DE102020110066A1 - Method for determining a current state of aging of an electrical energy store and electrical energy store - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Alterungszustands eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10), bei welchem mittels eines ersten mathematischen Modells (12) eine maximale Zellwachstumskraft mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird, wobei die Zellwachstumskraft eine Kraft beschreibt, welche eine Batteriezelle des elektrischen Energiespeichers aufgrund einer Alterung der Batteriezelle innerhalb eines Gehäuses des elektrischen Energiespeichers erzeugen darf, wobei im ersten mathematischen Modell (12) die maximale Zellwachstumskraft in Abhängigkeit von einem maximalen Alterungszustand beschrieben ist, wobei ein aktueller Ladungsdurchsatz (∑Q) innerhalb der Batteriezelle mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) bestimmt wird, wobei mittels eines zweiten mathematischen Modells (14), welches den Zusammenhang zwischen dem Ladungsdurchsatz (∑Q) und dem Alterungszustand beschreibt, in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladungsdurchsatz (∑Q) der aktuelle Alterungszustand bestimmt wird und der aktuelle Alterungszustand mit dem maximalen Alterungszustand mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) verglichen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher (10).The invention relates to a method for determining a current state of aging of an electrical energy store of a motor vehicle by means of an electronic computing device (10), in which a maximum cell growth force is determined by means of the electronic computing device (10) by means of a first mathematical model (12), the cell growth force being a Force describes which a battery cell of the electrical energy store is allowed to generate due to the aging of the battery cell within a housing of the electrical energy store, the maximum cell growth force being described in the first mathematical model (12) as a function of a maximum state of aging, with a current charge throughput (∑Q ) is determined within the battery cell by means of the electronic computing device (10), with the aid of a second mathematical model (14) which shows the relationship between the charge throughput (∑Q) and the state of aging and describes how the current aging condition is determined as a function of the current charge throughput (∑Q) and the current aging condition is compared with the maximum aging condition by means of the electronic computing device (10). The invention also relates to an electrical energy store (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Alterungszustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher.The invention relates to a method for determining a current state of aging of an electrical energy store of an at least partially electrically operated motor vehicle by means of an electronic computing device of the electrical energy store according to the preamble of
Lithium-Ionen-Batteriezellen nehmen im Laufe ihres Lebenszyklus an Dicke zu. Erst wenn eine Batteriezelle nicht mehr verwendet werden kann, dem sogenannten End of Life (EOL), stoppt das Wachstum. Aus diesem Grund muss ein entsprechender Bauraum im Stand der Technik vorgehalten werden, um dem Wachstum der Batteriezelle Raum zu geben. Durch eine Vorverspannung der Batteriezellen kann das Wachstum verlangsamt werden, jedoch nicht gestoppt. In einem Batteriemodul mit verspannten Batteriezellen kann die vorgehaltene Pufferzone reduziert werden, wenn mit einer modellbasierten Schätzung der Stand der Verformung beziehungsweise des Druckaufbaus nachgeführt wird.Lithium-ion battery cells increase in thickness over the course of their life cycle. Only when a battery cell can no longer be used, the so-called End of Life (EOL), does growth stop. For this reason, a corresponding installation space must be kept in the prior art in order to allow the growth of the battery cell. By pre-tensioning the battery cells, growth can be slowed down, but not stopped. In a battery module with tensioned battery cells, the reserved buffer zone can be reduced if the state of the deformation or the pressure build-up is tracked using a model-based estimate.
Üblicherweise wird in elektrischen Energiespeichern ausreichend Bauraum für das Zellwachstum bis zum Ende des Wachstums bei null Prozent Restkapazität vorgehalten. Häufig genügt für den Lebenszyklus eines elektrischen Energiespeichers aber zur Auslegung der Bereich bis zu 70 Prozent der Restkapazität. Dadurch sind Preis und Bauraum erhöht, ohne zusätzlichen Kundennutzen zu generieren. Bei komplexen prismatischen Zellgeometrien kann durch einen Mechanismus mit Sollbruchstelle das Dickenwachstum durch ein vorzeitiges Trennen der elektrischen Verbindung gestoppt werden. Damit wird jedoch der Aufbau der Batteriezelle komplexer, teurer und die volumetrische Energiedichte geringer.Sufficient installation space is usually reserved in electrical energy storage devices for cell growth until the end of growth with zero percent residual capacity. Often, however, the area of up to 70 percent of the remaining capacity is sufficient for the life cycle of an electrical energy storage system. This increases the price and installation space without generating additional customer benefits. In the case of complex prismatic cell geometries, a mechanism with a predetermined breaking point can stop the growth in thickness by prematurely disconnecting the electrical connection. However, this makes the structure of the battery cell more complex, more expensive and the volumetric energy density lower.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, mittels welchem ein Alterungszustand beziehungsweise ein Gesundheitszustand des elektrischen Energiespeichers zuverlässig bestimmt werden kann.The object of the present invention is to create a method and an electrical energy store by means of which a state of aging or a state of health of the electrical energy store can be reliably determined.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method and by an electrical energy store according to the independent claims. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Alterungszustands eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des elektrischen Energiespeichers, bei welchem mittels eines ersten mathematischen Modells eine maximale Zellwachstumskraft mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt wird, wobei die Zellwachstumskraft eine Kraft beschreibt, welche eine Batteriezelle des elektrischen Energiespeichers aufgrund einer Alterung der Batteriezelle innerhalb eines Gehäuses des elektrischen Energiespeichers erzeugen darf, wobei im mathematischen Modell die maximale Zellwachstumskraft in Abhängigkeit von einem maximalen Alterungszustand beschrieben ist.One aspect of the invention relates to a method for determining a current state of aging of an electrical energy store of an at least partially electrically operated motor vehicle by means of an electronic computing device of the electrical energy store, in which a maximum cell growth force is determined by means of the electronic computing device by means of a first mathematical model, the cell growth force being a Force describes which a battery cell of the electrical energy store is allowed to generate due to aging of the battery cell within a housing of the electrical energy store, the maximum cell growth force being described in the mathematical model as a function of a maximum state of aging.
Es ist vorgesehen, dass ein aktueller Ladungsdurchsatz innerhalb der Batteriezelle mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt wird, wobei mittels eines zweiten mathematischen Modells, welches den Zusammenhang zwischen dem Ladungsdurchsatz und dem Alterungszustand beschreibt, in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladungsdurchsatz der aktuelle Alterungszustand bestimmt wird und der aktuelle Alterungszustand mit dem maximalen Alterungszustand mittels der elektronischen Recheneinrichtung verglichen wird.It is provided that a current charge throughput within the battery cell is determined by means of the electronic computing device, with the current aging state being determined as a function of the current charge throughput and the current one using a second mathematical model that describes the relationship between the charge throughput and the state of aging Aging condition is compared with the maximum aging condition by means of the electronic computing device.
Dadurch ist es ermöglicht, dass mittels der beiden mathematischen Modelle der Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers abgeschätzt werden kann. Insbesondere ist dieses sensorunabhängig, wodurch eine zuverlässige und robuste Schätzung des Alterungszustands beziehungsweise des Gesundheitszustands (State oh Health - SOH) realisiert werden kann. Diese schätzungsbasierte Abschaltung spart Kosten gegenüber einem dezidierten Sensor und ist robuster, da kein Kraftsensor ausfallen kann, da dieser nicht existiert. Entsprechende Grenzen beziehungsweise Schwellwerte sind softwarebasiert gespeichert und können nachträglich auf Basis neuer Erkenntnisse entsprechend angepasst werden.This makes it possible for the state of aging of the electrical energy store to be estimated using the two mathematical models. In particular, this is sensor-independent, whereby a reliable and robust estimate of the state of aging or the state of health (State oh Health - SOH) can be realized. This estimation-based shutdown saves costs compared to a dedicated sensor and is more robust, since no force sensor can fail because it does not exist. Corresponding limits or threshold values are stored in a software-based manner and can be adjusted accordingly on the basis of new findings.
Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass am Ende der mechanischen Auslegung des elektrischen Energiespeichers in mehreren Versuchen der Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Restkapazität, welche dem Alterungszustand beziehungsweise dem State-of-Health (SOH) entsprechen kann, der Batteriezellen und dem Kraftaufbau im mechanischem Zellblockverbund ermittelt wird. Die durch die mechanische Stabilität des Blocks und der Zellen selbst definierte maximal erlaubte Kraft wird so in eine maximal erlaubte durchschnittliche Zell-Restkapazität überführt. Im Betrieb wird durch das Batterie-Steuergerät, mit anderen Worten der elektronischen Recheneinrichtung, die Restkapazität nachgeführt und bei Erreichen der kritischen Grenze wird das Zuschalten der Batteriezelle verhindert.In other words, at the end of the mechanical design of the electrical energy store, the relationship between the average remaining capacity, which may correspond to the state of aging or the state of health (SOH), of the battery cells and the force build-up in the mechanical cell block assembly is determined in several tests becomes. The maximum permitted force, defined by the mechanical stability of the block and the cells themselves, is converted into a maximum permitted average remaining cell capacity. During operation, the battery control device, in other words the electronic computing device, tracks the remaining capacity and when the critical limit is reached, the connection of the battery cell is prevented.
Für die Onlineüberwachung der Restkapazität wird zunächst auf eine Spannungsrelaxation (Open Circuit Voltage, OCV) in einem hohen Ladezustand gewartet und die zugehörigen Zellspannungen werden gespeichert. Anschließend wird auf einen OCV-Zustand im niedrigen Ladezustandsbereich gewartet. Über eine hinterlegte Ruhespannungskurve, welche insbesondere gültig zum SOH-Zielzustand ist, und die entladenen Netto-Ladungsmenge zwischen den beiden Relaxationspunkten kann die Restkapazität jeder Zelle bestimmt werden. So kann zumindest in gewissen zeitlichen Abständen punktuell die Restkapazität jeder einzelnen Zelle bestimmt werden. Zwischen zwei gültigen Bestimmungen der Restkapazität wird diese mithilfe eines konservativen Alterungsmodells geschätzt. Zum Beispiel kann hier der Worst-Case-Zusammenhang zwischen Kapazitätsverlust und Energiedurchsatz herangezogen werden.For online monitoring of the remaining capacity, a voltage relaxation (Open Circuit Voltage, OCV) in a high state of charge is first waited for and the associated cell voltages are saved. It then waits for an OCV state in the low state of charge range. The remaining capacity of each cell can be determined using a stored open-circuit voltage curve, which is particularly valid for the SOH target state, and the discharged net amount of charge between the two relaxation points. In this way, the remaining capacity of each individual cell can be determined selectively at least at certain time intervals. Between two valid determinations of the remaining capacity, this is estimated using a conservative aging model. For example, the worst-case relationship between loss of capacity and energy throughput can be used here.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird bei einer Übereinstimmung des aktuellen Alterungszustands mit dem maximalen Alterungszustand ein Warnsignal für einen Nutzer mittels der elektronischen Recheneinrichtung erzeugt.According to an advantageous embodiment, if the current aging condition corresponds to the maximum aging condition, a warning signal for a user is generated by means of the electronic computing device.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das erste mathematische Modell und/oder das zweite mathematische Modell experimentell vorgegeben werden.It is also advantageous if the first mathematical model and / or the second mathematical model are specified experimentally.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der maximale Alterungszustand mit einem Sicherheitspuffer vorgegeben.In a further advantageous embodiment, the maximum aging condition is specified with a safety buffer.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Batteriezelle und mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei der elektrische Energiespeicher zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des elektrischen Energiespeichers durchgeführt.Another aspect of the invention relates to an electrical energy store for an at least partially electrically operated motor vehicle, with at least one battery cell and with at least one electronic computing device, the electrical energy store being designed to carry out a method according to the preceding aspect. In particular, the method is carried out by means of the electrical energy store.
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist zumindest teilweise elektrisch betrieben, insbesondere vollelektrisch betrieben.Yet another aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electrical energy store. The motor vehicle is at least partially operated electrically, in particular operated fully electrically.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Energiespeichers sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Der elektrische Energiespeicher sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.Advantageous embodiments of the method are to be regarded as advantageous embodiments of the electrical energy store and of the motor vehicle. For this purpose, the electrical energy store and the motor vehicle have objective features which enable the method or an advantageous embodiment thereof to be carried out.
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.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and with reference to the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave.
Dabei zeigen:
-
1 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrenes; und -
2 ein schematisches elektrische Arbeit-Kapazitätsdiagramm.
-
1 a schematic flow diagram of an embodiment of the method; and -
2 a schematic electrical work capacity diagram.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
In einem ersten Schritt
Dieser wird aber normalerweise erst nach einer längeren Wartezeit erreicht, die im Bereich von einer oder gar mehreren Stunden liegen kann. Somit ist eine direkte, kontinuierliche Bestimmung des SOH während des Betriebs nicht möglich. Man weicht erfindungsgemäß daher auf eine Ersatzgröße aus, die sich kontinuierlich bestimmen lässt und mit deren Hilfe man auf den SOH zurückschließen kann. Somit wird der SOH mithilfe der Ersatzmessgröße quasi indirekt kontinuierlich bestimmt. Die Ersatzmessgröße ist, wie in einem dritten Schritt
In einem vierten Schritt
In einem fünften Schritt
In einem sechsten Schritt
Die
Somit muss und kann der Grenzwert der EOL-Kapazität und somit auch der maximale SOH auf der Basis des Nutzungsverhaltens jeweils neu kalibriert, insbesondere rekalibriert, werden. Dies kann insbesondere auch als Nachführung bezeichnet werden. Dies ist insbesondere durch die Rekalibrierungswerte
Insgesamt zeigt die Erfindung eine Abschaltung einer Hochvolt-Batterie wegen Zelldickenwachstums auf Basis einer Restkapazitätsschätzung.Overall, the invention shows a shutdown of a high-voltage battery due to cell thickness growth on the basis of an estimate of the remaining capacity.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 1212
- erstes mathematisches Modellfirst mathematical model
- 1414th
- zweites mathematisches Modellsecond mathematical model
- 1616
- End-of-Life-LinieEnd-of-life line
- 1818th
- Sicherheitspuffer-LinieSafety buffer line
- 2020th
- Durchschnittswert-LinieAverage line
- 2222nd
- Worst-Case-LinieWorst case line
- 2424
- RekalibrierungswertRecalibration value
- 2626th
- RekalibrierungswertRecalibration value
- 2828
- initialer Grenzwertinitial limit value
- 3030th
- rekalibrierter Grenzwertrecalibrated limit value
- 3232
- rekalibrierter Grenzwertrecalibrated limit value
- S1S1
- erster Schrittfirst step
- S2S2
- zweiter Schrittsecond step
- S3S3
- dritter SchrittThird step
- S4S4
- vierter Schrittfourth step
- S5S5
- fünfter Schrittfifth step
- S6S6
- sechster Schrittsixth step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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