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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen, und mit einer Sensoreinrichtung zum Bestimmen eines aktuellen Volumens der Batteriezellen in Abhängigkeit des aktuellen Ladezustandes der Vielzahl von Batteriezellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers.
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Insbesondere aus dem Serienkraftfahrzeugbau ist es bekannt, dass insbesondere Hochvoltbatterien, welche vorliegend als elektrische Energiespeicher bezeichnet werden können, in der Regel aus mehreren Batteriezellen, sogenannten Flachzellen bestehen können, die sich je nach Ladezustand, dem sogenannten State of Charge (SOC), oder aber dem Gesundheitszustand, dem sogenannten State of Health (SOH), welche zyklische oder kalendarische Alterung beinhalten kann, unterschiedlich in der Stärke ausdehnen. Es ist bekannt, dass eine fix ausgelegte Ausdehnung ohne Justage vorgesehen sein kann, die jedoch auf eine komplette Lebensdauer nicht ausgelegt ist. Somit wird die Lebensdauer von Hochvolt-Batterien durch das vorhandene Zelldickenwachstum reduziert.
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Die
DE 10 2016 206 671 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Alterung einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle wenigstens ein galvanisches Element zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und ein galvanisches Element umgebendes Gehäuse mit zumindest an einer Seite des galvanischen Elements ausgebildeten Wandung aufweist, umfassend wenigstens einen Längensensor zum Sensieren einer Längenänderung des galvanischen Elements, wobei über die Längenänderung des galvanischen Elements die Alterung der Batteriezelle ermittelbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen der Ladezustand einer jeweiligen Batteriezelle des elektrischen Energiespeichers zuverlässig bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen, und mit einer Sensoreinrichtung zum Bestimmen eines aktuellen Volumens der Batteriezellen in Abhängigkeit des aktuellen Ladezustands der Vielzahl von Batteriezellen.
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Es ist vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine Justageeinrichtung zum Ausgleichen der unterschiedlichen Volumina und eine elektronische Recheneinrichtung aufweist, welche in Abhängigkeit des erfassten aktuellen Volumens der Vielzahl von Batteriezellen ein Justagesignal für die Justageeinrichtung zum Justieren erzeugt, sodass die unterschiedlichen Volumina der Vielzahl von Batteriezellen ausgeglichen sind.
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Mit anderen Worten wird ein Überwachungssystem beschrieben, welches aufgrund bestimmter Parameter des elektrischen Energiespeichers diese Parameter erfasst, bewertet und durch die Justageeinrichtung das Dickenwachstum der Batteriezelle kompensiert und ausgleicht, ohne dass der elektrische Energiespeicher, welcher insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein kann, auf Dauer einen Schaden nimmt.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass eine Bewertung des Gesundheitszustandes des elektrischen Energiespeichers aufgrund vorhandener Ist-Daten und bestimmter Algorithmen möglich ist. Des Weiteren kann eine Hochrechnung des Gesundheitszustands bis zum Ende der Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers, dem sogenannten „End of Life“, realisiert werden. Ferner kann eine Bewertung und eine Prognose sowohl fahrzeugintern als auch fahrzeugextern realisiert werden. Des Weiteren kann eine systematische Anpassung des Volumenausgleichs insbesondere eines Längenausgleichs ohne Einschränkung auf die Lebensdauer realisiert werden. Hierzu kann insbesondere ein Ausfall des elektrischen Energiespeichers reduziert werden beziehungsweise kann ein geringeres Sicherheitsrisiko für den Kunden realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Sensoreinrichtung zum Bestimmen einer Längenausdehnung einer jeweiligen Batteriezelle und/oder eines Energiedurchsatzes einer jeweiligen Batteriezelle und/oder eines Innenwiderstands einer jeweiligen Batteriezelle und/oder einer Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle und/oder einer Betriebszeit einer jeweiligen Batteriezelle ausgebildet.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die elektronische Recheneinrichtung zum Extrapolieren des mittels der Sensoreinrichtung erfassten aktuellen Volumens ausgebildet ist, und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Extrapolation das Justagesignal zu erzeugen.
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Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Justageeinrichtung zum kontinuierlichen Ausgleichen der unterschiedlichen Volumina ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Justageeinrichtung als mechanische Justageeinrichtung oder als elektrische Justageeinrichtung oder als hydraulische Justageeinrichtung oder als pneumatische Justageeinrichtung ausgebildet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, bei welchem mittels einer Sensoreinrichtung des elektrischen Energiespeichers ein aktuelles Volumen einer Vielzahl von Batteriezellen, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen, in Abhängigkeit des Ladezustands der Vielzahl der Batteriezellen erfasst wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, bei welchem mittels einer Sensoreinrichtung ein den elektrischer Energiespeicher charakterisierender Parameter erfasst wird, wobei der elektrische Energiespeicher eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen, in Abhängigkeit eines Ladezustands der Vielzahl der Batteriezellen erfasst wird, wobei in Abhängigkeit des erfassten charakterisierenden Parameters ein zukünftiger Gesundheitszustand des elektrischen Energiespeichers prognostiziert wird und mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit des prognostizierten Gesundheitszustand ein Justagesignal zum Justieren für eine Justageeinrichtung des elektrischen Energiespeichers erzeugt wird.
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Insbesondere kann somit der State of Health (SOH) des elektrischen Energiespeichers über die Lebensdauer bereits frühzeitig bestimmt werden.
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Bei dem charakterisierenden Parameter kann es sich um zumindest einen physikalischen und/oder chemischen Parameter handeln. Beispielsweise kann eine Längenausdehnung einer jeweiligen Batteriezelle und/oder ein Energiedurchsatz einer jeweiligen Batteriezelle und/oder ein Innenwiderstand einer jeweiligen Batteriezelle und/oder eine Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle und/oder einer Betriebszeit einer jeweiligen Batteriezelle als der den elektrischen Energiespeicher charakterisierende Parameter erfasst werden.
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Es ist vorgesehen, dass mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des elektrischen Energiespeichers ein Justagesignal zum Justieren für eine Justageeinrichtung des elektrischen Energiespeichers erzeugt wird und mittels der Justageeinrichtung in Abhängigkeit des Justagesignals die unterschiedlichen Volumina der Batteriezellen ausgeglichen werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Energiespeichers sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens anzusehen. Der elektrische Energiespeicher weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche für ein Durchführen des Verfahrens oder einer vorteilhaften Ausgestaltungsform davon notwendig sind.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, wobei das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch betreibbar, insbesondere vollelektrisch betreibbar, ist. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers; und
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10. Der elektrische Energiespeicher 10 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 12 auf. In dem Gehäuse 12 ist ein erstes Batteriemodul 14 und ein zweites Batteriemodul 16 angeordnet, wobei jedes der Batteriemodule 14, 16 eine Vielzahl von Batteriezellen 18 aufweist. Unter Vielzahl ist insbesondere mehr als zwei Batteriezellen 18 zu verstehen.
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Der elektrische Energiespeicher 10 ist für ein nicht dargestelltes, zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug vollelektrisch betreibbar. Mit anderen Worten ist die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs ein Elektromotor und der elektrische Energiespeicher 10 ist insbesondere als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Der elektrische Energiespeicher 10 weist die Vielzahl von Batteriezellen 18 auf, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen. Insbesondere weisen die Batteriezellen 18 im geladenen Zustand ein größeres Volumen auf als im entladenen Zustand. Der elektrische Energiespeicher 10 weist eine Sensoreinrichtung 20 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Längenmesseinrichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann mittels der Längenmesseinrichtung eine Länge der Batteriemodule 14, 16 bestimmt werden. In Abhängigkeit der Länge kann wiederum das aktuelle Volumen der Batteriezellen 18 beziehungsweise der Batteriemodule 14, 16 in Abhängigkeit des Ladezustandes bestimmt werden.
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Es ist vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher 10 eine Justageeinrichtung 22 zum Ausgleichen der unterschiedlichen Volumina aufweist. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 10 eine elektronische Recheneinrichtung 24 auf, welche in Abhängigkeit des erfassten aktuellen Volumens der Vielzahl von Batteriezellen 18 ein Justagesignal 26 für die Justageeinrichtung 22 zum Justieren erzeugt, sodass die unterschiedlichen Volumina der Vielzahl von Batteriezellen 18 ausgeglichen sind.
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Insbesondere zeigt die 1, dass das Justagesignal 26 für einen ersten Aktor 28 und für einen zweiten Aktor 30 erzeugt wird und an den ersten Aktor 28 und an den zweiten Aktor 30 gesendet beziehungsweise übertragen wird. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, dass ein gleichmäßiges Verschieben einer Druckplatte 32 zum Ausgleichen der Volumenänderung realisiert werden kann.
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Insbesondere zeigt die 1 ferner, dass sich die Justageeinrichtung 22 an einem verstärkten Rahmenteil 34 abstützen kann, um die entsprechenden Volumenänderungen der Batteriezellen 18 ausgleichen zu können.
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Mit anderen Worten zeigt die 1, ein vollautomatisch, eigenständiges Mess-, Bewertungs- und Justagesystem, welches ein Zelldickenwachstum einer jeweiligen Batteriezelle 18 beziehungsweise eines oder mehrere der Batteriemodule 14, 16 des elektrischen Energiespeichers 10, welcher insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet ist, bewertet, prognostiziert, automatisch korrigiert und anpasst.
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Die Justageeinrichtung 22 kann insbesondere als mechanische Justageeinrichtung oder als elektrische Justageeinrichtung oder als hydraulische Justageeinrichtung oder als pneumatische Justageeinrichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann als mechanische Justage beispielsweise eine Federkraft bereitgestellt werden. Die elektrische Justage kann beispielsweise mittels eines elektrischen Motors durchgeführt werden. Die hydraulische Justage kann beispielsweise mittels eines Hydraulikzylinders durchgeführt werden und die pneumatische Justage kann beispielsweise mittels eines Pneumatikzylinders durchgeführt werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Justageeinrichtung 22 zum kontinuierlichen Ausgleichen der unterschiedlichen Volumina ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird zu jeder Zeit und in Abhängigkeit des Ladezustands der Batteriezellen 18 die Volumenänderung mittels der Justageeinrichtung 22 ausgeglichen.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass ein elektromechanisches Überwachungssystem in Bezug auf das Zelldickenwachstum, welches bestimmte Parameter erfasst, bewertet und prognostiziert, beispielsweise das Lebensdauerende. Anschließend wird durch die Justageeinrichtung 22 das Dickenwachstum der Batteriezellen 18 kompensiert, ohne dass der elektrische Energiespeicher 10 auf Dauer einen Schaden nimmt.
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Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung 20 zum Bestimmen einer Längenausdehnung 36 einer jeweiligen Batteriezelle 18 und/oder eines Energiedurchsatzes einer jeweiligen Batteriezelle 18 und/oder eines Innenwiderstands einer jeweiligen Batteriezelle 18 und/oder einer Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle 18 und/oder einer Betriebszeit einer jeweiligen Batteriezelle 18 ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass eine Erfassung bestimmter Parameter der Batteriezelle 18 beziehungsweise des elektrischen Energiespeichers 10 beziehungsweise eines Batteriemoduls 14, 16 durchgeführt wird. Hierzu kann beispielsweise die mechanische Längenausdehnung 36 pro Batteriezelle 18 oder Batteriemodul 14, 16, ein Energiedurchsatz, ein Innenwiderstand, eine Kapazität und eine Betriebszeit überwacht werden. Es erfolgt eine Bewertung der einzelnen Parameter und eine Extrapolation der Daten bezogen auf die ausgelegte Zeit des elektrischen Energiespeichers 10. Insbesondere ist somit vorgesehen, dass die elektronische Recheneinrichtung 24 zum Extrapolieren des mittels der Sensoreinrichtung 20 erfassten aktuellen Volumens ausgebildet ist, und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Extrapolation das Justagesignal 26 zu erzeugen. Dadurch kann eine kontinuierliche Anpassung des Längenausgleichs der Batteriezelle 18 beziehungsweise der Batteriemodule 14, 16 in dem elektrischen Energiespeicher 10 realisiert werden.
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Dadurch kann eine Bewertung des Gesundheitszustands des elektrischen Energiespeichers 10 aufgrund vorhandener Ist-Daten und bestimmten Algorithmen realisiert werden. Des Weiteren kann dadurch eine Hochrechnung des Gesundheitszustands bis zum Lebensende, welches auch als „End of Life“ bezeichnet wird, realisiert werden. Ferner kann eine Bewertung und eine Prognose fahrzeugintern als auch fahrzeugextern realisiert werden. Es kann eine systematische Anpassung des Längenausgleichs ohne Einschränkung auf die Lebensdauer realisiert werden. Ferner kann ein Systemausfall des elektrischen Energiespeichers 10 verhindert werden beziehungsweise kann ein Sicherheitsrisiko für einen Nutzer des Kraftfahrzeugs erhöht werden. Insbesondere lassen sich die Überwachungsalgorithmen auch auf andere überwachbare Kriterien des elektrischen Energiespeichers 10 übertragen.
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Insbesondere kann zum Justieren im elektrischen Energiespeicher 10 eine verstärkte Gegendruckplatte 38, insbesondere als Teil des Gehäuses 12, ausgebildet sein.
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Des Weiteren ist im folgenden Ausführungsbeispiel ein Federelement 40 zwischen einem jeweiligen Aktuator 28, 30 und dem verstärkten Rahmen angeordnet, so dass die Justage durchgeführt werden kann.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere beschreibt die 2 den Betrieb eines sogenannten Battery Management Systems (BMS) des elektrischen Energiespeichers 10. In einem ersten Schritt S1 erfolgt die Erfassung der Ist-Parameter zum Beispiel durch die Sensoreinrichtung 20 und beispielsweise durch die Längenausdehnung 36. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt die Ladezustandsbestimmung, beispielsweise in Abhängigkeit eines Energiedurchsatzes der jeweiligen Batteriezellen 18. In einem dritten Schritt S3 erfolgt eine Prognosebestimmung, beispielsweise mittels eines neuronalen Netzes. In einem vierten Schritt S4 erfolgt die Korrektur der Längenausdehnung 36 mittels der Aktoren 28, 30. Da dies ein kontinuierlicher Prozess ist, erfolgt nach dem vierten Schritt S4 wieder der erste Schritt S1.
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Mit anderen Worten zeigt die 2, dass beim Verfahren zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers 10 für das zumindest teilweise elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug mittels der Sensoreinrichtung 20 des elektrischen Energiespeichers 10 ein aktuelles Volumen der Vielzahl von Batteriezellen 18, welche in einem geladenen Zustand ein erstes Volumen und in einem entladenen Zustand ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweisen, in Abhängigkeit des Ladezustands der Vielzahl der Batteriezellen 18 erfasst wird, wobei mittels der elektronischen Recheneinrichtung 24 des elektrischen Energiespeichers 10 das Justagesignal 26 zum Justieren für die Justageeinrichtung 22 des elektrischen Energiespeichers 10 erzeugt wird und mittels der Justageeinrichtung 22 in Abhängigkeit des Justagesignals 26 die unterschiedlichen Volumina der Batteriezellen 18 ausgeglichen werden.
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Insgesamt zeigt die Erfindung ein Hochvolt-Batterie-Gesundheitsüberwachungssystem insbesondere für ein Zelldickenwachstum.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- Gehäuse
- 14
- erstes Batteriemodul
- 16
- zweites Batteriemodul
- 18
- Batteriezelle
- 20
- Sensoreinrichtung
- 22
- Justageeinrichtung
- 24
- elektronische Recheneinrichtung
- 26
- Justagesignal
- 28
- erster Aktor
- 30
- zweiter Aktor
- 32
- Druckplatte
- 34
- verstärkter Rahmen
- 36
- Längenausdehnung
- 38
- Gegendruckplatte
- 40
- Federelement
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
- S4
- vierter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016206671 A1 [0003]
