DE102022115263B4 - Verfahren zum bestimmen eines alterungszustands einer fahrzeugbatterie und fahrzeugbatterie mit zumindest einer entnehmbaren batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Verfahren (100) zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie (200), welche aus einem Verbund (201) von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batteriezellen aufgebaut ist, wobei zumindest eine Batteriezelle (202) des Verbunds (201) von Batteriezellen in dem Verbund (201) von Batteriezellen lösbar fixiert ist, wobei das Verfahren (100) folgendes umfasst:Lösen (101) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus dem Verbund (201) von Batteriezellen und Entnehmen (102) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200);Bestimmen (103) eines Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle (202) basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen aus der Fahrzeugbatterie entnommenen Batteriezelle (202) gemäß einem vorgegebenen Testprofil; undBestimmen (104) des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie (200) basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Batterietechnik in Fahrzeugen, insbesondere von Hochvolt-Batterien in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands bzw. Gesundheitszustands einer Fahrzeugbatterie und eine Fahrzeugbatterie mit zumindest einer entnehmbaren Batteriezelle bzw. Testzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine entnehmbare Test-Zelle bzw. Batteriezelle zur Zustandsermittlung einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie.
  • Stand der Technik
  • Aktuell beruht die Bestimmung des Gesundheitszustandes (SoH, „State of Health“) einer Hochvolt (HV)-Batterie auf der mitlaufenden Diagnose des Batterie-Monitoring-Systems (BMS). Da diese Diagnose auf zufälligen Nutzerprofilen (z.B. Stadtfahrten oder Langstrecke oder Rennstrecke) und der Fähigkeit der jeweiligen Software basiert, aus diesen Daten den Gesundheitszustand zu bestimmen, ist dies für eine genaue Restwertbestimmung der Batterie (z.B. bei einem Fahrzeugverkauf) nur begrenzt aussagekräftig.
  • Das BMS kann nur anhand des Nutzerprofils (z.B. Temperatur und Ladungsdurchsatz) die Restkapazität eines Zellmoduls errechnen. Wird das Nutzerprofil falsch geschätzt, ist die Alterungsprädiktion nicht richtig. Eine physikalische Bestimmung der Batteriekapazität im Betrieb ist nicht ausreichend genau. Die Errechnung des Alterungszustandes anhand eines digitalen Zwillings setzt ein korrektes Zell- und Nutzermodell voraus, letzteres ist im PKW nicht gegeben. Derzeit ist somit nur eine indirekte Bestimmung des SoH von Hochvolt-Speichern anhand eines digitalen Zwillingsmodells durch Ermittlung von Umweltdaten, Fahrprofil (U-I Profil) und Einbeziehung des kalendarischen Alters möglich.
  • Die DE 21 2010 000 081 U1 und die US 2010 / 0 315 043 A1 offenbaren ein modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last.
  • Die DE 20 2021 103 056 U1 offenbart ein modulares Batteriesystem umfassend eine Vielzahl elektrischer Speicherzellmodule mit einem Zellgehäuse und einem Adapteranschluss, der an einer Fußseite des Zellgehäuses angeordnet ist.
  • Die WO 2021 / 014 406 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Anschluss an einen ungeöffneten Batteriesatz eines Elektrofahrzeugs über eine betriebsfähige Kopplung mit der Signal- und Stromverkabelung.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Konzept für eine genauere Bestimmung des Gesundheitszustands (SoH) bzw. des Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie zu schaffen.
  • Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für eine genaue Bestimmung des Alterungszustands bzw. SoH der Fahrzeugbatterie zu schaffen, das ohne ein digitales Zwillingsmodell und ohne die Auswertung von Softwaremodellen, welche auf der Ermittlung von Umweltdaten, Fahrprofil (U-I Profil) und Einbeziehung des kalendarischen Alters beruhen, auskommt.
  • Ziel ist dabei eine belastbare Zustandsbestimmung der Fahrzeugbatterie, ohne aufwändiges Testen der Gesamtbatterie und insbesondere eine genaue Bestimmung des Zellenzustands (SoH), gegebenenfalls für die Restwertermittlung oder Zweitlebensdauer „second life“ der Fahrzeugbatterie.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
  • Die erfinderische Lösung basiert auf dem im Folgenden dargestellten Konzept.
  • Es wird vorausgesetzt, dass alle Zellen eines VHV-Batteriesystems etwa gleichen Alterungsbedingungen unterworfen sind. Somit ist es ausreichend, eine Zelle, Zellgruppe oder Modul der Batterie zu entnehmen und diese einem genormten Kapazitäts- und/oder Leistungstest zu unterziehen.
  • Batterietester für Zellen, Zellgruppen oder Module bis maximal 60V sind günstig erhältlich und gefahrlos zu betreiben, insbesondere auch von Personen die nicht für Arbeiten unter Spannung ausgebildet sind. Es können genormte Testprofile durchgeführt werden, die eine verifizierte Zustandsbestimmung ermöglichen.
  • Sobald das BMS die gleichmäßige Alterung einer HV-Batterie diagnostiziert, wird eine dafür vorbereitete Zelle, Zellgruppe oder Modul dem Batteriesystem entnommen und extern einem Kapazitäts- und/oder Leistungstest unterzogen.
  • Der Gesundheitszustand und der Restwert der Gesamtbatterie können somit exakt bestimmt werden.
  • Die entnommene Zelle wird mittels eines definierten Prüfverfahrens überprüft. Der Vorteil darin besteht, dass auf Basis messbarer physikalischer Eigenschaften der tatsächliche Zustand wiedergegeben werden kann.
  • Aus diesem Konzept ergeben sich die folgenden Vorteile:
    • Es wird der tatsächliche Zustand der Zellen bestimmt und nicht ein theoretisch berechneter (Digitaler Zwilling).
  • Durch eine genaue Zustandsbestimmung kann der Restwert eines Fahrzeuges/HV-Speichers bestimmt werden und ist somit eine wichtige Information für OEMs, Leasingunternehmen, Fahrzeughalter oder Verwerter/Entsorger/Recycler.
  • Es besteht keine Datenschutzproblematik, denn es müssen keine Historiendaten der Batterie erfasst, gespeichert und ausgewertet werden.
  • Die Messungen erfolgen nicht bei der Batteriespannung von 400V oder 800V der HV-Batterie, sondern bei weniger als 60V. Damit ist die elektrische Gefährdung minimal und es können weiterhin einfache Batterietester eingesetzt werden.
  • In der vorliegenden Offenbarung werden der Alterungszustand bzw. der Gesundheitszustand (SoH) einer Fahrzeugbatterie beschrieben.
  • Batterien und Akkus unterliegen einem nicht zu verhindernden Alterungsprozess, durch welchen sich deren Leistungsfähigkeit verringert. Der State of Health (SoH) beschreibt den Alterungszustand im Vergleich zum Neuwert. Dieser Kennwert wird meist in Prozent angegeben. Ein SoH von 90 Prozent bedeutet beispielsweise, dass die Batterie im Vergleich zur Ursprungskapazität von beispielsweise 500 Watt nur noch über einen Energiegehalt von 450 Watt verfügt. Der State of Health (SoH) gibt damit Auskunft über den Gesundheitszustand bzw. Alterungszustand einer Batterie oder eines Akkus und wie effektiv die darin enthaltenen Zellen geladen werden können.
  • Der SoH einer Batterie oder Batteriezelle kann beispielsweise mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie bestimmt werden. Innerhalb weniger Minuten wird ein Impedanzprofil über einen definierten Frequenzbereich ermittelt. Dabei werden verschiedene Messwerte der Wechselspannung und Temperatur der Batteriezelle ausgewertet.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie, welche aus einem Verbund von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batteriezellen aufgebaut ist, wobei zumindest eine Batteriezelle des Verbunds von Batteriezellen in dem Verbund von Batteriezellen lösbar fixiert ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Lösen der zumindest einen Batteriezelle aus dem Verbund von Batteriezellen und Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle aus der Fahrzeugbatterie; Bestimmen eines Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen aus der Fahrzeugbatterie entnommenen Batteriezelle gemäß einem vorgegebenen Testprofil; und Bestimmen des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle.
  • Das hier beschriebene Verfahren führt zu einer genauen Bestimmung des Alterungszustands bzw. SoH der Fahrzeugbatterie. Es kommt ohne ein digitales Zwillingsmodell und ohne die Auswertung von Softwaremodellen, welche auf der Ermittlung von Umweltdaten, Fahrprofil (U-I Profil) und Einbeziehung des kalendarischen Alters beruhen, aus. Damit lässt sich eine belastbare Zustandsbestimmung der Fahrzeugbatterie durchführen, ohne dass ein aufwändiges Testen der Gesamtbatterie und insbesondere eine genaue Bestimmung des Zellenzustands (SOH) der Gesamtbatterie durchgeführt werden muss.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zeigt der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle eine Restlebenszeit der zumindest einen Batteriezelle an, insbesondere wie viele Ladezyklen die zumindest eine Batteriezelle noch ausführen kann.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass eine genaue Bestimmung der Restlebenszeit der Batteriezelle möglich ist, welche auf der Vermessung einer realen Zelle und nicht auf der Bestimmung von Modelldaten beruht.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren folgendes: Ausführen des Bestimmens des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle mit einem externen Batterie-Testgerät, welches die zumindest eine Batteriezelle einem Kapazitäts- und/oder Leistungstest gemäß einem genormten Testprofil unterzieht.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass ein unabhängiges Batterie-Testgerät genutzt werden kann, welches genormt sein kann und für unterschiedliche Batteriezellen genutzt werden kann. Die Ergebnisse der Alterungszustandsbestimmung sind daher wesentlich genauer als sie über Bestimmung mittels Batteriemodellen, wie z.B. digitaler Zwilling, möglich sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens beruht das Bestimmen des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle basierend auf einer Messung einer oder mehrerer der folgenden physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Messungen an der realen Batteriezelle durchgeführt werden und daher sehr genaue Ergebnisse liefern.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Fahrzeugbatterie eine Hochvolt-Fahrzeugbatterie, die eine Nennspannung von über 150 Volt, insbesondere über 320 Volt aufweist.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass das Verfahren insbesondere für HV-Batterien einsetzbar ist, zum Beispiel für HV-Batterien von elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Der Batterietest kann hier beispielsweise in der Nacht durchgeführt werden, so dass das Fahrzeug am nächsten Tag wieder genutzt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die zumindest eine Batteriezelle oder der Verbund eine Nennspannung von unter 60 Volt, insbesondere unter 5 Volt auf.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Zustandsbestimmung der Batterie bei der gegenüber der Nennspannung der Gesamtbatterie (Fahrzeugbatterie) geringeren Nennspannung der einzelnen Batteriezelle durchführbar ist und somit für das Bedienpersonal weniger gefährlich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die zumindest eine Batteriezelle eine eindeutig gekennzeichnete Seriennummer auf, die insbesondere eine Chargennummer und/oder ein Herstelldatum der zumindest einen Batteriezelle anzeigt.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Bestimmung des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie sicher ausgeführt werden kann und es bei der Batteriezelle aufgrund der Seriennummer zu keinen Verwechslungen kommen kann. Die Seriennummer stellt damit ein Sicherheitsmerkmal der Batterie dar. Anhand der Seriennummer kann die Batteriezelle eindeutig rückverfolgt werden. Beispielsweise kann die Seriennummer aus einem QR-Code bestehen, der eingescannt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die zumindest eine Batteriezelle über eine elektrische Steckverbindung mit dem Verbund von Batterie-Zellen mechanisch fixiert und elektrisch gekoppelt.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die zumindest eine Batteriezelle sich leicht aus dem Verbund von Batteriezellen lösen lässt und sich leicht in den Verbund wiedereingliedern lässt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Restlebenszeit der Fahrzeugbatterie basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass sich die Restlebenszeit auf einfache Weise aus dem Alterungszustand bestimmen lässt, beispielsweise anhand einer Schwellwertbestimmung.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ein Anzeigen eines Ablaufs einer Lebenszeit der Fahrzeugbatterie, wenn zumindest eine der folgenden gemessenen physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle einen Schwellwert unterschreitet: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass der Ablauf der Lebenszeit sich auf einfache Art und Weise bestimmen lässt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ein Außer-Betrieb setzen der Fahrzeugbatterie durch das Lösen und Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle aus der Fahrzeugbatterie.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Fahrzeugbatterie nicht mit weniger als den vorgegebenen Batteriezellen in Betrieb genommen wird, und es zu keinen Beeinträchtigungen der Sicherheit kommt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Fahrzeugbatterie ein Gehäuse mit einem lösbaren Deckel auf und die zumindest eine Batteriezelle ist in dem Gehäuse in einem Bereich des Deckels platziert; und das Verfahren umfasst den folgenden Schritt: Öffnen des Deckels zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle aus der Fahrzeugbatterie.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Batteriezelle sich auf einfache Art und Weise durch Öffnen des Deckels aus dem Gehäuse und aus dem Verbund von Batteriezellen lösen lässt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Fahrzeugbatterie ein Gehäuse mit einer herausnehmbaren Schublade auf, wobei die zumindest eine Batteriezelle 202 in dem Gehäuse innerhalb der Schublade platziert ist; und das Verfahren umfasst den folgenden Schritt: Herausnehmen der Schublade zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle aus der Fahrzeugbatterie.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Batteriezelle sich auf einfache Art und Weise durch Herausziehen der Schublade aus dem Gehäuse und dem Verbund von Batteriezellen lösen lässt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die zumindest eine Batteriezelle Teil einer bestimmten Zellgruppe oder eines bestimmten Zellmoduls, wobei die bestimmte Zellgruppe oder das bestimmte Zellmodul in dem Verbund von Batteriezellen lösbar fixiert ist; und wobei das Lösen und Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle aus der Fahrzeugbatterie ein Lösen und Entnehmen der Zellgruppe oder des Zellmoduls aus der Fahrzeugbatterie umfasst.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass nicht nur eine einzelne Batteriezelle, sondern auch eine Zellgruppe oder ein Zellmodul getestet werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Fahrzeugbatterie, umfassend: einen Verbund von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batterie-Zellen; wobei zumindest eine Batteriezelle des Verbunds von Batterie-Zellen in dem Verbund von Batterie-Zellen lösbar fixiert ist; wobei ein Alterungszustand der Fahrzeugbatterie auf einem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle basiert; und wobei der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle sich basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle gemäß einem vorgegebenen Testprofil nach einer Entnahme der zumindest einen Batteriezelle aus dem Verbund von Batterie-Zellen bestimmt.
  • Eine solche Fahrzeugbatterie ermöglicht eine genaue Bestimmung ihres Alterungszustands bzw. SoH. Die Fahrzeugbatterie kommt ohne ein digitales Zwillingsmodell und ohne die Auswertung von Softwaremodellen, welche auf der Ermittlung von Umweltdaten, Fahrprofil (U-I Profil) und Einbeziehung des kalendarischen Alters beruhen, aus. Durch die herausnehmbare Batteriezelle lässt sich eine belastbare Zustandsbestimmung der gesamten Fahrzeugbatterie durchführen, welches anhand der realen Batteriezelle besonders genaue Ergebnisse liefert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Fahrzeugbatterie umfasst die Fahrzeugbatterie ein Gehäuse mit einem Deckel und/oder einer Schublade, wobei die zumindest eine Batteriezelle in dem Gehäuse in einem Bereich des Deckels und/oder innerhalb der Schublade platziert ist.
  • Dies bietet den technischen Vorteil, dass sich die Batteriezelle auf einfache Art und Weise durch Herausziehen der Schublade aus dem Gehäuse oder Öffnen des Deckels aus dem Verbund von Batteriezellen lösen lässt.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt.
  • Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass das Computerprogramm einfach auf einem Computer oder einem Prozessor ausgeführt werden kann.
  • Kurze Figurenbeschreibung
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbatterie 200 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem lösbaren Deckel 203; und
    • 3 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbatterie 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer herausnehmbaren Schublade 204.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
  • Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie 200.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 ist aus einem Verbund 201 von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batteriezellen aufgebaut, wobei zumindest eine Batteriezelle 202 des Verbunds 201 von Batteriezellen in dem Verbund 201 von Batteriezellen lösbar fixiert ist, wie in den 2 und 3 näher dargestellt.
  • Das Verfahren 100 umfasst die folgenden Schritte:
    • Lösen 101 der zumindest einen Batteriezelle 202 aus dem Verbund 201 von Batteriezellen und Entnehmen 102 der zumindest einen Batteriezelle 202 aus der Fahrzeugbatterie 200; Bestimmen 103 eines Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle 202 basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen aus der Fahrzeugbatterie entnommenen Batteriezelle 202 gemäß einem vorgegebenen Testprofil;
  • Bestimmen 104 des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie 200 basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202.
  • Es wird dabei angenommen, dass die zumindest eine Batteriezelle 202 eine repräsentative Batteriezelle ist, welche das Verhalten und damit den Alterungszustand der gesamten Fahrzeugbatterie repräsentiert. Somit kann aus dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle auf den Alterungszustand der gesamten Fahrzeugbatterie rückgeschlossen werden.
  • Die zumindest eine Batteriezelle kann hierbei eine einzige Batteriezelle sein oder es kann sich um mehrere Batteriezellen handeln, beispielsweise um einen Teil einer Zellgruppe von Batteriezellen oder sogar die gesamte Zellgruppe oder um einen Teil eines Batteriemoduls oder sogar das gesamte Batteriemodul.
  • Der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202 kann eine Restlebenszeit der zumindest einen Batteriezelle 202 anzeigen. Insbesondere kann der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202 anzeigen, wie viele Ladezyklen die zumindest eine Batteriezelle 202 noch ausführen kann.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Ausführen des Bestimmens 103 des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle 202 mit einem externen Batterie-Testgerät, welches die zumindest eine Batteriezelle 202 einem Kapazitäts- und/oder Leistungstest gemäß einem genormten Testprofil unterzieht.
  • Das Bestimmen 103 des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle 202 kann basierend auf einer Messung einer oder mehrerer der folgenden physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle 202 beruhen: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  • Beispielsweise kann die Fahrzeugbatterie 200 eine Hochvolt-Fahrzeugbatterie sein, die eine Nennspannung von über 150 Volt oder auch über 320 Volt aufweist.
  • Beispielsweise kann die zumindest eine Batteriezelle 202 eine Nennspannung von unter 60 Volt oder auch unter 5 Volt aufweisen.
  • Die zumindest eine Batteriezelle 202 kann eine eindeutig gekennzeichnete Seriennummer aufweisen. Zum Beispiel eine Seriennummer, die eine Chargennummer und/oder ein Herstelldatum der zumindest einen Batteriezelle 202 anzeigt.
  • Die zumindest eine Batteriezelle 202 kann über eine elektrische Steckverbindung mit dem Verbund 201 von Batterie-Zellen mechanisch fixiert und elektrisch gekoppelt sein.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Bestimmen einer Restlebenszeit der Fahrzeugbatterie 200 basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Anzeigen eines Ablaufs einer Lebenszeit der Fahrzeugbatterie 200, wenn zumindest eine der folgenden gemessenen physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle 202 einen Schwellwert unterschreitet: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  • Dabei ist das Setzen des SoH-Schwellenwerts, unterhalb dessen eine bestimmte Batterie als ungeeignet erachtet wird und damit ab dem die Lebenszeit der Batterie als abgelaufen gilt, willkürlich bzw. von der jeweiligen Anwendung abhängig. Eine bestimmte Anwendung kann eine Batterie mit einem SoH von weniger als 50 % als ungeeignet betrachten, während eine kritischere Anwendung möglicherweise Batterien mit einem SoH von weniger als 90 % bereits nicht mehr akzeptieren kann.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Außer Betrieb setzen der Fahrzeugbatterie 200 durch das Lösen 101 und Entnehmen 102 der zumindest einen Batteriezelle 202 aus der Fahrzeugbatterie 200.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 kann ein Gehäuse 205 mit einem lösbaren Deckel 203 aufweisen, wie in 2 dargestellt. Die zumindest eine Batteriezelle 202 kann in dem Gehäuse 205 in einem Bereich des Deckels 203 platziert sein, beispielsweise unterhalb des Deckels 203, wenn der Deckel an der Gehäusedecke angebracht ist oder unterhalb des Deckels 203, wenn der Deckel am Gehäuseboden angebracht ist oder seitlich des Deckels 203, wenn der Deckel an einer Gehäuseseitenwand angebracht ist.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Öffnen des Deckels 203 zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle 202 aus der Fahrzeugbatterie 200.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrzeugbatterie 200 ein Gehäuse 205 mit einer herausnehmbaren Schublade 204 aufweisen, wie zum Beispiel in 3 dargestellt. Die zumindest eine Batteriezelle 202 kann in dem Gehäuse 205 innerhalb der Schublade 204 platziert sein.
  • Das Verfahren 100 kann ferner den folgenden Schritt aufweisen: Herausnehmen der Schublade 204 zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle 202 aus der Fahrzeugbatterie 200.
  • Wie bereits oben beschrieben, kann die zumindest eine Batteriezelle 202 Teil einer bestimmten Zellgruppe oder eines bestimmten Zellmoduls sein. Diese bestimmte Zellgruppe oder das bestimmte Zellmodul kann in dem Verbund 201 von Batteriezellen lösbar fixiert sein. Das Lösen 101 und Entnehmen 102 der zumindest einen Batteriezelle 202 aus der Fahrzeugbatterie 200 kann ein Lösen und Entnehmen der Zellgruppe oder des Zellmoduls aus der Fahrzeugbatterie 200 umfassen.
  • Ferner kann ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des in 1 beschriebenen Verfahrens 100 auf einer Steuerung oder auf einem Mikrocontroller bereitgestellt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbatterie 200 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem lösbaren Deckel 203.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 umfasst einen Verbund 201 von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batterie-Zellen, in 2 auch als HV-Speicher bezeichnet. Zumindest eine Batteriezelle 202 des Verbunds 201 von Batterie-Zellen ist in dem Verbund 201 von Batterie-Zellen lösbar fixiert. Die anderen Batterie-Zellen können in dem Verbund 201 fest eingebracht sein und nicht lösbar sein, ohne dass es zu einer Zerstörung oder einem Schaden an der Fahrzeugbatterie kommt. Es kann sich bei der zumindest einen Batteriezelle 202 um eine einzelne oder um eine Mehrzahl von Batteriezellen handeln, zum Beispiel eine entnehmbare Testzelle oder auch eine Anzahl von drei entnehmbaren Testzellen, wie in 2 dargestellt.
  • Die zumindest eine Batteriezelle 202 ist eine typische Batteriezelle aus der Mehrzahl von Batteriezellen, aus denen der Verbund 201 aufgebaut ist, so dass ein Alterungszustand bzw. Gesundheitszustand, SoH, der Fahrzeugbatterie 200 basiert auf einem Alterungszustand bzw. Gesundheitszustand der zumindest einen Batteriezelle 202.
  • Der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202 bestimmt sich basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle 202 gemäß einem vorgegebenen Testprofil nach einer Entnahme der zumindest einen Batteriezelle 202 aus dem Verbund 201 von Batterie-Zellen.
  • Beispielsweise können mehrere Testzellen 202 aus dem Verbund entnommen werden und der Alterungszustand kann sich basierend auf nur einer der Testzellen oder auf einer Untermenge der entnehmbaren Testzellen bestimmen lassen.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 kann ein Gehäuse 205 aufweisen, wie in 2 dargestellt. Das Gehäuse 205 kann einen Deckel 203 umfassen, der beispielsweise an der Oberseite des Gehäuses angeordnet ist, wie in 2 dargestellt. Alternativ kann der Deckel 203 auch an der Unterseite des Gehäuses 205 angeordnet sein oder an einer Seitenwand des Gehäuses 205.
  • Die zumindest eine entnehmbare Batteriezelle 202 kann in dem Gehäuse 205 in einem Bereich des Deckels 203 platziert sein, so dass sie durch Öffnen des Deckels 203 aus dem Verbund 201 und aus der Batterie 200 entnehmbar ist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbatterie 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer herausnehmbaren Schublade 204.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 umfasst einen Verbund 201 von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batterie-Zellen, in 2 auch als HV-Speicher bezeichnet. Zumindest eine Batteriezelle 202 des Verbunds 201 von Batterie-Zellen ist in dem Verbund 201 von Batterie-Zellen lösbar fixiert. Wie oben zu 2 bereits beschrieben, können die anderen Batterie-Zellen in dem Verbund 201 fest eingebracht sein und nicht lösbar sein, ohne dass es zu einer Zerstörung oder einem Schaden an der Fahrzeugbatterie kommt. Es kann sich bei der zumindest einen Batteriezelle 202 um eine einzelne oder um eine Mehrzahl von Batteriezellen handeln, zum Beispiel eine entnehmbare Testzelle oder auch eine Anzahl von drei entnehmbaren Testzellen, wie in 3 dargestellt.
  • Auch in dieser Ausführungsform der 3 ist die zumindest eine Batteriezelle 202 eine typische Batteriezelle aus der Mehrzahl von Batteriezellen, aus denen der Verbund 201 aufgebaut ist, so dass der Alterungszustand bzw. Gesundheitszustand, SoH, der Fahrzeugbatterie 200 auf einem Alterungszustand bzw. Gesundheitszustand der zumindest einen Batteriezelle 202 basiert.
  • Somit bestimmt sich der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle 202 basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle 202 gemäß einem vorgegebenen Testprofil nach einer Entnahme der zumindest einen Batteriezelle 202 aus dem Verbund 201 von Batterie-Zellen.
  • Beispielsweise können mehrere Testzellen 202 aus dem Verbund entnommen werden und der Alterungszustand kann sich basierend auf nur einer der Testzellen oder auf einer Untermenge der entnehmbaren Testzellen bestimmen lassen.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 kann ein Gehäuse 205 aufweisen, wie in 3 dargestellt. Das Gehäuse 205 kann eine herausnehmbare Schublade 204 umfassen, die beispielsweise an einer Seite des Gehäuses 205 angeordnet ist, wie in 3 dargestellt, zum Beispiel an einer Vorderseite, Hinterseite, linken Seite oder rechten Seite.
  • Die zumindest eine entnehmbare Batteriezelle 202 kann in dem Gehäuse 205 innerhalb der Schublade 204 platziert sein, so dass sie durch Öffnen bzw. Herausnehmen der Schublade 204 aus dem Verbund 201 und aus der Batterie 200 entnehmbar ist. Das Öffnen bzw. Herausnehmen der Schublade 204 kann mit einer Trennung der elektrischen Kontakte zu dem Verbund 201 von Batteriezellen verbunden sein. Ein Wiedereinschieben der Schublade 204 kann die elektrischen Kontakte wieder schließen und somit zu einer mechanischen und elektrischen Kontaktierung der zumindest einen entnommenen Batteriezelle 202 führen.
  • Statt der entnommenen zumindest einen Batteriezelle 202 kann auch eine andere bzw. mehrere andere Batteriezellen, beispielsweise neue Batteriezellen, wieder in den Verbund 201 eingegliedert werden.
  • Die Fahrzeugbatterie 200 kann auch beides umfassen, d.h. sowohl eine Schublade 204 wie in 3 dargestellt als einen Deckel 203, wie in 2 dargestellt. Das Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle kann dabei wahlweise durch Öffnen der Schublade 204 oder durch Öffnen des Deckels 203 erfolgen.
  • Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 kann die zumindest eine Batteriezelle 202, hier auch als Monitoring-Zelle oder Test-Zelle bezeichnet mit einer eindeutigen sicheren ID versehen sein, die aus dem HV Speicher physikalisch entnommen werden kann und durch ein zertifiziertes Labor bzw. von geschulten Personen vermessen werden kann, so dass ein Zertifikat über den Zustand des Systems abgegeben werden kann.
  • Vorteile der hier vorgestellten Lösung sind, dass eine reale Zelle vermessen wird, beispielsweise durch ein unabhängiges Labor, so dass die Zuverlässigkeit einer derartigen Zustandsbestimmung der Batterie besonders hoch ist, insbesondere gegenüber Vermessungen an einem digitalen Zwillingsmodell der Batterie.
  • Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 kann es sich um eine Hochvolt-Fahrzeug-Batterie handeln, aus der durch eine Gehäuseöffnung eine Zelle, Zellgruppe oder Zellmodul zu elektrischen Testzwecken entnommen werden kann. Die Hochvolt-Fahrzeug-Batterie kann eine Nennspannung von über 150 V aufweisen. Insbesondere kann die Hochvolt-Fahrzeug-Batterie eine Nennspannung von über 320 V aufweisen. Die Gehäuseöffnung kann, auch nach der Entnahme einen einfachen Berührschutz vor Hochspannung aufweisen. Die Batterie kann durch die Entnahme außer Betrieb gesetzt werden. Die Nennspannung der entnehmbaren Zelle, der Zellgruppe oder des Zellmoduls kann beispielsweise unter 60 V liegen, insbesondere unter 5 V. Die zu entnehmende Zelle, Zellgruppe oder Zellmodul kann über eine elektrischen Steckverbindung mit der übrigen Batterie verbunden sein. Es kann sich um eine Batterie für einen PKW oder LKW handeln. Die entnehmbare Zelle, Zellgruppe oder Zellmodul kann die gleiche Seriennummer wie die gesamte Batterie besitzen oder entsprechend eindeutig gekennzeichnet sein.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 100
    Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie
    101
    erster Verfahrensschritt: Lösen der zumindest einen Batteriezelle
    102
    zweiter Verfahrensschritt: Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle
    103
    dritter Verfahrensschritt: Bestimmen eines Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle
    104
    vierter Verfahrensschritt: Bestimmen eines Alterungszustands der Fahrzeugbatterie
    200
    Fahrzeugbatterie
    201
    Verbund von Batteriezellen
    202
    zumindest eine Batteriezelle des Verbunds von Batteriezellen
    203
    lösbarer Deckel
    204
    herausnehmbare Schublade
    205
    Gehäuse der Fahrzeugbatterie

Claims (16)

  1. Verfahren (100) zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie (200), welche aus einem Verbund (201) von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batteriezellen aufgebaut ist, wobei zumindest eine Batteriezelle (202) des Verbunds (201) von Batteriezellen in dem Verbund (201) von Batteriezellen lösbar fixiert ist, wobei das Verfahren (100) folgendes umfasst: Lösen (101) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus dem Verbund (201) von Batteriezellen und Entnehmen (102) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200); Bestimmen (103) eines Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle (202) basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen aus der Fahrzeugbatterie entnommenen Batteriezelle (202) gemäß einem vorgegebenen Testprofil; und Bestimmen (104) des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie (200) basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202).
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202) eine Restlebenszeit der zumindest einen Batteriezelle (202) anzeigt.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, mit: Ausführen des Bestimmens (103) des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle (202) mit einem externen Batterie-Testgerät, welches die zumindest eine Batteriezelle (202) einem Kapazitäts- und/oder Leistungstest gemäß einem genormten Testprofil unterzieht.
  4. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (103) des Alterungszustands der zumindest einen Batteriezelle (202) basierend auf einer Messung einer oder mehrerer der folgenden physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle (202) beruht: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  5. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fahrzeugbatterie (200) eine Hochvolt-Fahrzeugbatterie ist, die eine Nennspannung von über 150 Volt aufweist.
  6. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) oder der Verbund (201) eine Nennspannung von unter 60 Volt,aufweist.
  7. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) eine eindeutig gekennzeichnete Seriennummer aufweist, die eine Chargennummer und/oder ein Herstelldatum der zumindest einen Batteriezelle (202) anzeigt.
  8. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) über eine elektrische Steckverbindung mit dem Verbund (201) von Batterie-Zellen mechanisch fixiert und elektrisch gekoppelt ist.
  9. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: Bestimmen einer Restlebenszeit der Fahrzeugbatterie (200) basierend auf dem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202).
  10. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: Anzeigen eines Ablaufs einer Lebenszeit der Fahrzeugbatterie (200), wenn zumindest eine der folgenden gemessenen physikalischen Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle (202) einen Schwellwert unterschreitet: Nutzkapazität, elektrische Leistungsfähigkeit.
  11. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: Außer Betrieb setzen der Fahrzeugbatterie (200) durch das Lösen (101) und Entnehmen (102) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200).
  12. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fahrzeugbatterie (200) ein Gehäuse (205) mit einem lösbaren Deckel (203) aufweist und die zumindest eine Batteriezelle (202) in dem Gehäuse (205) in einem Bereich des Deckels (203) platziert ist; und wobei das Verfahren (100) den folgenden Schritt umfasst: Öffnen des Deckels (203) zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200).
  13. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fahrzeugbatterie (200) ein Gehäuse (205) mit einer herausnehmbaren Schublade (204) aufweist, wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) in dem Gehäuse (205) innerhalb der Schublade (204) platziert ist; und wobei das Verfahren (100) den folgenden Schritt umfasst: Herausnehmen der Schublade (204) zum Entnehmen der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200).
  14. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) Teil einer bestimmten Zellgruppe oder eines bestimmten Zellmoduls ist, wobei die bestimmte Zellgruppe oder das bestimmte Zellmodul in dem Verbund (201) von Batteriezellen lösbar fixiert ist; wobei das Lösen (101) und Entnehmen (102) der zumindest einen Batteriezelle (202) aus der Fahrzeugbatterie (200) ein Lösen und Entnehmen der Zellgruppe oder des Zellmoduls aus der Fahrzeugbatterie (200) umfasst.
  15. Fahrzeugbatterie (200), umfassend: einen Verbund (201) von mechanisch fixierten und elektrisch gekoppelten Batterie-Zellen; wobei zumindest eine Batteriezelle (202) des Verbunds (201) von Batterie-Zellen in dem Verbund (201) von Batterie-Zellen lösbar fixiert ist; wobei ein Alterungszustand der Fahrzeugbatterie (200) auf einem Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202) basiert; und wobei der Alterungszustand der zumindest einen Batteriezelle (202) sich basierend auf einer Messung physikalischer Kenngrößen der zumindest einen Batteriezelle (202) gemäß einem vorgegebenen Testprofil nach einer Entnahme der zumindest einen Batteriezelle (202) aus dem Verbund (201) von Batterie-Zellen bestimmt.
  16. Fahrzeugbatterie (200) nach Anspruch 15, mit: einem Gehäuse (205) mit einem Deckel (203) und/oder einer Schublade (204), wobei die zumindest eine Batteriezelle (202) in dem Gehäuse (205) in einem Bereich des Deckels (203) und/oder innerhalb der Schublade (204) platziert ist.
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