in particular the operating voltage of the analog-to-digital converter, at least as large as during the operation of the energy storage cell maximum expected or occurring potential difference between the cathode and anode. Thus, the dynamic range of the analog-to-digital converter is sufficiently large, if necessary, to use the occurring during operation of the energy storage cell potential differences between the cathode and anode to determine the operating state of the energy storage cell.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die am Analog-Digital-Wandler anliegende Referenzspannung, insbesondere die Betriebsspannung des Analog-Digital-Wandlers, mindestens so groß wie die während des Betriebs maximal zu erwartende oder auftretende und durch die Verstärkungseinrichtung verstärkte Potentialdifferenz zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode. Damit wird gewährleistet, dass der Dynamikumfang des Analog-Digital-Wandlers ausreichend groß ist, um die während des Betriebs der Energiespeicherzelle auftretenden und durch die Verstärkungseinrichtung verstärkten Potentialdifferenzen zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode zu verarbeiten und zur Bestimmung des Betriebszustandes der Energiespeicherzelle heranziehen zu können.In a further preferred embodiment, the voltage applied to the analog-to-digital converter reference voltage, in particular the operating voltage of the analog-to-digital converter, at least as large as the maximum expected during operation or occurring and amplified by the amplifying device potential difference between the cathode or anode and reference electrode. This ensures that the dynamic range of the analog-to-digital converter is sufficiently large in order to process the potential differences between cathode or anode and reference electrode occurring during operation of the energy storage cell and amplified by the amplifying device and to be able to determine the operating state of the energy storage cell ,
In einer bevorzugten Ausführung weist die Energiespeichervorrichtung eine erste Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Schaltungsmodus auf, wobei im ersten Schaltungsmodus die durch die Verstärkungseinrichtung verstärkte Potentialdifferenz zwischen Kathode oder Anode und Referenzelektrode am Analog-Digital-Wandler anliegt, wohingegen im zweiten Schaltungsmodus eine Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode, ohne von der Verstärkungseinrichtung verstärkt zu werden, direkt am Analog-Digital-Wandler anliegt. Damit kann variabel und situationsabhängig entschieden werden, welche Potentialdifferenz zur Bestimmung des Betriebszustandes der Energiespeicherzelle herangezogen werden soll. insbesondere erlaubt das Umschalten zwischen den Schaltungsmodi einen Vergleich zwischen dem durch Verarbeitung der Potentialdifferenz zwischen Kathode oder Anode und Referenzelektrode und dem durch Verarbeitung der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode ermittelten Betriebszustands der Energiespeicherzelle, wodurch Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten bei der Bestimmung des Betriebszustandes der Energiespeicherzelle erkannt und gegebenenfalls eliminiert oder korrigiert werden können.In a preferred embodiment, the energy storage device has a first switching device for switching between a first and a second circuit mode, wherein in the first circuit mode, the potential difference between cathode or anode and reference electrode amplified by the amplifying device is applied to the analog-to-digital converter, whereas in the second circuit mode Potential difference between the cathode and anode, without being amplified by the amplifying device, applied directly to the analog-to-digital converter. Thus, it can be decided variably and depending on the situation, which potential difference should be used to determine the operating state of the energy storage cell. In particular, the switching between the circuit modes allows a comparison between the operating state of the energy storage cell determined by processing the potential difference between cathode or anode and reference electrode and processing the potential difference between cathode and anode, thereby detecting errors and / or irregularities in the determination of the operating state of the energy storage cell and if necessary eliminated or corrected.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist eine zweite Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen einem dritten und vierten Schaltungsmodus vorgesehen. Im dritten Schaltungsmodus liegt die Potentialdifferenz zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode und im vierten Schaltungsmodus liegt die Potentialdifferenz zwischen Referenzelektrode und Kathode bzw. Anode an der Verstärkungseinrichtung an, so dass die im dritten und vierten Schaltungsmodus an der Verstärkungseinrichtung anliegenden Potentialdifferenzen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, dem Betrag nach jedoch gleich sind. Dadurch können auch Potentialdifferenzen zwischen Kathode bzw. Anode und Referenzelektrode im Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden, wenn das Referenzelektrodenpotential zwischen den Potentialgrenzen der Kathode bzw. Anode, also zwischen dem minimalen und maximalen Kathoden- bzw. Anodenpotential, liegt. In diesem Fall ist die zu bestimmende Potentialdifferenz dem Betrag nach besonders klein und weist zwei Spannungsbereiche mit unterschiedlichem Vorzeichen auf. Bei entsprechend gewähltem Verstärkungsfaktor können die Potentialdifferenzen in beiden Spannungsbereichen vom Analog-Digital-Wandler daher bei gleichbleibendem Dynamikumfang mit besonders hoher Auflösung digitalisiert werden, wodurch eine besonders genaue Ermittlung des Betriebszustands ermöglicht wird.In a further preferred embodiment, a second switching device is provided for switching between a third and fourth circuit mode. In the third circuit mode, the potential difference between cathode and anode and reference electrode and in the fourth circuit mode, the potential difference between the reference electrode and cathode or anode is applied to the amplifying device, so that the potential differences applied to the amplifying means in the third and fourth circuit modes have opposite signs Amount after, however, are the same. As a result, potential differences between cathode or anode and reference electrode in the analog-to-digital converter can be digitized if the reference electrode potential lies between the potential limits of the cathode or anode, ie between the minimum and maximum cathode or anode potential. In this case, the potential difference to be determined is particularly small in magnitude and has two voltage ranges with different signs. With a correspondingly selected amplification factor, the potential differences in both voltage ranges from the analog-to-digital converter can therefore be digitized with a particularly high resolution while maintaining the dynamic range, thereby enabling a particularly accurate determination of the operating state.
Vorzugsweise ist die Referenzelektrode so gewählt, dass die Potentialdifferenz zwischen Anode oder Kathode und Referenzelektrode etwa in der Mitte zwischen maximaler und minimaler Betriebsspannung der Kathode bzw. Anode liegt. Dieser Fall ist besonders vorteilhaft, da hierbei die beim Entladevorgang auftretende Änderung der zu messenden Potentialdifferenz gegenüber der Änderung der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode in zwei etwa gleiche Teile aufgeteilt wird. Durch Wahl eines entsprechend höheren Verstärkungsfaktors der Verstärkungseinrichtung kann für die Änderung der Potentialdifferenz in jedem der beiden Teile jeweils der ganze Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers und damit auch die gesamte Bittiefe genutzt werden, so dass die Auflösung der gesamten Änderung der Potentialdifferenz effektiv verdoppelt wird. Damit wird die bestmögliche Auflösung des digitalisierten Signals erzielt und eine entsprechend hohe Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Betriebszustands erreicht.Preferably, the reference electrode is selected so that the potential difference between anode or cathode and reference electrode is located approximately in the middle between maximum and minimum operating voltage of the cathode or anode. This case is particularly advantageous, since in this case the change occurring during the discharge of the potential difference to be measured in relation to the change in the potential difference between cathode and anode is divided into two approximately equal parts. By selecting a correspondingly higher amplification factor of the amplification device, the entire input voltage range of the analog-to-digital converter and thus also the total bit depth can be used for the change of the potential difference in each of the two parts, so that the resolution of the total change of the potential difference is effectively doubled , Thus, the best possible resolution of the digitized signal is achieved and achieved a correspondingly high reliability in the determination of the operating condition.
In einer bevorzugten Ausführung ist die elektrochemische Energiespeicherzelle als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet. In dieser Ausführung weist die Energiespeicherzelle eine besonders hohe spezifische Energie auf, wobei zur Vermeidung von Überladung oder Tiefentladung hierbei aber auch eine präzise Bestimmung des Betriebszustandes besonders vorteilhaft ist.In a preferred embodiment, the electrochemical energy storage cell is designed as a lithium-ion accumulator. In this embodiment, the energy storage cell has a particularly high specific energy, with a precise determination of the operating state being particularly advantageous in order to avoid overcharging or overdischarge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält die Kathode Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NiCoMn)O2, NMC) und/oder die Referenzelektrode Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4, LFP), Lithium-Mangandioxid (LiMn2O4 LMO) oder Lithium-Kobaltdioxid (LiCoO2, LCO). Dadurch wird eine vorteilhafte relative Lage der Betriebsspannungen von Kathode und Referenzelektrode erreicht, bei der die zu messende Potentialdifferenz zwischen Kathode und Referenzelektrode kleiner ist als der Betrag der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Durch die Lage des Referenzelektrodenpotentials zwischen den Potentialgrenzen der Kathode, d. h. der maximalen und minimalen Kathodenspannung, kann die zu messende Potentialdifferenz in zwei Spannungsbereiche aufgeteilt werden. Bei entsprechend gewähltem Verstärkungsfaktor können diese beiden Potentialdifferenzen vom Analog-Digital-Wandler daher bei gegebenem Dynamikumfang mit besonders hoher Auflösung digitalisiert werden. Umgekehrt ist bei gegebener oder gewünschter Auflösung, beispielsweise von 2 mV oder weniger, eine geringere Sampling- oder Bittiefe erforderlich.In a further preferred embodiment, the cathode contains lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (Li (NiCoMn) O 2 , NMC) and / or the Reference electrode Lithium iron phosphate (LiFePO 4 , LFP), lithium manganese dioxide (LiMn 2 O 4 LMO) or lithium cobalt dioxide (LiCoO 2 , LCO). As a result, an advantageous relative position of the operating voltages of the cathode and the reference electrode is achieved, in which the potential difference to be measured between the cathode and the reference electrode is smaller than the amount of the potential difference between the cathode and the anode. Due to the position of the reference electrode potential between the potential limits of the cathode, ie the maximum and minimum cathode voltage, the potential difference to be measured can be divided into two voltage ranges. If the amplification factor is selected accordingly, these two potential differences from the analog-to-digital converter can therefore be digitized with a particularly high resolution for a given dynamic range. Conversely, for a given or desired resolution, for example, 2 mV or less, a lower sampling or bit depth is required.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the figures. Show it:
Darüber hinaus ist eine Referenzelektrode
Die Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden
In dem dargestellten Beispiel ist die Anode
Die Potentiale von Kathode
Die Überwachungselektronik
Aus dem Ausgangssignal der ersten Schalteinrichtung
Der Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Konverters
Vorzugsweise ist der Verstärkungsfaktor k der Verstärkungseinrichtung
Folgendes Beispiel soll dies veranschaulichen: Beträgt die Referenz- bzw. Betriebsspannung z. B. 5 V, so liegen bei einer Verstärkung der Potentialdifferenz zwischen Kathode
Die Auswertungselektronik weist neben dem Analog-Digital-Wandler
Bei Energiespeicherzellen mit einem flachen Verlauf dieser Spannungskennlinie sind Änderungen in der durch die Überwachungselektronik
Die Überwachungselektronik
Die zu digitalisierende Potentialdifferenz zwischen Kathode
Es ist auch möglich, eine Referenzelektrode
Dadurch wird die zu bestimmende Potentialdifferenz nochmals verkleinert, und ein Offset wird nun vollständig vermieden. Durch einen passend gewählten Verstärkungsfaktor k der Verstärkungseinrichtung
Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung weist eine Energiespeichervorrichtung folgende Komponenten auf: eine elektrochemische Energiespeicherzelle mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, eine Referenzelektrode, welche in die Energiespeicherzelle integriert ist, und eine Verarbeitungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand einer Potentialdifferenz zwischen Anode bzw. Kathode und Referenzelektrode einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu ermitteln. Dies wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert.According to an alternative aspect of the invention, an energy storage device has the following components: an electrochemical energy storage cell with at least one anode and at least one cathode, a reference electrode which is integrated into the energy storage cell, and a processing device which is designed to operate on the basis of a potential difference between the anode and the anode Cathode and reference electrode to determine an operating state of the energy storage cell. This will be explained in more detail below with reference to an example.
Anders als bei der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EnergiespeichervorrichtungEnergy storage device
- 22
- Alternative EnergiespeichervorrichtungAlternative energy storage device
- 1010
- EnergiespeicherzelleEnergy storage cell
- 1111
- Kathodecathode
- 1212
- Anodeanode
- 1313
- Referenzelektrodereference electrode
- 2020
- Überwachungselektronikelectronic monitoring system
- 2121
- MasseDimensions
- 2222
- Verstärkungseinrichtungreinforcing device
- 2323
- Schalteinrichtungswitching device
- 2424
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 2525
- Spannungsquelle für ReferenzspannungVoltage source for reference voltage
- 2626
- Verarbeitungseinheitprocessing unit
- 3030
- Kommunikationseinheitcommunication unit
- 3131
- Sendereinheittransmitter unit
- 3232
- Empfängereinheitreceiver unit
- 4040
- KathodenspannungskennlinieCathode voltage characteristic
- 4141
- LFP-ReferenzelektrodenpotentialLFP reference electrode potential
- 4242
- maximales Kathodenpotentialmaximum cathode potential
- 4343
- minimales Kathodenpotentialminimal cathode potential
- 4444
- LCO-ReferenzelektrodenpotentialLCO-reference electrode potential
- 4545
- erster Bereichfirst area
- 4646
- zweiter Bereichsecond area
- Uref U ref
- Referenzspannungreference voltage
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015222804.5A DE102015222804A1 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015222804.5A DE102015222804A1 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015222804A1 true DE102015222804A1 (en) | 2017-05-24 |
Family
ID=58693842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015222804.5A Pending DE102015222804A1 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015222804A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006345634A (en) * | 2005-06-08 | 2006-12-21 | Fuji Heavy Ind Ltd | Control device for storage device |
US20140023888A1 (en) * | 2007-09-14 | 2014-01-23 | A123 Systems, LLC | Lithium rechargable cell with reference electrode for state of health monitoring |
US20150147614A1 (en) * | 2013-11-23 | 2015-05-28 | Hrl Laboratories, Llc | Voltage protection and health monitoring of batteries with reference electrodes |
-
2015
- 2015-11-19 DE DE102015222804.5A patent/DE102015222804A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006345634A (en) * | 2005-06-08 | 2006-12-21 | Fuji Heavy Ind Ltd | Control device for storage device |
US20140023888A1 (en) * | 2007-09-14 | 2014-01-23 | A123 Systems, LLC | Lithium rechargable cell with reference electrode for state of health monitoring |
US20150147614A1 (en) * | 2013-11-23 | 2015-05-28 | Hrl Laboratories, Llc | Voltage protection and health monitoring of batteries with reference electrodes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102013013080B4 (en) | Method and system for determining electrical voltages | |
WO2010118909A1 (en) | Determination of the internal resistance of a battery cell of a traction battery while using resistive cell balancing | |
EP0589287A2 (en) | Method for charging a multicell battery | |
DE10347110B3 (en) | Cell voltage measuring device for cell stack in motor vehicle power network, has diode pairs connected in parallel with each cell, and switch connected to differential amplifier | |
WO2013143754A1 (en) | Method for connecting battery cells in a battery, battery and monitoring device | |
EP0080164A2 (en) | Control device for a battery | |
DE102011088893A1 (en) | Current measuring circuit, battery and motor vehicle | |
WO2013159979A1 (en) | Method and apparatus for determining a state of charge of a battery, and battery | |
DE102005029096A1 (en) | Battery condition detection for car batteries | |
EP2704287A1 (en) | Charge compensation circuit which can be activated | |
DE102014225431A1 (en) | Device and method for separating and connecting two sub-networks | |
DE102013206189A1 (en) | Determining a state of charge of a rechargeable battery | |
WO2019043120A1 (en) | Device for electropolishing an energy storage device comprising at least one lithium ion cell, charger, and method for operating the charger | |
DE4132229C2 (en) | Microcontroller-controlled device for analyzing the state of charge of a multi-line battery | |
WO2014048704A1 (en) | Method for data transmission on battery systems having a pluraliy of cells | |
EP3391067B1 (en) | Method for determining the ageing of an electrochemical storage means | |
EP3362810B1 (en) | Transportation means, device and method for determining a voltage of a cell of a string of multiple cells connected in series of an electro-chemical energy storage means | |
DE102012003100A1 (en) | Electrical energy storage i.e. traction battery, for hybrid motor vehicle, has measuring cell connected in series to individual cells, where increase of characteristics of voltage at charging condition of cell is larger than cells | |
DE102015222804A1 (en) | ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE | |
DE102011088590A1 (en) | Method for checking an electric current measurement, circuit for carrying out the method, battery and motor vehicle | |
DE102018211956A1 (en) | ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE, BATTERY MODULE AND VEHICLE | |
EP3507615B1 (en) | Method for testing a balanced circuit | |
DE4231732C2 (en) | Method for charging a multi-cell battery | |
AT523331A1 (en) | Method for controlling a battery system and battery system | |
EP3736588B1 (en) | Unit, system and method for determination of cell voltage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed |