EP4010837A1 - Simulation of a battery - Google Patents

Simulation of a battery

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Publication number
EP4010837A1
EP4010837A1 EP20768497.8A EP20768497A EP4010837A1 EP 4010837 A1 EP4010837 A1 EP 4010837A1 EP 20768497 A EP20768497 A EP 20768497A EP 4010837 A1 EP4010837 A1 EP 4010837A1
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EP
European Patent Office
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model
battery
cells
cell
thermal
Prior art date
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Pending
Application number
EP20768497.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Baumann
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Twaice Technologies GmbH
Original Assignee
Twaice Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Twaice Technologies GmbH filed Critical Twaice Technologies GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10Numerical modelling
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08Thermal analysis or thermal optimisation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • Various examples of the invention relate to the simulation of a battery.
  • Various examples relate in particular to the parameterization of a simulation model.
  • Thermal and electrical simulation models are known for simulating a battery. It is often complicated and problematic to determine the right simulation model or the right combination of simulation models to precisely describe the electrical and thermal behavior of the battery. In addition, it is often difficult to set the parameter values of such simulation models according to the actual properties of the battery (parameterization). However, accurate parameterization is helpful in order to obtain precise results from the simulation.
  • a computer-implemented method for the discrete-time simulation of a battery comprises the application of a thermal model to obtain a discrete-time temperature characteristic of the battery.
  • the thermal model includes: a thermal cell model for cells of the battery, an air model for heat exchange between the cells of the battery and ambient air, and also a thermal system model for heat exchange between the cells of the battery and a respective environment.
  • a cell temperature of the cells of the battery is determined by means of the thermal cell model as a function of an ambient air temperature obtained from the air model in a previous magazine and also as a function of one from the thermal system model in the previous magazine - determined ambient heat flow.
  • the air temperature of the air model and the ambient heat flow of the thermal model are determined depending on the cell temperature of the cells.
  • a combination of the thermal model with an electrical model can take place in various examples.
  • a thermal-electrical co-simulation can take place in this way. For example, the development of the temperature or the electrical state variables of the battery could alternately be determined for a magazine.
  • the simulation (which can include the thermal model and the electrical model) can be combined with an aging prediction.
  • the decrease in capacity could be predicted.
  • the aging model can be linked to the simulation. This means that the corresponding aging can be predicted for each magazine.
  • the simulation can be carried out for a large number of batteries. In particular, it would be possible for the simulation to be carried out for a large number of battery types.
  • the simulation is parameterized accordingly so that different properties of different battery types or batteries can be taken into account.
  • various model parameters of the simulation can be parameterized in a type-specific manner. This means that different parameter settings can be used for different battery types. In some examples it would also be possible for the parameters to be set in a battery-specific manner. In other words, this means that different parameter values are used for the models for different batteries of the same type. In this way, for example, different types of battery installation, different cooling concepts, different load profiles, etc. can be taken into account in the simulation.
  • the simulation can be carried out repeatedly. This means that the simulation can be triggered at several times. In this way, the status of the battery can be repeatedly monitored.
  • the parameterization it would be possible for the parameterization to be carried out once, e.g. when registering the corresponding battery type or the corresponding battery in a database.
  • the parameterization it would also be possible for the parameterization to be carried out repeatedly. This means that different parameter values can be determined repeatedly for the simulation models for one and the same battery. In this way it would be possible, for example, for different, time-variable operating boundary conditions (for example activated / deactivated active cooling, different load profiles, etc.) to be taken into account dynamically by means of the simulation.
  • FIG. 1 schematically illustrates a system comprising several batteries and a server according to various examples.
  • FIG. 2 schematically illustrates details in connection with the batteries according to various examples.
  • FIG. 3 schematically illustrates details in connection with the server according to various examples.
  • FIG. 4 is a flow diagram of an exemplary method according to various examples.
  • FIG. 5 schematically illustrates the use of a simulation of cells of the battery in connection with the aging modeling of a battery in accordance with various examples.
  • FIG. 6 schematically illustrates an electrical-thermal simulation of the cells of the battery and the use of an aging model.
  • FIG. 7 is a flow diagram according to various examples, which illustrates the use of an electrical simulation model and a thermal simulation model.
  • FIG. 8 illustrates details in connection with the thermal simulation model from FIG. 7th
  • FIG. 9 is a flow diagram according to various examples, which illustrates details in connection with the parameterization of the thermal simulation model.
  • FIG. 10 illustrates an electrical simulation model according to various examples.
  • FIG. 11 is a flowchart according to various examples, which illustrates details in connection with the parameterization of the electrical simulation model.
  • the batteries described herein can be used in different fields of application, for example for batteries that are used in devices such as motor vehicles or drones or portable electronic devices such as mobile radio devices. It would also be conceivable to use the batteries described here in the form of stationary energy stores.
  • the techniques described herein make it possible to characterize the battery based on condition monitoring.
  • the condition monitoring can include ongoing monitoring of the load on the battery and / or a condition forecast of the battery. This means that the state of the battery can be tracked by monitoring the load and / or can be predicted for a certain forecast interval in the future. In particular, an aging estimate of the state-of-health (SOH) of the battery can be made.
  • SOH state-of-health
  • the SOH will decrease as the battery ages. Increasing aging can occur if the capacity of the battery decreases and / or if the impedance of the battery increases.
  • Various of the examples described herein can be implemented at least partially on the server side.
  • a communication link can be established between the server and one or more management systems of the battery.
  • particularly precise and computationally intensive models and / or simulations can be used in connection with the condition monitoring. This makes it possible to carry out the condition monitoring particularly precisely. It may also be possible Collecting and processing data for an ensemble of batteries, for example in connection with machine-learned models.
  • condition monitoring during use of the battery based on measurement data from the battery. This means that the condition monitoring is carried out especially at a certain point in time during the life of the battery - with reduced SOH.
  • the battery can then be used in the field. In this way, it may in particular be possible to also take into account the previous aging behavior of the battery. This also makes it possible to carry out the status monitoring particularly precisely.
  • the status monitoring can in particular include a simulation of the status of the battery.
  • the simulation of the state of the battery can be carried out on the basis of the measurement data.
  • parameters of the condition of the battery that are not directly observed can also be determined in connection with the simulation. Examples of parameters that are sometimes not directly observable would be an internal temperature or temperature distribution, current or voltage values, etc.
  • particularly precise condition monitoring can be carried out.
  • An aging model can also be used in connection with simulating the condition of the battery.
  • the aging model can describe the aging of the battery and in particular the internal condition of the batteries as a function of the load. In that the simulation is carried out together with the aging model, the future development of parameters of the state of the battery can be predicted for the prediction interval.
  • the techniques described here enable parameterization of simulation parameters of the simulation.
  • it can be possible to determine the values for parameters of the simulation particularly precisely, so that the status monitoring of the battery can be carried out particularly precisely.
  • thermal cell model e.g. a thermal cell model.
  • the temperature profile of a battery cell over time e.g. a lithium-ion cell or another rechargeable cell, is determined on the one hand by the heat generation within the cell and on the other hand by the heat flows in the cell and between the cell and the environment.
  • heat generation and heat dissipation models e.g. a thermocell model.
  • heat generation effects in battery cells occur in electrochemically active as well as all current-carrying materials. In principle, a distinction can be made between the following heat generation mechanisms:
  • the irreversible heat generation or Joule heat is created by the Transport of lithium ions through the electrolyte and the intercalation electrodes (including the passage of charge at phase boundaries and the diffusion resistance of passivation layers) and through the electron flow through the active materials and arresters. These effects each lead to overvoltages, which is why the irreversible heat generation Q irr in electrical-thermal cell models can be described. This relationship is only a worst-case estimate because it is assumed that all processes that contribute to the voltage increase U (t) - Uocv (t) run with the same current I (t). The resulting heat is always exothermic. If an equivalent circuit model is used for the electrical modeling, the irreversible power loss from Eq. (1) can also be calculated using the sum of the power losses of all resistive elements:
  • the reversible heat generation is achieved by intercalation or deinter- calation of lithium ions in the host lattice of anode and cathode and the associated chemical reactions and can be endothermic or exothermic depending on the direction of the current and the entropy coefficient.
  • Gibb's equation the reversible Power loss according to Eq. (2.3) can be derived, where corresponds to the so-called entropy coefficient
  • the entropy coefficient can be determined experimentally using calorimetry or potentiometric measurements. An analytical calculation is only possible with precise knowledge of the cell structure and all partial reactions.
  • FIG. 1 illustrates aspects related to a system 80.
  • the system 80 includes a server 81 connected to a database 82.
  • System 80 also includes communication links 49 between server 81 and each of a plurality of batteries 91-96.
  • the communication links 49 could for example be implemented via a cellular network.
  • the batteries 91-96 can be of several types. Different types of batteries can differ, for example, with regard to one or more of the following properties: shape of the cell (ie round cell, prismatic cell, etc.), cooling system (air cooling with an active or passive concept, coolant in coolant hose, passive cooling elements, etc.) .), cell chemistry (for example electrode materials used, electrolytes, etc.), etc. There may also be a certain variance in connection with such properties between batteries 91-96 of the same type. For example, it can happen that batteries 91-96 of the same type are mounted differently and thus different cooling systems are used.
  • shape of the cell ie round cell, prismatic cell, etc.
  • cooling system air cooling with an active or passive concept, coolant in coolant hose, passive cooling elements, etc.
  • cell chemistry for example electrode materials used, electrolytes, etc.
  • the same battery cells can sometimes be arranged differently, so that an electrical and thermal system view of the ensemble of cells varies.
  • battery-specific and / or type-specific effects in connection with the simulation can be taken into account in the various examples described herein.
  • models of the simulation may be parameterized type-specifically and / or battery-specifically.
  • FIG. 1 illustrates by way of example that the batteries 91-96 can send status data 41 to the server 81 via the communication links 49.
  • the status data 41 are indicative of one or more operating values of the respective battery 91-96, i.e. can indicate measurement data.
  • the status data 41 could be sent event-driven or according to a predetermined time scheme.
  • These status data 41 can be used, for example, in connection with a thermal simulation and / or an electrical simulation of the respective battery 91-96.
  • a simulation model for each of the batteries 91-96 can be stored in the server 81. It is possible to use different simulation models for different batteries 91-96. It would also be possible to use different parameterizations for the respective simulation model for different batteries 91-96. In this way, a “digital twin” can be made possible for each of the batteries 91-96.
  • techniques are described which enable the configuration and parameterization of the simulation models for the various batteries 91-96 precisely and quickly. In this way, a well-fitting simulation model or well-fitting parameterization can be used on a large number of batteries 91-96.
  • the server 81 can send control data 42 to the batteries 91-96 via the communication links 49.
  • the control data 42 it would be possible for the control data 42 to indicate one or more operating limits for the future operation of the respective battery 91-96.
  • the control data could indicate one or more control parameters for thermal management of the respective battery 91-96 and / or charge management of the respective battery 91-96.
  • the server 81 can therefore influence or control the operation of the batteries 91-96.
  • the respective SOH 99 is also illustrated schematically for each of the batteries 91-96.
  • the SOH 99 of a battery 91-96 can include one or more different parameters depending on the implementation. Typical parameters of the SOH 99 can be, for example: electrical capacity, ie the maximum possible stored charge; and / or electrical impedance, i.e. the frequency response of the resistance or Alternating current resistance as the ratio between electrical voltage and electrical current strength.
  • FIG. 2 illustrates aspects related to batteries 91-96.
  • the batteries 91-96 are coupled to a respective device 69. This device is powered by electrical energy from the respective battery 91-96.
  • the batteries 91-96 comprise or are associated with one or more management systems 61, e.g. a BMS or other control logic such as an on-board unit in the case of a vehicle.
  • the management system 61 can be implemented by software on a CPU, for example. Alternatively or additionally, for example, an application-specific circuit (ASIC) or a field-programmable gated array (FPGA) could be used.
  • the batteries 91-96 could communicate with the management system 61 via a bus system, for example.
  • the batteries 91-96 also include a communication interface 62.
  • the management system 61 can set up a communication link 49 with the server 81 via the communication interface 62.
  • the management system 61 is drawn separately from the batteries 91-96, in other examples it would also be possible that the management system 61 is part of the batteries 91-96.
  • the batteries 91-96 comprise one or more battery blocks 63.
  • Each battery block 63 typically comprises a number of battery cells connected in parallel and / or in series. Electrical energy can be stored there.
  • the management system 61 can typically access one or more sensors in the one or more battery blocks 63.
  • the sensors can, for example, the Measure the current flow and / or the voltage in at least some of the battery cells.
  • the sensors can also measure other variables in connection with at least some of the battery cells, for example to determine the temperature, volume, pressure, etc. of the battery and send them to the server 81 in the form of status data 41.
  • the management system 61 can also be set up to implement thermal management and / or charge management of the respective battery 91-96. In connection with the thermal management, the management system 61 could, for example, control cooling and / or heating. In connection with the charging management, the management system 61 could control a charging rate or a depth of discharges, for example.
  • the management system 61 can therefore set one or more operating boundary conditions for the operation of the respective battery 91-96, for example based on the control data 42.
  • FIG. 3 illustrates aspects in connection with the server 81.
  • the server 81 comprises a processor 51 and a memory 52.
  • the memory 52 can comprise a volatile memory element and / or a non-volatile memory element.
  • the server 81 also comprises a communication interface 53.
  • the processor 51 can set up a communication connection 49 with each of the batteries 91-96 and the database 82 via the communication interface 53.
  • program code can be stored in memory 52 and loaded by processor 51.
  • the processor 51 can then execute the program code.
  • Execution of the program code causes processor 51 to perform one or more of the following processes, as described in detail in connection with the various examples herein: characterization of batteries 91-96; Carrying out one or more status predictions for one or more of the batteries 91-96, for example based on operating values that are received as status data 40 from the corresponding batteries 91-96 via the communication link; Perform electrical simulation of batteries 91-96; Performing a thermal simulation of batteries 91-96; Performing condition monitoring of batteries 91-96; Performing an aging estimation of batteries based on one or more operating profiles; Sending control data 42 to batteries 91-96, for example to set operating boundary conditions; Storing a result of the status monitoring of a corresponding battery 91-96 in a database 82; Etc..
  • FIG. 4 is a flow diagram of an exemplary method. The procedure is carried out by a server. The method is used to characterize a battery on the server side. This means that the method of FIG. 4 is used to monitor the condition of the battery. For example, it would be possible that the method according to FIG. 4 is executed by the processor 51 of the server 81 based on program code from the memory 52 (cf. FIG. 3). Optional blocks are shown in FIG. 4 shown with dashed lines.
  • one or more operating values are obtained from the battery to be characterized.
  • status data can be received in block 1001, for example, via a communication link between the battery and the server. This means that measurement data can be received from the batteries to be characterized.
  • the one or more operating values can relate to an SOH of the battery, for example.
  • the one or more operating values can relate to a capacity of the battery and / or an impedance of the battery, for example.
  • one or more further or other characteristic variables of the operation of the battery can be indicated by the one or more operating values.
  • current data for example a time series
  • voltage data for example a time series
  • the operating values could, for example, describe a time profile of the current in one or more cells of a battery block of the battery or could describe a time profile of the electrical voltages in one or more cells of a battery block of the battery.
  • the operating values could, for example, also describe a temperature in one or more areas of a battery.
  • the operating values could, for example, describe a corresponding time series of temperature data.
  • the operating values could also include an operating profile, i.e., for example, a load characterization, such as depth of discharge (DOD), discharge rate, charge rate, SOC cycles, etc.
  • DOD depth of discharge
  • DOC cycles etc.
  • status monitoring is carried out for the battery in order to characterize it.
  • the condition monitoring can include the determination of the actual condition of the battery, as well as a condition prediction using an aging model.
  • a plurality of state predictions can be carried out in block 1002. If several state predictions are carried out in block 1002, these can be associated with different boundary conditions for the operation of the battery.
  • the operating constraints considered in block 1002 could be one or more The following elements relate to: a control parameter of a thermal management of the battery and / or a control parameter of a charge management of the battery.
  • the operating boundary conditions can determine certain conditions for the operation of the battery that are detached from the specific operating profile, which is determined, for example, by the use of the respective device 69 that is associated with the corresponding battery (ie, for example, load , removed load, discharge rate, charge rate, depth of discharge, etc.).
  • the one or more state predictions in block 1002 can be based on an operating profile which is derived from an operating profile which, for example, is indexed for the respective battery in a monitoring interval by the operating values from block 1001. For example, it would be possible for the operating profile used for the one or more state predictions in block 1002 to be determined based on measurements on the battery in the monitoring interval. This means that, for example, the measured DOD and / or measured SOC cycles and / or measured charge rates etc. can be used in connection with the one or more state predictions in block 1002.
  • an operating profile for the one or more condition predictions in block 1002 which is based on the specific operation of the corresponding battery in the monitoring interval, a particularly reliable or precise condition prediction can be made possible.
  • the state prediction can output a time course of the aging for a prediction interval. This is shown in FIG. 5 shown.
  • FIG. 5 illustrates aspects relating to the aging of a battery, for example one of the batteries 91-96 from FIG. 1.
  • FIG. 5 shows the SOH 99 as a function of time.
  • the SOH 99 decreases as a function of time.
  • Block 1002 can be determined.
  • the SOH 99 decreases during a monitoring interval 151.
  • the SOH 99 can be determined particularly precisely by means of a simulation - which includes, for example, a thermal model and / or an electrical model; for this purpose, one or more parameters of the battery can be precisely determined, which otherwise cannot be measured or can only be measured imprecisely. This can be based on the operating values from FIG. 4: Block 1001 take place.
  • the battery is characterized by performing several state predictions 181-183 for the battery.
  • state predictions 181-183 provide a prediction for the aging of the battery, ie the SOH 99 during a prediction interval 152. From FIG.
  • the SOH 99 varies between the various state predictions 181-183, which is due to the different operating profiles on which the simulation is based.
  • the operating profiles can differ in terms of temperature, idle state of charge, charge and discharge rate, end point of charge and discharge, cycle depth and / or mean state of charge during charge and discharge and combinations thereof.
  • the state prediction 181 - which results in a comparatively small decrease in the SOH 99 as a function of time during the prediction interval 152 - compared to the state prediction 183 - which results in a comparatively strong decrease in the SOH 99 as a function of the Time during the prediction interval 152 results - a different configuration of the thermal management and a lower DOD assumes.
  • the thermal management of the battery could enable lower operating temperatures through active cooling as an operating boundary condition for the state prediction 181.
  • the status monitoring results from block 1002 can be used in different ways.
  • control data (compare FIG. 1: control data 42) to be determined based on the comparison of the results and for this control data to be sent to the management system.
  • control data (compare FIG. 1: control data 42) to be determined based on the comparison of the results and for this control data to be sent to the management system.
  • one or more different parameters of the operation of the respective battery can be set.
  • the control data it would be possible for the control data to specify one or more operating limits for the future operation of the battery.
  • control data it would also be possible for the control data to specify one or more control parameters for thermal management and / or charging management of the battery.
  • Such a feedback of the results of one or more state predictions or in general the characterization of the battery can make it possible to enable particularly sustainable operation of the respective battery.
  • results of the state predictions may be stored in a database (compare FIG. 1: database 82), see block 1004.
  • FIG. 6 is a flow diagram of an exemplary method.
  • the method according to FIG. 6 can be run from a server.
  • the method according to FIG. 6 is executed by the processor 51 of the server 81 based on program code from the memory 52 (cf. FIG. 3).
  • the method according to FIG. 6 is used to predict the state of a battery. If several state predictions are to be carried out, the method according to FIG. 6 carried out several times.
  • Block 1011 the operating values for the capacity and the impedance of the respective battery are first obtained.
  • Block 1011 thus corresponds to block 1001.
  • a current value for the SOH 99 of the battery is obtained.
  • This is typically done based on status data that is received by the respective management system that is associated with the corresponding battery.
  • These operating values are used to initialize the condition prediction.
  • an electrical state of the battery and a thermal state of the battery are initially simulated in block 1012 by means of corresponding simulation modules for the respective journal of the corresponding iteration 1099.
  • the simulation takes place taking into account a corresponding operating boundary condition of the battery. This depends on the respective state prediction 181-183.
  • a corresponding operating profile can be assumed for operating the battery.
  • an electrical simulation module can be coupled with a thermal simulation module. This is shown in FIG. 7 illustrated.
  • FIG. 7 is a flow diagram of an exemplary method.
  • FIG. 7 illustrates aspects in connection with the simulation of a battery, e.g. in the context of condition monitoring.
  • the first step is initialization in block 1021.
  • As part of the initialization e.g. measured ACTUAL operating values can be obtained from the battery.
  • a simulation of electrical parameters of the cells is then carried out with the electrical model in block 1022. This can be based on the measured ACTUAL operating values of the battery.
  • the electrical simulation module can use an equivalent circuit model (ECM) for the battery.
  • ECM can include electrical components (resistance, inductance, capacitance).
  • the parameters of the components of the ECM can, for example, be determined using a Nyquist plot with the characteristic frequency ranges of the transmission behavior of the cell block of the battery.
  • the number of RC elements can be selected to be particularly high, e.g. greater than three or four. A particularly high accuracy of the electrical simulation can thereby be achieved.
  • One ECM can be used for each cell of a cell block.
  • the simulation of thermal parameters of the cells then takes place with a thermal model in block 1023.
  • the thermal simulation model makes it possible to determine the temperature profile over time and, optionally, the local temperature.
  • Heat sources heat generation
  • heat sinks heat dissipation
  • the heat dissipation to the environment can be taken into account. Details on the heat generation model are described, for example, in: D. Bernandi, E. Pawlikowski, and J. Newman, “A General Energy Balance for Battery Systems, Journal of the Electrochemical Society, 1985. Analytical or numerical models for local temperature distribution can be used. The influence of thermal management can be taken into account.
  • Sh. e.g. M.-S. Wu, KH Liu, Y.-Y. Wang, and C.-C. Wan “Heat dissipation design for lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Vol. 109, Rn. 1, pp. 160-166, 2002.
  • an aging estimate is performed in block 1013, i. H. the capacity and the impedance of the battery are determined for each magazine based on a result of the simulation of the electrical condition and the thermal condition of the battery.
  • the aging estimate can include, for example, an empirical aging model and / or a machine-learned aging model.
  • an empirical aging model and a machine-learned aging model could be used in parallel and the results of these two aging models could then be combined by averaging, for example weighted averaging.
  • the empirical aging model could include one or more empirically determined parameters which relate an operating profile of the battery, which is obtained from the simulation from block 1012, to a deterioration in the SOH 99, for example a reduction in capacity and / or increasing the impedance.
  • the parameters can be determined in laboratory measurements, for example.
  • An exemplary empirical aging model is described in: J. Schmalmination, S. Käbitz, M. Ecker, and DU Sauer, “A holistic aging model for Li (NiMnCo) 02 based 18650 lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Vol. 257, pp. 325-334, 2014.
  • a machine-learned aging model can be continuously adapted by machine learning on the basis of status data obtained from different batteries of the same type.
  • artificial neural networks such as convolutional neural networks could be used.
  • Another technique involves the so-called support vector method machine). For example, data from an ensemble of batteries (compare FIG. 1: batteries 91-96) can be used to train a corresponding algorithm by means of machine learning.
  • the capacitances and impedances determined in the previous iteration 1099 are used, ie the simulations in block 1012 build on each other. The iterative adaptation of capacitance and impedance enables a particularly precise state prediction.
  • termination criteria include: number of iterations 1099; End of prediction interval 152 reached; Exceeding or falling below threshold values for the capacity and / or the impedance; Etc.
  • FIG. 8 illustrates aspects related to the thermal model.
  • the thermal model comprises several sub-models 6001-6003.
  • the thermal model 6000 comprises a cell model 6001, i. H. a thermal model for the individual cells of the battery.
  • the thermal model 6000 also includes an air model 6003.
  • the air model 6003 describes a heat exchange between the cells of the battery and ambient air.
  • the thermal model 6000 also includes a thermal system model 6002. This describes the heat exchange between the cells of the battery with a respective environment.
  • the model is initialized at 1101.
  • a number of parameters 1102 are transferred.
  • Exemplary parameters 1102 include, in particular, the temperature of the various cells. This temperature can be measured and, as operating values, can be obtained in the form of status data 41.
  • the current strength I is obtained in the various cells and a state of charge SOC.
  • the various overvoltages can also be obtained. These values can in turn be measured or, for example, obtained from the electrical simulation model. These parameters are then fed to the calculation of the irreversible heat generation at 1103 and the calculation of the reversible heat generation at 1104.
  • the irreversible portion of the heat generation in block 1103 depends on the electrical cell voltage and the cell current flow in the cells.
  • the reversible portion of the heat generation model in block 1104 is dependent on an entropy coefficient, the temperature and the cell current.
  • the heat generation models represent the interface between the electrical state or the output of the electrical model and the thermal model.
  • Joule heat generation (block 1103) which results directly from the electrical model based on the sum of the overvoltages U ov multiplied by the current / is determined by means of the entropy coefficient and the temperature T in the heat generation model also takes the reversible heat into account (block 1104):
  • the entropy coefficient can typically be assumed to be constant over temperature.
  • the entropy coefficient is determined, for example, using potentiometric measurements. Other examples include capturing an open circuit voltage curve at multiple temperatures or taking a calorimetric measurement.
  • a reference implementation for potentiometric measurements is described e.g. in: A. Eddahech, O. Briat, and J.-M. Vinassa, “Thermal characterization of a high-power lithium-ion battery: Potentiometry and calorimetric measurement of entropy changes,” Energy, Vol. 61, pp. 432-439, 2013.
  • a temperature jump can be applied at several temperatures and the change in the open-circuit voltage can be measured.
  • the cells are each discharged from the fully charged state in 10% SOC steps with 1C at 25 ° C and then relaxed (min. 5 h, depending on the cell up to 48 h) until the rest voltage with a gradient of adjusts. Defined temperature jumps to 5, 25 and 45 ° C with a waiting time of 5 hours are then made for acclimatization. The rest voltage values at the end of the acclimatization phases are saved and used to form the linear entropy coefficient used for the respective SOC step.
  • the potentiometric measurement can be carried out with several charge states of the cells, i.e. H. if there are several SOC values.
  • the entropy coefficient can be determined for the several charge states.
  • the entropy coefficient can be dependent on the state of charge. For example, it has been observed that there is a significant deviation in the entropy coefficient for charge states of less than 20%.
  • the entropy coefficient for charging and discharging the battery to be determined separately. This means that the multiple charge states can be determined depending on a direction of charge or a direction of discharge.
  • the cell temperature can be determined in block 1105 as a function of the heat generation from blocks 1103-1104.
  • Block 1105 implements a heat dissipation model.
  • different types of heat dissipation models are conceivable.
  • differently complex heat dissipation models can be used, depending on the cell type or the required accuracy.
  • the cell format, cooling system and battery pack design used have a major influence on this.
  • the Temperature development in the electrode coil of interest For example, a connection between the volumetrically averaged winding temperature and the cell degradation of thermally homogeneous cells at the same temperature was established.
  • the thermal inhomogeneity itself does not show any significant additional degradation.
  • the volumetric mean value For a battery pack configuration with an expected inhomogeneous cell winding temperature, however, it must therefore be possible to calculate the volumetric mean value in order to enable valid status monitoring.
  • knowledge of their distribution is necessary in order to detect any safety-critical hot spots.
  • Temperature sensors installed on and above all in the cell measure the temperature development as a result of exposure directly.
  • the introduction of temperature sensors into the cell interior can represent a considerable preparation effort.
  • the temperature distribution in the active material can only be estimated by sensors on the cell housing because it is influenced by the comparatively good conductive housing material (aluminum or steel).
  • Both the experimental measurement and the simulative investigation can be based on an operating profile that is obtained, for example, from the status data 41 for the specific battery in the context of field operation. This means that, for example, load, removed charge, discharge rate, charge rate, depth of discharge, etc. can be taken into account depending on the specific operation.
  • the cell model can be analytically defined for a spatial dimensionality of 0-D and numerically defined with finite elements for a spatial dimensionality of 1-D or 2-D (with a mesh density for the simulation in the context of the state over- monitoring can be significantly lower than a mesh density for the calibration simulation to determine the required spatial dimensionality, as described above). The same can apply to a 3-D spatial dimension.
  • the stationary and unsteady heat conduction can be considered in a calorimeter measurement with a defined power loss specification. This prevents any error propagation from the electrical model.
  • the following load cycles are selected, for example:
  • Constant power loss Several phases with alternating charging / discharging pulses (duration 1s) at varying charging rates (C rate). Defined pauses between the various C rates. The duration of the load and the pause are selected so that a steady temperature level is reached.
  • Sinus profile constant power profile modeled with a sinusoidal signal, which results in a sinusoidal power loss profile from 0 to P max .
  • the amplitude and frequency are selected in such a way that a sinusoidal temperature response with constant amplitude and frequency results.
  • Both load cycles are SOC-neutral (apart from the 1 s pulses), which means that no reversible heat generation that cannot be directly measured occurs.
  • the irreversible heat generation is based on terminal voltage calculated and specified according to the dissipation model:
  • these can each be provided with several temperature sensors on the cell housing.
  • Measurements can be carried out in a thermal cabinet at constant temperature. The ambient temperature is measured. Initially, only free convection and radiation are assumed as types of heat transport. For example, the cells are placed upright on a rubber mat.
  • the temperature distribution of the cells can be viewed in both validation cycles, e.g. with a maximum constant power loss of approx. 0.3 W.
  • it can then be checked whether, for example, the choice of a heat dissipation model with 0-D spatial dimensionality is justified.
  • the heat dissipation model can thus be configured as above and receives the heat generation from blocks 1103 and 1104 as input. From FIG. 7 it can be seen that the determination of the cell temperature with the heat dissipation model in block 1105 also takes place as a function of a heat flow from the system (block 1113) and as a function of the air temperature (block 1118). The system model 6002 and the air model 6003 are used for this.
  • the cell model calculates the cell temperatures for each magazine based on the reversible and irreversible power loss P v and the heat dissipation currents (block 1107).
  • the dissipation currents are composed of convective heat flow P conv and heat radiation P wheel (from the air model, block 1106) as well as the various heat flows of the system model P pack .
  • the cell temperature is calculated according to: Where m is the cell mass and c p is the heat capacity.
  • the power loss P v is evenly distributed over the active material and the temperature distribution within the cell is calculated using Fourier's differential equation using the finite element method. The dissipation flows through the air and system components are taken into account according to the defined side surfaces.
  • the system model 6002 bundles three cross-cell effects: heat exchange between the cells (block 1110), heat exchange between cells and peripheral elements (block 1109) and heat exchange between cells and a fluid cooling element, e.g. a hose through which coolant flows (block 1111). These effects are added in block 1112.
  • the heat exchange between cells can be defined in 2-D and parameterized with the associated contact resistances.
  • Conduction with peripheral elements such as current conductors, heat conducting plates or assembly elements or other solid-state cooling elements, can also be set individually for each cell.
  • the parameterization of the peripheral elements is e.g. B. initially carried out analytically and corrected in the experiment if necessary.
  • the peripheral model can also be used to map temperature control using refrigerants, as long as this is present in two phases with constant temperature.
  • the Mapping of coolant flowing through the battery pack with changing temperature is accomplished in block 1111 of system model 6002.
  • the order in which the coolant passes through the cells is set using a matrix in 2-D.
  • the parameterization of contact resistances and / or heat capacities of the heat exchange between the cells of the battery with one another, the heat exchange of the cells with the solid-state cooling element and the heat exchange of the cells with the fluid cooling element could be based on predetermined reference values. These can be obtained e.g. for the various materials from the literature. Material and substance-specific parameters of peripherals and cooling systems can be found in the literature.
  • the heat capacities of individual cells can be determined with a calorimeter. With the cell inserted, temperature jumps of ⁇ 1 ° C, for example, are carried out and the necessary thermal output P z is recorded. The jumps can be repeated with an empty calorimeter (thermal output PB).
  • the heat capacity of the cell results from Eq. (7) to:
  • Typical specific heat capacities are in the range from 700 to 1000 J / (kg K).
  • a calorimetric measurement of the heating can also be used to determine the coupling of several cells to one another and to the periphery or air.
  • Several cells can be placed in a reference matrix arrangement. This means that neighboring cells can be arranged at a distance from one another. In this way, the forced convection can be measured for a flow network model with correlation relationships will.
  • the reference matrix arrangement can be introduced into a flow channel.
  • the flow speed can be adjusted by means of an axial fan.
  • the temperature distribution can be measured by temperature meters distributed along the reference matrix arrangement. The parameterization of the contact resistances and / or the thermal capacities can then be adapted from this.
  • the anisotropic thermal conductivity values of the cells as well as their heat transfer coefficient for certain reference configurations can be determined by means of thermal impedance spectroscopy (TIS).
  • TIS thermal impedance spectroscopy
  • a sinusoidal power loss of different frequency is impressed on the cell and the temperature response is measured on the cell surface.
  • Characteristic thermal parameters can thus be determined via the transfer function of the thermal dissipation model and the calculated thermal impedance.
  • FIG. 9 is a flow diagram of an exemplary method.
  • the various techniques described above for parameterizing the thermal model 6000 are shown in FIG. 9 summarized. Using the technique of FIG. 9 a parameterization of the thermal model 6000 (see FIG. 8) is possible.
  • a type-specific parameterization could take place.
  • the server 81 can manage, for example, a catalog of different types of batteries 91-96 in the database 82 (see FIG. 1). Whenever a simulation is initialized (compare FIG. 7: block 1021) the server 81 could access the database and read out the corresponding values of the parameters, in each case for the current battery type. In other examples it would also be possible for a battery-specific parameterization to take place. In such a case, a catalog of different batteries 91-96 from the server 81 could be managed in the database 82. The server 81 could then identify the current battery and load the corresponding operating parameter values.
  • a parameterization could be at least partially adapted for each simulation. Then a new parameterization could be initiated when executing block 1021.
  • An exemplary application scenario concerns, for example, the selection of the complexity of the simulation model. Sometimes, based on the specific operating profile of a corresponding battery 91-96, for example, it may be sufficient to select a less complex simulation model.
  • the model for the heat generation is quantified.
  • a reversible component can be parameterized for this purpose.
  • a potentiometric measurement can be carried out for this purpose and an entropy coefficient can be determined in this way. Compare Eq. 3.
  • the spatial dimension of the heat dissipation model is determined.
  • a finite element simulation of the cell geometry could be carried out, whereby a particularly high level of accuracy can be used in connection with this simulation (narrow simulation grid, mesh).
  • a 3-D simulation can be carried out.
  • a temperature gradient can be considered. If the temperature gradient does not fall below a certain threshold value for typical load parameters, then, for example, a 0-D model could be used for heat dissipation. Such a 0-D model can in particular be determined analytically. Otherwise a 1-D or 2-D model could be used.
  • the size of the thermal gradient often also depends on the operating profile.
  • the operating profile could be considered.
  • a current operating profile could be obtained from the respective battery by means of status data 41. With less load on the battery, less heat can be generated and thus the thermal gradient can be smaller and a 0-D or 1-D model is sufficient (instead of a 2-D model).
  • the cell model, the air model and / or the system model 6001-6003 are then parameterized in block 1033.
  • literature values can be assumed for the thermal capacity and / or the thermal conductivity of certain contact resistances, for example.
  • calorimetric measurements for example in order to initially adapt initialized values, see block 1034.
  • a heat capacity of the cells can be determined by means of the calorimetric measurement.
  • a TIS could also be carried out in block 1034, for example in order to determine the anisotropic heat transfer coefficient of the thermal cell model 6001.
  • FIG. 10 illustrates aspects related to the electric model 900, see FIG. FIG. 7: Block 1022.
  • the electrical model 900 is based on an equivalent circuit model.
  • the electrical model can provide the cell current flow and the cell voltage. These variables can then serve as an input for the heat generation model (see FIG. 8, block 1102).
  • the underlying principle of equivalent circuit diagram models (ECM) is the mapping of the electrochemical cell behavior with the help of a link between electrotechnical components 901-906. Depending on the level of detail, individual effects of the cell components can be combined or viewed separately.
  • ECM equivalent circuit diagram models
  • the general structure of an ECM is to be motivated in the following on the basis of the impedance spectrum of an exemplary cell (Panasonic NCR18650PF).
  • FIG. 10 illustrates the impedance spectrum 950 of the cell in a Nyquist plot.
  • the inductive behavior is shown due to the arresters to the poles and the metal housing itself. This is usually modeled by a constant inductance L 901 in series with the remaining ECM components 902-906.
  • the point of intersection of the impedance curve with the real part axis typically occurs in the region of 1 kHz and corresponds to the purely ohmic internal resistance of the cell as the sum of the limited conductivity of the current arrester, the electrode material, the electrolyte and the separator.
  • a purely ohmic resistor R 0hm 902 can be used for modeling, depending on the SOC, temperature and state of aging.
  • a first circular arc follows, which reflects the polarization effects on the passivation layers of the anode (solid electrolyte interface, SEI) and cathode (solid permeable interface, SPI).
  • SEI solid electrolyte interface
  • SPI solid permeable interface
  • the double-layer capacitance C dl (dl for "double layer") is the charge zone that is created at the contact surfaces of the anode and cathode with the electrolyte. The amount of charge stored in it depends on the electrode potential. Since the double-layer capacitance arises at the electrode-electrolyte boundary layers, it occurs parallel to the charge transfer redox reaction at the anode and cathode.
  • the impedance curve of a lithium-ion cell can be simulated well and the characteristics of the individual electrochemical effects can be analyzed.
  • some elements of the frequency domain (constant phase, Zarc and Warburg elements) must be approximated due to the lack of a Laplace transformation.
  • serially connected RC elements are the most common approximation variant.
  • an odd number of RC elements (3, 5, 7) is recommended in order to reproduce the compressed semicircular shape as best as possible.
  • the number of RC elements used to approximate the dynamic cell behavior over the frequency range relevant to the application always represents a compromise between accuracy, computing time and parameterization effort.
  • the static behavior without load can also be modeled in an electrical ECM.
  • OCV open circuit voltage
  • the so-called open circuit voltage (OCV) depends on the electrode materials used and their balance, which can change in the course of aging. It is usually modeled by an SOC-dependent ideal voltage source. Furthermore, a temperature dependency due to entropy changes can be taken into account, but this is typically less pronounced. With certain electrode materials, such as LFP cathodes, there is also a clear hysteresis effect with regard to the previous current load.
  • the previous section explained the modeling of lithium-ion batteries at the cell level.
  • the step for the electrical simulation of a battery system - i.e. the electrical system model - can take place at different levels of detail:
  • Scaling cell system In this simplest case, the entire battery pack is represented by a single cell model.
  • the system voltage is the product of the cell voltage and the number of serial cells and the system current is divided by the number of parallel cells and applied to the cell model. In this way, the parameters of the cell model do not have to be adjusted.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy measurement
  • the cell is subjected to a sinusoidal excitation signal (usually current, galvanostatic EIS) with constant frequency points in a defined frequency band and the amplitude and phase shift of the system response (voltage in the galvanostatic EIS) are measured.
  • galvanostatic EIS current, galvanostatic EIS
  • the advantage here is that dynamic effects with different time constants can be observed separately.
  • a common form of representation of the impedance curve is the Nyquist diagram according to FIG. 10.
  • the dynamic model parameters can again be determined by means of the fitting process within the framework of parameterization. Since the actual excitation signal with the EIS is sinusoidal alternating current around the zero position, a Current rate dependency an additional DC offset impressed. However, this changes the state of charge, which is why a suitable compromise has to be found between DC offset and EIS measurement duration.
  • the lithium-ion cell In the relaxation current measurement, the lithium-ion cell is gradually discharged or charged from the fully or discharged state to a defined state of charge and then for a defined period of time without Load waited in which all kinetic effects such as overvoltages and concentration gradients are to be reduced.
  • the waiting time is typically in the range of several hours, whereby the subsidence of all overvoltages can take several days depending on the SOC and cell temperature.
  • the relaxed voltage values at the end of the waiting time then result in a charging and discharging rest voltage curve. If you compare the two curves for the same SOC, you will notice a discrepancy between the values, which is known as the hysteresis effect.
  • FIG. 11 is a flow diagram of an exemplary method. The method according to FIG. 11 can be used to parameterize the electrical model 900.
  • one or more relevant stress areas in the frequency space can be identified.
  • the load areas correspond to those areas that are represented in the load profile of the battery - that is, present with a significant amplitude are.
  • the operating profile of the battery can be taken into account, for example indicated by the status data 41.
  • the dynamics of the system excitation can be quantified in frequency spectra and thus the relevant frequency ranges can be determined with regard to the electrical model.
  • the relevant frequency ranges can be determined with regard to the electrical model.
  • the relevant electrochemical processes for modeling and thus the system order of the dynamic electrical model can be determined in the next step.
  • the dynamic model order is then defined in block 1042. Due to the sequential measurement of different frequency ranges, electrochemical impedance spectroscopy is particularly suitable for identifying the impedance effects relevant for an application and their specific time constants. To define the dynamic model order, the respective cells are therefore measured in the operating ranges of temperature and SOC identified in block 1041 with a hybrid EIS in the frequency range from 5 kHz to 10 mHz. The number of support points represents a compromise between resolution and measurement time.
  • the relevant electrochemical effects to be mapped in the electrical model can then be identified on the basis of their time constants, for example the inductive components of the impedance or the impedance sections with a negative imaginary component.
  • a parameter fitting for EIS measurements can be used, based on the method of least squares:
  • both the relaxation (also current interruption, CI) and the constant current method (constant current, CC) can be used.
  • CI current interruption
  • CC constant current
  • the relaxation measurement after an initial capacity determination, each cell is discharged from the fully charged state by defined SOC steps and then charged again. The SOC increment is adjusted depending on the slope of the OCV in the upper, middle and lower SOC range.
  • the capacity is determined with CC-CV charging and discharging according to the specified voltage window of the cells and a CV termination criterion of C / 50. This capacity value also forms the basis for the SOC-dependent parameterization of the remaining model parameters.
  • the cell After each discharged or charged SOC step, the cell is relaxed for at least 3 hours (in the deep SOC range up to 10 hours) and the voltage value at the end is used as a reference point for the discharge or charge curve.
  • the voltage difference between the charging and discharging curves can be interpreted as the maximum value of the hysteresis behavior of the cells.
  • the impedance behavior is then parameterized in block 1044.
  • the impedance behavior is parameterized for defined SOC and temperature intervals.
  • an optimization algorithm as described above can again be used.
  • the electrical cell model is synthesized by modeling at the system level.
  • a global impedance model with no-load voltage, hysteresis behavior, ohmic resistance and up to four RC elements can be used as the electrical cell model.
  • the transfer behavior in the state space representation results accordingly to: All calculations in the cell model are matrix-based, which enables efficient simulation of series and parallel connections.

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Abstract

The invention relates to general technology for monitoring the status of a battery, e.g. a lithium ion battery. A thermal simulation model is used for this purpose. Different examples relate to the parameterising of the thermal simulation model.

Description

Simulation einer Batterie Simulation of a battery
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen die Simulation einer Batterie. Verschiedene Beispiele betreffen insbesondere die Parametrierung eines Simulationsmodells. Various examples of the invention relate to the simulation of a battery. Various examples relate in particular to the parameterization of a simulation model.
HINTERGRUND BACKGROUND
Zur Simulation einer Batterie sind thermische und elektrische Simulationsmodelle bekannt. Es ist häufig kompliziert und problematisch, das richtige Simulationsmodell oder die richtige Kombination von Simulationsmodellen zur genauen Beschreibung des elektrischen und ther- mischen Verhaltens der Batterie zu ermitteln. Außerdem ist es oftmals schwierig, die Para- meterwerte solcher Simulationsmodelle gemäß den tatsächlichen Eigenschaften der Batterie zu setzen (Parametrierung). Dabei ist aber eine akkurate Parametrierung hilfreich, um genaue Ergebnisse aus der Simulation zu erhalten. Thermal and electrical simulation models are known for simulating a battery. It is often complicated and problematic to determine the right simulation model or the right combination of simulation models to precisely describe the electrical and thermal behavior of the battery. In addition, it is often difficult to set the parameter values of such simulation models according to the actual properties of the battery (parameterization). However, accurate parameterization is helpful in order to obtain precise results from the simulation.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Simulation einer Batterie. Insbe- sondere besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Parametrierung von Simulations- modellen. Therefore, there is a need for improved techniques for simulating a battery. In particular, there is a need for improved techniques for parameterizing simulation models.
Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen. This object is achieved by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.
Ein Computer-implementiertes Verfahren zur zeitdiskreten Simulation einer Batterie umfasst das Anwenden eines thermischen Modells zum Erhalten einer zeitdiskreten Temperaturcha- rakteristik der Batterie. Dabei umfasst das thermische Modell: ein thermisches Zellmodell für Zellen der Batterie, ein Luftmodell für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und Umgebungsluft, sowie ferner ein thermisches Systemmodell für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und einer jeweiligen Umgebung. Beim Anwenden des thermischen Modells für einen Zeitschrift wird eine Zelltemperatur der Zellen der Batterie mittels des thermischen Zellmodells in Abhängigkeit von einer aus dem Luftmodell in einem vorhergehenden Zeitschrift erhaltenen Lufttemperatur der Umgebungsluft und weiter in Ab- hängigkeit von einem aus dem thermischen Systemmodell im vorhergehenden Zeitschrift er- haltenen Umgebungs-Wärmestrom bestimmt. Beim Anwenden des thermischen Modells für den Zeitschritt wird die Lufttemperatur des Luftmodells und der Umgebung-Wärmestrom des thermischen Modells in Abhängigkeit von der Zelltemperatur der Zellen bestimmt. A computer-implemented method for the discrete-time simulation of a battery comprises the application of a thermal model to obtain a discrete-time temperature characteristic of the battery. The thermal model includes: a thermal cell model for cells of the battery, an air model for heat exchange between the cells of the battery and ambient air, and also a thermal system model for heat exchange between the cells of the battery and a respective environment. When using the thermal model for a magazine, a cell temperature of the cells of the battery is determined by means of the thermal cell model as a function of an ambient air temperature obtained from the air model in a previous magazine and also as a function of one from the thermal system model in the previous magazine - determined ambient heat flow. When applying the thermal model for the time step, the air temperature of the air model and the ambient heat flow of the thermal model are determined depending on the cell temperature of the cells.
Es folgt also eine abwechselnde Bestimmung der Zellentemperatur einerseits, und der Luft- temperatur und der Umgebungstemperatur andererseits. Dieses iterative Verfahren wird für mehrere Zeitschritte fortgesetzt. This is followed by an alternating determination of the cell temperature on the one hand, and the air temperature and the ambient temperature on the other. This iterative process is continued for several time steps.
Dabei kann in verschiedenen Beispielen eine Kombination des thermischen Modells mit einem elektrischen Modell erfolgen. Derart kann eine thermisch-elektrische Co-Simulation erfolgen. Beispielsweise könnte jeweils für einen Zeitschrift abwechselnd die Entwicklung der Temperatur bzw. der elektrischen Zustandsgrößen der Batterie bestimmt werden. A combination of the thermal model with an electrical model can take place in various examples. A thermal-electrical co-simulation can take place in this way. For example, the development of the temperature or the electrical state variables of the battery could alternately be determined for a magazine.
Außerdem kann die Simulation (die das thermische Modell und das elektrische Modell um- fassen kann) verbunden werden mit einer Alterungsvorhersage. Zum Beispiel könnte die Ab- nahme der Kapazität vorhergesagt werden. Das Alterungsmodell kann verknüpft mit der Si- mulation ausgeführt werden. Das bedeutet, dass für jeden Zeitschrift auch die entsprechende Alterung vorhergesagt werden kann. In addition, the simulation (which can include the thermal model and the electrical model) can be combined with an aging prediction. For example, the decrease in capacity could be predicted. The aging model can be linked to the simulation. This means that the corresponding aging can be predicted for each magazine.
Anhand des Computer-implementierten Verfahrens ist es also möglich, den Zustand der Bat- terie besonders genau zu charakterisieren. Using the computer-implemented method, it is therefore possible to characterize the state of the battery particularly precisely.
In manchen Beispielen wäre es möglich, eine solche Charakterisierung des Zustands der Batterie zu verwenden, um den weiteren Betrieb der Batterie geeignet einzustellen. Dadurch könnte zum Beispiel vermieden werden, dass eine besonders schnelle Abnahme der Kapazität der Batterie eintritt. In some examples it would be possible to use such a characterization of the state of the battery in order to adjust the further operation of the battery appropriately. This could, for example, prevent a particularly rapid decrease in the capacity of the battery from occurring.
Die Simulation kann dabei für eine Vielzahl von Batterien durchgeführt werden. Insbesondere wäre es möglich, dass die Simulation für eine Vielzahl von Batterie-Typen durchgeführt wird. Die Simulation wird entsprechend parametriert, dass unterschiedliche Eigenschaften von unterschiedlichen Batterietypen oder Batterien berücksichtigt werden können. The simulation can be carried out for a large number of batteries. In particular, it would be possible for the simulation to be carried out for a large number of battery types. The simulation is parameterized accordingly so that different properties of different battery types or batteries can be taken into account.
Gemäß den hierin beschriebenen Beispielen kann eine Parametrierung von verschiedenen Modellparametern der Simulation Typ-spezifisch erfolgen. Das bedeutet, dass für unter- schiedliche Batterietypen jeweils eine unterschiedliche Parametrierung verwendet werden kann. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass eine Parametrierung Batterie-spezifisch erfolgt. Dies bedeutet in anderen Worten, dass für unterschiedliche Batterien desselben Typs unterschiedliche Parameterwerte für die Modelle verwendet werden. Derart können zum Bei- spiel unterschiedliche Arten des Einbaus der Batterie, unterschiedliche Kühlkonzepte, unter- schiedliche Belastungsprofil usw. im Rahmen der Simulation berücksichtigt werden. According to the examples described herein, various model parameters of the simulation can be parameterized in a type-specific manner. This means that different parameter settings can be used for different battery types. In some examples it would also be possible for the parameters to be set in a battery-specific manner. In other words, this means that different parameter values are used for the models for different batteries of the same type. In this way, for example, different types of battery installation, different cooling concepts, different load profiles, etc. can be taken into account in the simulation.
Die Simulation kann wiederholt durchgeführt werden. Das bedeutet, dass zu mehreren Zeit- punkten jeweils die Simulation ausgelöst werden kann. Derart kann eine wiederholte Zu- standsüberwachung des Zustands der Batterie erfolgen. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die Parametrierung einmal durchgeführt wird, z.B. bei Registrierung des ent- sprechenden Batterietyps oder der entsprechenden Batterie in einer Datenbank. In einem anderen Beispiel wäre es aber auch möglich, dass die Parametrierung wiederholt ausgeführt wird. Das bedeutet, dass für ein und dieselbe Batterie wiederholt unterschiedliche Parame- terwerte für die Modelle der Simulation bestimmt werden können. Derart wäre es zum Beispiel möglich, dass unterschiedliche, zeitvariable Betriebsrandbedingungen (zum Beispiel aktiviertes/deaktiviertes aktives Kühlen, unterschiedliche Belastungsprofile, usw.) dynamisch im Wege der Simulation berücksichtigt werden. The simulation can be carried out repeatedly. This means that the simulation can be triggered at several times. In this way, the status of the battery can be repeatedly monitored. In some examples it would be possible for the parameterization to be carried out once, e.g. when registering the corresponding battery type or the corresponding battery in a database. In another example it would also be possible for the parameterization to be carried out repeatedly. This means that different parameter values can be determined repeatedly for the simulation models for one and the same battery. In this way it would be possible, for example, for different, time-variable operating boundary conditions (for example activated / deactivated active cooling, different load profiles, etc.) to be taken into account dynamically by means of the simulation.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorlie- genden Erfindung zu verlassen. The features set out above and features that are described below can not only be used in the corresponding explicitly set out combinations, but also in further combinations or in isolation without departing from the scope of protection of the present invention.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 illustriert schematisch ein System umfassend mehrere Batterien und einen Server ge- mäß verschiedenen Beispielen. FIG. 1 schematically illustrates a system comprising several batteries and a server according to various examples.
FIG. 2 illustriert schematisch Details im Zusammenhang mit den Batterien gemäß verschie- denen Beispielen. FIG. 2 schematically illustrates details in connection with the batteries according to various examples.
FIG. 3 illustriert schematisch Details im Zusammenhang mit dem Server gemäß verschiede- nen Beispielen. FIG. 3 schematically illustrates details in connection with the server according to various examples.
FIG. 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens gemäß verschiedenen Beispie- len. FIG. 5 illustriert schematisch die Verwendung einer Simulation von Zellen der Batterie im Zu- sammenhang mit der Alterungsmodellierung einer Batterie gemäß verschiedenen Beispielen. FIG. 4 is a flow diagram of an exemplary method according to various examples. FIG. 5 schematically illustrates the use of a simulation of cells of the battery in connection with the aging modeling of a battery in accordance with various examples.
FIG. 6 illustriert schematisch eine elektrisch-thermische Simulation der Zellen der Batterie sowie die Verwendung eines Alterungsmodells. FIG. 6 schematically illustrates an electrical-thermal simulation of the cells of the battery and the use of an aging model.
FIG. 7 ist ein Flussdiagramm gemäß verschiedenen Beispielen, welches die Verwendung ei- nes elektrischen Simulationsmodells sowie eines thermischen Simulationsmodells illustriert. FIG. 7 is a flow diagram according to various examples, which illustrates the use of an electrical simulation model and a thermal simulation model.
FIG. 8 illustriert Details im Zusammenhang mit dem thermischen Simulationsmodell aus FIG. 7. FIG. 8 illustrates details in connection with the thermal simulation model from FIG. 7th
FIG. 9 ist ein Flussdiagramm gemäß verschiedenen Beispielen, welches Details im Zusam- menhang mit der Parametrierung des thermischen Simulationsmodells illustriert. FIG. 9 is a flow diagram according to various examples, which illustrates details in connection with the parameterization of the thermal simulation model.
FIG. 10 illustriert ein elektrisches Simulationsmodell gemäß verschiedenen Beispielen. FIG. 10 illustrates an electrical simulation model according to various examples.
FIG. 11 ist ein Flussdiagramm gemäß verschiedenen Beispielen, welches Details im Zusam- menhang mit der Parametrierung des elektrischen Simulationsmodells illustriert. FIG. 11 is a flowchart according to various examples, which illustrates details in connection with the parameterization of the electrical simulation model.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zu- sammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammen- hang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. The above-described properties, features and advantages of this invention and the way in which they are achieved will become clearer and more clearly understandable in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawings.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Be- zugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentatio- nen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Ver- bindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann draht- gebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. The present invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the drawings. In the figures, the same reference symbols denote the same or similar elements. The figures are schematic representations of various embodiments of the invention. Elements shown in the figures are not necessarily shown to scale. Rather, the various elements shown in the figures are shown in such a way that their function and general purpose can be understood by a person skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements shown in the figures can also be used as indirect connections binding or coupling can be implemented. A connection or coupling can be implemented wired or wirelessly. Functional units can be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
Nachfolgend werden Techniken im Zusammenhang mit der Charakterisierung von wieder- aufladbaren Batterien beschrieben. Die hierin beschriebenen Techniken können im Zusam- menhang mit unterschiedlichsten Typen von Batterien eingesetzt werden, beispielsweise im Zusammenhang mit Batterien auf Lithium-Ionen-Basis, wie z.B. Lithium-Nickel-Mangan-Co- baltoxid-Batterien oder Lithium-Manganoxid-Batterien. Techniques related to the characterization of rechargeable batteries are described below. The techniques described herein can be used in connection with the most varied of types of batteries, for example in connection with batteries based on lithium ions, such as lithium-nickel-manganese-cobalt oxide batteries or lithium manganese oxide batteries.
Die hierin beschriebenen Batterien können in unterschiedlichen Anwendungsgebieten einge- setzt werden, beispielsweise für Batterien die in Geräten wie Kraftfahrzeugen oder Drohnen oder tragbaren elektronischen Geräten wie etwa Mobilfunkgeräte eingesetzt werden. Es wäre auch denkbar, die hierin beschriebenen Batterien in Form von stationären Energiespeichern einzusetzen. The batteries described herein can be used in different fields of application, for example for batteries that are used in devices such as motor vehicles or drones or portable electronic devices such as mobile radio devices. It would also be conceivable to use the batteries described here in the form of stationary energy stores.
Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, die Charakterisierung der Batterie auf Grundlage einer Zustandsüberwachung. Die Zustandsüberwachung kann eine laufende Überwachung der Belastung der Batterie und/oder eine Zustandsvorhersage der Batterie umfassen. Dies bedeutet, dass der Zustand der Batterie durch Überwachung der Belastung verfolgt werden kann und/oder für ein gewisses Vorhersageintervall in der Zukunft prädiziert werden kann. Insbesondere kann eine Alterungsschätzung des Gesundheitszustands (engl state-of-health, SOH) der Batterie erfolgen. The techniques described herein make it possible to characterize the battery based on condition monitoring. The condition monitoring can include ongoing monitoring of the load on the battery and / or a condition forecast of the battery. This means that the state of the battery can be tracked by monitoring the load and / or can be predicted for a certain forecast interval in the future. In particular, an aging estimate of the state-of-health (SOH) of the battery can be made.
Als allgemeine Regel nimmt der SOH für zunehmende Alterung der Batterie ab. Eine zuneh- mende Alterung kann vorliegen, wenn die Kapazität der Batterie abnimmt und/oder wenn die Impedanz der Batterie zunimmt. As a general rule, the SOH will decrease as the battery ages. Increasing aging can occur if the capacity of the battery decreases and / or if the impedance of the battery increases.
Verschiedene der hierin beschriebenen Beispiele können zumindest teilweise Server-seitig implementiert werden. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil der mit der Zustandsüberwa- chung assoziierten Logik auf einem zentralen Server, getrennt von der Batterie bzw. dem Batterie-betriebenen Gerät durchgeführt werden kann. Dazu kann insbesondere eine Kom- munikationsverbindung zwischen dem Server und ein oder mehreren Managementsystemen der Batterie hergestellt werden. Durch die Implementierung zumindest eines Teils der Logik auf dem Server können besonders genaue und rechenintensive Modelle und/oder Simulatio- nen im Zusammenhang mit der Zustandsüberwachung eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, die Zustandsüberwachung besonders genau durchzuführen. Zudem kann es möglich sein, Daten für ein Ensemble von Batterien zu sammeln und zu verwerten, zum Beispiel im Zusammenhang mit maschinengelernten Modellen. Various of the examples described herein can be implemented at least partially on the server side. This means that at least part of the logic associated with the status monitoring can be carried out on a central server, separate from the battery or the battery-operated device. For this purpose, a communication link can be established between the server and one or more management systems of the battery. By implementing at least part of the logic on the server, particularly precise and computationally intensive models and / or simulations can be used in connection with the condition monitoring. This makes it possible to carry out the condition monitoring particularly precisely. It may also be possible Collecting and processing data for an ensemble of batteries, for example in connection with machine-learned models.
Verschiedene hierin beschriebene Beispiele können die Zustandsüberwachung während des Einsatzes der Batterie auf Grundlage von Messdaten von der Batterie durchführen. Dies be- deutet, dass insbesondere zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Lebens der Batterie - mit reduziertem SOH - die Zustandsüberwachung durchgeführt wird. Die Batterie kann sich dann im Feldeinsatz befinden. Derart kann es insbesondere möglich sein, auch das bisherige Alterungsverhalten der Batterie zu berücksichtigen. Auch dies ermöglicht es, die Zu- standsüberwachung besonders genau durchzuführen. Various examples described herein can perform condition monitoring during use of the battery based on measurement data from the battery. This means that the condition monitoring is carried out especially at a certain point in time during the life of the battery - with reduced SOH. The battery can then be used in the field. In this way, it may in particular be possible to also take into account the previous aging behavior of the battery. This also makes it possible to carry out the status monitoring particularly precisely.
Die Zustandsüberwachung kann insbesondere eine Simulation des Zustands der Batterie umfassen. Die Simulation des Zustands der Batterie kann auf Grundlage der Messdaten durchgeführt werden. Dann können auch nicht unmittelbar beobachtete Parameter des Zu- stands der Batterie im Zusammenhang mit der Simulation ermittelt werden. Beispiele für manchmal nicht direkt beobachtbare Parameter wären eine interne Temperatur- oder Tem- peraturverteilung, Strom- oder Spannungswerte, usw. Auf Grundlage einer solchen Informa- tion, kann eine besonders genaue Zustandsüberwachung durchgeführt werden. The status monitoring can in particular include a simulation of the status of the battery. The simulation of the state of the battery can be carried out on the basis of the measurement data. Then parameters of the condition of the battery that are not directly observed can also be determined in connection with the simulation. Examples of parameters that are sometimes not directly observable would be an internal temperature or temperature distribution, current or voltage values, etc. On the basis of such information, particularly precise condition monitoring can be carried out.
Im Zusammenhang mit der Simulation des Zustands der Batterie kann auch ein Alterungs- modells verwendet werden. Das Alterungsmodell kann die Alterung der Batterie und insbe- sondere des inneren Zustands der Batterien als Funktion der Belastung beschreiben. In dem die Simulation zusammen mit dem Alterungsmodell ausgeführt wird, kann für das Vorher- sageintervall die zukünftige Entwicklung von Parametern des Zustands der Batterie prädiziert werden. An aging model can also be used in connection with simulating the condition of the battery. The aging model can describe the aging of the battery and in particular the internal condition of the batteries as a function of the load. In that the simulation is carried out together with the aging model, the future development of parameters of the state of the battery can be predicted for the prediction interval.
Daraus ist ersichtlich, dass die Zustandsüberwachung sowohl für den IST-Zustand hilfreich sein kann, wie auch für einen prädizierten Zustand. It can be seen from this that the status monitoring can be helpful for the ACTUAL status as well as for a predicted status.
Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen eine Parametrierung von Simulationspara- metern der Simulation. Insbesondere kann es mittels der hierin beschriebenen Techniken möglich sein, die Werte für Parameter der Simulation besonders genau zu ermitteln, sodass die Zustandsüberwachung der Batterie besonders genau durchgeführt werden kann. The techniques described here enable parameterization of simulation parameters of the simulation. In particular, by means of the techniques described herein, it can be possible to determine the values for parameters of the simulation particularly precisely, so that the status monitoring of the battery can be carried out particularly precisely.
Verschiedene Beispiele betreffen insbesondere die Modellierung des thermischen Verhaltens. Dies betrifft z.B. ein thermisches Zellmodell. Als nächstes werden Details zum thermischen Zellmodell beschrieben. Der zeitliche Temperaturverlauf einer Batteriezelle, z.B. einer Lithium-Ionen-Zelle oder einer anderen wiederaufladbaren Zelle, wird einerseits durch die Wärmegeneration innerhalb der Zelle und andererseits durch die Wärmeströme in der Zelle und zwischen Zelle und Umgebung bestimmt. Entsprechend wird bei der Modellierung des thermischen Verhaltens zwischen Wärmegenerations- und Wärmedissipationsmodell unterschieden. Various examples relate in particular to the modeling of thermal behavior. This concerns, for example, a thermal cell model. Next, details of the thermal cell model will be described. The temperature profile of a battery cell over time, e.g. a lithium-ion cell or another rechargeable cell, is determined on the one hand by the heat generation within the cell and on the other hand by the heat flows in the cell and between the cell and the environment. Correspondingly, when modeling the thermal behavior, a distinction is made between heat generation and heat dissipation models.
Wärme ist, im Gegensatz zur elektrochemischen Energie, eine Form von nicht stoffgebunde- ner Energie und somit keine Zustands-, sondern eine Prozessgröße. Wärmegenerationsef- fekte in Batteriezellen treten im elektrochemisch-aktiven, als auch allen stromführenden Ma- terialien auf. Prinzipiell kann zwischen folgenden Wärmegenerationsmechanismen unter- schieden werden: In contrast to electrochemical energy, heat is a form of energy that is not material-bound and therefore not a state variable, but a process variable. Heat generation effects in battery cells occur in electrochemically active as well as all current-carrying materials. In principle, a distinction can be made between the following heat generation mechanisms:
Die irreversible Wärmegeneration oder auch Joulesche Wärme, entsteht durch den Transport von Lithium-Ionen durch den Elektrolyten und den Interkalationselektroden (inkl. dem Ladungsdurchtritt an Phasengrenzen und dem Diffusionswiderstand von Passivierungs- schichten) sowie durch den Elektronenfluss durch die Aktivmaterialien und Ableiter. Diese Effekte führen jeweils zu Überspannungen, weswegen in elektrisch-thermischen Zellmodellen die irreversible Wärmegeneration Qirr mit beschrieben werden kann. Dieser Zusammenhang stellt nur eine Worst-Case Abschätzung dar, weil davon ausgegangen wird, dass alle Prozesse, die zu der Spannungsüberhöhung U(t) - Uocv(t) beitragen, mit derselben Stromstärke I(t) ablaufen. Die dabei entstehende Wärme ist stets exotherm. Wird für die elektrische Modellierung ein Ersatzschaltkreismodell verwendet, so kann die irreversible Verlustleistung aus Gl. (1) auch über die Summe der Verlustleistungen aller resistiver Elemente berechnet werden: The irreversible heat generation or Joule heat is created by the Transport of lithium ions through the electrolyte and the intercalation electrodes (including the passage of charge at phase boundaries and the diffusion resistance of passivation layers) and through the electron flow through the active materials and arresters. These effects each lead to overvoltages, which is why the irreversible heat generation Q irr in electrical-thermal cell models can be described. This relationship is only a worst-case estimate because it is assumed that all processes that contribute to the voltage increase U (t) - Uocv (t) run with the same current I (t). The resulting heat is always exothermic. If an equivalent circuit model is used for the electrical modeling, the irreversible power loss from Eq. (1) can also be calculated using the sum of the power losses of all resistive elements:
Die reversible Wärmegeneration wird durch die Interkalation beziehungsweise Deinter- kalation von Lithium-Ionen in das Wirtsgitter von Anode und Kathode und den damit verbun- denen chemischen Reaktionen hervorgerufen und kann je nach Stromrichtung und Entropie- koeffizient endotherm oder exotherm sein. Mit der Gibbschen-Gleichung kann die reversible Verlustleistung entsprechend Gl. (2.3) hergeleitet werden, wobei dem sogenannten Ent- ropiekoeffizienten entspricht The reversible heat generation is achieved by intercalation or deinter- calation of lithium ions in the host lattice of anode and cathode and the associated chemical reactions and can be endothermic or exothermic depending on the direction of the current and the entropy coefficient. With Gibb's equation the reversible Power loss according to Eq. (2.3) can be derived, where corresponds to the so-called entropy coefficient
Der Entropiekoeffizient kann mittels Kalorimetrie oder über potentiometrische Messungen experimentell bestimmt werden. Eine analytische Berechnung ist nur bei genauer Kenntnis des Zellaufbaus und aller Teilreaktionen möglich. The entropy coefficient can be determined experimentally using calorimetry or potentiometric measurements. An analytical calculation is only possible with precise knowledge of the cell structure and all partial reactions.
Nachfolgend werden also Techniken beschrieben, mittels derer es möglich ist, das thermische Simulationsmodell mit einem Zellmodell zu verwenden, das die Wärmegeneration und Wärmedissipation berücksichtigt. Techniken zur Parametrierung werden beschrieben. In the following, techniques are described by means of which it is possible to use the thermal simulation model with a cell model that takes heat generation and heat dissipation into account. Parameterization techniques are described.
FIG. 1 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einem System 80. Das System 80 umfasst einen Server 81 , der mit einer Datenbank 82 verbunden ist. Außerdem umfasst das System 80 Kommunikationsverbindungen 49 zwischen dem Server 81 und jeder von mehreren Bat- terien 91-96. Die Kommunikationsverbindungen 49 könnten zum Beispiel über ein Mobilfunk- netzwerk implementiert werden. FIG. 1 illustrates aspects related to a system 80. The system 80 includes a server 81 connected to a database 82. System 80 also includes communication links 49 between server 81 and each of a plurality of batteries 91-96. The communication links 49 could for example be implemented via a cellular network.
Im Allgemeinen können in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen unterschiedli- che Batterie-Typen verwendet werden. Dies bedeutet, dass die Batterien 91-96 mehrere Ty- pen umfassen können. Unterschiedliche Typen von Batterien können sich zum Beispiel un- terscheiden hinsichtlich ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften: Form der Zelle (d. h. Rundzelle, prismatische Zelle, usw.), Kühlsystem (Luftkühlung mit aktivem oder passiven Konzept, Kühlmittel in Kühlmittelschlauch, passive Kühlelemente, usw.), der Zell-Chemie (beispielsweise verwendete Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, usw.), etc. Auch zwischen Batterien 91-96 desselben Typs kann es eine gewisse Varianz im Zusammenhang mit solchen Eigenschaften geben. Beispielsweise kann es Vorkommen, dass Batterien 91-96 ein und desselben Typs unterschiedlich montiert werden und damit unterschiedliche Kühlsysteme verwendet werden. Außerdem können manchmal dieselben Batteriezellen unterschiedlich angeordnet werden, sodass eine elektrische und thermische Systembetrachtung des En- semble von Zellen variiert. Als allgemeine Regel können in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen solche Batterie-spezifischen und/oder Typ-spezifischen Effekte im Zusammenhang mit der Simula- tion berücksichtigt werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass Modelle der Simulation Typ-spezifisch und/oder Batterie-spezifisch parametriert werden. In general, different battery types can be used in the various examples described herein. This means that the batteries 91-96 can be of several types. Different types of batteries can differ, for example, with regard to one or more of the following properties: shape of the cell (ie round cell, prismatic cell, etc.), cooling system (air cooling with an active or passive concept, coolant in coolant hose, passive cooling elements, etc.) .), cell chemistry (for example electrode materials used, electrolytes, etc.), etc. There may also be a certain variance in connection with such properties between batteries 91-96 of the same type. For example, it can happen that batteries 91-96 of the same type are mounted differently and thus different cooling systems are used. In addition, the same battery cells can sometimes be arranged differently, so that an electrical and thermal system view of the ensemble of cells varies. As a general rule, such battery-specific and / or type-specific effects in connection with the simulation can be taken into account in the various examples described herein. In particular, it may be possible for models of the simulation to be parameterized type-specifically and / or battery-specifically.
In FIG. 1 ist beispielhaft illustriert, dass die Batterien 91-96 über die Kommunikationsverbin- dungen 49 Zustandsdaten 41 an den Server 81 senden können. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Zustandsdaten 41 indikativ für ein oder mehrere Betriebswerte der jeweiligen Batterie 91-96 sind, d.h. können Messdaten indizieren. Die Zustandsdaten 41 könnten Ereignis-getrieben gesendet werden oder gemäß einem vorgegebenen Zeitschema. In FIG. 1 illustrates by way of example that the batteries 91-96 can send status data 41 to the server 81 via the communication links 49. For example, it would be possible that the status data 41 are indicative of one or more operating values of the respective battery 91-96, i.e. can indicate measurement data. The status data 41 could be sent event-driven or according to a predetermined time scheme.
Diese Zustandsdaten 41 können z.B. im Zusammenhang mit einer thermischen Simulation und/oder einer elektrischen Simulation der jeweiligen Batterie 91-96 verwendet werden. Dazu kann beim Server 81 ein Simulationsmodell für jede der Batterien 91-96 hinterlegt sein. Es ist dabei möglich, unterschiedliche Simulationsmodelle für unterschiedliche Batterien 91-96 zu verwenden. Außerdem wäre es möglich, dass für unterschiedliche Batterien 91-96 un- terschiedliche Parametrierungen für das jeweilige Simulationsmodell verwendet werden. Der- art kann ein „digitaler Zwilling“ für jede der Batterien 91-96 ermöglicht werden. Nachfolgend werden Techniken beschrieben, welche die Konfiguration und Parametrierung der Simulati- onsmodelle für die unterschiedlichen Batterien 91-96 genau und zügig ermöglichen. Derart kann auf eine große Anzahl von Batterien 91-96 jeweils ein gut passendes Simulationsmodell bzw. eine gut passende Parametrierung verwendet werden. These status data 41 can be used, for example, in connection with a thermal simulation and / or an electrical simulation of the respective battery 91-96. For this purpose, a simulation model for each of the batteries 91-96 can be stored in the server 81. It is possible to use different simulation models for different batteries 91-96. It would also be possible to use different parameterizations for the respective simulation model for different batteries 91-96. In this way, a “digital twin” can be made possible for each of the batteries 91-96. In the following, techniques are described which enable the configuration and parameterization of the simulation models for the various batteries 91-96 precisely and quickly. In this way, a well-fitting simulation model or well-fitting parameterization can be used on a large number of batteries 91-96.
In FIG. 1 ist auch beispielhaft illustriert, dass der Server 81 über die Kommunikationsverbin- dungen 49 Steuerdaten 42 an die Batterien 91-96 senden kann. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Steuerdaten 42 ein oder mehrere Betriebsgrenzen für den zukünftigen Be- trieb der jeweiligen Batterie 91-96 indizieren. Zum Beispiel könnten die Steuerdaten ein oder mehrere Steuerparameter für ein Thermomanagement der jeweiligen Batterie 91-96 und/oder ein Lademanagement der jeweiligen Batterie 91-96 indizieren. Durch Verwendung der Steuerdaten 42 kann der Server 81 also den Betrieb der Batterien 91-96 beeinflussen bzw. steuern. In FIG. 1 is also illustrated by way of example that the server 81 can send control data 42 to the batteries 91-96 via the communication links 49. For example, it would be possible for the control data 42 to indicate one or more operating limits for the future operation of the respective battery 91-96. For example, the control data could indicate one or more control parameters for thermal management of the respective battery 91-96 and / or charge management of the respective battery 91-96. By using the control data 42, the server 81 can therefore influence or control the operation of the batteries 91-96.
In FIG. 1 ist außerdem für jede der Batterien 91-96 schematisch der jeweilige SOH 99 illustriert. Als allgemeine Regel kann der SOH 99 einer Batterie 91-96 je nach Implementierung ein oder mehrere unterschiedliche Kenngrößen umfassen. Typische Kenngrößen des SOH 99 können beispielsweise sein: elektrische Kapazität, d. h. die maximal mögliche gespeicherte Ladung; und/oder elektrische Impedanz, d. h. der Frequenzgang des Widerstands bzw. Wechselstromwiderstand als Verhältnis zwischen elektrischer Spannung und elektrischer Stromstärke. In FIG. 1 the respective SOH 99 is also illustrated schematically for each of the batteries 91-96. As a general rule, the SOH 99 of a battery 91-96 can include one or more different parameters depending on the implementation. Typical parameters of the SOH 99 can be, for example: electrical capacity, ie the maximum possible stored charge; and / or electrical impedance, i.e. the frequency response of the resistance or Alternating current resistance as the ratio between electrical voltage and electrical current strength.
Nachfolgend werden Techniken zur Zustandsüberwachung beschrieben, die es ermöglichen, den SOH 99 und/oder andere charakteristische Kenngrößen für den Zustand der Batterien 91- 96 für jede der Batterien 91-96 während des Einsatzes der Batterien 91-96 zu bestimmen. Dies bedeutet, dass zum Beispiel die elektrische Impedanz und/oder die elektrische Kapazität bestimmt werden können. Dies kann mittels des Simulationsmodells beim Server erfolgen. Der Server 81 könnte dann eine entsprechende Information über den SOH 99 wiederum an die Batterien 91-96 bereitstellen, beispielsweise über die Steuerdaten 42. Ein Managementsystem der Batterien 91-96 könnte dann ein Betriebsprofil für die Batterien anpassen, um beispielsweise eine weitere Degradation des SOH 99 zu vermeiden. Techniques for condition monitoring are described below which make it possible to determine the SOH 99 and / or other characteristic parameters for the condition of the batteries 91-96 for each of the batteries 91-96 during the use of the batteries 91-96. This means that, for example, the electrical impedance and / or the electrical capacitance can be determined. This can be done using the simulation model on the server. The server 81 could then provide corresponding information about the SOH 99 in turn to the batteries 91-96, for example via the control data 42. A management system for the batteries 91-96 could then adapt an operating profile for the batteries, for example to further reduce the SOH 99 to avoid.
FIG. 2 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit den Batterien 91-96. Die Batterien 91-96 sind mit einem jeweiligen Gerät 69 gekoppelt. Dieses Gerät wird durch elektrische Energie aus der jeweiligen Batterie 91-96 getrieben. FIG. 2 illustrates aspects related to batteries 91-96. The batteries 91-96 are coupled to a respective device 69. This device is powered by electrical energy from the respective battery 91-96.
Die Batterien 91-96 umfassen bzw. sind assoziiert mit ein oder mehreren Managementsyste- men 61 , z.B. ein BMS oder eine andere Steuerlogik wie eine on-board-unit im Falle eines Fahrzeugs. Das Managementsystem 61 kann zum Beispiel durch Software auf einem CPU implementiert sein. Alternativ oder zusätzlich könnte zum Beispiel ein Applikations-spezifi- scher Schaltkreis (ASIC) oder ein Feldprogrammierbares gated array (FPGA) verwendet werden. Die Batterien 91-96 könnten z.B. über ein Bussystem mit dem Managementsystem 61 kommunizieren. Die Batterien 91-96 umfassen auch eine Kommunikationsschnittstelle 62. Das Managementsystem 61 kann über die Kommunikationsschnittstelle 62 eine Kommunika- tionsverbindung 49 mit dem Server 81 aufbauen. The batteries 91-96 comprise or are associated with one or more management systems 61, e.g. a BMS or other control logic such as an on-board unit in the case of a vehicle. The management system 61 can be implemented by software on a CPU, for example. Alternatively or additionally, for example, an application-specific circuit (ASIC) or a field-programmable gated array (FPGA) could be used. The batteries 91-96 could communicate with the management system 61 via a bus system, for example. The batteries 91-96 also include a communication interface 62. The management system 61 can set up a communication link 49 with the server 81 via the communication interface 62.
Während in FIG. 2 das Managementsystem 61 separat von den Batterien 91-96 gezeichnet ist, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass das Managementsystem 61 Teil der Batterien 91-96 ist. While in FIG. 2 the management system 61 is drawn separately from the batteries 91-96, in other examples it would also be possible that the management system 61 is part of the batteries 91-96.
Außerdem umfassen die Batterien 91-96 ein oder mehrere Batterieblöcke 63. Jeder Batterie- block 63 umfasst typischerweise eine Anzahl von parallel geschalteten und/oder seriell ge- schalteten Batteriezellen. Dort kann elektrische Energie gespeichert werden. In addition, the batteries 91-96 comprise one or more battery blocks 63. Each battery block 63 typically comprises a number of battery cells connected in parallel and / or in series. Electrical energy can be stored there.
Typischerweise kann das Managementsystem 61 auf ein oder mehrere Sensoren in den ein oder mehreren Batterieblöcken 63 zurückgreifen. Die Sensoren können zum Beispiel den Stromfluss und/oder die Spannung in zumindest einigen der Batteriezellen messen. Die Sen- soren können alternativ oder zusätzlich auch andere Größen im Zusammenhang mit zumin- dest einigen der Batteriezellen messen, beispielsweise Temperatur, Volumen, Druck, etc. der Batterie zu bestimmen und in Form von Zustandsdaten 41 an den Server 81 senden. Das Managementsystem 61 kann auch eingerichtet sein, um ein Thermomanagement und/oder ein Lademanagement der jeweiligen Batterie 91-96 zu implementieren. Im Zusammenhang mit dem Thermomanagement könnte das Managementsystem 61 zum Beispiel eine Kühlung und/oder einer Heizung steuern. Im Zusammenhang mit dem Lademanagement könnte das Managementsystem 61 zum Beispiel eine Laderate oder eine Tiefe von Entladungen steuern. Das Managementsystem 61 kann also ein oder mehrere Betriebsrandbedingungen des Betriebs der jeweiligen Batterie 91-96 einstellen, beispielsweise basierend auf den Steuerdaten 42. The management system 61 can typically access one or more sensors in the one or more battery blocks 63. The sensors can, for example, the Measure the current flow and / or the voltage in at least some of the battery cells. As an alternative or in addition, the sensors can also measure other variables in connection with at least some of the battery cells, for example to determine the temperature, volume, pressure, etc. of the battery and send them to the server 81 in the form of status data 41. The management system 61 can also be set up to implement thermal management and / or charge management of the respective battery 91-96. In connection with the thermal management, the management system 61 could, for example, control cooling and / or heating. In connection with the charging management, the management system 61 could control a charging rate or a depth of discharges, for example. The management system 61 can therefore set one or more operating boundary conditions for the operation of the respective battery 91-96, for example based on the control data 42.
FIG. 3 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Server 81. Der Server 81 umfasst einen Prozessor 51 sowie einen Speicher 52. Der Speicher 52 kann ein flüchtiges Speicherelement und/oder ein nicht-flüchtiges Speicherelement umfassen. Außerdem umfasst der Server 81 auch eine Kommunikationsschnittstelle 53. Der Prozessor 51 kann über die Kommunikationsschnittstelle 53 eine Kommunikationsverbindung 49 mit jeder der Batterien 91-96 und der Datenbank 82 aufbauen. FIG. 3 illustrates aspects in connection with the server 81. The server 81 comprises a processor 51 and a memory 52. The memory 52 can comprise a volatile memory element and / or a non-volatile memory element. In addition, the server 81 also comprises a communication interface 53. The processor 51 can set up a communication connection 49 with each of the batteries 91-96 and the database 82 via the communication interface 53.
Zum Beispiel kann Programmcode im Speicher 52 gespeichert sein und vom Prozessor 51 geladen werden. Der Prozessor 51 kann dann den Programmcode ausführen. Das Ausführen des Programmcodes bewirkt, dass der Prozessor 51 ein oder mehrere der folgenden Prozesse ausführt, wie sie im Zusammenhang mit den verschiedenen Beispielen hierin im Detail beschrieben sind: Charakterisierung von Batterien 91-96; Durchführen von ein oder mehreren Zustandsvorhersagen für eine oder mehrere der Batterien 91-96, beispielsweise basierend auf Betriebswerten die von den entsprechenden Batterien 91-96 über die Kommu- nikationsverbindung als Zustandsdaten 40 empfangen werden; Durchführen einer elektrischen Simulation von Batterien 91-96; Durchführen einer thermischen Simulation von Batterien 91- 96; Durchführen einer Zustandsüberwachung der Batterien 91-96; Durchführen einer Alterungsschätzung von Batterien basierend auf ein oder mehreren Betriebsprofilen; Senden von Steuerdaten 42 an Batterien 91-96, zum Beispiel um Betriebsrandbedingungen einzu- stellen; Hinterlegen von einem Ergebnis der Zustandsüberwachung einer entsprechenden Batterie 91-96 in einer Datenbank 82; etc.. For example, program code can be stored in memory 52 and loaded by processor 51. The processor 51 can then execute the program code. Execution of the program code causes processor 51 to perform one or more of the following processes, as described in detail in connection with the various examples herein: characterization of batteries 91-96; Carrying out one or more status predictions for one or more of the batteries 91-96, for example based on operating values that are received as status data 40 from the corresponding batteries 91-96 via the communication link; Perform electrical simulation of batteries 91-96; Performing a thermal simulation of batteries 91-96; Performing condition monitoring of batteries 91-96; Performing an aging estimation of batteries based on one or more operating profiles; Sending control data 42 to batteries 91-96, for example to set operating boundary conditions; Storing a result of the status monitoring of a corresponding battery 91-96 in a database 82; Etc..
FIG. 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Das Verfahren wird von einem Server ausgeführt. Das Verfahren dient der Server-seitigen Charakterisierung einer Batterie. Das bedeutet, dass das Verfahren der FIG. 4 der Zustandsüberwachung der Batterie dient. Zum Beispiel wäre es möglich, dass das Verfahren gemäß FIG. 4 vom Prozessor 51 des Servers 81 basierend auf Programmcode aus dem Speicher 52 ausgeführt wird (vgl. FIG. 3). Optionale Blöcke sind in FIG. 4 mit gestrichelten Linien dargestellt. FIG. 4 is a flow diagram of an exemplary method. The procedure is carried out by a server. The method is used to characterize a battery on the server side. This means that the method of FIG. 4 is used to monitor the condition of the battery. For example, it would be possible that the method according to FIG. 4 is executed by the processor 51 of the server 81 based on program code from the memory 52 (cf. FIG. 3). Optional blocks are shown in FIG. 4 shown with dashed lines.
Zunächst werden in Block 1001 ein oder mehrere Betriebswerte von der zu charakterisieren- den Batterie erhalten. Dazu können in Block 1001 zum Beispiel Zustandsdaten über eine Kommunikationsverbindung zwischen der Batterie und dem Server empfangen werden. Das bedeutet, dass Messdaten von den zu charakterisierenden Batterien empfangen werden können. First, in block 1001, one or more operating values are obtained from the battery to be characterized. For this purpose, status data can be received in block 1001, for example, via a communication link between the battery and the server. This means that measurement data can be received from the batteries to be characterized.
Die ein oder mehreren Betriebswerte können z.B. einen SOH der Batterie betreffen. Die ein oder mehreren Betriebswerte können zum Beispiel eine Kapazität der Batterie und/oder eine Impedanz der Batterie betreffen. Im Allgemeinen wäre es auch möglich, dass ein oder mehrere weitere oder andere charakteristische Größen des Betriebs der Batterie durch die ein oder mehreren Betriebswerte indiziert werden. Zum Beispiel wäre es in manchen Beispielen möglich, dass Strom-Daten (beispielsweise eine Zeitreihe) und/oder Spannungs-Daten (bei- spielsweise eine Zeitreihe) durch die Betriebswerte indiziert werden. Dies bedeutet, dass die Betriebswerte zum Beispiel einen Zeitverlauf des Stroms in ein oder mehreren Zellen eines Batterieblocks der Batterie beschreiben könnten bzw. einen Zeitverlauf der elektrischen Spannungen ein oder mehreren Zellen eines Batterieblocks der Batterie beschreiben könnten. Die Betriebswerte könnten zum Beispiel auch eine T emperatur in ein oder mehreren Bereichen einer Batterie beschreiben. Die Betriebswerte könnten zum Beispiel eine entsprechende Zeitreihe von Temperaturdaten beschreiben. Die Betriebswerte könnten auch ein Betriebsprofil umfassen, d.h. z.B. eine Belastungscharakterisierung, etwa Entladungstiefe (engl depth of discharge, DOD), Entladerate, Laderate, SOC-Zyklen, usw. The one or more operating values can relate to an SOH of the battery, for example. The one or more operating values can relate to a capacity of the battery and / or an impedance of the battery, for example. In general, it would also be possible for one or more further or other characteristic variables of the operation of the battery to be indicated by the one or more operating values. For example, in some examples it would be possible for current data (for example a time series) and / or voltage data (for example a time series) to be indexed by the operating values. This means that the operating values could, for example, describe a time profile of the current in one or more cells of a battery block of the battery or could describe a time profile of the electrical voltages in one or more cells of a battery block of the battery. The operating values could, for example, also describe a temperature in one or more areas of a battery. The operating values could, for example, describe a corresponding time series of temperature data. The operating values could also include an operating profile, i.e., for example, a load characterization, such as depth of discharge (DOD), discharge rate, charge rate, SOC cycles, etc.
Anschließend erfolgt in Block 1002 das Durchführen einer Zustandsüberwachung für die Bat- terie, um diese zu charakterisieren. Die Zustandsüberwachung kann die Ermittlung des Ist- Zustands der Batterie umfassen, sowie auch eine Zustandsvorhersage unter Verwendung eines Alterungsmodells. Subsequently, in block 1002, status monitoring is carried out for the battery in order to characterize it. The condition monitoring can include the determination of the actual condition of the battery, as well as a condition prediction using an aging model.
Dabei können mehrere Zustandsvorhersagen in Block 1002 durchgeführt werden. Sofern mehrere Zustandsvorhersagen in Block 1002 durchgeführt werden, können diese mit unter- schiedlichen Randbedingungen des Betriebs der Batterie assoziiert sein. Zum Beispiel könn- ten die Betriebsrandbedingungen, die in Block 1002 berücksichtigt werden, ein oder mehrere der folgenden Elemente betreffen: ein Steuerparameter eines Thermomanagements der Bat- terie und/oder ein Steuerparameter eines Lademanagements der Batterie. Im Allgemeinen können die Betriebsrandbedingungen bestimmte Bedingungen für den Betrieb der Batterie bestimmen, die losgelöst sind von dem konkreten Betriebsprofil, das zum Beispiel bestimmt wird durch die Benutzung des jeweiligen Geräts 69, das mit der entsprechenden Batterie as- soziiert ist (d. h. also zum Beispiel Belastung, entnommene Ladung, Entladerate, Laderate, Entladetiefe, etc.). A plurality of state predictions can be carried out in block 1002. If several state predictions are carried out in block 1002, these can be associated with different boundary conditions for the operation of the battery. For example, the operating constraints considered in block 1002 could be one or more The following elements relate to: a control parameter of a thermal management of the battery and / or a control parameter of a charge management of the battery. In general, the operating boundary conditions can determine certain conditions for the operation of the battery that are detached from the specific operating profile, which is determined, for example, by the use of the respective device 69 that is associated with the corresponding battery (ie, for example, load , removed load, discharge rate, charge rate, depth of discharge, etc.).
Den ein oder mehreren Zustandsvorhersagen in Block 1002 kann ein Betriebs profil zugrunde liegen, welches sich aus einem Betriebsprofil herleitet, welches beispielsweise für die jeweilige Batterie in einem Überwachungsintervall durch die Betriebswerte aus Block 1001 indiziert wird. Zum Beispiel wäre es möglich, dass das für die ein oder mehreren Zustandsvorhersagen in Block 1002 verwendete Betriebs profil basierend auf Messungen an der Batterie im Überwachungsintervall bestimmt wird. Dies bedeutet, dass z.B. die gemessene DOD und/oder gemessene SOC-Zyklen und/oder gemessene Laderaten usw. im Zusammenhang mit der ein oder den mehreren Zustandsvorhersagen in Block 1002 verwendet werden können. Durch die Verwendung eines Betriebsprofil des für die ein oder mehreren Zustandsvorhersagen in Block 1002, welches sich am konkreten Betrieb der entsprechenden Batterie im Überwachungsintervall orientiert, kann eine besonders zuverlässige bzw. genaue Zustands- vorhersage ermöglicht werden. The one or more state predictions in block 1002 can be based on an operating profile which is derived from an operating profile which, for example, is indexed for the respective battery in a monitoring interval by the operating values from block 1001. For example, it would be possible for the operating profile used for the one or more state predictions in block 1002 to be determined based on measurements on the battery in the monitoring interval. This means that, for example, the measured DOD and / or measured SOC cycles and / or measured charge rates etc. can be used in connection with the one or more state predictions in block 1002. By using an operating profile for the one or more condition predictions in block 1002, which is based on the specific operation of the corresponding battery in the monitoring interval, a particularly reliable or precise condition prediction can be made possible.
Die Zustandsvorhersage kann als Ergebnis einen Zeitverlauf der Alterung für ein Vorher- sageintervall ausgeben. Das ist in FIG. 5 dargestellt. As a result, the state prediction can output a time course of the aging for a prediction interval. This is shown in FIG. 5 shown.
FIG. 5 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit der Alterung einer Batterie, beispielsweise einer der Batterien 91-96 aus FIG. 1. In FIG. 5 ist der SOH 99 als Funktion der Zeit dargestellt. Der SOH 99 nimmt als Funktion der Zeit ab. Diese Abnahme des SOH 99 kann durch die Zustandsüberwachung gemäß FIG. 4: Block 1002 bestimmt werden. FIG. 5 illustrates aspects relating to the aging of a battery, for example one of the batteries 91-96 from FIG. 1. In FIG. 5 shows the SOH 99 as a function of time. The SOH 99 decreases as a function of time. This acceptance of the SOH 99 can be monitored by the status monitoring according to FIG. 4: Block 1002 can be determined.
Im Detail nimmt während eines Überwachungsintervalls 151 der SOH 99 ab. Der SOH 99 kann mittels einer Simulation - die z.B. ein thermisches Modell und/oder ein elektrisches Modell umfasst - besonders genau bestimmt werden; dazu können ein oder mehrere Parameter der Batterie genau bestimmt werden, die andernfalls nicht oder nur ungenau gemessen werden können. Dies kann basierend auf den Betriebswerten aus FIG. 4: Block 1001 erfolgen. Dann erfolgt zum Zeitpunkt 155 (IST-Zeitpunkt) eine Charakterisierung der Batterie mittels Durchführens von mehreren Zustandsvorhersagen 181-183 für die Batterie. Die Zustands- vorhersagen 181-183 liefern als Ergebnis eine Vorhersage für die Alterung der Batterie, d.h. den SOH 99 während eines Vorhersageintervalls 152. Aus FIG. 5 ist ersichtlich, dass der SOH 99 zwischen den verschiedenen Zustandsvorhersagen 181-183 variiert, was an den unterschiedlichen, der Simulation zugrunde gelegten Betriebsprofilen liegt. Die Betriebsprofile können sich hinsichtlich Temperatur, Ruhe-Ladezustand, Lade- und Entladerate, Lade- und Entladeendpunkt, Zyklentiefe und/oder mittlerem Ladezustand bei Ladung und Entladung sowie Kombinationen davon unterscheiden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Zustandsvorhersage 181 - die in einer vergleichsweise geringen Abnahme des SOH 99 als Funktion der Zeit während des Vorhersageintervalls 152 resultiert - im Vergleich zur Zu- standsvorhersage 183 - die in einer vergleichsweise starken Abnahme des SOH 99 als Funktion der Zeit während des Vorhersageintervalls 152 resultiert - einen anderen Konfigu- ration des Thermomanagements und eine geringere DOD annimmt. Zum Beispiel könnte das Thermomanagement der Batterie tiefere Betriebstemperaturen durch aktive Kühlung als Be- triebsrandbedingung für die Zustandsvorhersage 181 ermöglichen. In detail, the SOH 99 decreases during a monitoring interval 151. The SOH 99 can be determined particularly precisely by means of a simulation - which includes, for example, a thermal model and / or an electrical model; for this purpose, one or more parameters of the battery can be precisely determined, which otherwise cannot be measured or can only be measured imprecisely. This can be based on the operating values from FIG. 4: Block 1001 take place. Then, at point in time 155 (ACTUAL point in time), the battery is characterized by performing several state predictions 181-183 for the battery. As a result, state predictions 181-183 provide a prediction for the aging of the battery, ie the SOH 99 during a prediction interval 152. From FIG. 5 it can be seen that the SOH 99 varies between the various state predictions 181-183, which is due to the different operating profiles on which the simulation is based. The operating profiles can differ in terms of temperature, idle state of charge, charge and discharge rate, end point of charge and discharge, cycle depth and / or mean state of charge during charge and discharge and combinations thereof. For example, it would be possible that the state prediction 181 - which results in a comparatively small decrease in the SOH 99 as a function of time during the prediction interval 152 - compared to the state prediction 183 - which results in a comparatively strong decrease in the SOH 99 as a function of the Time during the prediction interval 152 results - a different configuration of the thermal management and a lower DOD assumes. For example, the thermal management of the battery could enable lower operating temperatures through active cooling as an operating boundary condition for the state prediction 181.
Jetzt wieder bezugnehmend auf FIG. 4: als allgemeine Regel können die Ergebnisse Zu- standsüberwachung aus Block 1002 auf unterschiedliche Arten verwendet werden. Now referring again to FIG. 4: As a general rule, the status monitoring results from block 1002 can be used in different ways.
In einem Beispiel wäre es möglich, dass ein Managementsystem, welches mit der jeweiligen Batterie assoziiert ist, basierend auf den Ergebnissen der Zustandsüberwachung aus BlockIn one example it would be possible that a management system, which is associated with the respective battery, based on the results of the condition monitoring from block
1002 gesteuert wird, siehe Block 1003. Zum Beispiel wäre es möglich, dass Steuerdaten (vergleiche FIG. 1: Steuerdaten 42) basierend auf dem Vergleichen der Ergebnisse bestimmt werden und diese Steuerdaten an das Managementsystem gesendet werden. Als allgemeine Regel können ein oder mehrere unterschiedliche Parameter des Betriebs der jeweiligen Bat- terie eingestellt werden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Steuerdaten ein oder mehrere Betriebsgrenzen für den zukünftigen Betrieb der Batterie spezifizieren. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass die Steuerdaten ein oder mehrere Steuerparameter für ein Thermomanagement und/oder ein Lademanagement der Batterie spezifizieren. Durch eine solche Rückkopplung der Ergebnisse von ein oder mehreren Zustandsvorhersagen bzw. im Allgemeinen der Charakterisierung der Batterie kann es möglich sein, einen besonders nachhaltigen Betrieb der jeweiligen Batterie zu ermöglichen. 1002 is controlled, see block 1003. For example, it would be possible for control data (compare FIG. 1: control data 42) to be determined based on the comparison of the results and for this control data to be sent to the management system. As a general rule, one or more different parameters of the operation of the respective battery can be set. For example, it would be possible for the control data to specify one or more operating limits for the future operation of the battery. Alternatively or additionally, it would also be possible for the control data to specify one or more control parameters for thermal management and / or charging management of the battery. Such a feedback of the results of one or more state predictions or in general the characterization of the battery can make it possible to enable particularly sustainable operation of the respective battery.
Es ist aber nicht in allen Beispielen notwendig, dass eine Rückkopplung der Ergebnisse der ein oder mehreren Zustandsvorhersagen in den Betrieb der Batterie erfolgt. Insoweit ist BlockHowever, it is not necessary in all examples for the results of the one or more state predictions to be fed back into the operation of the battery. So far is Block
1003 ein optionaler Block. In manchen Beispielen wäre es alternativ oder zusätzlich möglich, dass Ergebnisse der Zu- standsvorhersagen in einer Datenbank (vergleiche FIG. 1 : Datenbank 82) gespeichert werden, siehe Block 1004. 1003 an optional block. In some examples it would alternatively or additionally be possible for results of the state predictions to be stored in a database (compare FIG. 1: database 82), see block 1004.
Als nächstes wird eine beispielhafte Implementierung des Durchführens der (optionalen) ein oder mehreren Zustandsvorhersagen in Block 1002 im Zusammenhang mit dem Flussdia- gramm in FIG. 6 beschrieben. Next, an exemplary implementation of performing the (optional) one or more state predictions in block 1002 in connection with the flow diagram in FIG. 6 described.
FIG. 6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Das Verfahren nach FIG. 6 kann von einem Server ausgeführt werden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass das Verfahren gemäß FIG. 6 vom Prozessor 51 des Servers 81 basierend auf Programmcode aus dem Speicher 52 ausgeführt wird (vgl. FIG. 3). FIG. 6 is a flow diagram of an exemplary method. The method according to FIG. 6 can be run from a server. For example, it would be possible that the method according to FIG. 6 is executed by the processor 51 of the server 81 based on program code from the memory 52 (cf. FIG. 3).
Das Verfahren gemäß FIG. 6 dient der Zustandsvorhersage für eine Batterie. Wenn mehrere Zustandsvorhersagen durchgeführt werden sollen, wird das Verfahren nach FIG. 6 mehrfach durchgeführt. The method according to FIG. 6 is used to predict the state of a battery. If several state predictions are to be carried out, the method according to FIG. 6 carried out several times.
In Block 1011 werden zunächst die Betriebswerte für die Kapazität und die Impedanz der je- weiligen Batterie erhalten. Block 1011 entspricht also Block 1001. Dies bedeutet, dass ein aktueller Wert für den SOH 99 der Batterie erhalten wird. Dies geschieht typischerweise ba- sierend auf Zustandsdaten die vom jeweiligen Managementsystem, das mit der entsprechen- den Batterie assoziiert ist, empfangen werden. Dies könnte auch die Verwendung einer Si- mulation - z.B. mit einem elektrischen und/oder einem thermischen Modell umfassen - um z.B. bestimmte verborgene Zustandsparameter der Batterie, die nicht unmittelbar gemessen werden können, zu bestimmen. Diese Betriebswerte dienen der Initialisierung der Zustands- vorhersage. In block 1011, the operating values for the capacity and the impedance of the respective battery are first obtained. Block 1011 thus corresponds to block 1001. This means that a current value for the SOH 99 of the battery is obtained. This is typically done based on status data that is received by the respective management system that is associated with the corresponding battery. This could also include the use of a simulation - e.g. with an electrical and / or a thermal model - in order to determine e.g. certain hidden state parameters of the battery that cannot be measured directly. These operating values are used to initialize the condition prediction.
Dann werden mehrere Iterationen 1099 der Blöcke 1012-1014 durchgeführt. Die verschiede- nen Iterationen 1099 entsprechen dabei Zeitschritten für die Zustandsvorhersage, d. h. fort- schreitender Zeit während des Vorhersageintervalls 152. Several iterations 1099 of blocks 1012-1014 are then performed. The different iterations 1099 correspond to time steps for the state prediction; H. advancing time during the prediction interval 152.
Dabei erfolgt zunächst in Block 1012 die Simulation eines elektrischen Zustands der Batterie und eines thermischen Zustands der Batterie mittels entsprechender Simulationsmodule, für den jeweiligen Zeitschrift der entsprechenden Iteration 1099. In Block 1012 erfolgt die Simulation unter Berücksichtigung einer entsprechenden Betriebs- randbedingung der Batterie. Diese hängt von der jeweiligen Zustandsvorhersage 181-183 ab. Außerdem kann ein entsprechendes Betriebsprofil für den Betrieb der Batterie angenommen werden. In this context, an electrical state of the battery and a thermal state of the battery are initially simulated in block 1012 by means of corresponding simulation modules for the respective journal of the corresponding iteration 1099. In block 1012, the simulation takes place taking into account a corresponding operating boundary condition of the battery. This depends on the respective state prediction 181-183. In addition, a corresponding operating profile can be assumed for operating the battery.
Zur Simulation des elektrischen und thermischen Zustands kann ein elektrisches Simulati- onsmodul gekoppelt werden mit einem thermischen Simulationsmodul. Das ist in FIG. 7 illus- triert. To simulate the electrical and thermal state, an electrical simulation module can be coupled with a thermal simulation module. This is shown in FIG. 7 illustrated.
FIG. 7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. FIG. 7 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit der Simulation einer Batterie, z.B. im Rahmen einer Zustandsüberwa- chung. FIG. 7 is a flow diagram of an exemplary method. FIG. 7 illustrates aspects in connection with the simulation of a battery, e.g. in the context of condition monitoring.
Als erstes erfolgt in Block 1021 die Initialisierung. Im Rahmen der Initialisierung können z.B. gemessene IST-Betriebswerte von der Batterie erhalten werden. The first step is initialization in block 1021. As part of the initialization, e.g. measured ACTUAL operating values can be obtained from the battery.
Dann wird eine Simulation von elektrischen Kenngrößen der Zellen durchgeführt, mit dem elektrischen Modell in Block 1022. Dies kann auf den gemessenen IST-Betriebswerten der Batterie basieren. A simulation of electrical parameters of the cells is then carried out with the electrical model in block 1022. This can be based on the measured ACTUAL operating values of the battery.
Das elektrische Simulationsmodul kann ein Ersatzschaltkreismodell (ECM) für die Batterie verwenden. Das ECM kann elektrische Bauelemente (Widerstand, Induktivität, Kapazität) umfassen. Die Parameter der Bauelemente des ECM können z.B. anhand eines Nyquist-Plots mit den charakteristischen Frequenzbereichen des Übertragungsverhaltens des Zellblocks der Batterie bestimmt werden. Durch die Implementierung auf dem Server 81 kann die Anzahl der RC-Glieder besonders hoch gewählt werden, z.B. größer als drei oder vier. Dadurch kann eine besonders hohe Genauigkeit der elektrischen Simulation erzielt werden. Dabei kann je ein ECM für jede Zelle eines Zellblocks verwendet werden. The electrical simulation module can use an equivalent circuit model (ECM) for the battery. The ECM can include electrical components (resistance, inductance, capacitance). The parameters of the components of the ECM can, for example, be determined using a Nyquist plot with the characteristic frequency ranges of the transmission behavior of the cell block of the battery. As a result of the implementation on the server 81, the number of RC elements can be selected to be particularly high, e.g. greater than three or four. A particularly high accuracy of the electrical simulation can thereby be achieved. One ECM can be used for each cell of a cell block.
Dann erfolgt die Simulation von thermischen Kenngrößen der Zellen, mit einem thermischen Modell in Block 1023. The simulation of thermal parameters of the cells then takes place with a thermal model in block 1023.
Das thermische Simulationsmodell ermöglicht es, den zeitliche Temperaturverlauf und optio- nal die lokale Temperatur zu bestimmen. Dabei können Wärmequellen (Wärmegeneration) und Wärmesenken (Wärmedissipation) berücksichtigt werden. Die Wärmeabgabe an die Umgebung kann berücksichtigt werden. Details zum Wärmegenerationsmodell sind z.B. beschrieben in: D. Bernandi, E. Pawlikowski, und J. Newman, “A General Energy Balance for Battery Systems,” Journal of the Electrochemical Society, 1985. Es können analytische oder numerische Modelle für die lokale Temperaturverteilung verwendet werden. Der Einfluss ein Thermomanagements kann berücksichtigt werden. Sh. z.B. M.-S. Wu, K. H. Liu, Y.-Y. Wang, und C.-C. Wan, “Heat dissipation design for lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Bd. 109, Rn. 1, S. 160-166, 2002. The thermal simulation model makes it possible to determine the temperature profile over time and, optionally, the local temperature. Heat sources (heat generation) and heat sinks (heat dissipation) can be taken into account. The heat dissipation to the environment can be taken into account. Details on the heat generation model are described, for example, in: D. Bernandi, E. Pawlikowski, and J. Newman, “A General Energy Balance for Battery Systems, Journal of the Electrochemical Society, 1985. Analytical or numerical models for local temperature distribution can be used. The influence of thermal management can be taken into account. Sh. e.g. M.-S. Wu, KH Liu, Y.-Y. Wang, and C.-C. Wan, “Heat dissipation design for lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Vol. 109, Rn. 1, pp. 160-166, 2002.
Anschließen kann - wenn eine weitergehende Prädiktion erfolgen soll - ein neuer Zeitschrift initialisiert werden, Block 1024, und die elektrischen und thermischen Modelle erneut ange- wendet. Andernfalls ist die Simulation abgeschlossen. Then - if a more extensive prediction is to be made - a new journal can be initialized, block 1024, and the electrical and thermal models applied again. Otherwise the simulation is finished.
Basierend auf einer solchen elektrisch-thermischen Modellierung wird dann - wieder Bezug nehmend auf FIG. 6 - in Block 1013 eine Alterungsschätzung durchgeführt, d. h. die Kapazität und die Impedanz der Batterie werden für den jeweiligen Zeitschrift basierend auf einem Ergebnis der Simulation des elektrischen Zustands und des thermischen Zustands der Batterie bestimmt. Based on such an electrical-thermal modeling - again with reference to FIG. 6 - an aging estimate is performed in block 1013, i. H. the capacity and the impedance of the battery are determined for each magazine based on a result of the simulation of the electrical condition and the thermal condition of the battery.
Im Zusammenhang mit der Alterungsschätzung können unterschiedliche Techniken verwen- det werden. Die Alterungsschätzung kann zum Beispiel ein empirisches Alterungsmodell und/oder ein maschinengelerntes Alterungsmodell umfassen. Zum Beispiel könnten ein empi- risches Alterungsmodell und ein maschinengelerntes Alterungsmodell parallel angewendet werden und dann Ergebnisse dieser beiden Alterungsmodelle durch Mittelung, beispielsweise gewichtete Mittelung, zusammengeführt werden. Different techniques can be used in connection with the aging estimation. The aging estimate can include, for example, an empirical aging model and / or a machine-learned aging model. For example, an empirical aging model and a machine-learned aging model could be used in parallel and the results of these two aging models could then be combined by averaging, for example weighted averaging.
Als allgemeine Regel könnte das empirische Alterungsmodell ein oder mehrere empirisch bestimmte Parameter umfassen, welche ein Betriebsprofil der Batterie, welches aus der Si- mulation aus Block 1012 erhalten wird, in Bezug setzen zu einer Verschlechterung des SOH 99, beispielsweise einer Herabsetzung der Kapazität und/oder Erhöhung der Impedanz. Die Parameter können zum Beispiel in Labormessungen bestimmt werden. Ein beispielhaftes empirisches Alterungsmodell ist beschrieben in: J. Schmalstieg, S. Käbitz, M. Ecker, und D. U. Sauer, “A holistic aging model for Li(NiMnCo)02 based 18650 lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Bd. 257, S. 325-334, 2014. As a general rule, the empirical aging model could include one or more empirically determined parameters which relate an operating profile of the battery, which is obtained from the simulation from block 1012, to a deterioration in the SOH 99, for example a reduction in capacity and / or increasing the impedance. The parameters can be determined in laboratory measurements, for example. An exemplary empirical aging model is described in: J. Schmalstieg, S. Käbitz, M. Ecker, and DU Sauer, “A holistic aging model for Li (NiMnCo) 02 based 18650 lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, Vol. 257, pp. 325-334, 2014.
Im Gegensatz dazu kann ein maschinengelerntes Alterungsmodell kontinuierlich auf Grund- lage von Zustandsdaten, die von unterschiedlichen Batterien desselben Typs erhalten werden, durch maschinelles Lernen angepasst werden. Zum Beispiel könnten künstliche neuronale Netzwerke, etwa Faltungsnetzwerk (engl convolutional neural network), verwendet werden. Eine andere Technik umfasst die sogenannte Stützvektormethode (engl support vector machine). Zum Beispiel können Daten von einem Ensemble von Batterien (vergleiche FIG. 1 : Batterien 91-96) verwendet werden, um einen entsprechenden Algorithmus durch maschi- nelles Lernen zu trainieren. In contrast to this, a machine-learned aging model can be continuously adapted by machine learning on the basis of status data obtained from different batteries of the same type. For example, artificial neural networks such as convolutional neural networks could be used. Another technique involves the so-called support vector method machine). For example, data from an ensemble of batteries (compare FIG. 1: batteries 91-96) can be used to train a corresponding algorithm by means of machine learning.
Anschließend wird in Block 1014 überprüft, ob ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird Block 1012 erneut durchgeführt, für einen nächsten Zeitschritt im Vor- hersageintervall 152, d.h. für die nächste Iteration 1099. Dabei werden die in der vorherigen Iteration 1099 bestimmten Kapazitäten und Impedanzen verwendet, d.h. die Simulationen in Block 1012 bauen aufeinander auf. Die iterative Anpassung von Kapazität und Impedanz ermöglicht eine besonders genaue Zustandsvorhersage. A check is then made in block 1014 to determine whether a termination criterion has been met. If this is not the case, block 1012 is carried out again for a next time step in the prediction interval 152, ie for the next iteration 1099. The capacitances and impedances determined in the previous iteration 1099 are used, ie the simulations in block 1012 build on each other. The iterative adaptation of capacitance and impedance enables a particularly precise state prediction.
Wenn das Abbruchkriterium in Block 1014 erfüllt ist, ist die Zustandsvorhersage abgeschlos- sen. Beispiele für Abbruchkriterien umfassen: Anzahl von Iterationen 1099; Ende des Vor- hersageintervalls 152 erreicht; Überschreitung bzw. Unterschreitung von Schwellenwerten für die Kapazität und/oder die Impedanz; etc. If the termination criterion in block 1014 is met, the state prediction is complete. Examples of termination criteria include: number of iterations 1099; End of prediction interval 152 reached; Exceeding or falling below threshold values for the capacity and / or the impedance; Etc.
Als nächstes werden Details zum thermischen Modell (vgl. FIG. 7: Block 1023) und zum elektrischen Modell (vgl. FIG. 7: Block 1022) beschrieben. Next, details of the thermal model (see FIG. 7: block 1023) and the electrical model (see FIG. 7: block 1022) are described.
FIG. 8 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem thermischen Modell. FIG. 8 illustrates aspects related to the thermal model.
In FIG. 8 ist dargestellt, dass das thermische Modell mehrere Untermodelle 6001-6003 um- fasst. Insbesondere umfasst das thermische Modell 6000 ein Zellmodell 6001 , d. h. ein ther- misches Modell für die einzelnen Zellen der Batterie. Das thermische Modell 6000 umfasst auch ein Luftmodell 6003. Das Luftmodell 6003 beschreibt einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und Umgebungsluft. Das thermische Modell 6000 umfasst auch ein thermisches Systemmodell 6002. Dieses beschreibt den Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie mit einer jeweiligen Umgebung. In FIG. 8 it is shown that the thermal model comprises several sub-models 6001-6003. In particular, the thermal model 6000 comprises a cell model 6001, i. H. a thermal model for the individual cells of the battery. The thermal model 6000 also includes an air model 6003. The air model 6003 describes a heat exchange between the cells of the battery and ambient air. The thermal model 6000 also includes a thermal system model 6002. This describes the heat exchange between the cells of the battery with a respective environment.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des thermischen Modells 6000 erläutert. Das Modell wird bei 1101 initialisiert. Bei der Initialisierung 1101 wird eine Reihe von Parametern 1102 übergeben. Beispielhafte Parameter 1102 umfassen insbesondere die Temperatur der ver- schiedenen Zellen. Diese Temperatur kann gemessen werden und, als Betriebswerte, in Form der Zustandsdaten 41 erhalten werden. Außerdem wird die Stromstärke I in den ver- schiedenen Zellen erhalten und ein Ladezustand SOC. Es können auch die verschiedenen Überspannungen erhalten werden. Diese Werte können wiederum gemessen werden, oder z.B. aus dem elektrischen Simulationsmodell erhalten werden. Diese Parameter werden dann der Berechnung der irreversiblen Wärmegeneration bei 1103 und der Berechnung der reversiblen Wärmegeneration bei 1104 zugeführt. The following explains how the Thermal Model 6000 works. The model is initialized at 1101. During the initialization 1101, a number of parameters 1102 are transferred. Exemplary parameters 1102 include, in particular, the temperature of the various cells. This temperature can be measured and, as operating values, can be obtained in the form of status data 41. In addition, the current strength I is obtained in the various cells and a state of charge SOC. The various overvoltages can also be obtained. These values can in turn be measured or, for example, obtained from the electrical simulation model. These parameters are then fed to the calculation of the irreversible heat generation at 1103 and the calculation of the reversible heat generation at 1104.
Der irreversible Anteil der Wärmegeneration in Block 1103 ist abhängig von der elektrischen Zellspannung und dem Zellstromfluss in den Zellen. Der reversible Anteil des Wärmegenera- tionsmodells in Block 1104 ist abhängig von einem Entropiekoeffizienten, der Temperatur so- wie dem Zellstrom. The irreversible portion of the heat generation in block 1103 depends on the electrical cell voltage and the cell current flow in the cells. The reversible portion of the heat generation model in block 1104 is dependent on an entropy coefficient, the temperature and the cell current.
Die Wärmegenerationsmodelle stellen die Schnittstelle zwischen elektrischem Zustand bzw. der Ausgabe des elektrischen Modells sowie dem thermischen Modell dar. Neben der irre- versiblen, jouleschen Wärmegeneration (Block 1103) die sich direkt aus dem elektrischen Modell anhand der Summe der Überspannungen Uov multipliziert mit dem Strom / ergibt, wird mittels des Entropiekoeffizienten und der Temperatur T im Wärmegenerationsmodell noch die reversible Wärme berücksichtigt (Block 1104): The heat generation models represent the interface between the electrical state or the output of the electrical model and the thermal model. In addition to the irreversible, Joule heat generation (block 1103) which results directly from the electrical model based on the sum of the overvoltages U ov multiplied by the current / is determined by means of the entropy coefficient and the temperature T in the heat generation model also takes the reversible heat into account (block 1104):
Der Entropiekoeffizient kann typischerweise als konstant über die Temperatur angenommen werden. The entropy coefficient can typically be assumed to be constant over temperature.
Die Bestimmung des Entropiekoeffizienten erfolgt beispielsweise anhand potentiometrischer Messungen. Andere Beispiele umfassen das Erfassen einer Leerlaufspannungs-Kurve bei mehreren Temperaturen oder eine kalorimetrische Messung. The entropy coefficient is determined, for example, using potentiometric measurements. Other examples include capturing an open circuit voltage curve at multiple temperatures or taking a calorimetric measurement.
Eine Referenzimplementierung für potentiometrische Messungen ist z.B. beschrieben in: A. Eddahech, O. Briat, und J.-M. Vinassa, “Thermal characterization of a high-power lithium-ion battery: Potentiometrie and calorimetric measurement of entropy changes,” Energy, Bd. 61 , S. 432—439, 2013. A reference implementation for potentiometric measurements is described e.g. in: A. Eddahech, O. Briat, and J.-M. Vinassa, “Thermal characterization of a high-power lithium-ion battery: Potentiometry and calorimetric measurement of entropy changes,” Energy, Vol. 61, pp. 432-439, 2013.
Bei der potentiometrischen Messung kann bei mehreren Temperaturen jeweils ein Tempera- tursprung angewendet werden und die Änderung der Ruhespannung gemessen werden. In einem konkreten Beispiel werden bei den potentiometrischen Messungen die Zellen jeweils vom vollgeladenen Zustand in 10 % SOC-Schritten mit 1C bei 25 °C entladen und an- schließend solange (min. 5 h, je nach Zelle bis zu 48 h) relaxiert, bis sich die Ruhespannung mit einem Gradienten von einstellt. Im Anschluss werden jeweils definierte Temperatursprünge auf 5, 25 und 45 °C mit jeweils 5 h Wartezeit zur Akklimatisierung vorge- nommen. Die Ruhespannungswerte am Ende der Akklimatisierungsphasen werden gespei- chert und zur Bildung des linearen Entropiekoeffizienten für den jeweiligen SOC-Schritt verwendet. With the potentiometric measurement, a temperature jump can be applied at several temperatures and the change in the open-circuit voltage can be measured. In a specific example, in the potentiometric measurements the cells are each discharged from the fully charged state in 10% SOC steps with 1C at 25 ° C and then relaxed (min. 5 h, depending on the cell up to 48 h) until the rest voltage with a gradient of adjusts. Defined temperature jumps to 5, 25 and 45 ° C with a waiting time of 5 hours are then made for acclimatization. The rest voltage values at the end of the acclimatization phases are saved and used to form the linear entropy coefficient used for the respective SOC step.
Es ist dann möglich, dass die potentiometrische Messung bei mehreren Ladungszuständen der Zellen, d. h. bei mehreren SOC-Werten, durchgeführt wird. Derart kann der Entropiekoef- fizient für die mehreren Ladungszustände bestimmt werden. Insbesondere kann der Entro- piekoeffizient eine Abhängigkeit vom Ladungszustand aufweisen. Beispielsweise wurde beo- bachtet, dass eine signifikante Abweichung des Entropiekoeffizienten für Ladungszustände von kleiner 20 % auftritt. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass der Entropie- koeffizient für Aufladen und Entladen der Batterie getrennt bestimmt wird. Das bedeutet, dass die mehreren Ladungszustände in Abhängigkeit von einer Laderichtung oder einer Ent- laderichtung bestimmt werden können. It is then possible for the potentiometric measurement to be carried out with several charge states of the cells, i.e. H. if there are several SOC values. In this way the entropy coefficient can be determined for the several charge states. In particular, the entropy coefficient can be dependent on the state of charge. For example, it has been observed that there is a significant deviation in the entropy coefficient for charge states of less than 20%. As an alternative or in addition, it would also be possible for the entropy coefficient for charging and discharging the battery to be determined separately. This means that the multiple charge states can be determined depending on a direction of charge or a direction of discharge.
Es ist dann möglich, jeweils in Abhängigkeit vom SOC und/oder der Lade- bzw. Entladerich- tung unterschiedliche Werte für den Entropiekoeffizienten im Zusammenhang mit der rever- siblen Wärmegeneration in Block 1104 zu verwenden. It is then possible to use different values for the entropy coefficient in connection with the reversible heat generation in block 1104, depending on the SOC and / or the charging or discharging direction.
In Abhängigkeit von der Wärmegeneration aus Blöcken 1103-1104 kann in Block 1105 die Zellentemperatur bestimmt werden. Block 1105 implementiert ein Wärmedissipationsmodell. Als allgemeine Regel sind unterschiedliche Arten von Wärmedissipationsmodellen denkbar. Insbesondere können unterschiedlich komplexe Wärmedissipationsmodelle verwendet wer- den, je nach Zelltypen oder benötigter Genauigkeit. The cell temperature can be determined in block 1105 as a function of the heat generation from blocks 1103-1104. Block 1105 implements a heat dissipation model. As a general rule, different types of heat dissipation models are conceivable. In particular, differently complex heat dissipation models can be used, depending on the cell type or the required accuracy.
Bei der Wahl des Wärmedissipationsmodells kann zwischen unterschiedlich komplexen Mo- dellierungsansätzen ausgewählt werden. Hierbei entscheidend sind die Temperaturdifferen- zen und Wärmegradienten, die für ein gegebenes Batteriesystem unter antizipierten Belas- tungsszenarien auftreten und entsprechend genau modelliert werden sollen. When choosing the heat dissipation model, one can choose between differently complex modeling approaches. The temperature differences and heat gradients that occur for a given battery system under anticipated load scenarios and should be modeled accordingly are crucial here.
Wesentlichen Einfluss darauf haben das verwendete Zellformat, Kühlungssystem und Batte- riepackdesign. Für eine Alterungsprädiktion von Lithium-Ionen-Zellen ist im Speziellen die Temperaturentwicklung im Elektrodenwickel von Interesse. Es wurde z.B. ein Zusammenhang der volumetrisch gemittelten Wickeltemperatur und der Zelldegradation von thermisch homogenen Zellen derselben Temperatur festgestellt. Andererseits wurde festgestellt, dass die thermische Inhomogenität selbst keine signifikante zusätzliche Degradation zeigt. Für eine Batteriepackkonfiguration mit zu erwartender inhomogener Zellwickeltemperatur muss demnach jedoch der volumetrische Mittelwert berechenbar sein, um eine valide Zustands- überwachung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist bei hohen Temperaturdifferenzen innerhalb der Zelle die Kenntnis deren Verteilung notwendig, um etwaige sicherheitskritische Hot-Spots zu detektieren. Um die Wärmegradienten und somit die nötige Ortsraum-Dimensionalität des thermischen Modells für ein gegebenes Batteriesystem zu ermitteln, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: The cell format, cooling system and battery pack design used have a major influence on this. For an aging prediction of lithium-ion cells, the Temperature development in the electrode coil of interest. For example, a connection between the volumetrically averaged winding temperature and the cell degradation of thermally homogeneous cells at the same temperature was established. On the other hand, it was found that the thermal inhomogeneity itself does not show any significant additional degradation. For a battery pack configuration with an expected inhomogeneous cell winding temperature, however, it must therefore be possible to calculate the volumetric mean value in order to enable valid status monitoring. In addition, if there are high temperature differences within the cell, knowledge of their distribution is necessary in order to detect any safety-critical hot spots. To determine the thermal gradients and thus the necessary spatial dimensionality of the thermal model for a given battery system, there are basically two options:
Erstens: Experimentelle Vermessung: Durch an und vor allem in die Zelle eingebrachte Tem- peratursensoren wird die Temperaturentwicklung infolge von Belastung direkt gemessen. Die Einbringung von Temperatursensoren ins Zellinnere kann einen erheblichen Präparations- aufwand darstellen. Durch Sensoren am Zellgehäuse kann die Temperaturverteilung im Ak- tivmaterial nur abgeschätzt werden, weil diese durch das vergleichsweise gut leitende Ge- häusematerial (Aluminium oder Stahl) beeinflusst werden. First: Experimental measurement: Temperature sensors installed on and above all in the cell measure the temperature development as a result of exposure directly. The introduction of temperature sensors into the cell interior can represent a considerable preparation effort. The temperature distribution in the active material can only be estimated by sensors on the cell housing because it is influenced by the comparatively good conductive housing material (aluminum or steel).
Zweitens: Simulative Untersuchung: Mittels eines dreidimensional aufgelösten Zellmodells, dass die Anbindung des Kühlsystems über Temperatur- oder Wärmeflussrandbedingungen berücksichtigt, können mit der Wärmegeneration aus bspw. einem elektrischen Modell die sich im Betrieb einstellenden Temperaturdifferenzen simulativ analysiert werden. Dies kann mit einer Finiten-Elemente Simulation für verschiedene Kühlkonfigurationen durchgeführt werden. Second: Simulative investigation: Using a three-dimensionally resolved cell model that takes into account the connection of the cooling system via temperature or heat flow boundary conditions, the temperature differences that occur during operation can be analyzed using the heat generation from, for example, an electrical model. This can be done with a finite element simulation for different cooling configurations.
Sowohl bei der experimentellen Vermessung wie auch der simulativen Untersuchung kann ein Betriebsprofil zugrunde gelegt werden, welches z.B. anhand der Zustandsdaten 41 für die konkrete Batterie im Rahmen des Feldbetriebs erhalten wird. Das bedeutet also, dass zum Beispiel Belastung, entnommene Ladung, Entladerate, Laderate, Entladetiefe, etc. in Abhängigkeit vom konkreten Betrieb berücksichtigt werden können. Both the experimental measurement and the simulative investigation can be based on an operating profile that is obtained, for example, from the status data 41 for the specific battery in the context of field operation. This means that, for example, load, removed charge, discharge rate, charge rate, depth of discharge, etc. can be taken into account depending on the specific operation.
Es ist dann möglich, das Ergebnis einer solchen simulativen und/oder experimentellen Unter- suchung der Ortsraum-Temperaturgradienten in den Zellen zu berücksichtigen, um die Orts- raum-Dimensionalität des Wärmedissipationsmodells zu bestimmen. Wenn zum Beispiel sig- nifikante Temperaturgradienten im Ortsraum experimentell oder mittels Simulation bestimmt werden, dann kann ein höheres dimensionales Wärmedissipationsmodell verwendet werden, welches zum Beispiel in 2-D oder 1-D definiert ist. Ansonsten könnte ein 0-D Wärmedissipa- tionsmodell verwendet werden. Als allgemeine Regel wären auch 3-D Wärmedissipationsmodelle möglich. Beispielsweise wurde festgestellt, dass für Zellen, die nicht in einer kartesischen Koordinatensystem angeordnet sind, sondern beispielsweise versetzt zueinander, ein 3-D Wärmedissipationsmodell besonders hilfreich sein kann. It is then possible to take into account the result of such a simulative and / or experimental investigation of the spatial temperature gradients in the cells in order to determine the spatial dimensionality of the heat dissipation model. If, for example, significant temperature gradients in the spatial area are determined experimentally or by means of simulation, then a higher dimensional heat dissipation model can be used, which is defined in 2-D or 1-D, for example. Otherwise a 0-D heat dissipation model could be used. As a general rule, 3-D heat dissipation models would also be possible. For example, it was found that a 3-D heat dissipation model can be particularly helpful for cells that are not arranged in a Cartesian coordinate system, but rather offset from one another, for example.
Es wurde festgestellt, dass oftmals in Abhängigkeit vom Zelltyp und/oder in Abhängigkeit vom Kühlsystem der Batterie auch ohne experimentelle oder simulative Untersuchung bereits bestimmt werden kann, ob mittels eines Wärmedissipationsmodells niedriger Dimensionalität im Ortsraum bereits ausreichend gute Ergebnisse erzielt werden können. Beispielsweise wurde bestimmt, dass bei einer Rundzelle unabhängig von der konkreten Kühlungsvariante (Mantelkühlung, Ableiterkühlung oder keine Kühlung) ein 0-D Wärmedissipationsmodell ausreichend sein kann. Dies ist anders bei einer prismatischen Zelle. Dort kann typischerweise ein 2-D Modell für die Wärmedissipation erforderlich sein. It was found that, depending on the cell type and / or depending on the cooling system of the battery, it can already be determined without experimental or simulative investigation whether sufficiently good results can already be achieved in the spatial area using a heat dissipation model of low dimensionality. For example, it was determined that a 0-D heat dissipation model can be sufficient for a round cell, regardless of the specific cooling variant (jacket cooling, conduction cooling or no cooling). This is different with a prismatic cell. A 2-D model for heat dissipation may typically be required there.
Dabei kann das Zellmodell für eine Ortsraum-Dimensionalität von 0-D analytisch definiert sein und für eine Ortsraum-Dimensionalität von 1-D oder 2-D numerisch mit finiten Elementen definiert sein (wobei eine Mesh-Dichte für die Simulation im Rahmen der Zustandsüber- wachung deutlich geringer sein kann, als eine Mesh-Dichte für die Kalibrations-Simulation zur Ermittlung der benötigten Ortsraum-Dimensionalität, wie oben beschrieben). Selbiges kann für eine 3-D Ortsraum-Dimensionalität gelten. The cell model can be analytically defined for a spatial dimensionality of 0-D and numerically defined with finite elements for a spatial dimensionality of 1-D or 2-D (with a mesh density for the simulation in the context of the state over- monitoring can be significantly lower than a mesh density for the calibration simulation to determine the required spatial dimensionality, as described above). The same can apply to a 3-D spatial dimension.
Zur Validierung der Wahl der Ortsraum-Dimensionalität der Dissipationsmodelle kann die stationäre und instationäre Wärmeleitung in einer Kalorimetermessung unter definierter Ver- lustleistungsvorgabe betrachtet werden. Dadurch wird eine etwaige Fehlerfortpflanzung vom elektrischen Modell unterbunden. Als Belastungszyklen werden z.B. ausgewählt: To validate the choice of spatial dimension of the dissipation models, the stationary and unsteady heat conduction can be considered in a calorimeter measurement with a defined power loss specification. This prevents any error propagation from the electrical model. The following load cycles are selected, for example:
• Konstante Verlustleistung: Mehrere Phasen mit abwechselnden Lade-/Entladepulsen (Dauer 1s) in jeweils variierender Laderaten (C-Rate). Zwischen den verschiedenen C-Raten jeweils definierte Pausen. Belastungs- und Pausendauer werden so gewählt, dass jeweils ein stationäres Temperaturniveau erreicht wird. • Constant power loss: Several phases with alternating charging / discharging pulses (duration 1s) at varying charging rates (C rate). Defined pauses between the various C rates. The duration of the load and the pause are selected so that a steady temperature level is reached.
• Sinusprofil: Konstantleistungsprofil modelliert mit einem Sinussignal, woraus ein sinusförmi- ges Verlustleistungsprofil von 0 bis Pmax resultiert. Amplitude und Frequenz werden derart gewählt, dass sich eine sinusförmige Temperaturantwort mit konstanter Amplitude und Fre- quenz ergibt. Peide Belastungszyklen sind SOC-neutral (abgesehen von den 1 s Pulsen), wodurch keine nicht direkt messbare reversible Wärmegeneration entsteht. Die irreversible Wärmegeneration wird anhand von Klemmenspannung berechnet und ent- sprechend dem Dissipationsmodell vorgegeben: • Sinus profile: constant power profile modeled with a sinusoidal signal, which results in a sinusoidal power loss profile from 0 to P max . The amplitude and frequency are selected in such a way that a sinusoidal temperature response with constant amplitude and frequency results. Both load cycles are SOC-neutral (apart from the 1 s pulses), which means that no reversible heat generation that cannot be directly measured occurs. The irreversible heat generation is based on terminal voltage calculated and specified according to the dissipation model:
Zur Analyse der Temperaturverteilung der Zellen können diese jeweils mit mehreren Tempe- ratur-Sensoren am Zellgehäuse versehen werden. To analyze the temperature distribution of the cells, these can each be provided with several temperature sensors on the cell housing.
Messungen können in einem Thermoschrank bei konstanter Temperatur durchgeführt werden. Die Umgebungstemperatur wird gemessen. Als Wärmetransportarten werden zunächst nur freie Konvektion und Strahlung angenommen. Die Zellen werden z.B. stehend auf einer Gummimatte platziert. Measurements can be carried out in a thermal cabinet at constant temperature. The ambient temperature is measured. Initially, only free convection and radiation are assumed as types of heat transport. For example, the cells are placed upright on a rubber mat.
Dann kann die Temperaturverteilung der Zellen bei beiden Validierungszyklen z.B. mit einer maximalen konstanten Verlustleistung von ca. 0,3 W betrachtet werden. Es kann dann in Ab- hängigkeit der Größe der Temperaturverteilung überprüft werden, ob beispielsweise die Wahl eines Wärmedissipationsmodells mit 0-D Ortsraum-Dimensionalität gerechtfertigt ist. Then the temperature distribution of the cells can be viewed in both validation cycles, e.g. with a maximum constant power loss of approx. 0.3 W. Depending on the size of the temperature distribution, it can then be checked whether, for example, the choice of a heat dissipation model with 0-D spatial dimensionality is justified.
Das Wärmedissipationsmodell kann also wie obenstehend konfiguriert werden und erhält als Eingabe die Wärmegeneration aus Blöcken 1103 und 1104. Aus FIG. 7 ist ersichtlich, dass die Bestimmung der Zelltemperatur mit dem Wärmedissipationsmodell in Block 1105 auch in Abhängigkeit von einem Wärmestrom aus dem System (Block 1113) sowie in Abhängigkeit der Lufttemperatur (Block 1118) erfolgt. Dazu wird das Systemmodell 6002 und das Luftmodell 6003 verwendet. The heat dissipation model can thus be configured as above and receives the heat generation from blocks 1103 and 1104 as input. From FIG. 7 it can be seen that the determination of the cell temperature with the heat dissipation model in block 1105 also takes place as a function of a heat flow from the system (block 1113) and as a function of the air temperature (block 1118). The system model 6002 and the air model 6003 are used for this.
Das Zellmodell berechnet basierend auf der reversiblen und irreversiblen Verlustleistung Pv sowie der Wärmedissipationsströme die Zelltemperaturen für jeden Zeitschrift (Block 1107). Die Dissipationsströme setzen sich dabei aus konvektiven Wärmestrom PKonv und Wärme- strahlung PRad (aus dem Luftmodell, Block 1106) sowie den verschiedenen Wärmeströmen des Systemmodells PPack zusammen. Im O-D-Wärmedissipationsmodell berechnet sich die Zelltemperatur folglich nach: Wobei m der Zellmasse und cp der Wärmekapazität entspricht. Im 2-D- Wärmedissipations- modell wird die Verlustleistung Pv gleichmäßig auf das Aktivmaterial verteilt und die Tempe- raturverteilung innerhalb der Zelle anhand der Fourier’schen Differentialgleichung mittels Fi- nite-Elemente-Methode berechnet. Die Dissipationsströme durch die Luft und Systemkompo- nenten werden nach den definierten Seitenflächen berücksichtigt. The cell model calculates the cell temperatures for each magazine based on the reversible and irreversible power loss P v and the heat dissipation currents (block 1107). The dissipation currents are composed of convective heat flow P conv and heat radiation P wheel (from the air model, block 1106) as well as the various heat flows of the system model P pack . In the OD heat dissipation model, the cell temperature is calculated according to: Where m is the cell mass and c p is the heat capacity. In the 2-D heat dissipation model, the power loss P v is evenly distributed over the active material and the temperature distribution within the cell is calculated using Fourier's differential equation using the finite element method. The dissipation flows through the air and system components are taken into account according to the defined side surfaces.
Als nächstes werden Details zum Luftmodell 6003 beschrieben. Beim Luftmodell 6003 wird je nach Luftgeschwindigkeit (Block 1115) zwischen freier oder erzwungener Konvektion un- terschieden (Block 1114). Bei freier Konvektion wird für jede Zelle eine thermische Luftmasse der umgebenden Luft initialisiert. Diese wird über Widerstände mit den benachbarten Luftmassen beziehungsweise der Umgebung (Temperaturrandbedingung) verknüpft (Block 1117). Erzwungene Konvektion wird mittels eines Strömungsnetzmodells abgebildet (Block 1116). Im Zellmodell werden zuerst die Wärmeströme zwischen den Zellen und den zugehö- rigen Luft-Kontrollvolumina anhand von Korrelationsbeziehungen berechnet (Block 1106). In Bezug auf die definierte Strömungsrichtung werden im Luftmodell dann die Wärmeströme von strömungstechnisch parallelen Zellen zu PKonv addiert und gemäß Gl. (6) die Tempera- turerhöhung AT des Luftmassenstroms bestimmt. Next, details of the air model 6003 will be described. In the case of the air model 6003, a distinction is made between free or forced convection (block 1114) depending on the air speed (block 1115). With free convection, a thermal air mass of the surrounding air is initialized for each cell. This is linked to the neighboring air masses or the environment (temperature boundary condition) via resistors (block 1117). Forced convection is mapped using a flow network model (block 1116). In the cell model, the heat flows between the cells and the associated air control volumes are first calculated using correlation relationships (block 1106). In relation to the defined flow direction, the heat flows from cells with parallel flow are then added to P conv in the air model and calculated according to Eq. (6) the temperature increase AT of the air mass flow certainly.
Als nächstes werden Details zum Systemmodell 6002 beschrieben. Das Systemmodell 6002 bündelt drei zellübergreifende Effekte: Wärmeaustausch zwischen den Zellen (Block 1110), Wärmeaustausch zwischen Zellen und Peripherieelemente (Block 1109) und Wärmeaus- tausch zwischen Zellen und einem Fluidkühlelement, z.B. einem mit Kühlmittel durchflossenen Schlauch (Block 1111). Diese Effekte werden in Block 1112 addiert. Next, details of the system model 6002 will be described. The system model 6002 bundles three cross-cell effects: heat exchange between the cells (block 1110), heat exchange between cells and peripheral elements (block 1109) and heat exchange between cells and a fluid cooling element, e.g. a hose through which coolant flows (block 1111). These effects are added in block 1112.
Der Wärmeaustausch zwischen Zellen kann in 2-D definiert und mit zugehörigen Kontaktwi- derständen parametriert werden. Konduktion mit Peripherieelementen, wie Stromableiter, Wärmeleitblechen oder Montageelementen oder anderen Festkörper-Kühlelementen, kann ebenso zellindividuell eingestellt werden. Die Parametrierung der Peripherieelemente wird z. B. zunächst analytisch vorgenommen und ggf. im Experiment korrigiert. Neben dem Einfluss von Festkörper kann mit dem Peripheriemodell ebenso eine Temperierung mittels Kältemittel abgebildet werden, solange dies in zwei Phasen mit konstanter Temperatur vorliegt. Die Abbildung eines, das Batteriepack durchströmenden Kühlmittels mit sich ändernder Temperatur, wird in Block 1111 des Systemmodells 6002 bewerkstelligt. Die Reihenfolge, in welcher das Kühlmittel die Zellen passiert, wird anhand einer Matrix in 2-D eingestellt. The heat exchange between cells can be defined in 2-D and parameterized with the associated contact resistances. Conduction with peripheral elements, such as current conductors, heat conducting plates or assembly elements or other solid-state cooling elements, can also be set individually for each cell. The parameterization of the peripheral elements is e.g. B. initially carried out analytically and corrected in the experiment if necessary. In addition to the influence of solids, the peripheral model can also be used to map temperature control using refrigerants, as long as this is present in two phases with constant temperature. The Mapping of coolant flowing through the battery pack with changing temperature is accomplished in block 1111 of system model 6002. The order in which the coolant passes through the cells is set using a matrix in 2-D.
Dabei gibt es verschiedene Strategien, um eine Parametrierung des Systemmodells 6002 durchzuführen, d.h. also die Werte für die verschiedenen Parameter - wie z.B. Kontaktwie- derstände, Wärmekapazitäten usw. - zu erhalten. There are various strategies for parameterizing the system model 6002, i.e. for obtaining the values for the various parameters, such as contact resistance, heat capacities, etc.
In einem Beispiel könnte die Parametrierung von Kontaktwiderständen und/oder Wärmeka- pazitäten des Wärmeaustausches zwischen den Zellen der Batterie untereinander, des Wär- meaustausches der Zellen mit dem Festkörperkühlelement und des Wärmeaustausches der Zellen mit dem Fluidkühlelement basierend auf vorgegebenen Referenzwerten erfolgen. Diese können z.B. für die verschiedenen Materialien aus der Literatur erhalten werden. Material- und stoffspezifische Kennwerte von Peripherie und Kühlsystem können der Literatur entnommen werden. In one example, the parameterization of contact resistances and / or heat capacities of the heat exchange between the cells of the battery with one another, the heat exchange of the cells with the solid-state cooling element and the heat exchange of the cells with the fluid cooling element could be based on predetermined reference values. These can be obtained e.g. for the various materials from the literature. Material and substance-specific parameters of peripherals and cooling systems can be found in the literature.
Es wäre dann möglich, anschließend diese Parametrierung anzupassen, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten. Insbesondere kann eine solche Validierung auf Zellebene oder Sys- temebene (d.h. unter Berücksichtigung des Systemmodells 6002 und des Luftmodells 6003) erfolgen. It would then be possible to subsequently adapt this parameterization in order to obtain a higher level of accuracy. In particular, such a validation can take place at cell level or system level (i.e. taking into account the system model 6002 and the air model 6003).
Die Wärmekapazitäten einzelner Zellen können mit einem Kalorimeter bestimmt werden. Mit eingesetzter Zelle werden dabei z.B. Temperatursprünge um ±1 °C durchgeführt und die dafür nötige Wärmeleistung Pz aufgezeichnet. Die Sprünge können mit einem leerem Kalorimeter wiederholt (Wärmeleistung PB) werden. Die Wärmekapazität der Zelle ergibt sich ent- sprechend Gl. (7) zu: The heat capacities of individual cells can be determined with a calorimeter. With the cell inserted, temperature jumps of ± 1 ° C, for example, are carried out and the necessary thermal output P z is recorded. The jumps can be repeated with an empty calorimeter (thermal output PB). The heat capacity of the cell results from Eq. (7) to:
Typische spezifische Wärmekapazitäten liegen im Bereich von 700 bis 1000 J/(kg K). Typical specific heat capacities are in the range from 700 to 1000 J / (kg K).
Auch zur Bestimmung der Kopplung von mehreren Zellen untereinander und zur Peripherie bzw. Luft kann eine kalorimetrische Messung der Erwärmung verwendet werden. Mehrere Zellen können in eine Referenzmatrixanordnung gebracht werden. Das bedeutet, dass be- nachbarte Zellen beabstandet zueinander angeordnet sein können. Dadurch kann die er- zwungene Konvektion für ein Strömungsnetzmodell mit Korrelationsbeziehungen vermessen werden. Die Referenzmatrixanordnung kann in einen Strömungskanal eingebracht werden. Mittels eines Axiallüfters kann die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Durch ent- lang der Referenzmatrixanordnung verteilte Temperaturmesser kann die Temperaturvertei- lung gemessen werden. Daraus kann dann die Parametrierung der Kontaktwiderstände und/oder der Wärmekapazitäten angepasst werden. A calorimetric measurement of the heating can also be used to determine the coupling of several cells to one another and to the periphery or air. Several cells can be placed in a reference matrix arrangement. This means that neighboring cells can be arranged at a distance from one another. In this way, the forced convection can be measured for a flow network model with correlation relationships will. The reference matrix arrangement can be introduced into a flow channel. The flow speed can be adjusted by means of an axial fan. The temperature distribution can be measured by temperature meters distributed along the reference matrix arrangement. The parameterization of the contact resistances and / or the thermal capacities can then be adapted from this.
Die anisotropen Wärmeleitwerte der Zellen sowie deren Wärmeübergangskoeffizient für be- stimmte Referenzkonfigurationen können mittels thermischer Impedanzspektroskopie (TIS) bestimmt werden. Dabei wird der Zelle eine sinusförmige Verlustleistung unterschiedlicher Frequenz aufgeprägt und die Temperaturantwort an der Zelloberfläche gemessen. Über die Übertragungsfunktion des thermischen Dissipationsmodells und der berechneten thermischen Impedanz können somit charakteristische thermische Kennwerte bestimmt werden. The anisotropic thermal conductivity values of the cells as well as their heat transfer coefficient for certain reference configurations can be determined by means of thermal impedance spectroscopy (TIS). A sinusoidal power loss of different frequency is impressed on the cell and the temperature response is measured on the cell surface. Characteristic thermal parameters can thus be determined via the transfer function of the thermal dissipation model and the calculated thermal impedance.
FIG. 9 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Die verschiedenen obenste- hend beschriebenen Techniken zur Parametrierung des thermischen Modells 6000 werden in FIG. 9 zusammengefasst. Mittels der Technik der FIG. 9 ist eine Parametrisierung des thermischen Modells 6000 (vergleiche FIG. 8) möglich. FIG. 9 is a flow diagram of an exemplary method. The various techniques described above for parameterizing the thermal model 6000 are shown in FIG. 9 summarized. Using the technique of FIG. 9 a parameterization of the thermal model 6000 (see FIG. 8) is possible.
Dabei kann es verschiedene Auslösekriterien geben, die eine Parametrierung gemäß dem Verfahren in Fig. 9 auslösen. In einem Beispiel könnte eine Typ-spezifische Parametrierung erfolgen. Dies bedeutet, dass der Server 81 in der Datenbank 82 (vergleiche Fig. 1) zum Bei- spiel einen Katalog von unterschiedlichen Typen von Batterien 91-96 verwalten kann. Immer wenn eine Simulation initialisiert wird (vergleiche Fig. 7: Block 1021) könnte der Server 81 auf die Datenbank zugreifen und die entsprechenden Werte der Parameter auslesen, jeweils für den aktuellen Batterietyp. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass eine Batterie- spezifische Parametrierung erfolgt. In einem solchen Fall könnte in der Datenbank 82 ein Katalog von unterschiedlichen Batterien 91-96 vom Server 81 verwaltet werden. Der Server 81 könnte dann jeweils die aktuelle Batterie identifizieren und die entsprechenden Betriebs- pa ra meterwerte laden. Schließlich wäre es auch möglich, dass eine Parametrierung zumindest teilweise für jede Simulation angepasst wird. Dann könnte beim Ausführen von Block 1021 eine neue Parametrierung angestoßen werden. Ein beispielhaftes Anwendungsszenario betreffe zum Beispiel die Auswahl der Komplexität des Simulationsmodells. Manchmal kann es zum Beispiel aufgrund des spezifischen Betriebsprofils einer entsprechenden Batterie 91- 96 ausreichend sein, ein weniger komplexes Simulationsmodell auszuwählen. Ein Beispiel betreffe zum Beispiel die Ortsraum-Dimensionalität eines Wärmedissipationsmodells der thermischen Simulation. Wenn das Betriebsprofil zum Beispiel eine geringe Belastung der Batterie indiziert (langsames Laden oder Entladen, etc.) dann können Temperatur-Gradienten innerhalb der Batterie gering sein. Dann kann eine niedrigere Ortsraum-Dimensionalität für das Wärmedissipationsmodell verwendet werden. There can be various trigger criteria that trigger a parameterization according to the method in FIG. 9. In one example, a type-specific parameterization could take place. This means that the server 81 can manage, for example, a catalog of different types of batteries 91-96 in the database 82 (see FIG. 1). Whenever a simulation is initialized (compare FIG. 7: block 1021) the server 81 could access the database and read out the corresponding values of the parameters, in each case for the current battery type. In other examples it would also be possible for a battery-specific parameterization to take place. In such a case, a catalog of different batteries 91-96 from the server 81 could be managed in the database 82. The server 81 could then identify the current battery and load the corresponding operating parameter values. Finally, it would also be possible for a parameterization to be at least partially adapted for each simulation. Then a new parameterization could be initiated when executing block 1021. An exemplary application scenario concerns, for example, the selection of the complexity of the simulation model. Sometimes, based on the specific operating profile of a corresponding battery 91-96, for example, it may be sufficient to select a less complex simulation model. One example concerns, for example, the spatial dimension of a heat dissipation model of the thermal simulation. If the operating profile indicates, for example, a low load on the battery (slow charging or discharging, etc.) then temperature gradients can be used inside the battery. Then a lower spatial dimension can be used for the heat dissipation model.
Zunächst erfolgt in Block 1031 die Quantifizierung des Modells für die Wärmegeneration. Dazu kann insbesondere ein reversibler Anteil parametrisiert werden. Zum Beispiel kann dazu eine potentiometrische Messung durchgeführt werden und derart ein Entropiekoeffizient bestimmt werden. Vergleiche Gl. 3. First, in block 1031, the model for the heat generation is quantified. In particular, a reversible component can be parameterized for this purpose. For example, a potentiometric measurement can be carried out for this purpose and an entropy coefficient can be determined in this way. Compare Eq. 3.
Anschließend erfolgt in Block 1032 die Bestimmung der Ortsraum-Dimensionalität des Wär- medissipationsmodells. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Beispiel könnte eine finite Elemente Simulation der Zellgeometrie durchgeführt werden, wobei eine besonders hohe Genauigkeit im Zusammenhang mit dieser Simulation verwendet werden kann (enges Simulationsgitter, Mesh). Insbesondere kann eine 3-D Simulation durchgeführt werden. Dann kann ein Temperaturgradient betrachtet werden. Wenn der Temperaturgradient für typische Belastungsparameter einen bestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet, dann könnte zum Beispiel ein 0-D Modell für die Wärmedissipation verwendet werden. Ein solches 0-D Modell kann insbesondere analytisch bestimmt sein. Andernfalls könnte ein 1-D oder 2-D Modell verwendet werden. Die Größe des Wärmegradienten hängt oft auch vom Betriebsprofil ab. Deshalb könnte das Betriebsprofil in Block 1032 berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte ein aktuelles Betriebs profil mittels Zustandsdaten 41 von der jeweiligen Batterie erhalten werden. Bei geringerer Belastung der Batterie kann wenigerWärme entstehen und damit auch der Wärmegradient kleiner sein und damit ein 0-D oder 1-D Modell ausreichend sein (anstatt einem 2-D Modell). Subsequently, in block 1032, the spatial dimension of the heat dissipation model is determined. There are various possibilities. For example, a finite element simulation of the cell geometry could be carried out, whereby a particularly high level of accuracy can be used in connection with this simulation (narrow simulation grid, mesh). In particular, a 3-D simulation can be carried out. Then a temperature gradient can be considered. If the temperature gradient does not fall below a certain threshold value for typical load parameters, then, for example, a 0-D model could be used for heat dissipation. Such a 0-D model can in particular be determined analytically. Otherwise a 1-D or 2-D model could be used. The size of the thermal gradient often also depends on the operating profile. Therefore, in block 1032, the operating profile could be considered. For example, a current operating profile could be obtained from the respective battery by means of status data 41. With less load on the battery, less heat can be generated and thus the thermal gradient can be smaller and a 0-D or 1-D model is sufficient (instead of a 2-D model).
Anschließend erfolgt im Block 1033 die Parametrisierung des Zellmodells, des Luftmodells und/oder das Systemmodells 6001-6003. Dazu können zum Beispiel für die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit von bestimmten Kontaktwiderständen Literaturwerte ange- nommen werden. Es wäre auch möglich, ein oder mehrere kalorienmetrische Messungen durchzuführen, beispielsweise um zunächst initialisierte Werte anzupassen, siehe Block 1034. Mittels der kalorimetrischen Messung kann eine Wärmekapazität der Zellen bestimmt werden. In Block 1034 könnte auch eine TIS durchgeführt werden, beispielsweise um den anisotropen Wärmeübergangskoeffizienten des thermischen Zellmodells 6001 zu bestimmen. The cell model, the air model and / or the system model 6001-6003 are then parameterized in block 1033. For this purpose, literature values can be assumed for the thermal capacity and / or the thermal conductivity of certain contact resistances, for example. It would also be possible to carry out one or more calorimetric measurements, for example in order to initially adapt initialized values, see block 1034. A heat capacity of the cells can be determined by means of the calorimetric measurement. A TIS could also be carried out in block 1034, for example in order to determine the anisotropic heat transfer coefficient of the thermal cell model 6001.
FIG. 10 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem elektrischen Modell 900, sh. FIG. 7: Block 1022. Das elektrische Modell 900 beruht auf einem Ersatzschaltbildmodell. Das elektri- sche Modell kann den Zellstromfluss und die Zellspannung bereitstellen. Diese Größen kön- nen dann als Eingang für das Wärmegenerationsmodell dienen (vgl. FIG. 8, Block 1102). Zugrundeliegendes Prinzip von Ersatzschaltbildmodellen (ECM) ist die Abbildung des elekt- rochemischen Zellverhaltens mithilfe einer Verknüpfung elektrotechnischer Bauelemente 901- 906. Je nach Detaillierungsgrad können dabei einzelne Effekte der Zellkomponenten zu- sammengefasst oder getrennt betrachtet werden. Der generelle Aufbau eines ECM soll im Folgenden anhand des Impedanzspektrums einer beispielhaften Zelle (Panasonic NCR18650PF) motiviert werden. FIG. 10 illustrates aspects related to the electric model 900, see FIG. FIG. 7: Block 1022. The electrical model 900 is based on an equivalent circuit model. The electrical model can provide the cell current flow and the cell voltage. These variables can then serve as an input for the heat generation model (see FIG. 8, block 1102). The underlying principle of equivalent circuit diagram models (ECM) is the mapping of the electrochemical cell behavior with the help of a link between electrotechnical components 901-906. Depending on the level of detail, individual effects of the cell components can be combined or viewed separately. The general structure of an ECM is to be motivated in the following on the basis of the impedance spectrum of an exemplary cell (Panasonic NCR18650PF).
FIG. 10 illustriert das Impedanzspektrum 950 der Zelle in einem Nyquist-Plot. Im negativen Bereich des Nyquist-Plots bei hohen Frequenzen zeigt sich das induktive Verhalten bedingt durch die Ableiter zu den Polen und das metallische Gehäuse selbst. Modelliert wird dieses in der Regel durch eine konstante Induktivität L 901 in Serie mit den restlichen ECM-Kompo- nenten 902-906. FIG. 10 illustrates the impedance spectrum 950 of the cell in a Nyquist plot. In the negative area of the Nyquist plot at high frequencies, the inductive behavior is shown due to the arresters to the poles and the metal housing itself. This is usually modeled by a constant inductance L 901 in series with the remaining ECM components 902-906.
Der Schnittpunkt der Impedanzkurve mit der Realteil-Achse tritt typischerweise im Bereich um 1 kHz auf und entspricht dem rein ohmschen Innenwiderstand der Zelle als Summe der limitierten Leitfähigkeit der Stromableiter, des Elektrodenmaterials, des Elektrolyten und des Separators. Zur Modellierung kann entsprechend ein rein ohmscher Widerstand R0hm 902 in Abhängigkeit von SOC, Temperatur und Alterungszustand verwendet werden. The point of intersection of the impedance curve with the real part axis typically occurs in the region of 1 kHz and corresponds to the purely ohmic internal resistance of the cell as the sum of the limited conductivity of the current arrester, the electrode material, the electrolyte and the separator. A purely ohmic resistor R 0hm 902 can be used for modeling, depending on the SOC, temperature and state of aging.
Nach dem Nulldurchgang folgt ein erster Kreisbogen, der die Polarisationseffekte an den Passivierungsschichten von Anode (solid electrolyte interface, SEI) und Kathode (solid per- meable interface, SPI) widergibt. Der Effekt der SPI-Schicht ist dabei meist schwächer aus- geprägt, als der an der SEI. Das SEI-Schichtwachstum wird bei Lithium-Ionen-Zellen mit Graphit-Anode als Hauptalterungsmechanismus angesehen, weswegen dieser dynamische Effekt mit fortschreitendem Alterungszustand stärker ausgeprägt ist und bei neuen Zellen oft- mals nicht separat beobachtet werden kann. After the zero crossing, a first circular arc follows, which reflects the polarization effects on the passivation layers of the anode (solid electrolyte interface, SEI) and cathode (solid permeable interface, SPI). The effect of the SPI layer is usually less pronounced than that of the SEI. The SEI layer growth is seen as the main aging mechanism in lithium-ion cells with graphite anode, which is why this dynamic effect is more pronounced as the state of aging progresses and often cannot be observed separately in new cells.
Im Anschluss folgt ein zweiter Halbkreisbogen durch die Ladungsdurchtrittsreaktion an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzschichten in Kombination mit der Doppelschichtkapazität. Als Doppelschichtkapazität Cdl (dl für „double layer“) wird hierbei die Ladungszone genannt, die an den Kontaktflächen von Anode und Kathode mit dem Elektrolyten entsteht. Die darin ge- speicherte Ladungsmenge hängt vom Elektrodenpotential ab. Da die Doppelschichtkapazität an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzschichten entsteht, tritt sie parallel zur Ladungsdurchtritts- redoxreaktion an Anode und Kathode auf. Diese verursacht durch den Übergang von ionischer zu elektrischer Leitung eine Polarisationsüberspannung, die bei ECM üblicherweise durch den Ladungsdurchtrittswiderstand Rct (ct für „Charge transfer“) abgebildet wird. Da Anode und Kathode grundsätzlich unterschiedliche Parameter haben, können in der Impedanzkurve auch zwei separate Halbkreisbögen auftreten. Durch den einzelnen Kreisbogen bei der untersuchten Zelle kann darauf geschlossen werden, dass entweder der Ladungs- durchtrittswiderstand einer Elektrode (bspw. der Graphit-Anode) vergleichsweise klein zur anderen Elektrode ist oder, dass beide Ladungsdurchtrittsreaktionen ein ähnliches dynami- sches Verhalten zeigen. Doppelschichtkapazität Cdl und Ladungsdurchtrittswiderstand Rct hängen grundsätzlich von SOC, Temperatur, Stromrate und Alterungszustand ab. This is followed by a second semicircular arc due to the charge transfer reaction at the electrode-electrolyte boundary layers in combination with the double-layer capacitance. The double-layer capacitance C dl (dl for "double layer") is the charge zone that is created at the contact surfaces of the anode and cathode with the electrolyte. The amount of charge stored in it depends on the electrode potential. Since the double-layer capacitance arises at the electrode-electrolyte boundary layers, it occurs parallel to the charge transfer redox reaction at the anode and cathode. This causes a polarization overvoltage due to the transition from ionic to electrical conduction, which in ECM is usually represented by the charge transfer resistance R ct (ct for "charge transfer"). Since anode and Cathode basically have different parameters, two separate semicircular arcs can also appear in the impedance curve. From the individual arc of the cell examined, it can be concluded that either the charge resistance of one electrode (e.g. the graphite anode) is comparatively small to the other electrode or that both charge transfer reactions show a similar dynamic behavior. The double-layer capacitance C dl and the charge resistance R ct basically depend on the SOC, temperature, current rate and state of aging.
Bei den Halbkreisbögen von Ladungsdurchtritt/Doppelschichtkapazität und SEI-Schicht fällt auf, dass diese eine gestauchte Form in Richtung der Imaginärteil-Achse haben. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Zeitkonstante des elektrochemischen Effekts keinen festen Wert, sondern eine Verteilung um einen Mittelwert hat. Die Verteilung entsteht durch die Überlagerung parallel ablaufender Prozesse (wie zeitgleicher Ladungsträgerdurchtritt an Anode und Kathode) sowie durch die räumliche Ausdehnung der Elektroden/Elektrolyt- Grenzschicht bei porösen Elektroden. Da ein reguläres RC-Glied jedoch nur einen idealen Halbkreis in der komplexen Ebene abbildet, werden zur Modellierung von gestauchten Kreis- bögen sogenannte Zarc-Elemente 903 eingesetzt. In the case of the semicircular arcs of charge passage / double-layer capacitance and SEI layer, it is noticeable that these have a compressed shape in the direction of the imaginary part axis. This phenomenon occurs when the time constant of the electrochemical effect does not have a fixed value but has a distribution around an average value. The distribution arises from the superimposition of parallel processes (such as the simultaneous passage of charge carriers at the anode and cathode) and the spatial expansion of the electrode / electrolyte boundary layer in the case of porous electrodes. However, since a regular RC element only depicts an ideal semicircle in the complex plane, so-called Zarc elements 903 are used to model compressed circular arcs.
Im niederfrequenten Bereich endet das Impedanzspektrum schließlich nahezu in einem 45°- Winkel, der durch das Diffusionsverhalten infolge von lonenkonzentrationsunterschieden im Elektrolyt und den Elektroden entsteht. Eine genaue Modellierung der Massentransportphä- nomene durch Diffusion mit R-L-C-Elementen ist schwierig. Ein geeigneter Ansatz zur Abbil- dung der porösen Elektrodenstruktur sind sogenannte Leitungs-elemente (engl transmission lines). Da diese jedoch eine komplexe Übertragungsfunktion und eine hohe nötige Parame- terzahl aufweisen, wird in der Literatur auf sogenannte Warburg-Elemente zurückgegriffen. Bei diesen kann zwischen drei Varianten unterschieden werden, die sich in der Randbedin- gung am Ende der Diffusionsstrecke unterscheiden. In the low-frequency range, the impedance spectrum ends almost at a 45 ° angle, which is created by the diffusion behavior as a result of ion concentration differences in the electrolyte and the electrodes. A precise modeling of the mass transport phenomena through diffusion with R-L-C elements is difficult. A suitable approach for mapping the porous electrode structure are so-called transmission lines. However, since these have a complex transfer function and a large number of necessary parameters, so-called Warburg elements are used in the literature. A distinction can be made between three variants, which differ in the boundary conditions at the end of the diffusion path.
Mit einer Kombination der oben vorgestellten Elemente kann die Impedanzkurve einer Lithium- lonen-Zelle gut nachgebildet und somit die Ausprägung der einzelnen elektrochemischen Effekte analysiert werden. Bei der Transformation des Übertragungsverhaltens in den Zeitbereich müssen jedoch einige Elemente des Frequenzbereichs (Constant Phase-, Zarc- und Warburg-Elemente) aufgrund fehlender Laplace-Transformation approximiert werden. Neben Leiternetzwerken stellen seriell verschaltete RC-Glieder hierbei die gängigste Variante zur Approximation dar. Für Zarc-Elemente 903 empfiehlt sich hierbei eine ungerade Anzahl an RC-Gliedern (3, 5, ...), um die gestauchte Halbkreisform bestmöglich abzubilden. Grundsätzlich stellt die Anzahl verwendeter RC-Glieder zur Approximation des dynamischen Zellverhaltens über den für die Anwendung relevanten Frequenzbereich immer einen Kom- promiss aus Genauigkeit, Rechenzeit und Parametrierungsaufwand dar. With a combination of the elements presented above, the impedance curve of a lithium-ion cell can be simulated well and the characteristics of the individual electrochemical effects can be analyzed. When transforming the transmission behavior into the time domain, however, some elements of the frequency domain (constant phase, Zarc and Warburg elements) must be approximated due to the lack of a Laplace transformation. In addition to conductor networks, serially connected RC elements are the most common approximation variant. For Zarc elements 903, an odd number of RC elements (3, 5, ...) is recommended in order to reproduce the compressed semicircular shape as best as possible. The number of RC elements used to approximate the dynamic cell behavior over the frequency range relevant to the application always represents a compromise between accuracy, computing time and parameterization effort.
Neben dem dynamischen Zellverhalten kann in einem elektrischen ECM noch das statische Verhalten ohne Belastung modelliert werden. Die sogenannte Leerlaufspannung (engl open Circuit voltage, OCV) hängt von den verwendeten Elektrodenmaterialien und deren Bilanzie- rung ab, die sich im Laufe der Alterung ändern kann. Modelliert wird sie in der Regel durch eine SOC-abhängige ideale Spannungsquelle. Weiterhin kann eine Temperaturabhängigkeit infolge von Entropieänderungen berücksichtigt werden, die jedoch typischerweise geringer ausgeprägt ist. Bei bestimmten Elektrodenmaterialien, wie LFP-Kathoden, tritt zudem ein deutlicher Hystereseeffekt in Bezug auf die vorherige Strombelastung auf. In addition to the dynamic cell behavior, the static behavior without load can also be modeled in an electrical ECM. The so-called open circuit voltage (OCV) depends on the electrode materials used and their balance, which can change in the course of aging. It is usually modeled by an SOC-dependent ideal voltage source. Furthermore, a temperature dependency due to entropy changes can be taken into account, but this is typically less pronounced. With certain electrode materials, such as LFP cathodes, there is also a clear hysteresis effect with regard to the previous current load.
In verschiedenen Beispielen wäre es möglich, dass alternativ oder zusätzlich von einer SOC- abhängigen idealen Spannungsquelle zur Modellierung der Leerlaufspannung auch eine Hysterese im Zusammenhang mit der Modellierung der Leerlaufspannung berücksichtigt wird. Dies kann also bedeuten, dass die Leerlaufspannung eine Abhängigkeit von der Stromrichtung des Stromflusses aufweist. Um bei einem Wechsel von der einen Stromrichtung zur anderen Stromrichtung die Leerlaufspannung modellieren zu können, können entsprechende Übergangskoeffizienten berücksichtigt werden. Diese können den Übergang von der Kennlinie der Leerlaufspannung, die mit der einen Stromrichtung assoziiert ist, zur Kennlinie der Leerlaufspannung, die mit der anderen Stromrichtung assoziiert ist, modellieren. In various examples, it would be possible, as an alternative or in addition to an SOC-dependent ideal voltage source for modeling the open circuit voltage, to also take into account a hysteresis in connection with the modeling of the open circuit voltage. This can therefore mean that the no-load voltage is dependent on the direction of the current flow. In order to be able to model the no-load voltage when changing from one current direction to the other, corresponding transition coefficients can be taken into account. These can model the transition from the characteristic curve of the open circuit voltage, which is associated with one current direction, to the characteristic curve of the open circuit voltage, which is associated with the other current direction.
Der vorherige Abschnitt erläuterte die Modellierung von Lithium-Ionen-Batterien auf Zelllevel. Der Schritt zur elektrischen Simulation eines Batteriesystems - d.h. des elektrischen Sys- temmodells - kann auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen erfolgen: The previous section explained the modeling of lithium-ion batteries at the cell level. The step for the electrical simulation of a battery system - i.e. the electrical system model - can take place at different levels of detail:
(i) Skalierung Zelle-System: In diesem einfachsten Fall wird das gesamte Batteriepack durch ein einzelnes Zellmodell abgebildet. Die Systemspannung ergibt sich als Produkt aus Zellspannung und Anzahl serieller Zellen und der Systemstrom wird durch die Anzahl paral- leler Zellen dividiert und auf das Zellmodell gegeben. Auf diese Weise müssen die Parameter des Zellmodells nicht angepasst werden. (i) Scaling cell system: In this simplest case, the entire battery pack is represented by a single cell model. The system voltage is the product of the cell voltage and the number of serial cells and the system current is divided by the number of parallel cells and applied to the cell model. In this way, the parameters of the cell model do not have to be adjusted.
(ii) Modellierung Serienschaltung, Skalierung Zelle-Parallelschaltung: Hierbei wird jeder seri- elle Zellstrang durch ein eigenes Zellmodell abgebildet. Dadurch können bereits Parameter- streuungen und sich ergebende Effekte, wie SOC-Drifts und ungleiches Alterungsverhalten der seriellen Stränge, abgebildet werden. Vorhandene Parallelschaltungen im Batteriesystem werden wie in 1.) simuliert. (ii) Modeling series connection, scaling cell-parallel connection: Here, each serial cell line is represented by its own cell model. This can already result in parameter spreads and resulting effects such as SOC drifts and uneven aging behavior of the serial strings. Existing parallel connections in the battery system are simulated as in 1.).
(iii) Modellierung Serien- und Parallelschaltung: Auf dieser Detaillierungsebene wird jede Zelle im Batteriesystem mittels eines eigenen Zellmodells simuliert. Zusätzlich zu (ii) können somit auch Effekte der Parallelschaltung wie unterschiedliche Strombelastungen und sich er- gebende SOC-Fenster bei Parameterstreuungen abgebildet werden. (iii) Modeling series and parallel connection: At this level of detail, each cell in the battery system is simulated using its own cell model. In addition to (ii), effects of the parallel connection, such as different current loads and the resulting SOC window in the case of parameter scatter, can thus also be mapped.
Die Genauigkeit von elektrischen Ersatzschaltkreismodellen hängt maßgeblich von der Güte der Modellparameter ab. The accuracy of electrical equivalent circuit models depends largely on the quality of the model parameters.
Bei der Parametrierung der dynamischen Ersatzschaltkreisparameter kann grundsätzlich zwischen Verfahren im Zeit- und Frequenzbereich unterschieden werden. Ein Verfahren im Zeitbereich ist die dynamische Stresstestmessung (DST), sh. USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual, Rev. 2 (1996). Ein weiteres Verfahren im Zeitbereich ist die Auswertung der Spannungsantwort einer Zelle auf einen eingeprägten Stromsprung (Strompulscharakterisierungsmessung). Mittels der Übertragungsfunktion des Modells und einem fehlerminimierenden Optimierungsalgorithmus kann ein Parametersatz numerisch ermittelt werden (Fitting), der die gemessene Spannungsantwort mit einem maximal definierten Fehler nachbildet. Problematisch bei diesem Verfahren ist, dass durch lokale Minima in der Optimierung evtl mathematisch sinnvolle Werte zur Nachbildung der Span- nungsantwort gefunden werden, diese jedoch nicht die beabsichtigte elektrochemische Ent- sprechung haben und somit bei anderen Belastungsprofilen zwangsweise zu Simulationsfeh- lern führen. Eine weitere Möglichkeit der Parametrierung im Zeitbereich ist die Berechnung von Gleichstromwiderständen auf eingeprägte, konstante Strompulse nach definierten Zeit- dauern. Die Zeiten sollten so definiert werden, dass die Widerstandswerte eine elektrochemi- sche Bedeutung haben (bspw. für den Ladungsträgerdurchtrittswiderstand). Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopiemessung (EIS) im Frequenzbereich wird die Zelle mit einem sinusförmigen Anregungssignal (meist Strom, galvanostatische EIS) mit konstanten Frequenzpunkten in einem definierten Frequenzband beaufschlagt und Amplitude und Phasenverschiebung der Systemantwort (Spannung in der galvanostatischen EIS) gemessen. Vorteil ist hierbei die separate Beobachtbarkeit dynamischer Effekte mit unterschiedlicher Zeitkonstante. Eine gängige Darstellungsform des Impedanzverlaufs stellt das Nyquist- Diagramm gemäß FIG. 10 dar. Mit der komplexen Übertragungsfunktion des Ersatzschalt- kreises können im Rahmen der Parametrierung die dynamischen Modellparameter wiederum mittels Fittingverfahren bestimmt werden. Da das eigentliche Anregungssignal bei der EIS sinusförmiger Wechselstrom um die Nulllage ist, wird typischerweise zur Vermessung einer Stromratenabhängigkeit ein zusätzlicher Gleichstromoffset aufgeprägt. Hierdurch ändert sich jedoch der Ladezustand, weshalb ein geeigneter Kompromiss zwischen DC-Offset und EIS- Messdauer gefunden werden muss. When parameterizing the dynamic equivalent circuit parameters, a fundamental distinction can be made between methods in the time and frequency domain. One method in the time domain is the dynamic stress test measurement (DST), see. USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual, Rev. 2 (1996). Another method in the time domain is the evaluation of the voltage response of a cell to an impressed current jump (current pulse characterization measurement). Using the transfer function of the model and an error-minimizing optimization algorithm, a parameter set can be determined numerically (fitting), which simulates the measured voltage response with a maximum defined error. The problem with this method is that mathematically meaningful values for simulating the voltage response can be found in the optimization due to local minima, but these do not have the intended electrochemical correspondence and thus inevitably lead to simulation errors with other load profiles. Another possibility for parameterization in the time domain is the calculation of direct current resistances on impressed, constant current pulses after defined periods of time. The times should be defined in such a way that the resistance values have an electrochemical meaning (e.g. for the charge carrier resistance). In electrochemical impedance spectroscopy measurement (EIS) in the frequency range, the cell is subjected to a sinusoidal excitation signal (usually current, galvanostatic EIS) with constant frequency points in a defined frequency band and the amplitude and phase shift of the system response (voltage in the galvanostatic EIS) are measured. The advantage here is that dynamic effects with different time constants can be observed separately. A common form of representation of the impedance curve is the Nyquist diagram according to FIG. 10. With the complex transfer function of the equivalent circuit, the dynamic model parameters can again be determined by means of the fitting process within the framework of parameterization. Since the actual excitation signal with the EIS is sinusoidal alternating current around the zero position, a Current rate dependency an additional DC offset impressed. However, this changes the state of charge, which is why a suitable compromise has to be found between DC offset and EIS measurement duration.
Für die Parametrierung der idealen Spannungsquelle im ECM zur Modellierung der Leer- laufspannung gibt es zwei unterschiedliche Verfahren: Bei der Relaxationsstrommessung wird die Lithium-Ionen-Zelle schrittweise vom voll- beziehungsweise entladenen Zustand auf definierte Ladezustände entladen bzw. geladen und anschließend eine definierte Zeitdauer ohne Belastung gewartet, in der sich alle kinetischen Effekte wie Überspannungen und Kon- zentrationsgradienten abbauen sollen. Die Wartezeit bewegt sich dabei typischerweise im Bereich mehrerer Stunden, wobei das Abklingen aller Überspannungen je nach SOC und Zelltemperatur auch mehrere Tage dauern kann. Die relaxierten Spannungswerte am Ende der Wartezeit ergeben dann eine Lade- und Entladeruhespannungskurve. Vergleicht man beide Kurven für jeweils gleiche SOC, stellt man eine Diskrepanz der Werte fest, was als Hysterese-Effekt bezeichnet wird. Diese Abhängigkeit der Ruhespannung von der Vorge- schichte ist abhängig von der Zellchemie, dem SOC und in geringem Maße von der Tempe- ratur. Sie ist besonders ausgeprägt bei Elektrodenmaterialien mit Zwei-Phasen-Übergängen wie Lithium-Eisenphosphat. Bei der Konstantstrommessung zur Parametrierung der idealen Spannungsquelle im ECM wird die Lithium-Ionen-Zelle über den gesamten SOC-Bereich mit geringem, konstantem Strom ge- und entladen. Aufgrund der geringen Stromrate (üblicher- weise zwischen C/50 und C/10) kann von einem quasistationären Zustand mit nur geringen Überspannungen ausgegangen werden. Durch eine Mittelung von Lade- und Entladekurve werden diese eliminiert und man erhält eine Quasi-Ruhespannungskennlinie. Die Versuchs- zeit ist dabei im Vergleich zur Relaxationsmessung in der Regel deutlich kürzer und die Anzahl der Messpunkte durch die kontinuierliche Messung deutlich höher. Hysterese-Effekte können durch diese Methode jedoch nicht quantifiziert werden. Konstantstrom kurven werden darüber hinaus in der Literatur häufig zur Bestimmung von Interkalationspotentialen von Halb- oder Vollzellen mittels Differential Voltage Analysis (DVA) verwendet. There are two different methods for parameterizing the ideal voltage source in the ECM for modeling the no-load voltage: In the relaxation current measurement, the lithium-ion cell is gradually discharged or charged from the fully or discharged state to a defined state of charge and then for a defined period of time without Load waited in which all kinetic effects such as overvoltages and concentration gradients are to be reduced. The waiting time is typically in the range of several hours, whereby the subsidence of all overvoltages can take several days depending on the SOC and cell temperature. The relaxed voltage values at the end of the waiting time then result in a charging and discharging rest voltage curve. If you compare the two curves for the same SOC, you will notice a discrepancy between the values, which is known as the hysteresis effect. This dependence of the rest voltage on the previous history depends on the cell chemistry, the SOC and, to a lesser extent, on the temperature. It is particularly pronounced in electrode materials with two-phase transitions such as lithium iron phosphate. When measuring the constant current to parameterize the ideal voltage source in the ECM, the lithium-ion cell is charged and discharged over the entire SOC range with a low, constant current. Due to the low current rate (usually between C / 50 and C / 10), a quasi-stationary state with only low overvoltages can be assumed. These are eliminated by averaging the charging and discharging curves and a quasi no-load voltage characteristic is obtained. In comparison to the relaxation measurement, the test time is usually significantly shorter and the number of measuring points is significantly higher due to the continuous measurement. However, hysteresis effects cannot be quantified using this method. Constant current curves are also often used in the literature to determine the intercalation potentials of half or full cells by means of differential voltage analysis (DVA).
FIG. 11 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Das Verfahren gemäß FIG. 11 kann dazu eingesetzt werden, eine Parametrierung des elektrischen Modells 900 durch- zuführen. FIG. 11 is a flow diagram of an exemplary method. The method according to FIG. 11 can be used to parameterize the electrical model 900.
Zunächst kann in Block 1041 ein oder mehrere relevante Belastungsbereiche im Frequenz- raum identifiziert werden. Die Belastungsbereiche entsprechen solchen Bereichen, die im Belastungsprofil der Batterie repräsentiert sind - d.h. mit signifikanter Amplitude vorhanden sind. Dazu kann das Betriebsprofil der Batterie - beispielsweise durch die Zustandsdaten 41 indiziert - berücksichtigt werden. First, in block 1041, one or more relevant stress areas in the frequency space can be identified. The load areas correspond to those areas that are represented in the load profile of the battery - that is, present with a significant amplitude are. For this purpose, the operating profile of the battery can be taken into account, for example indicated by the status data 41.
Solche Techniken beruhen auf folgender Erkenntnis: Um das Strom- und Spannungsverhalten und somit Wärmegeneration und Alterungsfaktoren für eine spezifische Anwendung möglichst genau abbilden zu können, soll bei der Modelldefinition das jeweilige elektrische Belastungs- und Umweltprofil berücksichtigt werden. Dieses kann für eine Anwendung bei Fahrzeugbatterien im Fahrzeugenwicklungsprozess entweder aus relevanten Fahrzyklen in Verbindung mit einer Längsdynamiksimulation oder aus Messungen am Realfahrzeug abge- leitet werden. Hieraus können zum einen mittels Amplitudenanalyse die Betriebsbereiche von Strom, Temperatur und SOC des Batteriepacks und somit die nötigen Bereiche der Mo- dellparametrierung ermittelt werden. Such techniques are based on the following knowledge: In order to be able to map the current and voltage behavior and thus heat generation and aging factors as precisely as possible for a specific application, the respective electrical load and environmental profile should be taken into account when defining the model. For use in vehicle batteries in the vehicle development process, this can be derived either from relevant driving cycles in connection with a longitudinal dynamics simulation or from measurements on the real vehicle. From this, on the one hand, the operating ranges of current, temperature and SOC of the battery pack and thus the required ranges of the model parameterization can be determined by means of amplitude analysis.
Zum anderen kann mittels diskreter Fourier-Transformation des Stromsignals die Dynamik der Systemanregung in Frequenzspektren quantifiziert und somit die relevanten Frequenzbe- reiche im Hinblick auf das elektrische Modell bestimmt werden. Für eine typische Messung an einem Personenkraftfahrzeug ergibt sich so z.B. ein relevanter Bereich bis ca. 1 Hz. Dies kann vom Fahrstil des Fahrers abhängen. Mit diesen Informationen und dem dynamischen Übertragungsverhalten der Lithium-Ionen-Zellen des Batteriepacks durch EIS können im nächsten Schritt die relevanten elektrochemischen Prozesse zur Modellierung und somit die Systemordnung des dynamischen elektrischen Modells bestimmt werden. On the other hand, by means of discrete Fourier transformation of the current signal, the dynamics of the system excitation can be quantified in frequency spectra and thus the relevant frequency ranges can be determined with regard to the electrical model. For a typical measurement on a passenger vehicle, this results in a relevant range of up to approx. 1 Hz, for example. This can depend on the driver's driving style. With this information and the dynamic transfer behavior of the lithium-ion cells of the battery pack through EIS, the relevant electrochemical processes for modeling and thus the system order of the dynamic electrical model can be determined in the next step.
Das bedeutet, dass anschließend in Block 1042 die Definition der dynamischen Modellordnung erfolgt. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich aufgrund der sequentiellen Vermessung verschiedener Frequenzbereiche besonders gut zur Identifikation der für eine Anwendung relevanten Impedanzeffekte und ihrer spezifischer Zeitkonstanten. Zur Definition der dynamischen Modellordnung werden die jeweiligen Zellen daher in den in Block 1041 identifizierten Betriebsbereichen von Temperatur und SOC jeweils mit einer hybriden EIS im Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 mHz vermessen. Die Anzahl der Stützstellen stellt dabei einen Kompromiss zwischen Auflösung und Messzeit dar. This means that the dynamic model order is then defined in block 1042. Due to the sequential measurement of different frequency ranges, electrochemical impedance spectroscopy is particularly suitable for identifying the impedance effects relevant for an application and their specific time constants. To define the dynamic model order, the respective cells are therefore measured in the operating ranges of temperature and SOC identified in block 1041 with a hybrid EIS in the frequency range from 5 kHz to 10 mHz. The number of support points represents a compromise between resolution and measurement time.
Mithilfe der gewonnen Impedanzkurven können dann die relevanten und im elektrischen Mo- dell abzubildenden elektrochemischen Effekte anhand ihrer Zeitkonstanten identifiziert wer- den, z.B. die induktiven Anteile der Impedanz oder die Impedanzabschnitte mit negativen Imaginärteil. Zur Beurteilung der Modellierungsgüte des Impedanzverhaltens und zur Parametrierung ver- schiedener ECM (d.h. um z.B. die Anzahl der RC-Gliederzu bestimmen) kann ein Parameter- Fitting für EIS-Messungen verwendet werden, basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate: With the help of the impedance curves obtained, the relevant electrochemical effects to be mapped in the electrical model can then be identified on the basis of their time constants, for example the inductive components of the impedance or the impedance sections with a negative imaginary component. To assess the modeling quality of the impedance behavior and to parameterize various ECMs (i.e. to determine the number of RC elements, for example), a parameter fitting for EIS measurements can be used, based on the method of least squares:
In der Kostenfunktion S stellen beziehungsweise dabei jeweils Real- und Imaginärteil von Messung und Modellfit mit dem Parametervektor P dar. Uber wi können frequenzabhängige Gewichtungsfaktoren hinzugefügt werden. ergeben sich aus der Übertragungsfunktion des gewählten ECM, für 2RC bspw.: In the cost function S place or each represents the real and imaginary part of the measurement and model fit with the parameter vector P. Via w i , frequency-dependent weighting factors can be added. result from the transfer function of the selected ECM, for 2RC for example:
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich eine nichtlineare Kostenfunktion, die sich aus zwei unabhängigen Funktionen zusammensetzt. Eine Lösung kann mit gradientenbasierten oder ableitungsfreien Optimierungsalgorithmen erfolgen. The above equations result in a non-linear cost function which is composed of two independent functions. A solution can be found with gradient-based or derivative-free optimization algorithms.
Es wäre möglich, jeweils mehrere Übertragungsfunktionen an unterschiedlich komplexen Modellen zu fitten. Dann kann die Genauigkeit überprüft werden und so anhand der EIS die Komplexität des ECM, z.B. die Anzahl an RC-Gliedern, bestimmt werden. Es wurde beo- bachtet, dass Modelle mit Warburg-Elementen den Diffusionsast besser abbilden als reine RC-Modelle. Ab 2 RC-Elementen für die Diffusion kann dieser jedoch ausreichend gut appro- ximiert werden. Ein 3- beziehungsweise 4-RC-Glied-Modell stellt einen guten Kompromiss zwischen Rechen- und Parametrierungsaufwand und Genauigkeit dar. Hierbei werden 1 be- ziehungsweise 2 RC-Glieder jeweils den hochfrequenten dynamischen Effekten zugeordnet und das Diffusionsverhalten mit 2 RC-Glieder modelliert. It would be possible to fit several transfer functions to differently complex models. The accuracy can then be checked and the complexity of the ECM, for example the number of RC elements, determined using the EIS. It was observed that models with Warburg elements depict the diffusion branch better than pure ones RC models. However, if there are 2 or more RC elements for diffusion, this can be approximated sufficiently well. A 3 or 4 RC element model represents a good compromise between computation and parameterization effort and accuracy. Here 1 or 2 RC elements are assigned to the high-frequency dynamic effects and the diffusion behavior is modeled with 2 RC elements.
Nach der Definition der dynamischen Modellordnung in Block 1042, erfolgt in Block 1043 die Identifikation und Parametrierung des statischen Zellverhaltens. After the definition of the dynamic model order in block 1042, the identification and parameterization of the static cell behavior takes place in block 1043.
Zur Parametrierung des statischen Zellverhaltens für die verschiedenen Zellchemien kommen sowohl die Relaxations- (auch Current-Interruption, CI), als auch die Konstantstrom-Methode (Constant Current, CC) in Frage. Bei der Relaxationsmessung wird jede Zelle nach einer anfänglichen Kapazitätsbestimmung vom vollgeladenen Zustand um definierte SOC-Schritte ent- und anschließend wieder geladen. Die SOC-Schrittweite wird je nach Steigung der OCV im oberen, mittleren und unteren SOC-Bereich angepasst. Die Kapazitätsbestimmung erfolgt mit CC-CV-Ladung und -Entladung gemäß dem spezifizierten Spannungsfenster der Zellen und jeweils einem CV-Abbruchkriterium von C/50. Dieser Kapazitätswert bildet auch die Grundlage für die SOC-abhängige Parametrierung der restlichen Modellparameter. Nach jedem ent- beziehungsweise geladenen SOC-Schritt wird die Zelle für mindestens 3 Stunden relaxiert (im tiefen SOC-Bereich bis zu 10 Stunden) und der Spannungswert am Ende als Stützstelle für die Entlade- beziehungsweise Ladekurve genommen. Der Span- nungsunterschied zwischen Lade- und Entladekurve kann als Maximalwert des Hysterese- verhaltens der Zellen interpretiert werden. To parameterize the static cell behavior for the various cell chemistries, both the relaxation (also current interruption, CI) and the constant current method (constant current, CC) can be used. With the relaxation measurement, after an initial capacity determination, each cell is discharged from the fully charged state by defined SOC steps and then charged again. The SOC increment is adjusted depending on the slope of the OCV in the upper, middle and lower SOC range. The capacity is determined with CC-CV charging and discharging according to the specified voltage window of the cells and a CV termination criterion of C / 50. This capacity value also forms the basis for the SOC-dependent parameterization of the remaining model parameters. After each discharged or charged SOC step, the cell is relaxed for at least 3 hours (in the deep SOC range up to 10 hours) and the voltage value at the end is used as a reference point for the discharge or charge curve. The voltage difference between the charging and discharging curves can be interpreted as the maximum value of the hysteresis behavior of the cells.
Zur Integration des Hystereseverhaltens in ein ECM existieren in der Literatur eine Vielzahl von Ansätzen, die hier verwendet werden können. Ein Beispiel ist das Hysteresemodell von Verbrugge et al. in zeitdiskreter Form. To integrate the hysteresis behavior in an ECM, there are a number of approaches in the literature that can be used here. One example is the hysteresis model by Verbrugge et al. in discrete time form.
Dann erfolgt in Block 1044 die Parametrierung des Impedanzverhaltens. The impedance behavior is then parameterized in block 1044.
Hierfür können Verfahren im Zeit- und Frequenzbereich verwendet werden. Die EIS wurde bereits im Zusammenhang mit Block 1042 diskutiert. Durch die Wechselstromanregung in verschiedenen Frequenzbereichen können mit dieser die unterschiedlichen elektrochemi- schen Reaktionen separat angeregt und identifiziert werden. Die Stromratenabhängigkeit der Ladungsträgerdurchtrittsreaktion kann damit jedoch manchmal nicht zufriedenstellend erfasst werden, weil sich durch einen zusätzlich aufgeprägten Gleichstromanteil der SOC innerhalb der Wechselstromanregung eines Frequenzpunktes verschiebt und somit kein lineares Über- tragungsverhalten mehr vorliegt. Deshalb können die Impedanzparameter auf Basis von Strompulsen (HPPC) ermittelt werden. Hierbei kann zwischen zwei Varianten unterschieden werden: a) HPPC mit reinem Parameterfitting: Hierbei werden alle Impedanzparameter zusammen oder aufgeteilt auf einen oder mehrere Spannungsverläufe infolge von Strompulsen gefittet. Durch die Aufteilung können unterschiedliche elektrochemische Effekte getrennt berücksich- tigt werden. b) HPPC-Fitting mit vordefinierten Parametern: Im Unterschied zu a) werden hier einzelne Impedanzparameter durch vorgelagerte Messungen dem Fitting vorgegeben, wie Rohm aus EIS-Messungen. Methods in the time and frequency domains can be used for this. The EIS has already been discussed in connection with block 1042. With the alternating current excitation in different frequency ranges, the different electrochemical reactions can be separately excited and identified. However, the current rate dependency of the charge carrier passage reaction can sometimes not be recorded satisfactorily because the SOC is within it due to an additionally impressed direct current component the alternating current excitation of a frequency point shifts and thus there is no longer any linear transmission behavior. Therefore, the impedance parameters can be determined on the basis of current pulses (HPPC). A distinction can be made between two variants: a) HPPC with pure parameter fitting: Here, all impedance parameters are fitted together or divided into one or more voltage curves as a result of current pulses. Due to the division, different electrochemical effects can be taken into account separately. b) HPPC fitting with predefined parameters: In contrast to a), individual impedance parameters are specified here for the fitting by means of upstream measurements, like Rohm from EIS measurements.
Neben verschiedenen C-Raten wird die Parametrierung des Impedanzverhaltens für definierte SOC- und Temperaturintervalle vorgenommen. Für das eigentliche Parameterfitting entsprechend den Varianten a) und b) kann wieder ein Optimierungsalgorithmus wie oben- stehend beschrieben verwendet werden. In addition to various C-rates, the impedance behavior is parameterized for defined SOC and temperature intervals. For the actual parameter fitting according to variants a) and b), an optimization algorithm as described above can again be used.
Schließlich erfolgt in Block 1045 die Synthese des elektrischen Zellmodells durch Modellierung auf Systemlevel. Finally, in block 1045, the electrical cell model is synthesized by modeling at the system level.
Als elektrisches Zellmodell kann entsprechend den vorherigen Blöcken 1041-1044 ein globa- les Impedanzmodell mit Ruhespannung, Hystereseverhalten, ohmschen Widerstand und bis zu vier RC-Gliedern verwendet werden. Das Übertragungsverhalten in Zustandsraumdarstel- lung (zur Übersichtlichkeit der 2RC-Variante) ergibt sich dementsprechend zu: Alle Berechnungen im Zellmodell sind matrixbasiert, womit eine effiziente Simulation von Se- rien- und Parallelschaltungen möglich ist. In accordance with the previous blocks 1041-1044, a global impedance model with no-load voltage, hysteresis behavior, ohmic resistance and up to four RC elements can be used as the electrical cell model. The transfer behavior in the state space representation (for clarity of the 2RC variant) results accordingly to: All calculations in the cell model are matrix-based, which enables efficient simulation of series and parallel connections.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen. Of course, the features of the embodiments and aspects of the invention described above can be combined with one another. In particular, the features can be used not only in the combinations described, but also in other combinations or on their own, without departing from the field of the invention.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Computer-implementiertes Verfahren zur zeitdiskreten Simulation einer Batterie, wobei das Verfahren umfasst: 1. Computer-implemented method for discrete-time simulation of a battery, the method comprising:
- Anwenden eines thermischen Modells (6000) zum Erhalten einer zeitdiskreten Temperaturcharakteristik der Batterie, wobei das thermische Modell umfasst: ein thermisches Zellmodell (6001) für Zellen der Batterie, ein Luftmodell (6003) für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und Umgebungsluft, und ein thermisches Systemmodell (6002) für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und einer jeweiligen Umgebung, wobei beim Anwenden des thermischen Modells für einen Zeitschrift eine Zelltemperatur der Zellen der Batterie mittels des thermischen Zellmodells in Abhängigkeit von einer aus dem Luftmodell in einem vorhergehenden Zeitschrift erhaltenen Lufttemperatur der Umgebungsluft und weiter in Abhängigkeit von einem aus dem thermischen Systemmodell im vorhergehenden Zeitschrift erhaltenen Umgebungs-Wärmestrom bestimmt wird, und wobei beim Anwenden des thermischen Modells für den Zeitschrift die Lufttemperatur des Luftmodells und der Umgebungs-Wärmestrom des thermischen Systemmodells in Abhängigkeit von der Zelltemperatur der Zellen bestimmt werden. - Applying a thermal model (6000) to obtain a time-discrete temperature characteristic of the battery, the thermal model comprising: a thermal cell model (6001) for cells of the battery, an air model (6003) for heat exchange between the cells of the battery and ambient air, and a thermal system model (6002) for a heat exchange between the cells of the battery and a respective environment, wherein when applying the thermal model for a magazine, a cell temperature of the cells of the battery by means of the thermal cell model as a function of one obtained from the air model in a previous magazine Air temperature of the ambient air and further depending on an ambient heat flow obtained from the thermal system model in the preceding journal is determined, and when applying the thermal model for the journal, the air temperature of the air model and the ambient heat flow of the thermi system model can be determined depending on the cell temperature of the cells.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das thermische Zellmodell ein Wärmegenerationsmodell mit einem irreversiblen Anteil (1103) in Abhängigkeit von elektrischer Zellspannung und Zellstromfluss der Zellen und einem reversiblen Anteil (1104) in Abhängigkeit von einem Entropiekoeffizienten, der Temperatur und der Zellspannung aufweist, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: 2. The method according to claim 1, wherein the thermal cell model has a heat generation model with an irreversible component (1103) depending on the electrical cell voltage and cell current flow of the cells and a reversible component (1104) depending on an entropy coefficient, the temperature and the cell voltage, wherein the method further comprises:
- Durchführen einer potentiometrischen Messung zum Bestimmen eines Entropiekoeffizienten des reversiblen Anteils. - Carrying out a potentiometric measurement to determine an entropy coefficient of the reversible component.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Durchführen der potentiometrischen Messung umfasst: 3. The method of claim 2, wherein performing the potentiometric measurement comprises:
- bei mehreren Temperaturen: jeweils Anwenden eines Temperatursprungs und Messen einer Änderung einer Ruhespannung der jeweiligen Zelle. - at several temperatures: each application of a temperature jump and measurement of a change in an open circuit voltage of the respective cell.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die potentiometrische Messung bei mehreren Ladungszuständen der Zellen und/oder in Abhängigkeit von einer Lade- oder Entladerichtung durchgeführt wird, um den Entropiekoeffizienten für die mehreren Ladungszustände zu bestimmen. 4. The method according to claim 2 or 3, wherein the potentiometric measurement at several charge states of the cells and / or depending on a charge or Discharge direction is performed to determine the entropy coefficient for the plurality of charge states.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das thermische Zellmodell ein Wärmedissipationsmodell für die Zellen der Batterie umfasst, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the thermal cell model comprises a heat dissipation model for the cells of the battery, wherein the method further comprises:
- Bestimmen einer Ortsraum-Dimensionalität des Wärmedissipationsmodells des thermischen Zellmodells durch simulative oder experimentelle Untersuchung von Ortsraum- Temperaturgradienten in den Zellen, und/oder in Abhängigkeit von einem Zelltyp, und/oder in Abhängigkeit von einem Kühlsystem der Batterie und/oder in Abhängigkeit von einem gemessenen Betriebsprofil der Zelle und/oder in Abhängigkeit von einer Kalorimetermessung. - Determination of a spatial dimension of the heat dissipation model of the thermal cell model by simulative or experimental investigation of spatial temperature gradients in the cells, and / or depending on a cell type, and / or depending on a cooling system of the battery and / or depending on a measured operating profile of the cell and / or as a function of a calorimeter measurement.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Wärmedissipationsmodell des thermischen Zellmodells für eine Ortsraum-Dimensionalität von 0-D analytisch definiert ist und für eine Ortsraum-Dimensionalität von 1-D oder2-D oder 3-D numerisch mit finiten Elementen definiert ist. 6. The method according to claim 5, wherein the heat dissipation model of the thermal cell model is analytically defined for a location-space dimensionality of 0-D and is defined numerically with finite elements for a location-space dimensionality of 1-D or 2-D or 3-D.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das thermische Systemmodell eine oder mehrere der folgenden Größen modelliert: (1110) Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie untereinander in Abhängigkeit von einer vorgegebenen geometrischen Anordnung der Zellen zueinander, (1109) Wärmeaustausch der Zellen der Batterie mit einem Festkörperkühlelement in Abhängigkeit von einer vorgegebenen geometrischen Anordnung der Zellen zum Festkörperkühlelement, und/oder (1111) Wärmeaustausch der Zellen mit einem Fluidkühlelement in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anordnung der Zellen zum Fluidkühlelement. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the thermal system model models one or more of the following variables: (1110) heat exchange between the cells of the battery depending on a predetermined geometric arrangement of the cells to one another, (1109) heat exchange between the cells of the battery with a solid cooling element depending on a predetermined geometric arrangement of the cells to the solid cooling element, and / or (1111) heat exchange of the cells with a fluid cooling element depending on a predetermined arrangement of the cells to the fluid cooling element.
8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin umfasst: 8. The method of claim 7, further comprising:
- Initialisierung einer Parametrierung von Kontaktwiederständen und/oder Wärmekapazitäten des Wärmeaustausches zwischen den Zellen der Batterie untereinander, des Wärmeaustausches der Zellen der Batterie mit dem Festkörperkühlelement und des Wärmeaustausches der Zellen mit dem Fluidkühlelement basierend auf vorgegebenen Referenzwerten, und - Initialization of a parameterization of contact resistances and / or heat capacities of the heat exchange between the cells of the battery with each other, the heat exchange of the cells of the battery with the solid-state cooling element and the heat exchange of the cells with the fluid cooling element based on predetermined reference values, and
- Durchführen einer Erwärmungsmessung einer luftdurchströmten Referenzmatrixanordnung der Zellen der Batterie zur Anpassung der Parametrierung nach Initialisierung. - Carrying out a heating measurement of a reference matrix arrangement of the cells of the battery through which air flows to adapt the parameterization after initialization.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst: 9. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
- Durchführen einer kalorimetrischen Messung zum Bestimmen einer Wärmekapazität des thermische Zellmodells der Zellen. - Carrying out a calorimetric measurement to determine a heat capacity of the thermal cell model of the cells.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst: 10. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
- Durchführen einer thermischen Impedanzspektroskopie zum Bestimmen eines anisotropen Wärmeübergangskoeffizienten des thermischen Zellmodells der Zellen. Performing a thermal impedance spectroscopy to determine an anisotropic heat transfer coefficient of the thermal cell model of the cells.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method further comprises:
- Anwenden eines elektrischen Modells (900) zum Erhalten einer zeitdiskreten Abhängigkeit von Zellspannung und Zellstromfluss für die Zellen der Batterie, wobei das elektrische Modell umfasst: ein elektrisches Zellmodell für Zellen der Batterie, ein elektrisches Systemmodell für einen Stromfluss zwischen und eine Spannung über Zellsträngen und/oder Zellen der Batterie, wobei das elektrische Zellmodell einen elektrischen Ersatzschaltkreis aufweist mit einer Serienschaltung einer Induktivität, eines Widerstands, und zwei oder mehr RC- Gliedern, wobei das elektrische Zellmodell weiterhin eine ideale Spannungsquelle für eine Ladungszustandsabhängige Leerlaufspannung aufweist, wobei die Zellspannung und der Zellstromfluss als Eingang für ein Wärmegenerationsmodell des thermischen Zellmodells dienen. - Applying an electrical model (900) to obtain a time-discrete dependence of cell voltage and cell current flow for the cells of the battery, the electrical model comprising: an electrical cell model for cells of the battery, an electrical system model for a current flow between and a voltage across cell strings and / or cells of the battery, the electrical cell model having an equivalent electrical circuit with a series connection of an inductance, a resistor, and two or more RC elements, the electrical cell model also having an ideal voltage source for a state-of-charge-dependent open circuit voltage, the cell voltage and the Cell current flow serve as an input for a heat generation model of the thermal cell model.
12. Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin umfasst: 12. The method of claim 11 further comprising:
- Durchführen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopiemessung zum Bestimmen der Anzahl der zwei oder mehr RC-Glieder des elektrischen Zellmodells. - Carrying out an electrochemical impedance spectroscopy measurement to determine the number of the two or more RC elements of the electrical cell model.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, 13. The method according to claim 11 or 12,
- Durchführen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopiemessung und/oder einer Strompuls-Charakterisierungsmessung und/oder einer Messung eines dynamischen Stresstests zum Bestimmen einer Parametrierung des Ersatzschaltkreises des elektrischen Zellmodells. - Carrying out an electrochemical impedance spectroscopy measurement and / or a current pulse characterization measurement and / or a measurement of a dynamic stress test to determine a parameterization of the equivalent circuit of the electrical cell model.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die elektrochemische Impedanzspektroskopiemessung in solchen Frequenzbereichen durchgeführt werden, die in einem Betriebsprofil der Batterie repräsentiert sind. 14. The method according to claim 12 or 13, wherein the electrochemical impedance spectroscopy measurement are carried out in those frequency ranges that are represented in an operating profile of the battery.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiterhin umfasst: 15. The method according to any one of claims 11 to 14, further comprising:
- Durchführen einer Relaxationsstrommessung und/oder einer Konstantstrommessung zum Bestimmen einer Parametrierung der idealen Spannungsquelle. - Carrying out a relaxation current measurement and / or a constant current measurement to determine a parameterization of the ideal voltage source.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die ideale Spannungsquelle die Leerlaufspannung mit einer Hysterese im Zusammenhang mit einer Richtung des Stromflusses bestimmt. 16. The method according to any one of claims 11 to 15, wherein the ideal voltage source determines the open circuit voltage with a hysteresis in connection with a direction of the current flow.
17. Vorrichtung mit einem Prozessor, der eingerichtet ist, um eine zeitdiskrete Simulation einer Batterie durchzuführen, mittels der folgenden Schritte: 17. Apparatus with a processor which is set up to carry out a time-discrete simulation of a battery by means of the following steps:
- Anwenden eines thermischen Modells (6000) zum Erhalten einer zeitdiskreten Temperaturcharakteristik der Batterie, wobei das thermische Modell umfasst: ein thermisches Zellmodell (6001) für Zellen der Batterie, ein Luftmodell (6003) für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und Umgebungsluft, und ein thermisches Systemmodell (6002) für einen Wärmeaustausch zwischen den Zellen der Batterie und einer jeweiligen Umgebung, wobei beim Anwenden des thermischen Modells für einen Zeitschrift eine Zelltemperatur der Zellen der Batterie mittels des thermischen Zellmodells in Abhängigkeit von einer aus dem Luftmodell in einem vorhergehenden Zeitschrift erhaltenen Lufttemperatur der Umgebungsluft und weiter in Abhängigkeit von einem aus dem thermischen Systemmodell im vorhergehenden Zeitschrift erhaltenen Umgebungs-Wärmestrom bestimmt wird, und wobei beim Anwenden des thermischen Modells für den Zeitschrift die Lufttemperatur des Luftmodells und der Umgebungs-Wärmestrom des thermischen Systemmodells in Abhängigkeit von der Zelltemperatur der Zellen bestimmt werden. - Applying a thermal model (6000) to obtain a time-discrete temperature characteristic of the battery, the thermal model comprising: a thermal cell model (6001) for cells of the battery, an air model (6003) for heat exchange between the cells of the battery and ambient air, and a thermal system model (6002) for a heat exchange between the cells of the battery and a respective environment, wherein when applying the thermal model for a magazine, a cell temperature of the cells of the battery by means of the thermal cell model as a function of one obtained from the air model in a previous magazine Air temperature of the ambient air and further depending on an ambient heat flow obtained from the thermal system model in the preceding journal is determined, and when applying the thermal model for the journal, the air temperature of the air model and the ambient heat flow of the thermi system model can be determined depending on the cell temperature of the cells.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Prozessor eingerichtet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen. 18. The device according to claim 17, wherein the processor is set up to carry out the method according to one of claims 1 to 16.
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