DE102021005418A1

DE102021005418A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Batteriezelle, sowie Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021005418A1
Application number: DE102021005418.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Wycisk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands (34) einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (12) mittels einer Überwachungsvorrichtung (16) des elektrischen Energiespeichers (12), bei welchem mittels einer Erfassungseinrichtung (20) der Überwachungsvorrichtung (16) eine Zelldicke (24) der Batteriezelle (14), welche in Abhängigkeit von einem Ladungszustand (22) der Batteriezelle (14) eine Dickenveränderung durchführt, erfasst wird und in Abhängigkeit von der erfassten Zelldicke (24) der Alterungszustand (34) bestimmt wird, wobei die erfasste Zelldicke (24) mit dem aktuellen Ladungszustand (22) der Batteriezelle (14) mit einer Referenzdicke bei dem aktuellen Ladungszustand (22) verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Alterungszustand (34) bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Überwachungsvorrichtung (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Überwachungsvorrichtung des elektrischen Energiespeichers. Ferner betrifft die Erfindung eine Überwachungsvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik ist bereits bekannt, dass bei sogenannten Festkörperbatteriezellen sich die Dicke in Abhängigkeit des Ladezustands, des sogenannten State of Charge, verändern kann. Ferner kann auch in Abhängigkeit von dem Alterungszustand der Batteriezelle sich die Zelldicke verändern. Insbesondere ist es beispielsweise notwendig, den Alterungszustand der Batteriezelle zu kennen, da dort beispielsweise der Kapazitätswert der Batteriezelle abnimmt und weniger Energie bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann dann die Batteriezelle zum Austauschen bereitstehen.
Aus dem Stand der Technik ist ferner die sogenannte Methode der Differential Voltage Analysis (DVA) bekannt. Beispielsweise offenbart die wissenschaftliche Arbeit „Methodik zur Simulation des mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Zellen“ von Bernhard Rieger vom 14.11.2016 der Technischen Universität München ein solches Verfahren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Überwachungsvorrichtung zu schaffen, mittels welchen präzise der Alterungszustand einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Überwachungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Überwachungsvorrichtung des elektrischen Energiespeichers, bei welchem mittels einer Erfassungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung eine Zelldicke der Batteriezelle, welche in Abhängigkeit von einem Ladungszustand der Batteriezelle eine Dickenveränderung durchführt, erfasst wird und in Abhängigkeit von der erfassten Zelldicke der Alterungszustand bestimmt wird.
Es ist vorgesehen, dass die erfasste Zelldicke mit dem aktuellen Ladungszustand der Batteriezelle mit einer Referenzdicke bei dem aktuellen Ladungszustand verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Alterungszustand bestimmt wird.
Insbesondere ist es somit ermöglicht, dass auf Basis der erfassten Zelldicke und der Referenzdicke, welche insbesondere der Referenzzelldicke entspricht, der Alterungszustand bestimmt werden kann. Dadurch kann insbesondere auch die Art des Alterungszustands, also der Grund, warum die Alterung eingetreten ist, beziehungsweise welche Alterung eingetreten ist, bestimmt werden.
Bei der Referenzdicke handelt es sich insbesondere um die Referenzdicke der Batteriezelle bei „Lebensbeginn“ der Batteriezelle. Insbesondere ist die Batteriezelle somit unbenutzt und es wird die Referenzdicke bei unterschiedlichen Ladungszuständen bestimmt und beispielsweise als Referenzkurve abgespeichert. Es wird dann die erfasste Zelldicke mit dem aktuellen Ladungszustand mittels der Referenzdicke bei dem gleichen Ladungszustand verglichen und auf Basis dessen kann der Alterungszustand bestimmt werden.
Insbesondere kann somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Alterungszustand beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle als Festkörperzelle in-operandum gemessen werden. Es können zudem Aussagen zur genauen Alterungsart getroffen werden, zum Beispiel kann zugeordnet werden, ob die Anode Aktivmaterial verloren hat oder eine Verschiebung der Balancierung der Elektroden stattgefunden hat. Es kann dabei ferner vorgesehen sein, dass innerhalb des elektrischen Energiespeichers die Dickenänderung beziehungsweise bei verspannten Zellen die Druckänderung gemessen wird, so kann daraufhin der Alterungszustand, welcher auch als State of Health (SOH) bezeichnet werden kann, jeder Zelle bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird eine Art des Alterungszustands in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei einer als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle als Art des Alterungszustands ein Lithiumverlust und/oder ein Aktivmaterialverlust einer Anode der Batteriezelle bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird eine Referenzkurve der Zelldicke in Abhängigkeit von dem Ladungszustand bestimmt und abgespeichert und es wird eine aktuelle Zustandskurve der aktuellen Zelldicke in Abhängigkeit von dem Ladungszustand bestimmt und abgespeichert und der Vergleich wird durch den Vergleich der Referenzkurve mit der Zustandskurve durchgeführt.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn zusätzlich ein Lithium-Ablagerungsprozess einer als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle bestimmt wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen. Ferner betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium mit dem Computerprogrammprodukt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Batteriezelle des elektrischen Energiespeichers, mit zumindest einer Erfassungseinrichtung und mit einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei die Überwachungsvorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der Überwachungsvorrichtung durchgeführt.
Ferner betrifft die Erfindung auch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Überwachungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist dabei zumindest teilweise elektrisch, insbesondere vollelektrisch, ausgebildet.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Überwachungsvorrichtung, des elektrischen Energiespeichers sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Die Überwachungsvorrichtung, der elektrische Energiespeicher sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine 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 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.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers mit einer Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung; und
2 ein schematisches Ladezustands-Zelldickendiagramm.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 10 mit einem elektrischen Energiespeicher 12. Das Kraftfahrzeug 10 ist insbesondere als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 10 beziehungsweise als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 10 ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher 12 ist beispielsweise für eine elektrische Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher 12 kann dann beispielsweise auch als Traktionsbatterie bezeichnet werden. Ferner kann der elektrische Energiespeicher 12 auch für ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet sein. Der elektrische Energiespeicher 12 weist vorliegend zumindest eine Batteriezelle 14 auf. Die Batteriezelle 14 ist dabei insbesondere als sogenannte Feststoffbatteriezelle ausgebildet. Bevorzugt kann die Batteriezelle 14 als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Der elektrische Energiespeicher 12 weist vorliegend eine Überwachungsvorrichtung 16 auf, wobei die Überwachungsvorrichtung 16 zumindest eine elektronische Recheneinrichtung 18 sowie eine Erfassungseinrichtung 20 aufweist.
2 zeigt ein schematisches Ladungszustand 22-Zelldicke 24-Diagramm auf. Vorliegend sind insbesondere zwei Kurven 26, 28 gezeigt. Insbesondere sind eine Referenzkurve 26 und eine Zustandskurve 28 gezeigt. Ferner ist beispielsweise ein erstes Lokales Maximum 30 der Referenzkurve 26 gezeigt und ein zweites lokales Maximum 32 der Zustandskurve 28 gezeigt. Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, dass die beiden Maxima zueinander einen Abstand ausgebildet haben, mit anderen Worten eine Verschiebung stattgefunden hat.
Beim Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands 34 der Batteriezelle 14 wird mittels der Erfassungseinrichtung 20 die Zelldicke 24 der Batteriezelle 14 erfasst, wobei sich die Zelldicke 24, wie in der 2 gezeigt, in Abhängigkeit von dem Ladungszustand 22 der Batteriezelle 14 eine Dickenveränderung durchführt. In Abhängigkeit von der erfassten Zelldicke 24 kann dann der Alterungszustand bestimmt werden.
Es ist dabei vorgesehen, dass die erfasste Zelldicke 24 mit dem aktuellen Ladungszustand 22 der Batteriezelle 14 mit einer Referenzdicke bei dem aktuellen Ladungszustand 22 verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Alterungszustand 34 bestimmt wird.
Insbesondere kann eine Art des Alterungszustands 34 in Abhängigkeit vom Vergleich bestimmt werden. Beispielsweise können bei einer Lithium-Ionen-Zelle als Art des Alterungszustands ein Lithium-Verlust und/oder ein Aktivmaterialverlust einer Anode der Batteriezelle 14 bestimmt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie durch das Verschieben der Maxima gezeigt, ist insbesondere ein Lithium-Verlust zu verzeichnen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Referenzkurve 26 bei einer sogenannten neuen Batteriezelle 14 aufgezeichnet wird.
Ferner kann zusätzlich ein Lithium-Ablagerungsprozess der als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle 14 bestimmt werden.
Insbesondere ist somit vorgeschlagen, dass sich, wie in der 2 gezeigt, in Ableitung der Zelldicke 24 nach der Ladung spezifische Extrema, insbesondere Maxima und Minima, zeigen. Die gealterte Batteriezelle 14, welche über die Zustandskurve 28 gezeigt ist, zeigt eine Verschiebung der Maxima und Minima relativ gesehen zur neuen Batteriezelle 14, welche über die Referenzkurve 26 gezeigt ist. Diese Differenz entspricht wiederum der Änderung der Kapazität der Batteriezelle 14. Auf Basis dessen kann dann wiederum der Alterungszustand 34, welcher auch als State of Health (SoH) bezeichnet wird, bestimmt werden. Eine reine Verschiebung, wie in der 2 gezeigt, kann auf einen Lithium-Verlust schließen. Bei einer Verschiebung zwischen den Maxima, also eine Abstandsänderung, kann ein Aktivverlust der Anode bestimmt werden.
Es kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit des bestimmten Alterungszustands 34 eine Alterungsanpassung von Zellmodellen durchgeführt wird, wobei dann beispielsweise bei einer dauerhaften Zelldickenvergrößerung eine Widerstandsvergrößerung zu verzeichnen ist.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: elektrischer Energiespeicher
14: Batteriezelle
16: Überwachungsvorrichtung
18: elektronische Recheneinrichtung
20: Erfassungseinrichtung
22: Ladungszustand
24: Zelldicke
26: Referenzkurve
28: Zustandskurve
30: erstes Maxima
32: zweites Maxima
34: Alterungszustand

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands (34) einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (12) mittels einer Überwachungsvorrichtung (16) des elektrischen Energiespeichers (12), bei welchem mittels einer Erfassungseinrichtung (20) der Überwachungsvorrichtung (16) eine Zelldicke (24) der Batteriezelle (14), welche in Abhängigkeit von einem Ladungszustand (22) der Batteriezelle (14) eine Dickenveränderung durchführt, erfasst wird und in Abhängigkeit von der erfassten Zelldicke (24) der Alterungszustand (34) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Zelldicke (24) mit dem aktuellen Ladungszustand (22) der Batteriezelle (14) mit einer Referenzdicke bei dem aktuellen Ladungszustand (22) verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Alterungszustand (34) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Art des Alterungszustands (34) in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle (14) als Art des Alterungszustands (34) ein Lithiumverlust und/oder ein Aktivmaterialverlust einer Anode der Batteriezelle (14) bestimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzkurve (26) der Zelldicke (24) in Abhängigkeit von dem Ladungszustand (22) bestimmt und abgespeichert wird und eine aktuelle Zustandskurve (28) der aktuellen Zelldicke (24) in Abhängigkeit von dem Ladungszustand (22) bestimmt und abgespeichert wird und der Vergleich durch den Vergleich der Referenzkurve (26) mit der Zustandskurve (28) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Lithium-Ablagerungsprozess einer als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle (14) bestimmt wird.
Überwachungsvorrichtung (16) für einen elektrischen Energiespeicher (12) zum Bestimmen eines Alterungszustands (34) einer Batteriezelle (14) des elektrischen Energiespeichers (12), mit zumindest einer Erfassungseinrichtung (20) und mit einer elektronischen Recheneinrichtung (18), wobei die Überwachungsvorrichtung (16) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.