DE102017108708A1

DE102017108708A1 - Empfindliche dehnungsbasierte soc- und soh-überwachung von batteriezellen

Info

Publication number: DE102017108708A1
Application number: DE102017108708.7A
Authority: DE
Inventors: Eric Poirier; Tuyen Quoc Tran; Benjamin A. Tabatowski-Bush
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN107394296A; US20170324122A1

Abstract

Es werden Batteriesätze und SOC-Überwachungssysteme offenbart. Der Batteriesatz kann eine erste und eine zweite benachbarte Batteriezelle und einen Dehnungsmessstreifen beinhalten, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist. Ein Spannungskonzentrator kann zwischen dem Dehnungsmessstreifen und einer von der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert sein. Der Spannungskonzentrator kann eine erste Oberfläche, die den Dehnungsmessstreifen kontaktiert, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweisen, wobei es möglich ist, dass eine Fläche der ersten Oberfläche nicht größer als eine Fläche der zweiten Oberfläche ist. Es können drei oder mehr benachbarte Batteriezellen und zwei oder mehr Dehnungsmessstreifen und Spannungskonzentratoren vorhanden sein. Ein Controller kann mit dem/den Dehnungsmessstreifen in Verbindung stehen und so konfiguriert sein, dass er Dehnungsdaten davon empfängt. Die Dehnungsdaten können verwendet werden, um einen Ladezustand (SOC) und/oder einen Gesundheitszustand (SOH) der Batteriezellen oder des Satzes bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft empfindliche dehnungsbasierte Ladezustandsüberwachung (SOC) von Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ion-Batteriezellen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Wiederaufladbare oder sekundäre Batterien, wie Lithium-Ion-(Li-Ion-)Batterien, können in vielen Anwendungen verwendet werden. Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge (EVs) können Lithium-Ion-Batterien verwenden, um einen Teil oder die Gesamtheit der Antriebskraft für das Fahrzeug bereitzustellen. Dementsprechend ist es wichtig zu wissen, wie viel Energie in der Batterie oder dem Batteriesatz gespeichert ist. Um ein zuverlässiges „Kraftstoff“-Messgerät und/oder Reichweitenschätzungen bereitzustellen, erfordern Lithium-Ion-Batteriesätze eine genaue Überwachung des Ladezustands (state of charge, SOC). Typischerweise wird die SOC-Überwachung unter Verwendung von Coulomb-Integrations- oder Zellenspannungsmessungen durchgeführt. Coulomb-Integration (oder Zählung) beinhaltet im Allgemeinen das Integrieren oder Aggregieren des gemessenen Stroms in eine/aus einer Batterie heraus, um einen relativen Wert ihrer Ladung zu ergeben. Bei dem Spannungsverfahren wird der SOC basierend auf der gemessenen Batteriespannung und der Verwendung einer Spannungs-SOC-Beziehungskurve oder -tabelle bestimmt. Jedoch kann jedes dieser Verfahren verschiedenen Einschränkungen und Ungenauigkeiten unterliegen.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einer Ausführungsform wird ein Batteriesatz bereitgestellt. Der Batteriesatz kann eine erste und zweite benachbarte Batteriezelle; einen Dehnungsmessstreifen, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; und einen Spannungskonzentrator beinhalten, der zwischen dem Dehnungsmessstreifen und einer von der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; wobei der Spannungskonzentrator eine erste Oberfläche aufweist, die den Dehnungsmessstreifen kontaktiert, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Fläche aufweist, die nicht größer als eine Fläche der zweiten Oberfläche ist.
Ein Verhältnis der Fläche der zweiten Oberfläche zu der Fläche der ersten Oberfläche kann mindestens 2:1, 5:1 oder 25:1 betragen. Ein Verhältnis einer Fläche einer Zellenwand benachbart zu der zweiten Oberfläche zu der Fläche der ersten Oberfläche kann mindestens von 10:1 bis 250:1 betragen. In einer Ausführungsform ist eine lange Achse des Spannungskonzentrators gleich oder kleiner als eine Länge oder eine Breite des Spannungskonzentrators. Der Batteriesatz kann einen Abstandshalter beinhalten, der zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und dem Dehnungsmessstreifen positioniert ist. In einer Ausführungsform kann der Abstandshalter direkt zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und der zweiten Oberfläche des Spannungskonzentrators positioniert sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Abstandshalter direkt zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und dem Dehnungsmessstreifen positioniert sein. In einer Ausführungsform kann der Spannungskonzentrator ein dreieckiges Prisma, ein abgeschnittenes dreieckiges Prisma, ein rechteckiges Prisma, eine Kugel oder ein Zylinder sein.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein Batteriesatz bereitgestellt. Der Batteriesatz kann eine erste, zweite und dritte benachbarte Batteriezelle; einen Dehnungsmessstreifen, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; und einen Spannungskonzentrator beinhalten, der zwischen dem Dehnungsmessstreifen und einer von der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; wobei der Spannungskonzentrator eine erste Oberfläche aufweist, die den Dehnungsmessstreifen kontaktiert, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Fläche aufweist, die kleiner als die zweite Oberfläche ist.
Ein Verhältnis der Fläche der zweiten Oberfläche zu der Fläche der ersten Oberfläche kann mindestens 5:1 betragen. Der Batteriesatz kann einen Abstandshalter aufweisen, der zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und dem Dehnungsmessstreifen positioniert ist. Ein zweiter Dehnungsmessstreifen kann zwischen der zweiten und dritten Batteriezelle positioniert sein. Ein zweiter Spannungskonzentrator kann zwischen dem zweiten Dehnungsmessstreifen und einer von der zweiten und dritten Batteriezelle positioniert sein. Der Batteriesatz kann mindestens sechs benachbarte Batteriezellen und eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen beinhalten, und jeder Dehnungsmessstreifen kann zwischen zwei der mindestens sechs benachbarten Batteriezellen angeordnet sein. Ein Verhältnis von Batteriezellen zu Dehnungsmessstreifen kann mindestens 2:1 oder 5:1 betragen.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein dehnungsbasiertes Ladezustands-(SOC)Überwachungssystem bereitgestellt. Das System kann eine erste und zweite benachbarte Batteriezelle; einen Dehnungsmessstreifen und einen Spannungskonzentrator beinhalten, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; wobei der Spannungskonzentrator eine erste Oberfläche aufweist, die den Dehnungsmessstreifen berührt, und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei die erste Oberfläche eine kleinere Fläche als die zweite Oberfläche aufweist; und einen Controller, der mit dem Dehnungsmessstreifen in Verbindung steht und so konfiguriert ist, dass er Dehnungsdaten von diesem empfängt.
Das System kann mindestens fünf benachbarte Batteriezellen und eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen beinhalten. Jeder Dehnungsmessstreifen kann zwischen zwei der mindestens fünf benachbarten Batteriezellen positioniert sein und mit einem Controller in Verbindung stehen. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er die Dehnungsdaten mit einer gespeicherten Kalibrierkurve oder -tabelle vergleicht. In einer anderen Ausführungsform kann der Controller so konfiguriert sein, dass er einen Batteriesatz-SOC basierend auf den Dehnungsdaten schätzt und die Batteriezellenverschlechterung basierend auf den Dehnungsdaten in Abhängigkeit von Druck überwacht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Querschnitt einer wiederaufladbaren Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Batteriezellenmoduls, das eine Mehrzahl von Batteriezellen beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Batteriezellenmoduls, das eine Mehrzahl von Batteriezellen und mehrere, zwischen den Zellen positionierte Dehnungsmessstreifen beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Dehnungsmessstreifen und einen Spannungskonzentrator darstellt, die zwischen zwei benachbarten Batteriezellen positioniert sind, gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine Endansicht, die einen Dehnungsmessstreifen und einen Spannungskonzentrator darstellt, die zwischen zwei benachbarten Batteriezellen positioniert sind, gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine Endansicht, die einen Dehnungsmessstreifen und einen Spannungskonzentrator darstellt, die zwischen zwei benachbarten Batteriezellen positioniert sind, gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 ist eine Endansicht, die einen Dehnungsmessstreifen und zwei Spannungskonzentratoren darstellt, die zwischen zwei benachbarten Batteriezellen positioniert sind, gemäß einer Ausführungsform;
8A, 8B, 8C und 8D sind perspektivische Ansichten von mehreren Ausführungsformen eines Spannungskonzentrators, der jeweils ein erstes dreieckiges Prisma, ein zweites dreieckiges Prisma, einen Spannungskonzentrator, der eine gekrümmten Kante aufweist, und ein abgeschnittenes dreieckiges Prisma beinhaltet;
9 ist ein Schema eines dehnungsbasierten Ladezustands-(SOC)Überwachungssystems gemäß einer Ausführungsform; und
10 ist ein schematisches Diagramm eines Dehnungsmessstreifens, der mit einem Mikroprozessor verbunden ist, um die Verformung oder den Druck einer Batteriezelle zu analysieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin offenbart. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten darzustellen. Daher sind hierin offenbarte spezifische, strukturelle und funktionelle Details nicht als begrenzend, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zum Lehren von Fachleuten auf dem Gebiet zu interpretieren, um die vorliegende Erfindung verschieden einzusetzen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein typisches Batterie- oder Batteriezellenmodul 10 dargestellt, wobei es sich um eine sekundäre oder wiederaufladbare Batterie (z. B. eine Lithium-Ion-Batterie) handeln kann. Die Batterie 10 beinhaltet eine negative Elektrode (Anode) 12, eine positive Elektrode (Kathode) 14, einen Separator 16 und einen Elektrolyt 18, der innerhalb der Elektroden 12, 14 und des Separators 16 angeordnet ist. Die Batterie 10 kann jedoch in Abhängigkeit von dem Batterietyp oder der Konfiguration zusätzliche Komponenten beinhalten oder nicht alle Komponenten erfordern, die dargestellt sind. Darüber hinaus kann ein Stromabnehmer 20 auf einer oder beiden von der Anode 12 und Kathode 14 positioniert sein. In mindestens einer Ausführungsform ist der Stromabnehmer 20 ein Metall oder eine Metallfolie. In einer Ausführungsform ist der Stromabnehmer 20 aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet. Beispiele von anderen geeigneten Metallfolien können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Edelstahl, Nickel, Gold oder Titan. Die in 1 dargestellte Batterie 10 ist eine schematische Darstellung einer einzelnen Zelle, wobei eine Batterie jedoch eine Mehrzahl von Zellen beinhalten kann und eine Mehrzahl von Batterien einen Batteriesatz ausbilden kann.
Lithium-Ion-Batterieanoden-Aktivmaterialien können aus kohlenstoffhaltigen Materialien, wie z. B. Grafit (natürlicher, künstlicher oder oberflächenmodifizierter natürlicher), hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff oder Si/Sn-angereichertem Grafit ausgebildet sein. Nicht-kohlenstoffhaltige Anodenaktivmaterialien können auch verwendet werden, z. B. Lithium-Titanatoxid (LTO), Silizium und Silizium-Verbundmaterial, Lithiummetall und Nickeloxid (NiO). Lithium-Ion-Batteriekathoden-Aktivmaterialien können Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Mangan-Spinelloxid (Mn-Spinell oder LMO), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) und seine Derivate lithiumgemischtes Metall-Phosphat (LFMP), und Schwefel oder schwefelbasierte Materialien (z. B. Schwefel-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe) beinhalten. Zusätzlich können Mischungen aus zwei oder mehr dieser Materialien verwendet werden. Diese aktiven Elektrodenmaterialien sind lediglich Beispiele, wobei jedoch alle Fachleuten auf dem Gebiet bekannten Elektrodenmaterialien verwendet werden können. Lithium-Ion-Batterien beinhalten im Allgemeinen einen flüssigen Elektrolyt, der ein Lithiumsalz und ein organisches Lösungsmittel beinhalten kann. Beispiele von Lithiumsalzen können LiPF₆, LiBF₄ oder LiClO₄ beinhalten. Geeignete organische Lösungsmittel können Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMV), Diethylcarbonat (DEC) oder deren Mischungen beinhalten. Lithium-Ion-Batterieseparatoren können aus jedem geeigneten, ionisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Material, z. B. einem Polyolefin (z. B. Polyethylen oder Polypropylen) ausgebildet sein.
Wie oben beschrieben, beinhalten typische Verfahren zur Bestimmung des SOC für Lithium-Ion-Batterien Coulomb-Integration oder Zellenspannungsmessung. Das Coulomb-Integrationsverfahren kann Fehlern in Verbindung mit Stromsensoren unterliegen. Zellenspannungsmessung kann für Lithium-Ion-Chemie in der Nähe der Mitte des Arbeitsbereichs aufgrund einer flachen Mittelbereichs-Spannungs-SOC-Beziehung (z. B. ändert sich die Spannung trotz des sich ändernden SOC nicht bedeutend) besonders herausfordernd sein. Dementsprechend können weitere Ansätze zur Bestimmung eines Batterie-SOC, die diese Nachteile nicht beinhalten, die typischen Verfahren ersetzen oder ergänzen.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein empfindlicher dehnungsbasierter Ansatz zur Überwachung des SOC offenbart. Der Ansatz kann die Verwendung von einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen beinhalten, um das Ausdehnen und Zusammenziehen von einer oder mehreren Zellen in einem Batteriesatz zu überwachen. Laden und Entladen einer wiederaufladbaren Batterie (z. B. Li-Ion) kann verursachen, dass sich die Elektroden in der/den Zelle(n) ausdehnen und zusammenziehen. Beispielsweise kann sich die Anode einer Lithium-Ion-Batterie (z. B. aus Grafit ausgebildet) nach Anodenaufladung (z. B. Zellenaufladung) um etwa 10° % ausdehnen. Die Kathode einer Lithium-Ion-Batterie (z. B. aus NMC ausgebildet) kann sich nach Kathodenaufladung (z. B. Zellenentladung) um etwa 3 % ausdehnen. Spannungen in Verbindung mit dem Zusammenziehen und Ausdehnen der Elektroden können verursachen, dass die Zellen anschwellen oder sich verformen. Diese Zellenverformung kann eine Gelegenheit für die Überwachung des Batterie-SOC unter Verwendung von einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen bieten.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist ein Batteriesatz 30 dargestellt, der eine Mehrzahl von Batteriezellen 32 beinhaltet. In der dargestellten Ausführungsform sind die Zellen 32 prismatische Zellen, wobei jedoch der Batteriesatz 30 andere Zellentypen wie z. B. Pouch-Zellen beinhalten kann. In 2 werden die Zellen 32 ähnlich wie bei einer Anordnung in einem vollständigen Batteriesatz eng zusammen gestapelt. In 3 sind die Zellen 32 in einer Explosions- oder beabstandeten Anordnung dargestellt. Ein Abstandshalter oder Separator 34 kann zwischen benachbarten Zellen 32 angeordnet sein. Nur ein einziger Abstandshalter 34 ist in 3 zwischen den mittleren und hinteren Zellen 32 dargestellt, wobei jedoch ein Abstandshalter 34 zwischen jeweils jedem Paar von benachbarten Zellen 32 angeordnet sein kann. Der Abstandshalter 34 kann eine Fläche aufweisen, die die gleiche, oder ähnlich derjenigen von den benachbarten Zellenwänden ist. Der Abstandshalter 34 kann jedes geeignete Material oder jede Struktur zum Trennen der Zellen 32 sein, und kann zwecks Kühlung Luft oder Fluid zwischen die Zellen strömen lassen.
In mindestens einer Ausführungsform kann ein Dehnungsmessstreifen 36 zwischen zwei benachbarten Zellen 32 in dem Batteriesatz 30 positioniert sein. Wenn die Zellen 32 prismatische Zellen mit einander gegenüberliegenden, relativ großen Wänden 38 sind, können die Zellen 32 innerhalb des Batteriesatzes 30 so konfiguriert werden, dass die große Wand 38 einer Zelle 32 direkt benachbart zu der großen Wand 38 einer anderen Zelle 32 liegt (außer für Zellen an den Enden des Batteriesatzes 30). In einer Ausführungsform kann ein Dehnungsmessstreifen 36 zwischen zwei direkt benachbarten großen Wänden 38 von zwei direkt benachbarten Zellen 32 positioniert sein (z. B. wie in 3 dargestellt). Der Dehnungsmesstreifen 36 kann an einer der direkt benachbarten Zellen 32 (z. B. an einer Wand 38) befestigt sein. Wenn ein Abstandshalter 34 zwischen zwei direkt benachbarten Zellen 32 vorhanden ist, kann der Dehnungsmessstreifen 36 entweder an einer Oberfläche 40 des Abstandshalters 34, die parallel zu einer Wand 38 der Zelle 32 verläuft, oder an der Wand 38 von einer der Zellen 32 befestigt sein. Der Dehnungsmessstreifen 36 kann an der Zelle 32 oder dem Abstandshalter 34 mit jedem geeigneten Mittel, z. B. einem Kleber, wie Cyanacrylatklebstoffe oder Epoxykleber, befestigt sein.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem dehnungsbasierten SOC-Überwachungssystem dargestellt. Die Komponenten in 4 sind im Vergleich zu 3 zwecks einfacherer Betrachtung gedreht, wobei die Zellen 32 vertikal beabstandet sind. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist ein Abstandshalter 34 zwischen zwei direkt benachbarten Zellen 32 positioniert. Der Dehnungsmessstreifen 36 ist zwischen einer Zelle 32 und dem Abstandshalter 34 angeordnet. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist ein Spannungskonzentrator 42 in dem SOC-Überwachungssystem beinhaltet. Der Spannungskonzentrator 42 ist in der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Dehnungsmessstreifen 36 und dem Abstandshalter 34 positioniert, doch wenn der Dehnungsmessstreifen 36 an dem Abstandshalter 34 befestigt ist, kann der Spannungskonzentrator 42 zwischen dem Dehnungsmessstreifen 36 und der Zelle 32 positioniert werden.
Der Spannungskonzentrator ist im Vergleich zu der Zellenwand klein, kann aber abgemessen sein, um eine lokalisierte Kraft auf das/die empfindliche(n) Element(e) des Dehnungsmessstreifens aufzubringen. Der Spannungskonzentrator kann die Kraft aufnehmen, die durch die Zellenausdehnung über die Zellenwandfläche erzeugt wird, und überträgt einen erheblichen Anteil der Kraft auf eine kleine Fläche entsprechend der Oberfläche des empfindlichen Elements des Dehnungsmessstreifens, wodurch die Spannung konzentriert wird. Daher beträgt unter Annahme einer Kraft F aufgrund der Zellenausdehnung die Kraft pro Flächeneinheit (oder Spannung), die auf die Fläche des Dehnungsmessstreifens ohne den Spannungskonzentrator aufgebracht wird, σ_cw = F/A_cw, wobei A_cw die Fläche der Zellenwand ist, auf die die Kraft aufgebracht wird. Die Spannung σ_cw ist über A_cw hinweg einheitlich. Im Gegensatz dazu ist die auf den Dehnungsmessstreifen aufgebrachte Spannung von der Fläche A_sc des Spannungskonzentrators abhängig und ergibt sich durch σ_sc = F/A_sc, wobei A_sc << A_cw, idealerweise unter der Annahme, dass die gesamte Kraft auf den Spannungskonzentrator übertragen wird. Die Spannung σ_sc ist daher im Prinzip größer als diejenige, die ohne den Spannungskonzentrator σ_cw erzeugt wird, und zwar um einen Faktor A_cw/A_sc,. In der Praxis ist der Konzentrationsfaktor aufgrund von Faktoren wie z. B. Verformungen der Zellenkomponenten (Zellenwand, Abstandshalter, Konzentrator) möglicherweise nicht genau A_cw / A_sc, aber kann proportional zu dieser Größe sein.
In mindestens einer Ausführungsform kann der Spannungskonzentrator 42 konfiguriert sein, um die Spannung oder den Druck zu konzentrieren oder zu verstärken, die auf den Dehnungsmessstreifen 36 ausgeübt werden. Der Spannungskonzentrator 42 kann eine erste Oberfläche 44 aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie eine Wand 38 einer Zelle 32 oder eine Oberfläche 40 des Abstandshalters 34 kontaktiert, und eine zweite Oberfläche 46, die so konfiguriert ist, dass sie den Dehnungsmessstreifen 36 kontaktiert. In einer Ausführungsform kann die erste Oberfläche 44 eine größere Fläche als die zweite Oberfläche 46 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen jedoch dieselbe oder eine ähnliche Fläche aufweisen. Daher kann eine auf die erste Oberfläche 44 aufgebrachte Kraft die zweite Oberfläche 46 veranlassen, eine größere Spannung oder einen größeren Druck auf den Dehnungsmessstreifen 36 aufzubringen. Wenn sich eine Zelle 32 durch Laden oder Entladen verformt, kann dementsprechend die durch die Kraft der Verformung auf den Dehnungsmessstreifen 36 aufgebrachte Spannung konzentriert oder verstärkt werden, was die resistive Reaktion des Dehnungsmessstreifens 36 verstärken kann. Die verstärkte resistive Reaktion des Dehnungsmessstreifens 36 kann es diesem ermöglichen, empfindlicher für kleine Verformungen der Zellenwände zu sein, was wiederum eine genauere Überwachung des SOC der Zelle 32 und/oder des gesamten Batteriesatzes 30 ermöglichen kann, wenn sich die Zellen ausdehnen und zusammenziehen.
Der Dehnungsmessstreifen 36 kann jede Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die Dehnung der Wand/Wände 38 der Zelle(n) 32 zu erkennen. In mindestens einer Ausführungsform kann der Dehnungsmessstreifen ein widerstandsbasierter Dehnungsmessstreifen sein, wie in 4 dargestellt. Diese Dehnungsmessstreifen können nach dem Prinzip arbeiten, dass elektrische Leitfähigkeit von der Geometrie eines Leiters abhängig ist. Wenn ein elektrischer Leiter elastisch gedehnt wird, wird er schmaler und länger, und sein elektrischer Widerstand erhöht sich. Alternativ, wenn ein Leiter komprimiert wird, wird er breiter und kürzer, und sein elektrischer Widerstand verringert sich. Daher kann durch Messen des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens der Betrag der Dehnung bestimmt werden, und die induzierte Spannung kann abgeleitet werden. Ein Dehnungsmessstreifen kann einen langen dünnen, leitfähigen Streifen 48 in einem Serpentinen- oder Zick-Zack-Muster von parallelen Linien beinhalten. Die parallelen Linien können einen kleinen Betrag von Spannung in Richtung der Ausrichtung der parallelen Linien zulassen, um eine verstärkte Dehnungsmessung über die effektive Länge des Leiters zu verursachen.
Unter Bezugnahme auf 5–7 sind mehrere Ausführungsformen eines empfindlichen dehnungsbasierten Ansatzes zur Überwachung des SOC dargestellt. Zwei Zellen 32 sind in einer Endansicht mit einem Abstandshalter 34 dazwischen positioniert dargestellt. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist der Dehnungsmessstreifen 36 an einer Zelle 32 befestigt, und ein Spannungskonzentrator 42 ist zwischen der Zelle 32 und dem Abstandshalter 34 positioniert, wobei die erste, größere Oberfläche 44 den Abstandshalter 34 kontaktiert und die zweite, kleinere Oberfläche 46 den Dehnungsmessstreifen 36 kontaktiert. In dem in 6 dargestellten Beispiel ist der Dehnungsmessstreifen 36 an dem Abstandshalter 34 befestigt und die Ausrichtung des Spannungskonzentrators 42 ist derart umgekehrt, dass die erste, größere Oberfläche 44 die Zelle 32 kontaktiert und die zweite, kleinere Oberfläche 46 den Dehnungsmessstreifen 36 kontaktiert.
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform beinhaltet das dehnungsbasierte SOC-Überwachungssystem zwei Spannungskonzentratoren 42, die so konfiguriert sind, dass sie einen Dehnungsmessstreifen 36 kontaktieren. Beispielsweise kann ein Spannungskonzentrator 42 an der ersten, größeren Oberfläche 44 an einer Zelle 32 befestigt sein, und ein gegenüberliegender Abstandshalter 34 und jede zweite kleinere Oberfläche 46 können konfiguriert sein, um den Dehnungsmessstreifen 36 zu kontaktieren. Dadurch, dass zwei Spannungskonzentratoren den Druck auf die Dehnungsmessstreifen 36 verstärken, kann der Dehnungsmessstreifen 36 noch empfindlicher auf die Verformung der Zellen 32 in dem Batteriesatz 30 reagieren und eine genauere Überwachung der SOC und/oder der Zellenausdehnung zulassen. In den Figuren dargestellte Komponenten sind nicht maßstabsgetreu, und der Dehnungsmessstreifen 36 und der/die Spannungskonzentrator(e)n 42 kann/können zu Veranschaulichungszwecken vergrößert sein.
Obwohl die Spannungskonzentratoren 42 in den 4 bis 7 dahingehend dargestellt sind, dass sie zu einem Punkt an der zweiten Oberfläche 46 kommen, können weitere Konfigurationen und Formen verwendet werden. Jede Form und Geometrie, bei der die zweite Oberfläche 46 eine kleinere Fläche als die erste Oberfläche 44 oder eine Oberfläche der angrenzenden Zellenwand (z. B. Wand 38) aufweist, kann eine spannungsverstärkende oder -konzentrierende Wirkung bereitstellen. Im Allgemeinen kann die Spannungsverstärkung oder -konzentration proportional zu dem Verhältnis der ersten, größeren Oberfläche 44 oder der Fläche der benachbarten Zellenwand zu der zweiten, kleineren Oberfläche 46 sein. Es kann jedoch andere Faktoren geben, die den Grad von Verstärkung beeinflussen, wie z. B. Verformung des Abstandshalters oder des Spannungskonzentrators. Mehrere Beispiele von Formen des Spannungskonzentrators sind in den 8A–8D dargestellt, wobei diese Formen jedoch nicht einschränkend sein sollen.
8A und 8B stellen zwei verschiedene dreieckige Spannungskonzentratoren 42 dar. Beide Spannungskonzentratoren können eine spitze zweite Oberfläche 46 aufweisen, können jedoch auch erste Oberflächen 44 mit anderer Größe aufweisen. Wie dargestellt, kann der Spannungskonzentrator 42 in 8B eine breitere erste Oberfläche 44 als der Spannungskonzentrator 42 in 8A aufweisen. Wenn die Spannungskonzentratoren dieselbe Längenabmessung (z. B. in/aus der Seite heraus) aufweisen, wird folglich die erste Oberfläche 44 des Spannungskonzentrators in 8B eine größere Fläche als der Spannungskonzentrator in 8A aufweisen. In einigen Fällen kann der Spannungskonzentrator in 8B die Spannung mit einem größeren Multiplikator im Vergleich zu dem Spannungskonzentrator in 8A verstärken, da eine größere erste Oberfläche 44 mehr Kraft übertragen kann. Beispielsweise kann eine größere erste Oberfläche 44 unempfindlicher gegenüber Faktoren sein, die Kraftübertragung reduzieren, wie z. B. die Verformung der anderen Zellenbestandteile.
8C stellt ein Beispiel für einen Spannungskonzentrator 42 dar, der eine abgerundete zweite Oberfläche 46 aufweist. Da nur ein Teil der abgerundeten zweiten Oberfläche 46 den Dehnungsmessstreifen 36 kontaktieren kann, kann folglich der Kontaktbereich im Vergleich zu der Fläche der ersten Oberfläche 44 verringert werden, und die Spannung kann an der zweiten Oberfläche 46 verstärkt werden. 8D stellt ein Beispiel für einen Spannungskonzentrator 42 dar, der eine flache zweite Oberfläche 46 aufweist. In der dargestellten Ausführungsform weist der Spannungskonzentrator 42 einen Querschnitt auf, der als abgeschnittenes Dreieck ausgebildet ist. Da die Fläche der zweiten Oberfläche 46 kleiner als die Fläche der ersten Oberfläche 44 ist, kann die Spannung an der zweiten Oberfläche 46 verstärkt werden. Obwohl die Spannungskonzentratoren dahingehend dargestellt sind, dass die erste Oberfläche 44 (z. B. nach Fläche) größer als die zweite Oberfläche 46 ist, können in anderen Ausführungsformen die Oberflächen 44 und 46 eine gleiche oder ähnliche Fläche aufweisen. Beispielsweise kann der Spannungskonzentrator 42 ein rechteckiges Prisma sein. Die Oberfläche 44 kann kleiner als die Fläche der Komponente sein, die z. B. an einer Zellenwand 38 oder einer Oberfläche 40 eines Abstandshalters 34 befestigt ist. Obwohl mehrere Formen dargestellt und beschrieben wurden, kann der Spannungskonzentrator jede beliebige Form aufweisen, z. B. kubisch, kugelförmig, oder andere, im Allgemeinen prismatische Formen.
8A–8D stellen die perspektivischen Ansichten mehrerer Ausführungsformen von Spannungskonzentratoren dar. Dementsprechend kann bei Spannungskonzentratoren, die eine spitze Spitze (z. B. 8A und 8B) aufweisen, die zweite Oberfläche 46 im Wesentlichen linear oder zweidimensional sein. Natürlich hat die Spitze des Spannungskonzentrators eine Nennbreite, sodass die Oberfläche nicht im wörtlichen Sinne zweidimensional ist. Obwohl die Dreiecke als spitz dargestellt sind, können die Spitzen der Dreiecke (z. B. die Spitze an der zweiten Oberfläche 46) abgerundet oder abgestumpft sein. In dem in 8D dargestellten Beispiel kann die zweite Oberfläche 46 flacher und ebener sein, wobei sie eine gut definierte Länge und Breite aufweist. In dem in 8C dargestellten Beispiel kann die zweite Oberfläche 46 in Abhängigkeit von dem Radius der Krümmung im Wesentlichen zweidimensional oder eben sein. Bei einer sehr scharfen Krümmung (geringer Radius) kann die Oberfläche 46 einem spitzen Spannungskonzentrator ähnlich sein, während eine Fläche 46 mit relativ flacher Krümmung (großer Radius) mehr Kontaktfläche aufweisen und einem ebenen Spannungskonzentrator ähnlich sein kann.
In mindestens einer Ausführungsform kann ein Verhältnis der Fläche der ersten Oberfläche 44 des Spannungskonzentrators 42 zu der Fläche der zweiten Oberfläche 46 des Spannungskonzentrators 42 mindestens 2:1 betragen, beispielsweise mindestens 3:1, 5:1, 10:1, 25:1 oder 50:1. In einer anderen Ausführungsform kann ein Verhältnis der Fläche der benachbarten Zellenwand 38 zu der Fläche der zweiten Oberfläche 46 des Spannungskonzentrators 42 mindestens 2:1 betragen, beispielsweise mindestens 3:1, 5:1, 10:1, 25:1, 50:1, 100:1 oder 500:1. Als Bereiche ausgedrückt kann ein Verhältnis der Fläche der ersten Oberfläche 44 des Spannungskonzentrators 42 oder der Fläche der Zellenwand 38 zu der Fläche der zweiten Oberfläche 46 des Spannungskonzentrators 42 von 2:1 bis 1000:1 betragen, oder einen beliebigen Teilbereich darin, wie z. B. 10:1 bis 1000:1, 10:1 bis 500:1, 10:1 bis 250:1, 25:1 bis 250:1, 25:1 bis 100:1, 5:1 bis 100:1 oder andere. Wie oben beschrieben, kann das Verhältnis des ersten Oberflächenbereichs oder des Wandoberflächenbereichs zu dem zweiten Oberflächenbereich proportional zu der Spannungsverstärkung durch den Spannungskonzentrator 42 sein. Dementsprechend kann der Spannungskonzentrator 42 in mindestens einer Ausführungsform die Spannung verstärken oder konzentrieren, die auf den Dehnungsmessstreifen durch die Verformung einer oder mehrerer Zellen um die Verhältnisse um dieselben Verhältnisse wie oben ausgeübt werden (z. B. mindestens 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 25:1 oder 50:1).
In einer anderen Ausführungsform kann die erste Oberfläche 44 eine lange Achse (z. B. Länge) aufweisen, die gleich oder kleiner als eine Breite und/oder Länge des Dehnungsmessstreifens 36 ist. Beispielsweise kann die erste Oberfläche 44 eine lange Achse (z. B. Länge) aufweisen, die 50 % bis 100 % einer Breite und/oder Länge des Dehnungsmessstreifens 36 oder einen Unterbereich darin beträgt, wie beispielsweise 60 % bis 100 %, 70 % bis 100 %, 80 % bis 100 %, 90 % bis 100 %. In einer anderen Ausführungsform kann die erste Oberfläche 44 eine lange Achse (z. B. Länge) aufweisen, die kleiner als eine Breite und/oder Länge des Dehnungsmessstreifens 36 ist. Beispielsweise kann die erste Oberfläche 44 eine lange Achse (z. B. Länge) aufweisen, die 50 % bis 95 % einer Breite und/oder Länge des Dehnungsmessstreifens 36 oder einen Unterbereich darin beträgt, wie beispielsweise 60 % bis 95 %, 70 % bis 95 %, 80 % bis 95 %, 90 % bis 95 %.
Wie oben beschrieben, kann ein Batteriesatz 30 eine Mehrzahl von Zellen 32 beinhalten. In einer Ausführungsform kann ein Dehnungsmessstreifen 36 zwischen jedem Satz von direkt benachbarten Zellen 32 positioniert sein (z. B. wie in den 5–7 dargestellt). In einigen Ausführungsformen können mehrere Dehnungsmessstreifen 36 zwischen benachbarten Zellen 32 (z. B. zwischen einigen oder allen benachbarten Zellen) positioniert sein. Jedoch kann in mindestens einer Ausführungsform weniger als ein Dehnungsmessstreifen 36 für jedes Paar von benachbarten Zellen 32 vorhanden sein. Da Spannung mechanisch von einer Zelle zu einer anderen innerhalb eines Satzes übertragen werden kann, kann ein einzelner Dehnungsmessstreifen 36 in der Lage sein, die Verformung von mehr als zwei Zellen 32 zu überwachen.
In einer Ausführungsform können die Dehnungsmessstreifen 36 in dem gesamten Satz verteilt sein, sodass ein Dehnungsmessstreifen 36 für eine bestimmte Anzahl von Zellen 32 vorhanden ist. Beispielsweise kann ein Verhältnis von Dehnungsmessstreifen zu Zellen für einen gegebenen Batteriesatz, wie z. B. 1:4 (z. B. 1 Dehnungsmessstreifen für je 4 Zellen), bestimmt werden. Daher können in einem Batteriesatz mit 12 Zellen drei Dehnungsmessstreifen innerhalb des Batteriesatzes verteilt sein. Bei derselben Batterie oder demselben Modul würde ein Verhältnis von 1:6 bedeuten, dass zwei Dehnungsmessstreifen vorhanden sind, die in dem Batteriesatz verteilt sind. In dem Beispiel mit 12 Zellen und einem 1:4-Verhältnis kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen 36 zwischen dem ersten Paar an jedem Ende des Satzes (z. B. in einer Einzelreihen-Konfiguration) platziert sein, und der dritte kann in der Mitte des Satzes positioniert sein (z. B. zwischen der 6. und 7. Zelle). In einer anderen Ausführungsform können die Dehnungsmessstreifen in dem gesamten Satz gleichmäßig beabstandet oder verteilt sein (z. B. nicht notwendigerweise zwischen den Endpaaren). In einer Ausführungsform kann das Verhältnis von Zellen zu Dehnungsmessstreifen mindestens 2:1 betragen, beispielsweise mindestens 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1, 15:1 oder 20:1. Beispielsweise kann das Verhältnis von Zellen zu Dehnungsmessstreifen mindestens 1:1 bis 20:1 betragen, beispielsweise mindestens 2:1 bis 20:1, 2:1 bis 10:1, 4:1 bis 15:1 oder 4:1 bis 10:1.
Unter Bezugnahme auf 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem dehnungsbasierten SOC-Überwachungssystem 100 dargestellt. Das System 100 kann eine oder mehrere prismatische Zellen 102 beinhalten, wobei der Einfachheit halber nur eine Zelle 102 dargestellt ist. Ein Abstandshalter 104 kann beinhaltet sein, um benachbarte Zellen 102 zu trennen. Wie oben beschrieben, kann ein Dehnungsmessstreifen 106 zwischen der Zelle 102 und dem Abstandshalter 104 positioniert sein. In der dargestellten Ausführungsform ist der Dehnungsmessstreifen 106 an einer Wand 108 der Zelle 102 befestigt, könnte aber auch an dem Abstandshalter 104 befestigt sein. Ein Spannungskonzentrator 110 kann zwischen dem Dehnungsmessstreifen 106 und dem Abstandshalter 104 (oder zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der Zellenwand) positioniert sein. Wie oben beschrieben, kann der Spannungskonzentrator 110 ein Ende mit einer kleineren Fläche und ein Ende mit einer größeren Fläche aufweisen, und das Ende mit der kleineren Fläche kann mit dem Dehnungsmessstreifen 106 in Kontakt stehen.
Der Dehnungsmessstreifen 106 kann mit einem Controller 112 in Verbindung stehen, der ein Batterieenergie-Steuerungsmodul (battery energy controller module, BECM) sein kann. Die Kommunikation kann verdrahtet (z. B. durch elektrische Drähte) oder drahtlos (z. B. HF, Bluetooth usw.) sein. Wenn eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen 106 in dem System 100 vorhanden ist, können sie jeweils mit einem Controller 112 (z. B. einem einzigen gemeinsamen Controller oder getrennten Controllern) in Verbindung stehen. Die Controller 112 können konfiguriert und programmiert sein, um Daten von dem Dehnungsmessstreifen zu empfangen, der die Dehnung an ihrem Standort innerhalb des Batteriesatzes darstellt. Die Daten können Dehnungsdaten oder Daten sein, die analysiert werden können, um die Dehnung (z. B. Widerstand) zu bestimmen. Die Dehnungsbestimmung kann durch den Controller 112 durchgeführt werden, oder er kann die Dehnungsdaten empfangen.
In einer Ausführungsform können die Dehnungsdaten unter Verwendung einer Wheatstone-Brücke 202 erzeugt werden. Ein schematisches Diagramm eines elektrischen Systems/einer Schaltung 200 mit einer Wheatstone-Brücke 202, die konfiguriert ist, um Dehnungsdaten zu erzeugen und/oder zu analysieren, ist in 10 dargestellt. Der Betrieb eines Dehnungsmessstreifens und einer Wheatstone-Brücke ist Fachleuten auf dem Gebiet bekannt und wird nicht im Detail beschrieben. Kurz gesagt ist eine Wheatstone-Brücke eine elektrische Schaltung, die verwendet werden kann, um einen unbekannten elektrischen Widerstand (z. B. ein Dehnungsmessstreifenelement) unter Verwendung zusätzlicher Widerstände zu messen, die einen bekannten Widerstand aufweisen. Die Wheatstone-Brücke 202 kann Widerstände mit bekanntem Widerstand, R1, R2 und R3 sowie einen Widerstand mit unbekanntem Widerstand Rx (z. B. das Dehnungsmessstreifenelement) beinhalten. Einer der bekannten Widerstände kann einstellbar sein (z. B. R2).
Die Widerstände können in zwei Schenkel L1 und L2 unterteilt sein. Wenn das Verhältnis der zwei Widerstände in dem bekannten Schenkel gleich dem Verhältnis der zwei in dem unbekannten Schenkel ist, dann ist die Spannung zwischen den zwei Mittelpunkten gleich Null, und es fließt kein Strom durch ein angeschlossenes Galvanometer (nicht dargestellt). Wenn die Brücke nicht ausgeglichen ist, kann der Widerstand eines der Widerstände variiert werden (z. B. R2), bis die Brücke ausgeglichen ist. Wenn keine einstellbaren Widerstände in der Brücke vorhanden sind, kann alternativ entweder die Spannungsdifferenz über das Messgerät oder der Stromfluss durch das Messgerät verwendet werden, um den Wert des unbekannten Widerstandes zu berechnen.
Das System 200 kann andere Komponenten wie beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler 204, einen Mikroprozessor 206 und einen Differenzverstärker 208 beinhalten. Zusätzliche Widerstände können in der Schaltung enthalten sein, wie beispielsweise Eingangspufferquellenwiderstände 210, ein Rückkopplungswiderstand 212 und ein Pulldown-Teilerwiderstand 214. Natürlich sind die dargestellten und beschriebenen Komponenten Beispiele, und Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass Komponenten hinzugefügt, entfernt, verlagert oder modifiziert werden können. Die anderen Komponenten außer den Dehnungsmessstreifen (Rx) können von der/den Batteriezelle(n) entfernt positioniert sein, z. B. können sie Teil eines BECM oder eines anderen Controllers sein.
Dementsprechend werden dehnungsbasierte SOC-Überwachungssysteme offenbart, die eine Verformung von Batteriezellen mit einem sehr hohen Grad an Empfindlichkeit erkennen können. Einer oder mehrere Dehnungsmessstreifen können an den Außenwänden einer Lithium-Ionen-Zelle und/oder an einem Abstandshalter zwischen den Zellen befestigt sein. Die Empfindlichkeit kann mit der Verwendung eines Spannungskonzentrators verbessert werden, um die durch die sich verformenden Zellen erzeugte Spannung aufgrund von Ladung und Entladung zu verstärken. Der/die Dehnungsmessstreifen kann/können an verschiedenen Standorten innerhalb der Satz-Arrays positioniert sein. Ein Dehnungsmessstreifen kann zwischen jedem Paar von benachbarten Zellen positioniert sein, oder es kann ein Dehnungsmessstreifen für eine gegebene Anzahl von Zellen vorhanden sein.
Die durchschnittliche Änderung des Widerstandes kann mit einem Batterie-SOC bei Kalibriertests korreliert werden. Beispielsweise können die Kalibriertests einen wiederholten Durchlauf von Zyklen des Batteriesatz-/des Zellen-SOC beinhalten und den Widerstand und/oder die Verformung überwachen. Der Durchlauf kann von 0 % bis 100 % oder andere Bereiche betragen. Beispielsweise könnte der SOC zyklisch auf über 100 % (z. B. Überladung), z. B. auf 125 % oder 150 %, durchlaufen werden. Der SOC kann auch zyklisch auf ein Minimum durchlaufen werden, das größer als 0 % ist. Der Widerstand/die Verformung kann mit dem SOC unter Verwendung anderer SOC-Überwachungstechniken, wie z. B. Coulomb-Zählungs-/Integrations- und/oder spannungsbasierter Verfahren, korreliert werden. Beispielsweise kann die Coulomb-Zählung in der Mitte der SOC-Spannungs-Kurve verwendet werden, und Spannungskurven können an unteren und oberen Enden der SOC-Spannungs-Kurve verwendet werden. Sobald eine Kalibrierkurve erstellt und aufgezeichnet wurde, kann die Reaktion des Dehnungsmessstreifens in Echtzeit von einem BECM oder einem anderen Controller überwacht werden, um den Batterie-SOC zu beurteilen. Der überwachte SOC kann dann von dem BECM verwendet werden, um SOC, Zellenausdehnung und/oder Zellendruck basierend auf der gespeicherten Kalibriertabelle oder Kurve zu beurteilen. Der dehnungsbasierte Ansatz kann entweder anstelle von oder zusätzlich zu anderen Verfahren, wie Coulomb-Integration oder Spannungsmessungen, verwendet werden.
Um die Ausgabe der Instrumentationsverstärkerschaltung einschließlich einer Wheatstone-Brücke gefolgt von einem Differenzverstärker zu verstehen, dessen Ausgang durch einen A/D-Wandler gelesen werden kann, muss die Beziehung von SOC zu Dehnung (z. B. gemessen durch das Dehnungsmessstreifenelement in 10) verstanden werden. Darüber hinaus muss auch das Verhältnis der Dehnung zum Widerstand des Dehnungsmessstreifenelementes, und letztlich die A/D-Anzeige auf dem Signal des Differenzverstärkers verstanden werden. Fachleute auf dem Gebiet können einen Dehnungsmessstreifen auswählen, dessen Widerstand ohne Spannung als R_init dargestellt wird. Die Änderung des Widerstandes von dehnungsfrei zu vollständiger Dehnung (z. B. bei einer Zelle, die auf 150 % der Nennkapazität überladen ist) kann als Delta_R dargestellt werden. Beispielsweise kann eine Konstruktion der Wheatstone-Brücke darin bestehen, dass R1, R2 und R3 auf R_init eingestellt werden. Der Ausgang des Differenzverstärkers kann eine bestimmte Anzahl von A/D-Zählern (A2D_INITIAL) sein, wenn der Dehnungsmessstreifen einen Widerstand von R_init aufweist, die er bei niedrigen SOCs für die Zelle aufweisen kann.
Wenn sich die Zelle 100 % SOC nähert, wird die Dehnung zunehmen und der Widerstand des Dehnungsmesselements ändert sich weg von R_init. Wenn der Ladevorgang fortschreitet, ändert sich der Dehnungsmessstreifen auf (R_init + Delta_R). Bei einem Zellen-SOC von 150 % können sich die A/D-Zähler um A2D_DELTA ändern. Die Verstärkung des Differenzverstärkers kann so gewählt werden, dass ein ausreichend großes A2D_DELTA erreicht wird, um ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis zu haben. Dementsprechend können Fachleute auf dem Gebiet basierend auf der vorliegenden Offenbarung einen geeigneten Dehnungsmessstreifen, eine Wheatstone-Brückenschaltung und eine korrekte Differenzverstärkerschaltung auswählen, um eine akzeptable Änderung der A/D-Zähler zu haben, die zu einer angemessenen Auflösung für das Gesamtsystem führen kann. Eine angemessene Auflösung kann bedeuten, dass die Anzeige von dem Dehnungsmessstreifen von dehnungsfrei bis zur vollständigen Dehnung (entsprechend A2D_INITIAL zu A2D_INITIAL + A2D_DELTA) eine große Änderung der A/D-Werte im Vergleich zu den Rauschfaktoren in dem System ist.
Dann besteht die Kalibrierung aus der Aufzeichnung von A/D-Zählern für bekannte SOC-Werte für die Zelle und der Erstellung einer Nachschlagtabelle von A/D wird zu bekannten SOCs zurückgezählt. Es ist wahr, dass wir, wenn der SOC der Zelle niedrig ist, nicht viel Veränderung in den A/D-Zählungen erwarten, sodass dieses System im Bereich von niedrigen SOCs nicht sehr empfindlich ist. Wenn jedoch der Zellen-SOC beispielsweise 80 % übersteigt, führt der Spannungskonzentrator zu einer messbaren Dehnung des Messstreifens, was durch den A/D gelesen werden kann. So beginnen wir, bei hohen SOCs zum Beispiel über 80 %, erkennbare Änderungen bei den A/D-Zählern zu sehen. So kann diese Nachschlagtabelle später bei der Messung von SOCs z. B. über 80°% gut genutzt werden.
Zusätzlich zur SOC-Überwachung können die Dehnungsmessstreifendaten verwendet werden, um Änderungen in der/den Zelle(n) im Zeitverlauf zu überwachen, wie beispielsweise den Gesundheitszustand (SOH) der Zellen/des Satzes. Beispielsweise können die Dehnungsmessstreifen in der Lage sein, langsame Zunahmen (z. B. lineare Erhöhungen) bei Druck oder Verformung im Zeitverlauf aufgrund von Zellenverschlechterung zu erkennen. In einem solchen Fall kann eine langsame Abweichung der Dehnungsmessstreifenreaktion außerhalb der Kalibrierkurvengrenzen eine übermäßige Zellenausdehnung aufgrund von Gaserzeugung und/oder Druckaufbau anzeigen. Bei Erkennung der Ausdehnung kann das System den BECM oder einen anderen Controller auffordern, Maßnahmen zu ergreifen, um die Batterie zu schützen, wie z. B. die Anpassung der Leistungsgrenzen, die Bereitstellung einer Benachrichtigung an den Fahrer oder einen Techniker, oder die Auslösung eines weichen oder harten Alarms.
Die offenbarten Systeme und Verfahren können einen genaueren Batteriesatz-Betrieb zwischen SOC-Grenzwerten ermöglichen, den Batterieverbrauch optimieren, die Aufrechterhaltung des SOH unterstützen und die Kundenzufriedenheit verbessern. Alternativ können das offenbarte System und die Verfahren als Entwicklungswerkzeuge verwendet werden, die in die Testausrüstung integriert sind. In diesem Fall können das offenbarte System und die Verfahren zu verfeinerten Batterietestverfahren und/oder der Entwicklung verbesserter Batterie- oder Zellenmanagementstrategien führen.
Weiterhin können das offenbarte System und die offenbarten Verfahren eine verbesserte Ausnutzung der vollen Kapazität einer Batterie zulassen. Dies ist möglich, weil sie die Verwendung in der Nähe der tatsächlichen 100 %igen und 0 %igen Ladungskapazitäten ohne Bedenken hinsichtlich der Überschreitung der Zellenkapazität zulassen. Im Gegenzug kann dies die Verwendung einer kostengünstigeren, leichteren und/oder kleineren Batterie für eine gegebene Fahrzeuganwendung ermöglichen. Die Verwendung von Druckmessung in dem offenbarten System und den Verfahren kann eine zusätzliche Vereinfachung und Kostenreduktion bei der Zellenspannungsmesselektronik vorsehen, da der Druck als redundanter und unabhängiger Backup-Indikator verwendet werden kann.
Das offenbarte System und die offenbarten Verfahren können ergänzend zu Coulomb-Integrations- oder spannungsmessbasierten Erfassungstechniken sein. Wenn beispielsweise ein Zellenspannungs-Lesesystem ausfällt, kann ein herkömmliches System einen Zeitgeber auslösen, um die Batterie abzuschalten. Diese Zeitgeberverzögerung kann einbezogen werden, da der Zellenzustand unter diesen Fehlerumständen unbekannt ist. Wenn es jedoch eine Druckmessung gibt, die Gruppen von Zellen abdeckt, dann kann es möglich sein, Kenntnis von dem Zellzustand zu haben. Beispielsweise kann man, wenn der Druck bekannt ist, wissen, dass die Zellen gerade nicht entlüften, und ob sie durch ihre Verwendung beschädigt werden. Dies kann es einem Fahrzeug ermöglichen, weiter zu fahren, wenn ein Fehler in einem der SOC-Systeme auftritt, da die dehnungsbasierte Messung feststellen kann, ob ein Schaden auftritt.
Das offenbarte System und die offenbarten Verfahren können eine ergänzende SOC-Messung basierend auf der Tatsache bereitstellen, dass Elektroden Volumenänderungen bei Ladung und Entladung erfahren. Diese Volumenänderungen können ein druckkorreliertes Spannungsfeld an den Zellen erzeugen, das mit den Dehnungsmessstreifen und dem/den offenbarten Spannungskonzentrator(en) messbar ist. Basierend auf einer vorgegebenen Druck-SOC-Korrelationskurve kann der SOC basierend auf den gemessenen Volumenänderungen geschätzt werden. Das Dehnungsmesssignal kann zusätzlich zu den Spannungs- und/oder Amperestunden-Eingängen in den BECM eingespeist werden, wodurch ergänzende und unabhängige Messungen bereitgestellt werden, die für eine genauere SOC-Beschreibung und eine verbesserte Batterienutzung verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann die Druck-SOC-Korrelationskurve basierend auf der aktuellen Temperatur der Batteriezellen oder des Satzes eingestellt werden. Beispielsweise können Temperatursensoren, wie z. B. Thermistoren, in dem Batteriesatz enthalten sein, und können dem BECM Temperaturdaten zuführen. Der BECM kann dann die Temperatur kompensieren und die SOC-Bestimmung einstellen. Alternativ können mehrere Druck-SOC-Korrelationskurven bei unterschiedlichen Temperaturen erzeugt werden.
Wie oben beschrieben, können das offenbarte System und die offenbarten Verfahren einen Hinweis auf eine Zellenverschlechterung bereitstellen. Die Zellenverschlechterung kann mit der Elektrolytzersetzung in gasförmige Produkte verbunden sein, was zu einem internen Druckaufbau und einer allmählichen Zellenverformung führen kann. Es kann daher erwartet werden, dass der Druckaufbau eine charakteristische irreversible Verschiebung (oder einen Versatz) in der Druck-SOC-Korrelationskurve erzeugen kann, die ansonsten reversibel wäre. Diese Verschiebung oder dieser Versatz kann in einen Zellendruck umgewandelt, und mit einer bekannten Zellenentlüftungsdruckschwelle (z. B. etwa 125 psig) verglichen werden, um das Batteriemanagement zu optimieren, wie z. B. die begrenzende Betriebsstrategie (Limiting Operating Strategy, LOS). Die Spannung und/oder die amperestundenbasierte Überwachung alleine ist möglicherweise nicht geeignet, um die Elektrolytzersetzung zu beurteilen und die Zellenentlüftung vorherzusagen. Dieser Ansatz kann auch die Zellenalterung identifizieren oder nachweisen.
Während die Batteriesatz- und SOC-Überwachungssysteme in Bezug auf prismatische Zellen dargestellt und beschrieben worden sind, werden Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet verstehen, dass basierend auf der vorliegenden Offenbarung andere Arten von Zellen verwendet werden können. Beispielsweise kann jede Kombination von zylindrischen, Knopf- oder Pouch-Zellen einige oder alle der prismatischen Zellen ersetzen. Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet werden basierend auf der vorliegenden Offenbarung verstehen, dass Modifikationen des SOC-Überwachungssystems vorgenommen werden können, um unterschiedliche Zellentypen aufzunehmen. Beispielsweise kann sich eine Pouch-Zelle in einem größeren Ausmaß als eine prismatische Zelle ausdehnen und zusammenziehen. Dementsprechend kann die SOC-Kalibrierkurve auf der Art der Zelle in dem Batteriesatz basieren. Der in dem Batteriesatz verwendete Zellentyp kann im BECM oder an anderer Stelle in dem SOC-Überwachungssystem gespeichert werden.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Spezifikation verwendeten Worte beschreibende und nicht einschränkende Worte, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.

Claims

Batteriesatz, umfassend: eine erste und zweite benachbarte Batteriezelle; einen Dehnungsmessstreifen, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; und einen Spannungskonzentrator, der zwischen dem Dehnungsmessstreifen und einer von der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; wobei der Spannungskonzentrator eine erste Oberfläche, die den Dehnungsmessstreifen kontaktiert, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine Fläche aufweist, die nicht größer als eine Fläche der zweiten Oberfläche ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Fläche der zweiten Oberfläche zu der Fläche der ersten Oberfläche mindestens 5:1 beträgt.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei eine lange Achse des Spannungskonzentrators gleich oder kleiner als eine Länge oder eine Breite des Dehnungsmessstreifens ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Abstandshalter, der zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und dem Dehnungsmessstreifen positioniert ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei der Spannungskonzentrator ein dreieckiges Prisma, ein abgeschnittenes dreieckiges Prisma, ein rechteckiges Prisma, eine Kugel oder ein Zylinder ist.
Batteriesatz, umfassend: eine erste, zweite und dritte benachbarte Batteriezelle; einen Dehnungsmessstreifen, der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; und einen Spannungskonzentrator, der zwischen dem Dehnungsmessstreifen und einer von der ersten und zweiten Batteriezelle positioniert ist; dass der Spannungskonzentrator eine erste Oberfläche, die den Dehnungsmessstreifen kontaktiert, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine Fläche aufweist, die kleiner als eine Fläche der zweiten Oberfläche ist.
Batteriesatz nach Anspruch 6, wobei ein Verhältnis der Fläche der zweiten Oberfläche zu der Fläche der ersten Oberfläche mindestens 5:1 beträgt.
Batteriesatz nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Abstandshalter, der zwischen einer von der ersten und zweiten Batteriezelle und dem Dehnungsmessstreifen positioniert ist.
Batteriesatz nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen zweiten Dehnungsmessstreifen, der zwischen der zweiten und dritten Batteriezelle positioniert ist.
Batteriesatz nach Anspruch 9, weiterhin umfassend einen zweiten Spannungskonzentrator, der zwischen dem zweiten Dehnungsmessstreifen und einer von der zweiten und dritten Batteriezelle positioniert ist.