DE102017216222A1

DE102017216222A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit

Info

Publication number: DE102017216222A1
Application number: DE102017216222.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Reinshagen; Daniel Sauerteig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN111095662A; WO2019052945A1

Abstract

Es wird Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit beschrieben. Dabei wird eine erste mechanische Zustandsgröße, insbesondere ein mechanischer Druck oder eine Verschiebung unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells ermittelt. Weiterhin wird eine elektrochemische Zustandsgröße, insbesondere eine Stoffkonzentration in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells ermittelt. Das erste mathematische Modell und das zweite mathematische Modell sind gekoppelt. Weiterhin wird ein Alterungszustand und/oder ein Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der elektrochemischen Zustandsgröße ermittelt. Es wird weiterhin eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium, eine entsprechende elektrische Energiespeichereinheit mit der entsprechenden Vorrichtung sowie deren Verwendung beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren, einer Vorrichtung, einem Computerprogramm sowie einem maschinenlesbaren Speichermedium zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß den unabhängigen Patentansprüchen, wobei eine erste mechanische Zustandsgröße und eine elektrochemische Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden und basierend auf den so ermittelten Größen ein Alterungszustand oder ein Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt wird. Ebenso werden eine elektrische Energiespeichereinheit sowie deren Verwendung beschrieben.
Stand der Technik
Elektrische Energiespeichereinheiten, insbesondere basierend auf der Lithiumionentechnologie, finden gerade im Automobilbereich zunehmende Verbreitung als wichtige Komponente im Antriebsstrang. Dabei sind die Elektroden einer elektrischen Energiespeichereinheit aufgrund der Einspeicherungs- und Ausspeicherungsvorgänge der Lithiumionen volumetrischen Änderungen unterworfen. Abhängig von einem Ladezustand, aber auch einer Alterung der Elektroden, ändert sich die entsprechende Ausdehnung der Elektroden, insbesondere orthogonal zu einer Lagenanordnung der Elektroden. Diese mechanischen Änderungen können demzufolge zusätzlich zu den bereits bisher verwendeten Messgrößen Temperatur, elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit oder einem elektrischen Strom verwendet werden, um die Bestimmungsgenauigkeit der Alterung oder des Ladezustandes einer Elektrode zu erhöhen beziehungsweise um Ungenauigkeiten, welche auf der alleinigen Erfassung von elektrischen Größen beruhen, zu minimieren.
Insbesondere eine modellbasierte Überwachung und Bestimmung des Alterungs- und Ladezustandes eine Elektrode beziehungsweise einer elektrischen Energiespeichereinheit sind hilfreich, um die Einhaltung eines sicheren Betriebes der elektrischen Energiespeichereinheit zu gewährleisten. Beispielsweise weisen Lithiumionenzellen bei zu hohem mechanischem Druck auf die Elektrode erhöhte Alterungsraten auf. Durch eine interkalationsbedingte Ausdehnung der Elektroden innerhalb der Lithiumionenzellen und eine Bildung von Passivierungsschichten entstehen mechanische Drücke auf den Elektroden durch eine Limitierung des mechanischen Bauraums.
Weiterhin weisen beispielsweise neue Aktivmaterialien für die Elektroden, beispielsweise basierend auf Silizium, eine Potenzialhysterese auf, was eine Ermittlung des Ladezustandes auf Basis des Elektrodenpotenzials erschwert.
In diesem Zusammenhang bieten sich physikalische beziehungsweise elektrochemische Modelle zur Beschreibung der elektrochemischen Prozesse, beispielsweise das bekannte Newman-Modell, an, um elektrochemische Prozesse in einer Elektrode zu beschreiben. Dies liefert allerdings noch keine Informationen über den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit, beispielsweise eine Ausdehnung der Elektroden oder eine von ihnen auf ein die Elektroden umgebendes Gehäuse ausgeübte Kraft.
In der Druckschrift DE 10 2012 209 271 A1 wird ein Batteriemanagementsystem einer Batterie beschrieben, wobei innerhalb einer Batteriezelle auf einem Elektrodenwickel ein drucksensitiver Foliensensor angebracht ist, dessen Messwerte von einer Batteriezustandserkennung ausgewertet und zur Batteriezustandserkennung verwendet werden.
In der Druckschrift US 2015/0188198 A1 wird ein Batteriemodul beschrieben, das eine Batteriezelle sowie einen Kraftmesser und ein Steuerungsmodul aufweist, wobei der Kraftmesser eine Kraft aufgrund des Anschwellen der Batteriezelle misst und das Steuerungsmodul eingerichtet ist, basierend auf den empfangenen Kraftmessdaten die verbleibende Lebensdauer des Batteriemoduls zu schätzen.
In der Druckschrift US 2014/0107949 A1 wird ein Batteriemanagementsteuergerät beschrieben, welches auf Basis empirisch ermittelter mechanischer Kenngrößen eine Ladezustands- beziehungsweise Alterungszustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit durchführt.
In dem Artikel „A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estimation" von Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014), wird die Kraft, welche eine Lithiumionenzelle während des Ladens beziehungsweise Entladens entwickelt, mittels eines mathematischen Modells beschrieben. Dabei wird ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kraftmesseinheiten außerhalb einer Batteriezelle vorsieht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Dabei wird eine erste mechanische Zustandsgröße, die einen mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere einen mechanischen Druck oder eine Verschiebung, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Diese erste mechanische Zustandsgröße kann beispielsweise den von dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinheit ausgeübten mechanischen Druck oder auch den von einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit ausgeübten Druck umfassen. Das erste mathematische Modell kann beispielsweise in einem Speicherbaustein eines Batteriemanagementsteuergerätes hinterlegt sein. Das erste mathematische Modell kann beispielsweise Differenzialgleichungen, insbesondere partielle Differenzialgleichungen, und/oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des ersten mathematischen Modells sein.
Weiterhin wird eine elektrochemische Zustandsgröße, die einen elektrochemischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere eine Konzentration eines Stoffes in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei das erste mathematische Modell und das zweite mathematische Modell gekoppelt sind. Diese Kopplung bewirkt, dass die mechanische Zustandsgröße die elektrische Zustandsgröße beeinflusst und umgekehrt. Beipielsweise kann die Porigkeit einer Elektrode beziehungsweise eines Separators und/oder allgemeiner das Fließverhalten eines Elektrolyts in der elektrischen Energiespeichereinheit durch den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit beeinflußt werden. Die Kopplung der Modelle bildet dies entsprechend mathematisch ab. Das zweite mathematische Modell kann beispielsweise in einem Speicherbaustein eines Batteriemanagementsteuergerätes hinterlegt sein und beispielsweise Differenzialgleichungen, insbesondere partielle Differenzialgleichungen, und/oder algebraische Gleichungen umfassen. Ein bekanntes Modell dieser Art ist das von Newman vorgestellte elektrochemische Modell einer elektrischen Energiespeichereinheit, welches auf den Theorien der konzentrierten Lösung und der porösen Elektrode basiert.
Generell kann gesagt werden, dass für die Ermittlungen mit den vorgestellten Modellen gegebenenfalls geeignete Startwerte zu wählen sind. Dies gilt insbesondere für mathematische Modelle, welche auf Differenzialgleichungen basieren. Diese Startwerte können beispielsweise vor dem eigentlichen Betrieb ermittelt und in einem Datenspeicher abgelegt werden. Bei Bedarf werden sie dann zur Modellinitialisierung, gegebenenfalls abhängig von Randbedingungen, eingesetzt.
Weiterhin wird ein Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder ein Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der elektrochemischen Zustandsgröße ermittelt. Dazu können beispielsweise in einem Kennfeld entsprechende Zusammenhänge zwischen mechanischer Zustandsgröße, elektrochemischer Zustandsgröße und dem Alterungszustand beziehungsweise dem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit abgelegt sein. Das Kennfeld kann wiederum in einem Datenspeicher abgelegt sein.
Dabei ist der Ladezustand beispielsweise ein dimensionsloser Wert, welcher sich im Bereich von 0 bis 1 beziehungsweise 0 % bis 100 % bewegt. Zur Ermittlung kann ein in einem Datenspeicher abgelegtes Kennfeld verwendet werden, welches den Ladezustand in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Zustandsgröße und der ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße wiedergibt.
Die Alterungszustandsgröße wird beispielsweise als dimensionsloser Wert dargestellt, wobei beispielsweise ein in einem Datenspeicher abgelegtes Kennfeld einen Kraftwert in Abhängigkeit der Lithiumkonzentration einer Elektrode liefert. Dieser aus dem Kennfeld gewonnene Kraftwert dient als Nenner in der Berechnung der dimensionslosen Alterungszustandsgröße, wobei der Zähler beispielsweise durch die ermittelte mechanische Kraft gebildet wird. Eine Alterungszustandsgröße größer als 1 zeigt somit eine gealterte elektrische Energiespeichereinheit an.
Anschließend kann beispielsweise die Energieentnahme aus der elektrischen Energiespeichereinheit derart gesteuert beziehungsweise geregelt werden, unter anderem unter Einsatz einer Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, dass sich eine möglichst lange Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit ergibt.
Das Betriebsverfahren erlaubt somit in vorteilhafter Weise einen Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit mit verringerter Alterungsrate. Vorzeitige Ausfälle der elektrischen Energiespeichereinheit können somit vermieden und eine längere Lebensdauer erreicht werden. Durch den kombinierten Einsatz von mechanischen und elektrochemischen Zustandsgröße in der Ermittlung des Alterungszustandes beziehungsweise Ladezustandes wird die Ermittlungsgenauigkeit erhöht und somit die Gefahr einer unerwarteten Erschöpfung der Ladung der elektrischen Energiespeichereinheit in vorteilhafter Weise verringert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Ermittlung eines Wertes eines elektrochemischen Parameters der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere eines Porigkeitskennwertes einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit, in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Zustandsgröße, wobei die Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße anschließend in Abhängigkeit des ermittelten Parameterwertes, insbesondere des Porigkeitskennwertes, erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass auf die elektrische Energiespeichereinheit einwirkende mechanische Kräfte, welche sich auf elektrochemische Eigenschaften der elektrischen Energiespeichereinheit auswirken, bei der Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße berücksichtigt werden. Somit wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ermittlungsschritte und somit des Betriebs der elektrischen Energiespeichereinheit weiter erhöht. Dies trägt insbesondere zu einer erhöhten Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit bei.
Zweckmäßigerweise wird unter Verwendung eines dritten mathematischen Modells eine Temperaturgröße ermittelt, die eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, wobei das erste mathematische Modell, das zweite mathematische Modell und das dritte mathematische Modell miteinander gekoppelt sind. Dies kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines auf der Oberfläche der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Temperatursensors erfolgen, beispielsweise eines Thermoelementes. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Alterungszustandes und/oder des Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturgröße, der ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der elektrochemischen Zustandsgröße.
Zweckmäßigerweise wird eine zweite mechanische Zustandsgröße, die den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, mittels eines innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten und/oder in physischem Kontakt mit der elektrischen Energiespeichereinheit stehenden Sensors erfasst. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Alterungszustands des elektrischen Energiespeichereinheit und/oder des Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße, der erfassten zweiten mechanischen Zustandsgröße und der elektrochemischen Zustandsgröße. Dies hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Ermittlung von Ladezustand beziehungsweise Alterungszustand durch die Kombination von Modellgrößen und Messgrößen weiter erhöht wird. Durch die Integration von Messgrößen können auch Abweichungen in den mathematischen Modellen bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden, was Ermittlung zum einen genauer und zum anderen auch robuster, d.h. weniger störanfällig macht.
Zweckmäßigerweise wird eine erste elektrische Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei die elektrische Zustandsgröße einen elektrischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere eine elektrische Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit, repräsentiert. Darüber hinaus wird eine zweite elektrische Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit, die den elektrischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung des zweiten mathematischen Modells ermittelt. Es werden demzufolge beispielsweise zwei Spannungswerte ermittelt beziehungsweise erfasst, wobei die Ermittlung modellbasiert simulativ und die Erfassung mittels eines Sensors erfolgt. Es liegen somit zwei unterschiedliche Arten der Bestimmung des Wertes vor. Anschließend erfolgt eine Änderung des zweiten mathematischen Modells und/oder von mittels des zweiten mathematischen Modells ermittelten Größen in Abhängigkeit der erfassten ersten elektrischen Zustandsgröße und der ermittelten zweiten elektrischen Zustandsgröße. Dies hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Ermittlung von Ladezustand beziehungsweise Alterungszustand durch die Kombination von Modellgrößen und Messgrößen weiter erhöht wird. Durch die Integration von Messgrößen können auch Abweichungen in den mathematischen Modellen bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden, was die Ermittlung zum einen genauer und zum anderen auch robuster, d.h. weniger störanfällig macht.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, welche einen Aktor sowie mindestens ein Mittel, beispielsweise ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, umfasst, welche eingerichtet sind, dass offenbarte Verfahren durchzuführen. Mit dieser Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise die Lebensdauer und Sicherheit der elektrischen Energiespeichereinheit, welche von der Vorrichtung betrieben wird, durch eine genauere Ladezustands- beziehungsweise Alterungszustandsbestimmung erhöht.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die offenbarte Vorrichtung die Verfahrensschritte des offenbarten Verfahrens ausführt. Somit werden in vorteilhafter Weise die Vorteile des Verfahrens realisiert.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Somit ist in vorteilhafter Weise eine einfache Möglichkeit gegeben, das Computerprogramm zu verbreiten.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine elektrische Energiespeichereinheit, welche die offenbarte Vorrichtung zum Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit umfasst. Dies ist vorteilhaft, da die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängert und ihre Sicherheit erhöht wird.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung die Verwendung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich. Dabei können beispielsweise poröse Elektroden im Aufbau der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt werden. Entsprechende Elektrolyten für den Einsatz in derartigen elektrischen Energiespeichereinheiten können beispielsweise gelartig oder flüssig sein.
Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein.
Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
Figurenliste
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.

1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform; und
6 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung, welche eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S11 wird eine mechanische Kraft, welche auf eine elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Kraftsensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden. Somit ist die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft bekannt, wobei sich diese Kraft auf die Leistungsfähigkeit der elektrischen Energiespeichereinheit auswirkt.
In einem zweiten Schritt S12 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines auf Differenzialgleichungen beruhenden zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem ersten Schritt S11 ermittelten mechanischen Kraft ermittelt. Das zweite mathematische Modell und das erste mathematische Modell sind somit gekoppelt.
In einem dritten Schritt S13 wird eine Alterungszustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung der ermittelten mechanischen Kraft und der ermittelten Lithiumkonzentration ermittelt. Die Alterungszustandsgröße wird in dieser Ausführungsform als dimensionsloser Wert dargestellt, wobei beispielsweise ein in einem Datenspeicher abgelegtes Kennfeld einen Kraftwert in Abhängigkeit der Lithiumkonzentration liefert. Dieser aus dem Kennfeld gewonnene Kraftwert dient als Nenner in der Berechnung der dimensionslosen Alterungszustandsgröße, wobei der Zähler durch die ermittelte mechanische Kraft gebildet wird. Eine Alterungszustandsgröße größer als 1 zeigt somit eine gealterte elektrische Energiespeichereinheit an.
2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird ein mechanischer Druck, welcher auf eine elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modelles der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Drucksensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden, wobei dennoch durch die modellbasierte Ermittlung der auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Druck bekannt ist.
In einem zweiten Schritt S22 wird als ein elektrochemischer Parameterwert der elektrischen Energiespeichereinheit eine Porigkeit beziehungsweise ein Porigkeitskennwert einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit des in dem ersten Schritt S21 ermittelten mechanischen Drucks ermittelt. Dabei wird der so ermittelte elektrochemische Parameter in einem zweiten mathematischen Modell verwendet. Alternativ kann auch die Porigkeit beziehungsweise Porosität des Separators und/oder einer oder beider Elektroden ermittelt werden.
In einem dritten Schritt S23 erfolgt anschließend eine Ermittlung eines elektrischen Potenzials einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung des zweiten mathematischen Modells, wobei der in dem zweiten Schritt S22 ermittelte Parameterwert innerhalb dieser modellbasierten Ermittlung mittels des zweiten mathematischen Modells eingesetzt wird, wodurch das Ermittlungsergebnis verbessert wird.
In einem vierten Schritt S24 wird anschließend der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und des ermittelten mechanischen Potenzials der Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei ist der Ladezustand beispielsweise ein dimensionsloser Wert, welcher sich im Bereich von 0 bis 1 beziehungsweise 0 % bis 100 % bewegt. Zur Ermittlung kann ein in einem Datenspeicher abgelegtes Kennfeld verwendet werden, welches den Ladezustand in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und des ermittelten elektrischen Potenzials der Elektrode wiedergibt.
3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 wird eine mechanische Ausdehnung, die eine elektrische Energiespeichereinheit beziehungsweise eine ihrer Elektroden erfährt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit beziehungsweise der Elektrode ermittelt.
In einem zweiten Schritt S32 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheiten Verwendung eines zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem ersten Schritt S21 ermittelten mechanischen Ausdehnung ermittelt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass ein geänderter mechanischer Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit eine Veränderung elektrochemischer Zustandsgröße zur Folge hat.
In einem dritten Schritt S33 wird eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines dritten mathematischen Modells ermittelt, wobei das erste mathematische Modell, das zweite mathematische Modell und das dritte mathematische Modell miteinander gekoppelt sind. Dabei bildet das dritte mathematische Modell beispielsweise Wärmeflüsse und Wärmequellen, welche beispielsweise durch den ohmsche Widerstand der elektrischen Energiespeichereinheit entstehen, ab und erlaubt somit eine genauere Bestimmung der Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit, als dies ausschließlich mit einer oberflächlichen Temperaturmessung auf der elektrischen Energiespeichereinheit möglich wäre.
In einem vierten Schritt S34 wird anschließend der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der mechanischen Ausdehnung, der Lithiumkonzentration und der Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.
4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S41 wird eine mechanische Ausdehnung der elektrischen Energiespeichereinheit mittels eines auf einem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Dehnungssensors erfasst, beispielsweise einem Dehnungsmessstreifens.
In einem zweiten Schritt S42 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit beziehungsweise der Elektrode ermittelt.
In einem dritten Schritt S43 wird die mechanische Ausdehnung der elektrischen Energiespeichereinheit simulativ unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Somit liegen auf zwei verschiedene Arten ermittelte Werte für die mechanische Ausdehnung der elektrischen Energiespeichereinheit vor.
In einem vierten Schritt S44 wird anschließend der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der erfassten mechanischen Ausdehnung, der simulativ ermittelten mechanischen Ausdehnung und der ermittelten Lithiumkonzentration ermittelt. Dazu kommt zum einen eine regelungstechnische Struktur eines Beobachters, welcher die simulativ ermittelte mechanische Ausdehnung und die erfasste mechanische Ausdehnung berücksichtigt, und ein Kennfeld zum Einsatz, welches den Ladezustand in Abhängigkeit der ermittelten Lithiumkonzentration abbildet.
5 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform. In einem ersten Schritt S51 wird ein erster elektrischer Spannungswert der elektrischen Energiespeichereinheit erfasst, d.h. der Wert einer Spannung, welche typischerweise zwischen zwei Polanschlüssen einer elektrischen Energiespeichereinheit erfasst wird.
In einem zweiten Schritt S52 wird ein zweiter elektrischer Spannungswert simulativ unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells ermittelt. Somit liegen auf zwei verschiedene Arten ermittelte Werte für die elektrische Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit vor.
In einem dritten Schritt S53 wird überprüft, ob die Differenz des ersten elektrischen Spannungswerts und des zweiten elektrischen Spannungswerts einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Ist dies der Fall, so wird in einem vierten Schritt S54 das zweite mathematische Modell in Abhängigkeit des ersten elektrische Spannungswerts und des zweiten elektrischer Spannungswerts geändert, wobei dazu ein Optimierungsverfahren beispielsweise das Verfahren der kleinsten Quadrate, zum Einsatz kommt.
In einem fünften Schritt S55 wird eine mechanische Kraft, welche auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Kraftsensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden. Somit ist die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft bekannt, wobei sich diese Kraft auf die Leistungsfähigkeit der elektrischen Energiespeichereinheit auswirkt.
In einem sechsten Schritt S56 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung des zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wurde das zweite mathematische Modell gegebenenfalls mittels des ersten elektrischen Spannungswerts und des zweiten elektrischen Spannungswerts wie vorstehend beschrieben aktualisiert, um sich verändernde Parameterwerte des Modells an die Realität anzugleichen. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem sechsten Schritt S56 ermittelten mechanischen Kraft ermittelt. Das zweite mathematische Modell und das erste mathematische Modell sind somit gekoppelt.
In einem siebten Schritt S57 wird eine Alterungszustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung der ermittelten mechanischen Kraft und der ermittelten Lithiumkonzentration ermittelt. Dabei ist das Verfahren durch die nach Führung des zweiten mathematischen Modells mithilfe der elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit besonders genau.
6 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 70, die eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dabei wird mittels eines in einem ersten Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells 71 eine mechanische Zustandsgröße einer elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Die ermittelte mechanische Zustandsgröße wird anschließend in einem zweiten mathematischen Modell 72, welches in einem zweiten Datenspeicher abgelegt ist, bei der Ermittlung einer elektrochemischen Zustandsgröße eingesetzt. Aus den ermittelten Zustandsgrößen bestimmt das Batteriemanagementsteuergerät 74 anschließend den Alterungs- beziehungsweise den Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit. Weiterhin bestimmt das Batteriemanagementsteuergerät geeignete Ansteuerbefehle für eine Leistungselektronik 73, beispielsweise einen Wechselrichter, um die elektrische Energiespeichereinheit unter Verwendung der mechanischen und der elektrochemischen Zustandsgröße derart anzusteuern, dass ein alterungsoptimaler Betrieb ermöglicht wird. Somit wird die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängert beziehungsweise ein schonenderer Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012209271 A1 [0006]
US 2015/0188198 A1 [0007]
US 2014/0107949 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estimation“ von Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014) [0009]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend die Schritte: a) Ermitteln einer ersten mechanischen Zustandsgröße, die einen mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere einen mechanischen Druck oder eine mechanische Dehnung eines Gehäuses der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells (71) der elektrischen Energiespeichereinheit; b) Ermitteln einer elektrochemischen Zustandsgröße, die einen elektrochemischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere eine Stoffkonzentration in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells (72) der elektrischen Energiespeichereinheit, wobei das erste mathematische Modell (71) und das zweite mathematische Modell (72) gekoppelt sind; c) Ermitteln eines Alterungszustandes der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder eines Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der elektrochemischen Zustandsgröße.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: d) Ermitteln eines Wertes eines elektrochemischen Parameters der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer Porigkeit, welcher in dem zweiten mathematischen Modell (72) verwendet wird, in Abhängigkeit der in Schritt a) ermittelten mechanischen Zustandsgröße, wobei die Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße in Schritt b) anschließend in Abhängigkeit des in Schritt d) ermittelten Parameterwertes erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: e) Ermitteln einer Temperaturgröße, die eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung eines dritten mathematischen Modells, wobei das erste mathematische Modell (71), das zweite mathematische Modell (72) und das dritte mathematische Modell miteinander gekoppelt sind; f) Ermitteln des Alterungszustandes und/oder des Ladezustandes in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturgröße.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: g) Erfassen einer zweiten mechanischen Zustandsgröße, die den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, mittels eines innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten und/oder in physischem Kontakt mit der elektrischen Energiespeichereinheit stehenden Sensors. h) Ermitteln des Alterungszustandes der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder des Ladezustandes der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße, der erfassten zweiten mechanischen Zustandsgröße und der elektrochemischen Zustandsgröße.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, i) Erfassen einer ersten elektrischen Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit, die einen elektrischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere eine elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit; j) Ermitteln einer zweiten elektrischen Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit, die den elektrischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung des zweiten mathematischen Modells (72); k) Ändern des zweiten mathematischen Modells (72) und/oder von mittels des zweiten mathematischen Modells (72) ermittelten Größen in Abhängigkeit der erfassten ersten elektrischen Zustandsgröße und der ermittelten zweiten elektrischen Zustandsgröße.
Vorrichtung (70) zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend ein leistungselektronisches Bauteil (73) sowie mindestens ein Mittel (74), insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät (74), welche eingerichtet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung (70) nach Anspruch 6 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
Elektrische Energiespeichereinheit, umfassend eine Vorrichtung (70) nach Anspruch 6.
Verwendung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 9 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.