DE102019007510A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands eines elektrischen Energiespeichers mittels eines hinterlegten Kapazitätsmodells in Abhängigkeit eines Anodenüberhangeffekts sowie elektronische Recheneinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands (16) eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10), bei welchem mittels eines auf der elektronischen Recheneinrichtung (10) hinterlegten Kapazitätsmodells (14) für eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers der Gesundheitszustand (16) bestimmt wird, wobei ein Anodenüberhangeffekt (18) einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird und der Anodenüberhangeffekt (18) bei der Bestimmung des Gesundheitszustands (16) berücksichtigt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung.
  • Die derzeit bei Elektroautos üblichen Energiespeicher beruhen meist auf der Li-lonen-Technologie. Zur Erhöhung der Energiedichte und optimalen Bauraumausnutzung werden oft großformatige Pouch- oder Hardcasezellen eingesetzt. Als Anode werden unter Anderem graphitbeschichtete Kupferfolien verwendet. Eine kapazitive Überdimensionierung der Anode ist nötig, um beim Laden der Zelle Plating zu vermeiden und die Ladezeiten zu minimieren. Die Überdimensionierung wir durch Parameter wie Schichtdicke, Aktivmaterialanteil und Porosität der Elektrode bestimmt. Aber auch an den Rändern der Elektrodenlagen wird die Anode in der Breite größer ausgelegt, um Fertigungstoleranzen beim Stapeln/Wickeln der Zelle mit zu berücksichtigen. In kommerziellen Zellen beträgt die charakteristische Länge des Überhangs bis zu mehreren Millimetern. Obwohl dieser Überhang keine direkt gegenüberliegende Kathodenlage besitzt und somit zu großen Teilen bei kurzen Beanspruchungszeiten quasi elektrochemisch inaktiv ist, finden Potential- und Konzentrationsausgleichsvorgänge zwischen Anodenüberhang und Anodenaktivfläche statt. Diese Prozesse besitzen Zeitkonstanten im Bereich von Stunden und Tagen. Somit hat der Überhang vor allem bei langen Standzeiten eines Fahrzeuges maßgeblichen Einfluss auf die nutzbare gespeicherte Ladungsmenge.
  • Die Reversibilität der Prozesse beeinflusst zudem die Bestimmung des Gesundheitszustands, welcher auch als State of Health - SOH bezeichnet wird, also der aktuellen Kapazität einer Batterie. Die reversiblen Kapazitätsverluste stellen keine wirkliche Schädigung im Sinne des SOH dar und sind deshalb getrennt von irreversiblen Kapazitätsverlusten durch Alterungseffekte zu betrachten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine elektronische Recheneinrichtung zu schaffen, mittels welchen verbessert der Gesundheitszustand eines elektrischen Energiespeichers für das zumindest teilweise elektrisch betriebene Kraftfahrzeug bestimmt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine elektronische Recheneinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, bei welchen mittels eines auf der elektronischen Recheneinrichtung hinterlegten Kapazitätsmodells für eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers der Gesundheitszustand bestimmt wird.
  • Es ist vorgesehen, dass ein Anodenüberhangeffekt einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt wird und der Anodenüberhangeffekt bei der Bestimmung des Gesundheitszustands berücksichtigt wird.
  • Dadurch kann verbessert der Gesundheitszustand des elektrischen Energiespeichers bestimmt werden. Insbesondere bei identischer irreversibler Alterung kann unter Umständen bei einem Endnutzer des Kraftfahrzeugs trotzdem eine unterschiedliche nutzbare Kapazität im Kraftfahrzeug bestimmt werden, da sich aufgrund unterschiedlichen Lade- und Standzeitverhalten unterschiedliche mittlere Lithiumkonzentration im Anodenüberhang einstellen. Insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren kann nun dieser Gesundheitszustand verbessert bestimmt werden, da die Lithiumkonzentrationen auf Basis des Anodenüberhangeffekts verbessert bestimmt werden können. Dadurch können beispielsweise verfrühte Reklamationen des elektrischen Energiespeichers verhindert werden. Des Weiteren können Täuschungsversuche bezüglich der aktuellen Kapazität und des Gesundheitszustands der Batterie beziehungsweise des elektrischen Energiespeichers verhindert werden, sodass verbessert Rechtssicherheit für einen Nutzer realisiert werden kann. Des Weiteren kann verhindert werden, dass beim Verkauf die Kapazität des elektrischen Energiespeichers durch Konditionierung maximiert wird, und der Kunde während der Nutzung insbesondere am Anfang, einen starken Abfall dieser Kapazität erfährt. Hingegen kann bei einer Änderung des Nutzungsverhaltens der Gesundheitszustand „scheinbar“ wieder ansteigen, obwohl dies nicht zwangsweise eine Regeneration von Kapazität durch Umkehrung von Alterungsprozessen darstellt, sondern insbesondere auf Basis des Anodenüberhangeffekts zurückzuführen ist. Dies kann nun ebenfalls verhindert werden, da der Anodenüberhangeffekt bereits im Kapazitätsmodell berücksichtigt wird. Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass die aktuelle Kapazität des elektrischen Energiespeichers für die Berechnung und Anzeige des Ladezustands der Batterie verwendet wird. Insbesondere eine sich ändernde Batteriekapazität nach einer Standzeit führt zu einer sprungartigen Änderung des Ladezustands. Dies kann durch die Berücksichtigung des Anodenüberhangeffekts nun verhindert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform werden beim Bestimmen des Anodenüberhangeffekts ein reversibler Lithiumverlust des elektrischen Energiespeichers und ein irreversibler Lithiumverlust des elektrischen Energiespeichers bestimmt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung des bestimmten Gesundheitszustands ein aktuell verfügbarer Kapazitätswert des elektrischen Energiespeichers auf einer Anzeigeeinrichtung des Kraftfahrzeugs angezeigt wird.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn auf Basis einer Leerlaufspannungskurve und/oder auf Basis einer differentiellen Spannungsanalyse des elektrischen Energiespeichers der Anodenüberhangeffekt bestimmt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird auf Basis des bestimmten Gesundheitszustands ein Betriebsende des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Recheneinrichtung zum Bestimmen eines Gesundheitszustands eines elektrischen Energiespeichers für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einem hinterlegten Kapazitätsmodell, wobei die elektronische Recheneinrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist.
  • Insbesondere wird das Verfahren mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt.
  • Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer elektronischen Recheneinrichtung gemäß dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet. Ferner ist das Kraftfahrzeug insbesondere zumindest teilweise elektrisch, insbesondere vollelektrisch, betrieben.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der elektronischen Recheneinrichtung sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Das Kraftfahrzeug sowie die elektronische Recheneinrichtung weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche der Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur 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.
  • Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer elektronischen Recheneinrichtung.
  • In der Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Fig. zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform einer elektronischen Recheneinrichtung 10. Die elektronische Recheneinrichtung 10 weist insbesondere eine Speichereinrichtung 12 auf. Innerhalb der Speichereinrichtung 12 ist insbesondere ein Kapazitätsmodell 14 hinterlegt.
  • Die elektronische Recheneinrichtung 10 ist zum Bestimmen eines Gesundheitszustands 16 eines nicht gezeigten elektrischen Energiespeichers für ein nicht gezeigtes zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet.
  • Bei dem Verfahren zum Bestimmen des Gesundheitszustands 16 des elektrischen Energiespeichers des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 wird mittels eines auf der elektronischen Recheneinrichtung hinterlegten Kapazitätsmodells 14 für eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers der Gesundheitszustand 16 bestimmt.
  • Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit eines Anodenüberhangeffekts 18 eine Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 bestimmt wird und der Anodenüberhangeffekt 18 bei der Bestimmung des Gesundheitszustands 16 berücksichtigt wird.
  • Ferner zeigt die Fig., dass beim Bestimmen des Anodenüberhangeffekts 18 ein reversibler Lithiumverlust des elektrischen Energiespeichers und ein irreversibler Lithiumverlust 20 des elektrischen Energiespeichers bestimmt werden.
  • Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung des bestimmten Gesundheitszustands 16 ein aktuell verfügbarer Kapazitätswert des elektrischen Energiespeichers auf einer Anzeigeeinrichtung des Kraftfahrzeugs angezeigt wird.
  • Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass auf Basis einer Leerlaufspannungskurve und/oder auf Basis einer differentiellen Spannungsanalyse des elektrischen Energiespeichers der Anodenüberhangeffekt 18 bestimmt wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass auf Basis des bestimmten Gesundheitszustands 16 ein Betriebsende des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 bestimmt wird.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass aktuell gemessene Kapazitätswerte 22 zur Berechnung eines effektiven Lithiumverlusts 24 genutzt werden. Ferner zeigt die Fig. insbesondere, dass zur Berechnung des reversiblen Lithiumverlusts, insbesondere somit zur Anodenüberhangeffekt-Bestimmung 18 weitere Parameter 26, insbesondere den elektrischen Energiespeicher betreffend, genutzt werden.
  • Insbesondere ist es nötig den aktuellen Kapazitätswert der Batterie nicht direkt als Messgröße für deren Alterungszustand zu verwenden. Es muss vielmehr eine Korrektur stattfinden, um die Schwankungen der aktuellen Kapazität auf Grund der Anodenüberhangeffekte 18 zu beseitigen. Daher wird vorgeschlagen ein Modell zu verwenden, um aus der aktuellen Kapazität eine korrigierte Kapazität zu berechnen, die dann als Maß für den SOH fungiert. Dieses Anodenüberhangmodell ist onboardfähig und ist in der Software des BMS (battery management system), insbesondere der elektronischen Recheneinrichtung 10 implementiert. Es werden sowohl aus der aktuellen Kapazität der effektive Lithiumverlust gegenüber BOL (begin of life) bestimmt als auch aus dem Onboard-Modell der reversible Lithiumverlust aufgrund des Anodenüberhangs. Beides zusammen ergibt dann eine korrigierte Kapazität. Damit lässt sich dann über einen Referenzwert für die korrigierte Kapazität zu BOL der irreversible Kapazitätsverlust bestimmen, was ein Maß für den SOH darstellt. Der Algorithmus bestimmt dabei den SOH nicht laufend neu, sondern senkt den aktuellen SOH nur dann ab, wenn der neue Wert einen Schwellwert überschreitet. Dies führt zu einem robusteren SOH-Wert und schließt ein Regenerationsverhalten beim SOH aus.
  • Dem Fahrer können nun zwei verschiedene Informationen im Cockpit angezeigt werden: Die aktuelle Kapazität unter Berücksichtigung des reversiblen Lithiumverlusts und den SOH auf Basis des irreversiblen Lithiumverlusts. Die erste Information ist vor allem für die Reichweite wichtig, die zweite für den Wert der Batterie.
  • Dabei ist der effektive Lithiumverlust die Summe aus reversiblen Anteilen und irreversiblen Anteilen: L L e f f = L r e v + L L i r r e v ;
    Figure DE102019007510A1_0001
  • Die Berechnung des reversiblen Lithiumverlustes LLrev erfolgt mit Daten, welche aus dem onboard-fähigen Modell für den Überhang stammen. Die Berechnung des effektiven Lithiumverlust LLeff erfolgt mit Hilfe einer Lookup Table für die Korrelation zwischen nutzbarer Kapazität und dem Verlust von zyklisierbarem Lithium unter der Annahme, dass der dominierende Verlustmechanismus der Verlust von zyklisierbarem Lithium in der Zelle ist.
  • Die Berechnung der irreversiblen Verluste erfolgt im Anschluss. Der SOH berechnet sich aus der Kapazität, welche sich ausschließlich für den irreversiblen Lithiumverlust ergibt: S O H = K a p a z i t ä t ( L L i r r e v ) − K a p a z i t ä t ( S O H = 0 % ) K a p a z i t ä t ( S O H = 100 % ) − K a p a z i t ä t ( S O H = 0 % ) ;
    Figure DE102019007510A1_0002
  • Mit der Bedingung, dass für LLirrev = 0% gilt: K a p a z i t ä t ( L L i r r e v = 0 ) = K a p a z i t ä t ( S O H = 100 % ) ;
    Figure DE102019007510A1_0003
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des Gesundheitszustands 16 sowohl die irreversiblen Verluste im Lithium als auch die Verluste der Speicherkapazitäten der Anodenmaterialien und Kathodenmaterialien berücksichtigt werden. Diese sind insbesondere nicht messtechnisch erfassbar, sodass beispielsweise mittels einer Impedanzmessung, ein Fitten über gemessene Leerlaufspannungskurven beziehungsweise über eine Differenzialspannungsanalyse diese bestimmt werden können. Alternativ zum aktiven Bestimmen kann dies beispielsweise über Lookup-Table mit dem Eingang aus der kraftfahrzeugintern bestimmten aktuellen Kapazität über herkömmliche Verfahren basierend auf der Stromintegration durchgeführt werden. Für die vorliegende Alterung werden zum Beispiel Labormessdaten benutzt, für welche die Kombination der irreversiblen Verluste von Lithium sowie die Verluste der Speicherkapazitäten am Anodenmaterial und am Kathodenmaterial sowie die zugehörige Zellkapazität bekannt sind. Insbesondere kann dies über Labormessdaten, insbesondere über sogenannte Post-mortem-Analysen, durchgeführt werden. Nochmals alternativ können bei einem Halbzellmodul auch sämtliche Verlustkombinationen „synthetisch“ nachgestellt und die zugehörige intrinsische Kapazität rechnerisch ermittelt werden. Diese ist vor allem dann praktisch, wenn nicht ausreichend Messdaten vorhanden sind. Aus den genannten Methoden lassen sich quasi inverse Tabellen erstellen, welche für eine im Fahrzeug gemessene Zellkapazität eine zugehörige mögliche Verlustkombination ausgeben. In einem ersten Schritt zur Vereinfachung gibt es nur eine Verlustkombination. Der einfachste Fall wäre beispielsweise, es gibt ausschließlich Lithiumverluste durch Nebenreaktionen. Lithiumverlust ist folglich der einzige dominierende Alterungsfaktor. Für die anwendungsrelevanten Bereiche des effektiven Lithiumverlusts von beispielsweise 0 Prozent bis 30 Prozent gibt es also die zugehörigen Zellkapazitäten, welche unter anderem noch durch die zulässigen Spannungsgrenzen beeinflusst werden.
  • Sollten in Zukunft ausgereifte Algorithmen zum Einsatz kommen, gibt es entsprechende Kombinationen erweiterter Lookup-Tables. Der Wert für den Lithiumverlust effektiv wird dann verwendet, um mithilfe der reversiblen Überhang-Anteile die effektiven Verluste in irreversible und reversible Anteile aufzutrennen. In die Berechnungen des Gesundheitszustandes 16 gehen dann wiederum nur über irreversible Anteile mit ein.
  • Die Werte der Kapazität für den Lebensbeginn des elektrischen Energiespeichers, welcher auch als Begin of Life (BOL) bezeichnet wird, ist fest vorgegeben und kommt zum Beispiel aus den Datenblättern des Energiespeicherherstellers und ist abhängig von den gewählten Spannungsgrenzen. Die Werte der Kapazität für das Lebensende-Kriterium, welche auch als End of Life (EOL) bezeichnet werden, ist ebenfalls fest vorgegeben. Beispielsweise können entsprechende Schwellwerte bei 80 Prozent der initialen Kapazität angezeigt werden. Beispielsweise kann eine Zelle mit 100 Amperestunden Kapazität bei 80 Amperestunden als das Lebensende definiert werden.
  • Insgesamt zeigt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Gesundheitszustands 16 einer Fahrzeugbatterie unter Berücksichtigung des Einflusses Anodenüberhangeffekts 18.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    elektronische Recheneinrichtung
    12
    Speichereinrichtung
    14
    hinterlegtes Kapazitätsmodell
    16
    Gesundheitszustand
    18
    Anodenüberhangeffekt
    20
    irreversibler Lithiumverlust
    22
    Kapazitätswerte
    24
    effektiver Lithiumverlust
    26
    Parameter

Claims (6)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands (16) eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10), bei welchem mittels eines auf der elektronischen Recheneinrichtung (10) hinterlegten Kapazitätsmodells (14) für eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers der Gesundheitszustand (16) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodenüberhangeffekt (18) einer Anode des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird und der Anodenüberhangeffekt (18) bei der Bestimmung des Gesundheitszustands (16) berücksichtigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen des Anodenüberhangeffekts (18) ein reversibler Lithiumverlust des elektrischen Energiespeichers und ein irreversibler Lithiumverlust (20) des elektrischen Energiespeichers bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung des bestimmten Gesundheitszustands (16) ein aktuell verfügbarer Kapazitätswert des elektrischen Energiespeichers auf einer Anzeigeeinrichtung des Kraftfahrzeugs angezeigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer Leerlaufspannungskurve und/oder auf Basis einer differentiellen Spannungsanalyse des elektrischen Energiespeichers der Anodenüberhangeffekt (18) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des bestimmten Gesundheitszustands (16) ein Betriebsende des elektrischen Energiespeichers mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird.
  6. Elektronische Recheneinrichtung (10) zum Bestimmen eines Gesundheitszustands (16) eines elektrischen Energiespeichers für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einem hinterlegten Kapazitätsmodell (14), wobei die elektronische Recheneinrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
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