DE102020211764A1 - Elektrischer Energiespeicher, Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers - Google Patents

Elektrischer Energiespeicher, Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Elektrischer Energiespeicher (1) aufweisend ein Gehäuse (6) und in dem Gehäuse (6) nebeneinander angeordnete elektrische Energiespeicherzellen (2), wobei der elektrische Energiespeicher (1) zumindest ein elastisches Abstandselement (4) aufweist, das in dem Gehäuse (6) angeordnet ist, wobei zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle (2) ein Zellgehäuse aufweist, an dessen Außenseite ein Verformungsindikator (3) angeordnet ist.

Description

  • Feld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Energiespeicher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers.
  • Stand der Technik
  • Die JP 2018 084 549 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Sekundärbatterie.
  • Die DE 10 2012 209 271 A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem für eine Batteriezelle mit drucksensitivem Foliensensor.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher, aufweisend ein Gehäuse und in dem Gehäuse nebeneinander angeordnete elektrische Energiespeicherzellen, besteht darin, dass der elektrische Energiespeicher zumindest ein elastisches Abstandselement aufweist, das in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei zumindest eine, insbesondere jede, elektrische Energiespeicherzelle ein Zellgehäuse aufweist, an dessen Außenseite ein Verformungsindikator angeordnet ist.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels des Verformungsindikators eine durch eine Veränderung des Ladezustands und/oder durch Alterung und/oder durch Temperaturänderung bewirkte Wölbung beziehungsweise Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen messbar ist. Mittels der Ausdehnungsänderung ist der Ladezustand der elektrischen Energiespeicherzellen bestimmbar, wenn der Alterungszustand und die Temperatur der elektrischen Energiespeicherzellen bekannt sind. Dieser Ladezustand kann mit dem Ergebnis eines Ladezustandsschätzers verglichen werden, so dass eine genaue Ladezustandsbestimmung ermöglicht ist. Dadurch kann ein Ausfall des elektrischen Energiespeichers aufgrund von Tiefentladung oder Überladung der elektrischen Energiespeicherzellen vermieden werden und die Verfügbarkeit ist verbessert.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verformungsindikator als Dehnmessstreifen ausgeführt. Mittels des Dehnmessstreifens ist die jeweilige Ausdehnungsänderung der Zellgehäuse unmittelbar messbar.
  • Von Vorteil ist es dabei, wenn der elektrische Energiespeicher eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem Verformungsindikator signalleitend verbunden ist und eingerichtet ist, eine Ausdehnung der elektrischen Energiespeicherzellen zu bestimmen. Dazu wertet die Auswerteeinheit die Messergebnisse des Dehnmessstreifens aus und berechnet daraus die Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der elektrische Energiespeicher einen optischen Sensor auf, wobei der Verformungsindikator als Markierung für den optischen Sensor ausgeführt ist. Mittels des optischen Sensors ist die Position und/oder Ausrichtung der Markierung erfassbar. Mittels der Änderung der Position und/oder der Ausrichtung der Markierung kann die Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen berechnet werden.
  • Dabei ist es von Vorteil, wenn der elektrische Energiespeicher eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem optischen Sensor signalleitend verbunden ist und eingerichtet ist, eine Ausdehnung der elektrischen Energiespeicherzellen zu bestimmen. Dazu ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die Position und/oder Ausrichtung der Markierung zu verschiedenen Zeitpunkten zu vergleichen und aus einer Änderung der Position und/oder Ausrichtung der Markierung eine Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen zu berechnen.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das elastische Abstandselement zwischen dem Gehäuse und den elektrischen Energiespeicherzellen angeordnet ist, insbesondere wobei das elastische Abstandselement an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch können die elektrischen Energiespeicherzellen vor mechanischen Beschädigungen geschützt werden.
  • Von Vorteil ist es dabei, wenn das elastische Abstandselement eingerichtet ist, eine Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen auszugleichen, insbesondere wobei das elastische Abstandselement als Federelement ausgeführt ist. Dadurch können die elektrischen Energiespeicherzellen in dem Gehäuse atmen. Gleichzeitig bleibt der Abstand zwischen den Zellgehäusen während des Betriebs des elektrischen Energiespeichers konstant, insbesondere wobei die Zellgehäuse einander berühren und wobei der Druck, den die elektrischen Energiespeicherzellen aufeinander ausüben, konstant bleibt.
  • Vorteilhafterweise ist das jeweilige Zellgehäuse prismatisch ausgeformt und/oder metallisch, insbesondere wobei das jeweilige Zellgehäuse ein Hardcase-Gehäuse ist.
  • Vorteilhafterweise sind die elektrischen Energiespeicherzellen dabei derart nebeneinander angeordnet, dass sich jeweils die größten Seitenflächen der elektrischen Energiespeicherzellen berühren. Dadurch ist eine maximale Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen detektierbar.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Außenflächen der elektrischen Energiespeicherzellen einander teilweise berühren, wobei jeweils ein Verformungsindikator zwischen zwei elektrischen Energiespeicherzellen angeordnet ist. Dadurch kann aus einer Positionsänderung der Verformungsindikatoren direkt die Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen bestimmt werden.
  • Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, besteht darin, dass die Vorrichtung einen elektrischen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den elektrischen Energiespeicher bezogenen Ansprüche aufweist.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels der Verformungsindikatoren eine durch eine Veränderung des Ladezustands und/oder durch Alterung und/oder durch Temperaturänderung bewirkte Wölbung beziehungsweise Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen messbar ist. Mittels der Ausdehnungsänderung ist der Ladezustand der elektrischen Energiespeicherzellen bestimmbar, wenn der Alterungszustand und die Temperatur der elektrischen Energiespeicherzellen bekannt sind. Dieser Ladezustand kann mit dem Ergebnis eines Ladezustandsschätzers verglichen werden, so dass eine genaue Ladezustandsbestimmung des elektrischen Energiespeichers ermöglicht ist. Dadurch kann ein Ausfall des elektrischen Energiespeichers aufgrund von Tiefentladung oder Überladung der elektrischen Energiespeicherzellen vermieden werden und die Verfügbarkeit ist verbessert.
  • Der Kern der Erfindung bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den elektrischen Energiespeicher bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine Temperatur und eine Ausdehnung der elektrischen Energiespeicherzellen erfasst wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt mittels der Ausdehnung, der Temperatur und einem Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bestimmt wird, insbesondere wobei ein der Ausdehnung, der Temperatur und dem Alterungszustand zugeordneter Ladezustand in einer Tabelle gespeichert ist.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers mittels der erfassten Temperatur, Ausdehnung und des Alterungszustands der elektrischen Energiespeicherzellen eindeutig bestimmbar ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem dritten Verfahrensschritt der Ladezustand mit einem Ladezustandsschätzer verglichen, insbesondere wobei der Ladezustandsschätzer ein Batteriemodell und/oder einen Stromintegrator verwendet. Dadurch kann die Genauigkeit der Ladezustandsbestimmung verbessert werden.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
  • Figurenliste
  • Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
  • Es zeigen:
    • 1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher 1 in einem ersten Zustand,
    • 2 den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher 1 in einem zweiten Zustand,
    • 3 eine Ausdehnung d von einer elektrischen Energiespeicherzelle 2 des elektrischen Energiespeichers als Funktion des Ladezustands SOC zu verschiedenen Zeitpunkten (t1, t2, t3) und
    • 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers 1.
  • Der in 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher 1 weist elektrische Energiespeicherzellen 4, eine Auswerteeinheit, einen Temperatursensor, elastische Abstandselemente 4 und ein Gehäuse 6 auf. In dem Gehäuse 6 sind vier nebeneinander angeordnete elektrische Energiespeicherzellen 2 und die elastischen Abstandselemente 4 angeordnet.
  • Dabei zeigt 1 einen elektrischen Energiespeicher 1 zu Beginn seiner Lebensdauer mit einem niedrigen Ladezustand bei Raumtemperatur. Die elektrischen Energiespeicherzellen 4 erstrecken sich parallel zueinander und weisen nur eine minimale Wölbung auf.
  • 2 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 am Ende seiner Lebensdauer mit einem maximalen Ladezustand bei erhöhter Temperatur. Die elektrischen Energiespeicherzellen 4 weisen eine deutlich verstärkte Wölbung im Vergleich zu 1 auf, die aus einer Volumenausdehnung im Inneren der jeweiligen elektrischen Energiespeicherzelle 4 resultiert.
  • Die elastischen Abstandselemente 4 sind zwischen den elektrischen Energiespeicherzellen 2 und dem Gehäuse 6 angeordnet, insbesondere wobei die elastischen Abstandselemente 4 an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäuses 6 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die elastischen Abstandselemente 4 als Federelemente ausgeführt. Die elastischen Abstandselemente 4 sind derart verformbar ausgeführt, dass eine Volumenänderung der elektrischen Energiespeicherzellen 2, zum Beispiel durch Alterung und/oder Ladezustandsänderung und/oder Temperaturänderung, ausgeglichen werden kann und die elektrischen Energiespeicherzellen 2 einander zu jedem Zeitpunkt berühren.
  • Jede elektrische Energiespeicherzelle 2 weist ein Zellgehäuse auf, insbesondere ein prismatisches Hardcase-Gehäuse. In der Mitte einer Seitenwandung, insbesondere die sich in Längsrichtung erstreckt, jedes Zellgehäuses ist ein Verformungsindikator 3, insbesondere ein Dehnmessstreifen oder eine Markierung für einen optischen Sensor, angeordnet. Der Verformungsindikator 3 ist eingerichtet, eine Verformung der jeweiligen elektrischen Energiespeicherzelle 2 anzuzeigen.
  • Dabei ist ein Dehnmessstreifen als Verformungsindikator 3 an einer oberen Kante der Seitenwandung des jeweiligen Zellgehäuses angeordnet und eingerichtet, die Ausdehnung des jeweiligen Zellgehäuses zu bestimmen, indem die Ausdehnung der Seitenwandung, insbesondere in Querrichtung zur Längsrichtung, gemessen wird. Jeder Dehnmessstreifen ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, die eingerichtet ist, aus den Messwerten der Dehnmessstreifen eine Volumenänderung der Zellgehäuse zu bestimmen. Unter Berücksichtigung des Alterungszustandes und der Temperatur kann aus der Volumenänderung der Zellgehäuse ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 1 bestimmt werden.
  • Eine in den Figuren nicht dargestellte Markierung für einen optischen Sensor als Verformungsindikator 3 kann an der oberen Kante oder auf einer mittleren Höhe des jeweiligen Zellgehäuses angeordnet sein. Der optische Sensor zur Erfassung der Position und/oder Ausrichtung der Markierungen ist oberhalb der Markierungen angeordnet. Der optische Sensor ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, die eingerichtet ist, aus der Position und/oder Ausrichtung der Markierungen eine Volumenänderung der Zellgehäuse zu bestimmen. Unter Berücksichtigung des Alterungszustandes und der Temperatur kann aus der Volumenänderung der Zellgehäuse ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 1 bestimmt werden.
  • An einer Oberseite des jeweiligen Zellgehäuses ist ein Entlüftungsventil 5 angeordnet.
  • In 3 ist eine Ausdehnung d einer elektrischen Energiespeicherzelle 2 als Funktion des Ladezustands SOC zu verschiedenen Zeitpunkten (t1, t2, t3) dargestellt.
  • Ein erster Zeitpunkt t1 entspricht dem in 1 dargestellten Zustand des elektrischen Energiespeichers 1 zu Beginn seiner Lebensdauer. Bei geringem Ladezustand weist die elektrische Energiespeicherzelle 2 die geringste dargestellte Ausdehnung d auf. Bei einem zyklischen Laden und Entladen nimmt die Ausdehnung d der elektrischen Energiespeicherzelle 2 linear zu und wieder ab.
  • Ein dritter Zeitpunkt t3 entspricht dem in 2 dargestellten Zustand des elektrischen Energiespeichers 1 zum Ende seiner Lebensdauer. Bei maximalem Ladezustand weist die elektrische Energiespeicherzelle 2 die größte dargestellte Ausdehnung d auf. Bei einem zyklischen Laden und Entladen nimmt die Ausdehnung d der elektrischen Energiespeicherzelle 2 linear zu und wieder ab.
  • Ein zweiter Zeitpunkt t2 entspricht einem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dritten Zeitpunkt (t1, t3) in der Mitte der Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers 1. Bei geringem Ladezustand weist die elektrische Energiespeicherzelle 2 eine mittlere Ausdehnung d auf. Bei einem zyklischen Laden und Entladen nimmt die Ausdehnung d der elektrischen Energiespeicherzelle 2 linear zu und wieder ab.
  • Die Ausdehnung d der elektrischen Energiespeicherzelle 2 hängt dabei nicht nur vom Ladezustand und der Alterung der elektrischen Energiespeicherzelle 2 ab, sondern auch von der Temperatur der elektrischen Energiespeicherzelle.
  • Das in 4 dargestellte Verfahren 100 zur Bestimmung eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 1 weist die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte auf:
    • In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird eine Temperatur und eine Ausdehnung d der elektrischen Energiespeicherzellen 2 erfasst.
    • In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird mittels der Ausdehnung d, der Temperatur und einem Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers 1 ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 1 bestimmt, insbesondere wobei ein der Ausdehnung d, der Temperatur und dem Alterungszustand zugeordneter Ladezustand in einer Tabelle gespeichert ist.
    • In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird der Ladezustand mit einem Ladezustandsschätzer verglichen, insbesondere wobei der Ladezustandsschätzer ein Batteriemodell und/oder einen Stromintegrator verwendet.
  • Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere aufweisend eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle oder Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.
  • Unter einem Fahrzeug wird hierbei ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug verstanden, insbesondere ein Landfahrzeug, zum Beispiel ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Zweirad. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug, das einen rein elektrischen Antrieb aufweist, oder ein Hybridfahrzeug, das einen elektrischen Antrieb und einen Verbrennungsmotor aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2018084549 A [0002]
    • DE 102012209271 A1 [0003]

Claims (12)

  1. Elektrischer Energiespeicher (1) aufweisend ein Gehäuse (6) und in dem Gehäuse (6) nebeneinander angeordnete elektrische Energiespeicherzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) zumindest ein elastisches Abstandselement (4) aufweist, das in dem Gehäuse (6) angeordnet ist, wobei zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle (2) ein Zellgehäuse aufweist, an dessen Außenseite ein Verformungsindikator (3) angeordnet ist.
  2. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsindikator (3) als Dehnmessstreifen ausgeführt ist.
  3. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem Verformungsindikator signalleitend verbunden ist und eingerichtet ist, eine Ausdehnung (d) der elektrischen Energiespeicherzellen (2) zu bestimmen.
  4. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) einen optischen Sensor aufweist, wobei der Verformungsindikator (3) als Markierung für den optischen Sensor ausgeführt ist.
  5. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem optischen Sensor signalleitend verbunden ist und eingerichtet ist, eine Ausdehnung (d) der elektrischen Energiespeicherzellen (2) zu bestimmen.
  6. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Abstandselement (4) zwischen dem Gehäuse (6) und den elektrischen Energiespeicherzellen (2) angeordnet ist, insbesondere wobei das elastische Abstandselement (4) an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäuses (6) angeordnet ist.
  7. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Abstandselement (4) eingerichtet ist, eine Ausdehnungsänderung der elektrischen Energiespeicherzellen (2) auszugleichen, insbesondere wobei das elastische Abstandselement (4) als Federelement ausgeführt ist.
  8. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zellgehäuse prismatisch ausgeformt ist und/oder metallisch ist, insbesondere wobei das jeweilige Zellgehäuse ein Hardcase-Gehäuse ist.
  9. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der elektrischen Energiespeicherzellen (2) einander teilweise berühren, wobei jeweils ein Verformungsindikator (3) zwischen zwei elektrischen Energiespeicherzellen (2) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen elektrischen Energiespeicher (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  11. Verfahren (100) zur Bestimmung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) eine Temperatur und eine Ausdehnung (d) der elektrischen Energiespeicherzellen (2) erfasst wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) mittels der Ausdehnung (d), der Temperatur und einem Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers (1) ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers (1) bestimmt wird, insbesondere wobei ein der Ausdehnung (d), der Temperatur und dem Alterungszustand zugeordneter Ladezustand in einer Tabelle gespeichert ist.
  12. Verfahren (100) zur Bestimmung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (103) der Ladezustand mit einem Ladezustandsschätzer verglichen wird, insbesondere wobei der Ladezustandsschätzer ein Batteriemodell und/oder einen Stromintegrator verwendet.
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