DE102021132431A1

DE102021132431A1 - Batteriezellenmodul und Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands

Info

Publication number: DE102021132431A1
Application number: DE102021132431.9A
Authority: DE
Inventors: Azad Darbandi; Marko Graser; Sebastian Hoffmeister; Philipp Hoedel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul, aufweisend (i) eine erste Batteriezelle, (ii) eine zweite Batteriezelle, wobei (iii) die erste Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle elektrisch seriell verbunden ist, wobei (iv) eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur ersten Batteriezelle ermittelbar ist, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei (v) eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur zweiten Batteriezelle (120) ermittelbar ist, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei (vi) die kleinste zweite Steigung größer ist als die erste kleinste Steigung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul und ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands.
Auf dem Gebiet der Batteriezellen sind insbesondere Lithium-Ionen Batteriezellen bekannt. Im Rahmen eines zuverlässigen Betriebs einer Lithium-Ionen Batteriezelle kann es erforderlich sein, elektrische Kenngrößen der jeweiligen Lithium-Ionen Batteriezelle, insbesondere eine Betriebsspannung, einen Betriebsstrom und einen Ladezustand, zu messen bzw. zu bestimmen. Die Bestimmung des Ladezustands einer Batteriezelle, insbesondere bei der Verwendung in Hochvoltsystemen, kann insbesondere beim Einsatz in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen vorteilhaft sein, um eine Vorhersage über eine Restreichweite des Kraftfahrzeugs basierend auf dem bestimmten Ladezustand treffen zu können. Es ist bekannt, den Ladezustand einer Batteriezelle unter Verwendung einer gemessenen Leerlaufspannung der Batteriezelle zu bestimmen. Dabei kann aufgrund eines verwendeten Elektrodenmaterials in der Batteriezelle eine Abhängigkeit der Leerlaufspannung zum Ladezustand der Batteriezelle vorliegen, bei der sich die Leerlaufspannung über einen Bereich des Ladezustands gar nicht oder nur geringfügig ändert. Dadurch kann ein aktueller Ladezustands in diesem Bereich des Ladezustands, und damit eine Abschätzung einer Restreichweite eines Elektroautos, nicht genau und zuverlässig ermittelt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriezellenmodul bereitzustellen, bei dem der Ladezustand zuverlässig ermittelt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul, aufweisend (i) eine erste Batteriezelle, (ii) eine zweite Batteriezelle, wobei (iii) die erste Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle elektrisch seriell verbunden ist, wobei (iv) eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur ersten Batteriezelle ermittelbar ist, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei (v) eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur zweiten Batteriezelle ermittelbar ist, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei (vi) die kleinste zweite Steigung größer ist als die erste kleinste Steigung.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Unter einem Elektrodenstapel, insbesondere einem elektrochemischem Elektrodenstapel, ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Bereitstellung elektrischer Energie dient, welche insbesondere zur Wandlung chemischer Energie in elektrische Energie ausgestaltet ist, welche vorzugsweise zur Wandlung elektrischer Energie in chemische Energie ausgestaltet ist. Dazu kann der Elektrodenstapel mehrere Stapellagen aufweisen, wobei wenigstens eine der Stapellagen als kathodische Elektrode, als anodische Elektrode oder als Separator ausgestaltet ist. Der Elektrodenstapel kann wenigstens eine der kathodischen Elektroden, wenigstens eine der anodischen Elektroden und wenigstens einen der Separatoren aufweisen. Der Elektrodenstapel kann eine Abfolge von Stapellagen aufweisen, bei welcher der Separator zwischen der kathodischen Elektrode und der anodischen Elektrode angeordnet ist, d.h. kathodische Elektrode - Separator - anodische Elektrode. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere dieser Abfolgen auf. Vorzugsweise weisen eine oder mehrere der Stapellagen jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf. Vorzugsweise ragt wenigstens einer dieser Separatoren im Elektrodenstapel über die benachbarte kathodische Elektrode und/oder über die benachbarte anodische Elektrode hinaus. Der Separator ist für Ionen durchlässig, nicht aber für Elektronen. Dazu weist der Separator einen Elektrolyt oder ein Leitsalz auf. Vorzugsweise weist der Elektrolyt oder das Leitsalz Lithiumionen auf. Vorzugsweise kann der Elektrodenstapel als „Elektrodenwickel“ ausgebildet sein, wobei die Elektroden der ersten Polung, die Elektroden der zweiten Polung und der Separator um eine gemeinsame Achse herumgewickelt angeordnet sind, wodurch eine im Wesentlichen zylindrische Form ausgebildet sein kann.
Unter dem Begriff Leerlaufspannung (engl.: „Open Circuit Voltage“ (OCV)), insbesondere eine Leerlaufspannung einer Batterie oder Batteriezelle, ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Spannung zu verstehen, die an einer Ausgangsseite einer Batterie oder einer Batteriezelle anliegt und gemessen werden kann, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist.
Unter dem Begriff Ladezustand (engl.: „State of Charge“ (SOC)), insbesondere ein Ladezustand einer Batterie oder einer Batteriezelle, ist im Sinne der Erfindung insbesondere zu der momentanen Ladezustand bzw. die momentane Kapazität einer Batterie oder Batteriezelle im Vergleich zur maximalen Kapazität der Batterie oder Batteriezelle zu verstehen.
Unter dem Begriff Alterungszustand (engl.: „State of Health“ (SOH)), insbesondere ein Alterungszustand einer Batterie oder Batteriezelle, ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein aktueller Zustand einer Batterie oder Batteriezelle im Vergleich zu einer neuen Batteriezelle zu verstehen. Parameter, die einen Zustand einer Batterie oder Batteriezelle beschreiben, können insbesondere eine Kapazität, eine Spannung, ein Innenwiderstand, eine Zeitdauer der Nutzung oder eine Temperatur sein.
Durch das Batteriezellenmodul nach dem ersten Aspekt kann erreicht werden, dass ein Ladezustand durch eine Messung einer Spannung, insbesondere Leerlaufspannung, der zweiten Batteriezelle zuverlässig ermittelt werden kann. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass die kleinste zweite Steigung größer ist als die kleinste erste Steigung. Dadurch kann ein Ladezustand einer gemessenen Spannung unter Verwendung der zweiten Funktion zugeordnet werden. Dadurch, dass die erste Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle elektronisch seriell verbunden ist, kann die Ermittlung des Ladezustands des Batteriezellenmoduls durch die Ermittlung des Ladezustands der zweiten Batteriezelle erfolgen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Batteriezellenmoduls beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Batteriezelle eine elektrische Kapazität auf, die mindestens so groß wie die elektrische Kapazität der ersten Batteriezelle ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Ladezustand für das Batteriezellenmodul durch die zweite Batteriezelle bestimmt werden kann. Mit zunehmender Kapazität der zweiten Batteriezelle vergrößert sich zudem der Spannungsbereich, in dem die zweite Batteriezelle betrieben werden kann. Dadurch kann ein Spannungsbereich bestimmt werden, bei dem die kleinste zweite Steigung einen möglichst großen Wert hat. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Kapazität der zweiten Batteriezelle deutlich größer ist als die Kapazität der ersten Batteriezelle.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Batteriezelle einen ersten Elektrodenstapel, und die zweite Batteriezelle einen zweiten Elektrodenstapel auf, wobei der erste Elektrodenstapel, insbesondere eine erste Elektrode des ersten Elektrodenstapels, eine Lithium-Eisenphosphat-Verbindung, insbesondere LiFePO4 (kurz: „LFP“), und/oder der zweite Elektrodenstapel, insbesondere eine zweite Elektrode des zweiten Elektrodenstapels, eine Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindung (kurz: „NMC“), insbesondere LiNi_xMn_yCo_zO₂ mit x + y + z = 1 als Material aufweist. Dadurch, dass der Elektrodenstapel der zweiten Batteriezelle NMC aufweist, kann eine Funktion der Leerlaufspannung zum Ladezustand eine kontinuierliche Steigung aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass die kleinste Steigung der zweiten Funktion größer ist als die kleinste Steigung der ersten Funktion der ersten Batteriezelle, bei der LFP verwendet wird. Zudem kann eine Elektrode mit NMC eine höhere Energiedichte als eine Elektrode mit LFP aufweisen. Die Verwendung von LFP kann eine gute thermische und chemische Stabilität aufweisen. Auch können Elektroden, die LFP aufweisen, gegenüber Feuer durch Überladung und gegenüber Kurzschlüssen, eine hohe Sicherheit aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Batteriezelle mechanisch reversibel mit der ersten Batteriezelle verbunden. Dadurch kann erreicht werden, dass die zweite Batteriezelle zerstörungsfrei montiert und demontiert werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriezellenmodul eine Mehrzahl von ersten Batteriezellen und genau eine zweite Batteriezelle auf, wobei an zwei gegenüberliegenden und jeweils von der Batteriezelle wegzeigenden Seiten der zweiten Batteriezelle jeweils eine erste Batteriezelle angeordnet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass thermische Wechselwirkungen zwischen der zweiten Batteriezelle und den ersten Batteriezellen im Wesentlichen gleichmäßig über die beiden Seiten, an denen die ersten Batteriezellen angeordnet sind, erfolgen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands eines Batteriezellenmoduls, aufweisend die Schritte: (i) Bereitstellen eines Batteriezellenmoduls mit einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle, die elektrisch seriell miteinander verbunden sind, wobei eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur ersten Batteriezelle ermittelt wurde, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur zweiten Batteriezelle ermittelt wurde, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist; (ii) Ermitteln eines aktuellen Ladezustands der zweiten Batteriezelle durch Messen einer aktuellen Leerlaufspannung und unter Verwendung der zweiten Funktion.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Ladezustand durch eine Messung einer Leerlaufspannung der zweiten Batteriezelle zuverlässig bestimmt werden kann. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass die kleinste zweite Steigung größer ist als die kleinste erste Steigung. Dadurch kann ein Ladezustand einer gemessenen Leerlaufspannung unter Verwendung der zweiten Funktion zugeordnet werden. Das Batteriezellenmodul kann eine Kapazität aufweisen, welche, aufgrund der elektrisch seriellen Verbindung der ersten Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle, im Wesentlichen der kleineren Kapazität der Kapazitäten der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle entspricht.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren weiterhin auf: (i) Messen eines Stromes der ersten Batteriezelle über eine vorgegebene Zeitspanne während eines Betriebs des Batteriezellenmoduls; (ii) Berechnen eines integrierten Stromwerts durch mathematische Integration des gemessenen Stromes über die vorgegebene Zeitspanne; (iii) Ermitteln eines Ladezustandes der ersten Batteriezelle unter Verwendung des integrierten Stromwerts; (iv) Vergleichen des ermittelten Ladezustands der ersten Batteriezelle mit dem ermittelten Ladezustand der zweiten Batteriezelle; (v) Korrigieren des ermittelten Ladezustands der ersten Batteriezelle durch Zuweisen des ermittelten Ladezustands der zweiten Batteriezelle zu dem ermittelten Ladezustand der ersten Batteriezelle, wenn der Vergleich ergeben hat, dass die ermittelten Ladezustände der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle unterschiedlich zueinander sind. Dadurch kann der Ladezustand der ersten Batteriezelle, der unter Verwendung einer Strommessung im Betrieb der ersten Batteriezelle ermittelt wurde, korrigiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Strommessung im Betrieb fehlerbehaftet ist, wohingegen die Messung der Leerlaufspannung der zweiten Batteriezelle, die im Ruhezustand erfolgt, weniger fehlerbehaftet sein kann. Ebenso ist es denkbar, dass mit der Zuweisung eine Skalierung des Ladezustands in Abhängigkeit des Verhältnisses der Kapazität der zweiten Batteriezelle zur Kapazität der ersten Batteriezelle erfolgt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit Anweisungen, die bewirken, die Schritte des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel des Batteriezellenmoduls;
2 schematisch ein Diagramm von Leerlaufspannung zu Ladezustand einer ersten und einer zweiten Batteriezelle;
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
In 1 wird schematisch ein Batteriezellenmodul 100 gezeigt. Das Batteriezellenmodul 100 weist vier erste Batteriezellen 110 mit jeweils ersten Batteriezellenstapeln 130, und eine zweite Batteriezelle 120 mit einem zweiten Batteriezellenstapel 140 auf. Es ist ebenso möglich, dass das Batteriezellenmodul 100 mehr als vier erste Batteriezellen 110 aufweist. Dies wird schematisch durch die Punkte zu beiden Seiten des Batteriezellenmoduls 100 angedeutet. Die zweite Batteriezelle 120 ist räumlich zwischen zwei ersten Batteriezellen 110 angeordnet. In 1 ist die zweite Batteriezelle 120 so angeordnet, dass an zwei Außenseiten der zweiten Batteriezelle 120 jeweils zwei erste Batteriezellen 110 angeordnet sind. Dies kann vorteilhaft sein, damit sich thermische Wechselwirkungen zwischen der zweiten Batteriezelle 120 und den ersten Batteriezellen 110 gleichmäßig auswirken, und insbesondere um unterschiedliche thermische Effekte auf eine Verlustleistung der zweiten Batteriezelle 120 zu verringern oder zu vermeiden.
Die ersten Batteriezellen 110 weisen jeweils einen ersten Elektrodenstapel 130 mit positiven Elektroden auf, die jeweils eine Lithium-Eisenphosphat-Verbindung (LiFePO4), in Kurzform auch als „LFP“ bekannt, aufweisen. Eine andere Elektrode, insbesondere eine negative Elektrode, der ersten Batteriezellen 110 kann beispielsweise eine Grafit-Verbindung aufweisen. Zwischen der positiven und der negativen Elektrode kann jeweils ein elektrisch isolierender Separator angeordnet sein.
Die zweite Batteriezelle 120 weist einen zweiten Elektrodenstapel 140 mit einer positiven Elektrode auf, die eine Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindung, in Kurzform auch als „NMC“ bekannt, aufweist. Insbesondere kann der zweite Elektrodenstapel Li-Ni_xMn_yCo_zO₂ mit x + y + z = 1 aufweisen, beispielsweise LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂ oder LiNi_0,8Mn_0,1Co_0,1O₂ Eine andere Elektrode, insbesondere eine negative Elektrode, der zweiten Batteriezelle 120 kann beispielsweise eine Grafit-Verbindung aufweisen. Die positive und die negative Elektrode können durch einen elektrisch isolierenden Separator voneinander getrennt sein.
Die ersten Batteriezellen 110 und die zweite Batteriezelle 120 sind so konfiguriert, dass die zweite Batteriezelle 120 eine Kapazität aufweist, die wenigstens so groß ist wie eine Kapazität von jeder der ersten Batteriezellen 110. Die zweite Batteriezelle 120 kann bei einem gleichen Zellformat wie eine der ersten Batteriezellen 110 eine ca. 40% höhere Energiedichte aufweisen. Durch eine entsprechende Anpassung des Zellformats der ersten Batteriezellen 110 oder der zweiten Batteriezelle 120 kann erreicht werden, dass die Batteriezellen 110, 120 vergleichbare Kapazitäten aufweisen. Bei einer Anpassung der zweiten Batteriezelle 120 kann ein Spannungsbereich eingestellt werden, der vorteilhaft so gewählt wird, dass eine möglichst starke Abhängigkeit zum Ladezustand erreicht wird. Ebenso kann die Anpassung so gewählt werden, dass eine voraussichtliche Alterung der zweiten Batteriezelle 120 verlangsamt wird. Auch kann es vorteilhaft sein, wenn Elektrodenparameter der zweiten Batteriezelle 120 so ausgewählt werden, dass ein Innenwiderstand der zweiten Batteriezelle 120 in einem Bereich einer Spannung im Betrieb der ersten Batteriezelle 110 betrieben wird, und in diesem Bereich einen vergleichbaren Wert wie die erste Batteriezelle 110 aufweist.
Die ersten Batteriezellen 110 und die zweite Batteriezelle 120 sind jeweils elektrisch seriell miteinander verbunden bzw. elektrisch in Reihe geschaltet. Bei einer Reihenschaltung bzw. serieller Schaltung der Batteriezellen 110, 120 fließt im Betrieb ein gleicher Strom durch jede der in Reihe geschalteten Batteriezellen 110, 120. Weiterhin kann sich bei einer Reihenschaltung von Batteriezellen eine Gesamtspannung erzielt werden, die sich durch eine Addition von Einzelspannungen der einzelnen Batteriezellen ergibt. Die Kapazität des Batteriezellenmoduls 100, das eine Mehrzahl von Batteriezellen 110, 120 aufweist, orientiert sich dabei an der Batteriezelle 110, 120 mit der niedrigsten Kapazität. In anderen Worten kann bei einer Reihenschaltung zumindest näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die Kapazität eines Batteriezellenmoduls 100, der Kapazität der Batteriezelle 110, 120 mit der geringsten Kapazität aller einzelnen Batteriezellen 110, 120 entsprechen kann. Bei der Reihenschaltung der ersten Batteriezelle 110 mit der zweiten Batteriezelle 120, kann es erforderlich sein, dass die zweite Batteriezelle 120 wenigstens in einem Spannungsbereich, beispielsweise 2,5V bis 3,65V, bei dem die erste Batteriezelle 110 bzw. das Batteriezellenmodul 100 betrieben wird, die gleiche Kapazität wie die erste Batteriezelle 110 bereitstellt.
Durch die vorliegende Konfiguration kann erreicht werden, dass eine Entladerate in jeder der ersten Batteriezellen 110 und der zweiten Batteriezelle 120 einen ähnlichen bzw. gleichen Wert aufweisen kann, wodurch bei einer Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle 110, 120, insbesondere der zweiten Batteriezelle 120, ein Ladezustand des Batteriezellenmoduls 100 bestimmt werden kann.
Ein weiterer Vorteil einer Verwendung einer zweiten Batteriezelle 120 mit einer positiven Elektrode, die NMC aufweist, gegenüber einer ersten Batteriezelle 110 mit einer Elektrode, die LFP aufweist, kann darin bestehen, dass die zweite Batteriezelle 120 einen geringeren Spannungsabfall nach einem Ladevorgang aufweist.
In 2 wird schematisch ein Diagramm 200 von Leerlaufspannung (engl.: „Open Circuit Voltage“ (OCV)) zu Ladezustand (engl.: „State of Charge“ (SOC)) mit einer ersten Kennlinie 210 einer ersten Batteriezelle 110 und einer zweiten Kennlinie 220 einer zweiten Batteriezelle 120, gezeigt.
Die erste Kennlinie 210 für die erste Batteriezelle 110 und/oder die zweite Kennlinie 220 für die zweite Batteriezelle 120 kann im Rahmen eines Lade- und Entladevorgangs der jeweiligen Batteriezelle 110, 120, bei denen kontinuierlich die Leerlaufspannung und der Ladezustand gemessen bzw. bestimmt werden, zunächst ermittelt werden.
Durch die Messung einer aktuellen Leerlaufspannung der ersten Batteriezelle 110 oder der zweiten Batteriezelle 120 kann zu dieser Leerlaufspannung aus der jeweiligen Kennlinie 210, 220 ein zugehöriger Ladezustand ermittelt werden.
Beispielsweise kann aus der ersten Kennlinie 210 der ersten Batteriezelle 110 in einem Bereich des Ladezustands zwischen ca. 95% und 100% ein Ladezustand durch eine gemessene Leerlaufspannung bestimmt werden. Aus der ersten Kennlinie 210 kann beispielsweise für eine gemessene Leerlaufspannung von ca. 3,37 V ein Ladezustand von ca. 97% ermittelt werden, siehe gestrichelte Linien in 2. Aus der ersten Kennlinie 210 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Leerlaufspannung bei einem Ladezustand zwischen ca. 30% bis 55% und zwischen 60% bis 95% im Wesentlichen jeweils einen konstanten Wert bzw. einen Wert mit geringen Änderungen aufweist. Bei einem Ladezustand zwischen ca. 30% bis 55% liegt die Leerlaufspannung bei ca. 3,24V und bei einem Ladezustand zwischen 60% bis 95 % liegt die Leerlaufspannung bei ca. 3,26V. Daher kann aus der ersten Kennlinie 210 zu einer Leerlaufspannung von ca. 3,22V oder zu ca. 3,25V jeweils kein eindeutiger Wert eines Ladezustands der ersten Batteriezelle 110 ermittelt werden.
In 2 wird schematisch eine zweite Kennlinie 220 von Leerlaufspannung zu Ladezustand einer zweiten Batteriezelle 120 gezeigt.
Aus der zweiten Kennlinie 220 kann entsprechend unter Verwendung einer gemessenen Leerlaufspannung ein zugehöriger Ladezustand bestimmt werden. Beispielhaft ist hierzu anhand der zweiten Kennlinie 220 dargestellt, dass bei einer gemessenen Leerlaufspannung von ca. 3,63V ein Ladezustand von ca. 40% vorliegt. Da die Leerlaufspannung über den gesamten Bereich des Ladezustands von 0% bis 100% kontinuierlich ansteigt, kann zu jeder Leerlaufspannung der zweiten Batteriezelle 120 ein Ladezustand bestimmt werden.
In 3 wird ein Flussdiagramm 300 zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Ladezustands eines Batteriezellenmoduls gezeigt.
In dem Verfahren erfolgt in einem Schritt ein Bereitstellen 310 eines Batteriezellenmoduls 100 mit einer ersten Batteriezelle 110 und einer zweiten Batteriezelle 120, die elektrisch seriell miteinander verbunden sind, wobei eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur ersten Batteriezelle 110 ermittelt wurde, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen, insbesondere Leerlaufspannungen, zur zweiten Batteriezelle 120 ermittelt wurde, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ermitteln eines aktuellen ersten Ladezustands 320 der zweiten Batteriezelle durch Messen einer aktuellen Spannung, insbesondere Leerlaufspannung, und unter Verwendung der zweiten Funktion.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: Batteriezellenmodul
110: Erste Batteriezelle
120: Zweite Batteriezelle
130: Erster Elektrodenstapel
140: Zweiter Elektrodenstapel
200: OCV-SOC Diagramm einer ersten und zweiten Batteriezelle
210: Erste Kennlinie
220: Zweite Kennlinie
300: Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
310: Bereitstellen eines Batteriezellenmoduls
320: Ermitteln eines Ladezustands

Claims

Batteriezellenmodul (100), aufweisend eine erste Batteriezelle (110), eine zweite Batteriezelle (120), wobei die erste Batteriezelle (110) mit der zweiten Batteriezelle (120) elektrisch seriell verbunden ist, wobei eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur ersten Batteriezelle (110) ermittelbar ist, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur zweiten Batteriezelle (120) ermittelbar ist, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei die kleinste zweite Steigung größer ist als die kleinste erste Steigung.
Batteriezellenmodul (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Batteriezelle (120) eine elektrische Kapazität aufweist, die mindestens so groß wie die elektrische Kapazität der ersten Batteriezelle (110) ist.
Batteriezellenmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Batteriezelle (110) eine ersten Elektrodenstapel (130), und die zweite Batteriezelle einen zweiten Elektrodenstapel (140) aufweist, wobei der erste Elektrodenstapel (130) eine Lithium-Eisenphosphat-Verbindung und/oder der zweite Elektrodenstapel (140) eine Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindung als Material aufweist.
Batteriezellenmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Batteriezelle (120) mechanisch reversibel mit der ersten Batteriezelle (110) verbunden ist.
Batteriezellenmodul (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl von ersten Batteriezellen (110) und genau eine zweite Batteriezelle (120), wobei an zwei gegenüberliegenden und jeweils von der Batteriezelle wegzeigenden Seiten der zweiten Batteriezelle (120) jeweils eine erste Batteriezelle (110) angeordnet ist.
Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands eines Batteriezellenmoduls, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Batteriezellenmoduls (100) mit einer ersten Batteriezelle (110) und einer zweiten Batteriezelle (120), die elektrisch seriell miteinander verbunden sind, wobei eine erste Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur ersten Batteriezelle (110) ermittelt wurde, wobei die Funktion eine kleinste erste Steigung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist, wobei eine zweite Funktion von Ladezuständen in Abhängigkeit von Spannungen zur zweiten Batteriezelle (120) ermittelt wurde, wobei die zweite Funktion eine kleinste zweite Steigung innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs aufweist; Ermitteln eines aktuellen Ladezustands der zweiten Batteriezelle (120) durch Messen einer aktuellen Spannung und unter Verwendung der zweiten Funktion.
Verfahren nach Anspruch 6, des Weiteren aufweisend: Messen eines Stromes der ersten Batteriezelle (110) über eine vorgegebene Zeitspanne während eines Betriebs des Batteriezellenmoduls (100); Berechnen eines integrierten Stromwerts durch mathematische Integration des gemessenen Stromes über die vorgegebene Zeitspanne; Ermitteln eines Ladezustandes der ersten Batteriezelle (110) unter Verwendung des integrierten Stromwerts; Vergleichen des ermittelten Ladezustands der ersten Batteriezelle (110) mit dem ermittelten Ladezustand der zweiten Batteriezelle (120); Korrigieren des ermittelten Ladezustands der ersten Batteriezelle (110) durch Zuweisen des ermittelten Ladezustands der zweiten Batteriezelle (120) zu dem ermittelten Ladezustand der ersten Batteriezelle (110), wenn der Vergleich ergeben hat, dass die ermittelten Ladezustände der ersten Batteriezelle (110) und der zweiten Batteriezelle (120) unterschiedlich zueinander sind.
Computerprogramm mit Anweisungen, die bewirken, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 auszuführen.