EP4176482A1 - Technik zur bestimmung mechanischer spannungen in einem traktionsenergiespeicher - Google Patents

Technik zur bestimmung mechanischer spannungen in einem traktionsenergiespeicher

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EP4176482A1
EP4176482A1 EP21732265.0A EP21732265A EP4176482A1 EP 4176482 A1 EP4176482 A1 EP 4176482A1 EP 21732265 A EP21732265 A EP 21732265A EP 4176482 A1 EP4176482 A1 EP 4176482A1
Authority
EP
European Patent Office
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mechanical stress
cell module
internal resistance
state
secondary cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21732265.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Kratzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
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Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
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Definitions

  • the present disclosure relates to a technique for determining mechanical stresses in an electrical traction energy store of a motor vehicle.
  • a device for determining mechanical stresses in an electrical traction energy store of a motor vehicle and a motor vehicle equipped with such a device are disclosed.
  • Determining the aging state of a lithium-ion battery is traditionally based on the number of charging cycles and the well-known aging effects of lithium-ion batteries, such as a decrease in capacity and an increase in internal resistance.
  • the term capacity can refer to the charge that can be stored in the cell (for example in the unit A-h) or the energy that can be stored (for example in the unit kW-h).
  • the capacity decreases over time and there is an increase in internal resistance due to side reactions that take place during charging, for example in the electrolyte or through crystallization (e.g. formation of dendrites) at the negative pole (the anode during charging).
  • These secondary processes can include, for example, stretching processes of the active materials or also the mechanical work of the active materials that has taken place in the process.
  • the cell housing e.g. a prismatic cell, a cylindrical cell, or a pouch cell.
  • the cell housing e.g. a prismatic cell, a cylindrical cell, or a pouch cell.
  • current cells can build up such high pressures over their lifetime that plastic or bursting deformation of the cell housing can also occur.
  • the device includes a traction energy store for storing electrical energy with at least one cell module, each of which includes a housing and a plurality of secondary cells arranged in the housing and electrically conductively connected to a power interface of the cell module. Furthermore, the device comprises at least one determination unit which is designed to determine a mechanical stress in the secondary cells at different times on the basis of an internal resistance of the secondary cells in the at least one cell module.
  • a first value of the internal resistance corresponds to a first state of the mechanical stress.
  • a second internal resistance value that is greater than the first internal resistance value corresponds to a second stress state that is greater than the stress in the first state.
  • the mechanical stress can be a pressure, preferably an increase in pressure.
  • the secondary cells which are electrically conductively connected to the power interface of the cell module, can be connected in series or in parallel in the cell module. In the case of several cell modules, their power interfaces can be connected in series or in parallel in the traction energy store.
  • each cell module can be assigned a different one of the determination units, which determines the mechanical stress in the secondary cells of the respective cell module at different times on the basis of the internal resistance of the secondary cells of the respective cell module.
  • the internal resistance of the secondary cells can include an internal resistance of one or all secondary cells (for example per cell module).
  • the determined stress may include stress in any or all of the secondary cells.
  • the internal resistance of the secondary cells may include an internal resistance for each of the secondary cells.
  • the determined stress may include a stress in each of the secondary cells.
  • the mechanical stress can include a pressure in the secondary cells, preferably a pressure that deforms the secondary cells (for example only or only) in the second state.
  • Stress in the secondary cells may include pressure deforming the secondary cells.
  • the mechanical stress can include a pressure that deforms the cell housing of the secondary cells, preferably in at least one of the secondary cells.
  • a compressive force of the secondary cells in the respective cell module resulting from the mechanical stress (for example the pressure) in the secondary cells can be smaller than a breaking force of the housing of the respective cell module.
  • Each of the secondary cells may each have a separator.
  • a permeability, preferably an ion permeability, of the separator can depend on the mechanical stress, preferably the pressure, in the respective secondary cell.
  • Each of the secondary cells may include a negative electrode, a positive electrode, and a separator between the negative electrode and the positive electrode.
  • the internal resistance can be a measure of the ion permeability and/or a pressure acting on the separator.
  • the separator can comprise a foil or membrane, or a layering of several membranes or foils. Alternatively or additionally, the separator can comprise unwoven fibers or a non-woven fabric.
  • the separator may be semi-permeable (partially permeable) or exhibit ion-selective permeability (permeability).
  • the separator can be permeable (pervious) to Li + ions in particular.
  • the permeability of the separator can be the product of the diffusion coefficient and partition coefficient of the ions divided by a thickness of the separator.
  • the partition coefficient may be the ratio of a concentration of ions on a first side of the separator to the anode and a concentration of ions on a second side of the separator to the cathode.
  • the thickness of the separator can decrease with increasing pressure in the cell module and/or increasing compressive force on the separator.
  • the ion permeability of the separator can be lower in the second state than in the first state.
  • the determination unit can have a measuring module that is designed to measure the internal resistance of each secondary cell of the cell module or of one of the cell modules. preferably based on a measured voltage and a measured current of the respective secondary cell.
  • the determination unit can have a measuring module that is designed to measure the internal resistance of the or each cell module, preferably on the basis of a measured electrical voltage and a measured electrical current of the respective cell module.
  • the measured electrical current and/or the measured electrical voltage can be queried or measured in a measurement interval.
  • the internal resistance can be calculated based on the measured electrical voltage and the measured electrical current according to an equivalent circuit diagram of the respective cell module.
  • the determination unit can have a control module in which a relationship between the internal resistance and the mechanical stress is stored and/or which is designed to determine the mechanical stress using the stored relationship based on the internal resistance.
  • the relationship can depend on a temperature in the respective cell module or in the secondary cells, preferably with the internal resistance being a monotonically decreasing function of the temperature in the first state and/or in the second state of the mechanical stress.
  • the relationship can depend on a state of charge or an open circuit voltage of the respective cell module or the secondary cells, preferably with the internal resistance being a monotonically increasing function of the state of charge or the open circuit voltage in the first and/or in the second state of the mechanical stress.
  • a first or second threshold value for the internal resistance can depend on a temperature and/or a state of charge and/or an open circuit voltage of the cell module.
  • the determination unit can also be designed to determine the mechanical stress in the housing of the or each cell module.
  • the mechanical stress in the respective cell module can correspond to the mechanical stress in the secondary cells minus a retaining force of the housings of the secondary cells.
  • the housings of the secondary cells can be arranged in contact with one another and/or without play and/or with a positive fit in the respective cell module.
  • the secondary cells can be arranged without play in the housing of the respective cell module.
  • the cells can comprise cylinders that are parallel to one another and/or can be arranged hexagonally.
  • the secondary cells that are in force exchange can rest against one another or be in force exchange via spacer elements.
  • the spacer elements can include cooling channels.
  • the secondary cells can be densely arranged.
  • the secondary cells may be contiguous or (e.g., partially) bordered.
  • the secondary cells may be clamped with a clamping force in the first state, with the clamping force being increased in the second state.
  • the determination unit can also be designed to determine the mechanical stress in the traction energy store.
  • the mechanical stress in the traction energy store can correspond to the mechanical stress in the at least one cell module minus a holding force of the housing of the cell module.
  • the housings of the cell modules can be arranged in contact with one another and/or without play and/or with a form fit in the traction energy store.
  • the control unit can be designed to control a switching state of the traction energy store or the respective cell module depending on the detected internal resistance, for example to avoid mechanical overloading of the housing of the respective cell module.
  • the at least one cell module can each include at least one contactor, which is designed to interrupt the electrically conductive connection between the secondary cells and the power interface of the respective cell module.
  • the determination unit preferably the control module, can be designed to control the at least one contactor as a function of the determined mechanical stress.
  • a switching state of the contactor can be controlled.
  • the determination unit can open the contactor of the respective cell module.
  • the determination unit can open the contactor of the respective cell module depending on the mechanical stress associated with the detected internal resistance.
  • the dependency of the controlled switching state can include a comparison of the detected internal resistance with a predetermined internal resistance.
  • the housing of the cell module can be mechanically stressed due to the pressure in the secondary cells by the secondary cells (for example, without play and/or in contact with one another).
  • the predetermined internal resistance can be calculated according to a mechanical load limit of the housing of the cell module and/or the housing of the secondary cells.
  • the determination unit preferably the control module, can be designed to disconnect the electrically conductive connection, preferably by means of the contactor, if the determined mechanical stress exceeds a first limit value and/or if an increase in the determined mechanical stress exceeds a second limit value.
  • the determination unit can be designed to determine the mechanical stress at least once in each charging cycle of the traction energy store and/or to compare the determined mechanical stress with the first and/or second limit value.
  • the determination unit can be designed to determine the mechanical stress in different charging cycles of the traction energy store with the same state of charge and/or the same temperature of the respective cell module or the secondary cells and/or to compare the determined mechanical stress with the first and/or second limit value.
  • the determination unit can compare a profile of the determined mechanical stress with a stored profile.
  • the stored course of the internal resistance can also be referred to as a characteristic.
  • the course can be stored as a function of a number of charging cycles or a charge conversion or a current conversion of the traction energy store or of the respective cell module.
  • a motor vehicle in particular a commercial vehicle, is provided.
  • the motor vehicle for example the drive train of the motor vehicle, includes an electrical traction energy store and a device for determining mechanical stresses in the traction energy store.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a device for determining mechanical stresses in the traction energy store
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the mechanical stress and the electrical internal resistance as a function of aging of an exemplary embodiment of the traction energy store, the relationship of which can be stored in each exemplary embodiment of the device;
  • Figure 3 is a schematic sectional view of an embodiment of the
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the embodiment of
  • Second state secondary cell employable in any embodiment of the apparatus
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the internal resistance as a function of aging of an embodiment of the traction energy store and a limit value which corresponds to a first limit value of the mechanical stress and can be stored in each embodiment of the device;
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of the internal resistance as a function of aging of an exemplary embodiment of the traction energy store and an increase which corresponds to a second limit value of the mechanical stress and can be stored in each exemplary embodiment of the device;
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a temperature dependency of the internal resistance, which can be stored in each exemplary embodiment of the device;
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a state of charge dependency of the internal resistance, which can be stored in each exemplary embodiment of the device
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of the permeability of an exemplary embodiment of the separator as a function of the mechanical stress, the relationship of which can be stored in each exemplary embodiment of the device;
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of the internal resistance of an exemplary embodiment of the secondary cell as a function of the permeability of the separator, the relationship of which can be stored in each exemplary embodiment of the device;
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the motor vehicle with an exemplary embodiment of the device.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a device, generally designated by reference numeral 100, for determining mechanical stresses 200 in an electrical traction energy store 110 of a motor vehicle.
  • the device 100 includes a traction energy store 110 for storing electrical energy.
  • the traction energy store 110 comprises at least one cell module 120, each of which comprises a housing 122 and a plurality of secondary cells 300 which are arranged in the housing 122 and are electrically conductively connected to a power interface 124 of the cell module 120 and/or the traction energy store 110.
  • the device 100 comprises at least one determination unit 130 which is designed to determine a mechanical stress 200 in the secondary cell 300 at different times on the basis of an internal resistance of the secondary cells 300 in the at least one cell module 120 .
  • the determination unit 130 can include a measurement module 132 that determines the internal resistance based on a voltage 126 and a current 128 at the power interface 124 .
  • a relationship between the internal resistance and the mechanical stress 200 is stored in a control module 134 of the determination unit 130 .
  • a first value of the internal resistance 204 corresponds to a first state of the mechanical stress 200.
  • a second value of the internal resistance 204 which is greater than the first value of the internal resistance 204, corresponds to a second state of the mechanical stress 200, which is greater than the mechanical stress 200 in first state is. Determining the mechanical stress 200 can include detecting and/or diagnosing and/or monitoring the mechanical stress 200, preferably an increase in pressure in or swelling of the secondary cells.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of the mechanical stress 200 and the electrical internal resistance 204 as a function of aging of an exemplary embodiment of the traction energy store 110.
  • a resulting relationship between the mechanical stress 200 and the electrical internal resistance 204 can be stored in each exemplary embodiment of the device 100.
  • the mechanical stress 200 and the electrical internal resistance 204 can be recorded and evaluated as a function of any variable of aging (or useful life) of the traction energy store 110 to determine the relationship, for example by eliminating the magnitude of the aging as a common parameter when determining the relationship between the mechanical stress 200 and the internal electrical resistance 204.
  • each exemplary embodiment can show the mechanical stress 200 as a function of the electrical charge throughput (e.g. in Ah) or the energy throughput (e.g. in kWh), preferably at the power interface 124, record or monitor.
  • a second variant of each exemplary embodiment can detect or monitor the electrical internal resistance 204 and the mechanical stress 200 as a function of a state of health (determined according to the prior art, for example) (technically: “State of Health” or SoH) of the secondary cells 300 .
  • a plurality of secondary cells 300 can be arranged in a cell module 120 geometrically or combined according to a dense packing (for example adjacent to one another). As a result, an individual cell expansion of all cells 300 in a cell module 120 can accumulate or add up.
  • the resulting linear expansion (for example in one or more dimensions) can be absorbed.
  • the customer-specific use of the cells 300 and/or the cell module 120 is so intensive that the cell housing and/or the housing 122 of the at least one cell module 120 can no longer absorb the forces of mechanical deformation, mechanical failure (e.g. breaking ) of the cell housing and/or the housing 122. This can result in safety risks, for example a short circuit can occur, there can be an open high-voltage voltage (HV voltage) and/or an electrolyte can escape.
  • HV voltage high-voltage voltage
  • SoH State of Health
  • Embodiments of the device 100 can determine the pressure due to the internal resistance 204, preferably without pressure sensors (for example in the electrolyte or as strain gauges in the cell housing of the cell 300 or in the housing 122 of the cell module 120).
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an embodiment of the secondary cell in the first state, which is denoted generally by the reference numeral 300 and can be used multiple times in each embodiment of the device 100 (in particular in each cell module 120).
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the exemplary embodiment of the secondary cell 300 in the second state. Furthermore, an electrical consumer 350 is added as an example in each of FIGS.
  • the cell 300 comprises a negative pole as a negative electrode 302 and a positive pole as a positive electrode 312.
  • the negative pole 302 has a copper foil as the negative current collector 304 .
  • the negative current collector 304 is in electrically conductive contact with a negative active material 306 for lithium storage, such as graphite, silicon or pure lithium.
  • the positive pole 312 has an aluminum foil as a positive current collector 314 .
  • the positive current collector 314 is in electrically conductive contact with a positive active material 316 for lithium ion storage, such as a metal phosphate, a metal oxide, a metal fluoride, a metal sulfide, or nickel-cobalt-manganese.
  • an electrolyte 320 for example anhydrous lithium salts in an organic solvent
  • a separator 330 for example anhydrous lithium salts in an organic solvent
  • Separators 330 installed inside the cell have a pressure-dependent ion permeability. If the pressure 200 in the cell 300 rises sharply, the ion permeability of the separator 330 decreases. This leads to an abrupt, for example, decrease in the ion permeability, which is detected by an increase in the internal resistance 204 of the cell 300 .
  • the separator can comprise a microporous plastic, for example fleece with glass fibers or polyethylene.
  • FIGS. 3 and 4 each show a schematic of a secondary cell 300 (in short: cell) with lithium as the active material.
  • the negative pole 302 emits electrons during the discharging shown in FIGS. 3 and 4, so it is the site of oxidation, i.e. the anode.
  • the positive pole 312 takes up electrons during the discharging shown in FIGS. 3 and 4, and is therefore the location of the reduction, i.e. the cathode.
  • the negative terminal 302 is the cathode and the positive terminal 312 is the anode of the redox reaction.
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • the passive interface 308 is shown schematically in Figures 3 and 4. If the passive boundary layer 308 is formed after a few cycles and remains stable, it contributes to the stabilization of the electrochemical system in the cell 300, since the passive Boundary layer 308 can prevent further exothermic decomposition of the electrolyte 320, which in the worst case could lead to thermal burnout of the cell 300.
  • a passive boundary layer 318 can also form on the positive electrode 312, which is technically referred to as “cathode-electrolyte-interphase” (CEI).
  • CEI cathode-electrolyte-interphase
  • passive boundary layer 308 and/or passive boundary layer 318 can displace volume in closed cell 300 (e.g. through crystallization) and thus be a cause of the increase in mechanical stress 200 (e.g. pressure) in cell 300.
  • mechanical stress 200 e.g. pressure
  • the formation of passive boundary layer 308 and/or passive boundary layer 318 can displace volume in closed cell 300 (e.g. through crystallization) and thus be a cause of the increase in mechanical stress 200 (e.g. pressure) in cell 300.
  • mechanical stress 200 e.g. pressure
  • Exemplary embodiments of device 100 can be measured using sensors already located in a battery management system (BMS), preferably a measuring module 132 for measuring current 128 and voltage 126 of cell module 120 or an individual cell voltage of cells 300, internal resistance 204 of cell module 120 and/or the measure 300 individual cells. For example, a voltage drop 126 across the cell module 120 or a voltage drop across the cell 300 can be determined under a specific load current 128 .
  • BMS battery management system
  • the device 100 for example the determination unit 130, can be implemented by means of a correspondingly designed BMS.
  • the relationship between the mechanical stress 200 and the internal resistance 204 is stored in the BMS 130 as a characteristic curve of the internal resistance 204 of the separator 330 over the pressure 200 (for example a compressive force).
  • This characteristic curve can be described in the form of any desired characteristic curve (eg Gurley as a function of pressure 200), which reflects the ion permeability as a function of the compressive force 200.
  • the pressure 200 can be determined.
  • the second state of the pressure 200 can be determined, whereupon the determination unit 130 (e.g. the BMS) takes appropriate measures.
  • the currently measured internal resistance 204 is determined in the determination unit 130 (for example in the BMS). If a certain value is exceeded as the first limit value (eg 100 to 200 mOhm), the second state of the pressure 200 can be determined, whereupon the determination unit 130 (eg the BMS) carries out the measures.
  • the first limit value eg 100 to 200 mOhm
  • FIG. 5 shows such a first limit value 500 for the internal resistance 204, which according to the relationship corresponds to the first limit value of the mechanical stress 200 and/or the second state of the mechanical stress 200.
  • FIG. 5 also shows schematically the internal resistance 204 as an example function of a magnitude of the aging of the traction energy store 110, for example the charging cycles 202.
  • the measures are carried out.
  • Figure 6 also shows the internal resistance 204 as a function of the aging of the traction energy store 110, for example the number of charging cycles 202.
  • an increase 600 in the internal resistance 204 stored as a characteristic curve is detected, which corresponds to a second limit value of the mechanical stress 200 and/or corresponds to the second stress state 200 . Actions are taken in response to the determination of the second condition.
  • the suitable measures could include switching off the respective cell 300 and/or switching off the cell module 120 containing the respective cell 300 and/or switching off the traction energy store 110 .
  • the suitable measures can include shutting down the traction energy store 110 .
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a temperature dependency 700 of the internal resistance 204, which can be stored in each exemplary embodiment of the device 100.
  • the measured internal resistance 204 can be corrected according to the temperature dependency 700 (preferably in every state of the mechanical stress 200) before the relationship for determining the mechanical stress 200 is applied.
  • the relationship can be corrected according to the temperature dependency 700 .
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a state of charge dependency 800 of the internal resistance 204, which can be stored in each exemplary embodiment of the device 100.
  • the measured internal resistance 204 can be corrected according to the state of charge dependency 800 (preferably in each state of the mechanical stress 200) before the relationship for determining the mechanical stress 200 is applied.
  • the relationship can be corrected according to the state of charge dependency 800 .
  • the state of charge 208 may be measured as an open circuit voltage (OCV) of the respective cell 300 or cell module 120 .
  • OCV open circuit voltage
  • Figure 9 shows a schematic diagram of the permeability 210 (e.g. the permeability of the lithium ions) of an embodiment of the separator 330 as a function 900 of the mechanical stress 200.
  • the inverse permeability is linear to the pressure 200.
  • Figure 10 shows a schematic diagram of the internal resistance 204 of an embodiment of the cell 300 as a function 1000 of the permeability 210 of the separator 330.
  • the inverse permeability is linear to the internal resistance 204.
  • the relationship between internal resistance 204 and pressure 200 can be determined from dependencies 900 and 1000 and/or stored in determination unit 130 .
  • the context may be valid or applicable (e.g., for a plurality of cells 300) for a given separator 330 morphology.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of motor vehicle 1100 with an exemplary embodiment of the device.
  • components of device 100 in particular traction energy store 110 and determination unit 130, are shown outside of the motor vehicle.
  • determination unit 130 can be implemented at one or more or each of the locations designated by reference numeral 130 in FIG.
  • the determination unit for determining the mechanical stress in individual cells 300 is arranged in the respective cell module 120 .
  • the motor vehicle can include two or more traction energy stores 110.
  • the determination unit 130 can be in data exchange with a vehicle function network 1102 of the motor vehicle 1100 via a data line.
  • the exchanged data can include a query of the mechanical stress 200 by the motor vehicle and a response of the determined mechanical stress 200 by the determining unit 130 .
  • the traction energy store 110 or the traction energy stores 110 can be electrically conductively connected to a vehicle power network 1104 (for example the drive train). If the determination unit 130 is implemented in the central battery management system 112 of the traction energy store 110, the electrically conductive connection between the traction energy store 110 and the vehicle power network 1104 can be interrupted by means of a contactor in response to the determination of the second state of the mechanical stress 200.
  • BMS battery management system
  • Negative current collector also: current collector, preferably copper foil 306
  • Negative active material for lithium storage preferably graphite, silicon or pure lithium
  • 312 positive pole also: positive electrode
  • Positive current collector also: current collector, preferably aluminum foil 316
  • Positive active material for lithium ion storage preferably metal phosphate, metal oxide, metal fluoride, metal sulfide or nickel-cobalt-manganese 318 Passive boundary layer, also known as: Cathodic Electrolyte Interface (CEI)

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Abstract

Eine Technik zur Bestimmung mechanischer Spannungen (200) in einem elektrischen Traktionsenergiespeicher (110) eines Kraftfahrzeugs (1100) wird beschrieben. Gemäß einem Vorrichtungsaspekt umfasst eine Vorrichtung (100) einen Traktionsenergiespeicher (110) zum Speichern elektrischer Energie mit mindestens einem Zellmodul (120), das jeweils ein Gehäuse (122) und mehrere im Gehäuse (122) angeordnete und mit einer Leistungsschnittstelle (124) des Zellmoduls (120) elektrisch leitend verbundene Sekundärzellen (300) umfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung (100) mindestens eine Bestimmungseinheit (130), die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage eines Innenwiderstands der Sekundärzellen (300) im mindestens einen Zellmodul (120) zu verschiedenen Zeiten eine mechanische Spannung (200) in den Sekundärzellen (300) zu bestimmen, wobei ein erster Wert des Innenwiderstands einem ersten Zustand der mechanischen Spannung (200) entspricht und ein zweiter Wert des Innenwiderstands, der größer als der erste Wert des Innenwiderstands ist, einem zweiten Zustand der mechanischen Spannung (200) entspricht, die größerer als die mechanische Spannung (200) im ersten Zustand ist.

Description

Technik zur Bestimmung mechanischer Spannungen in einem Traktionsenergiespeicher
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Technik zur Bestimmung mechanischer Spannungen in einem elektrischen Traktionsenergiespeicher eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere sind, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Spannungen in einem elektrischen Traktionsenergiespeicher eines Kraftfahrzeugs und ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes Kraftfahrzeug offenbart.
Die Bestimmung des Alterungszustands einer Lithium-Ionen-Batterien knüpft herkömmlicherweise an die Anzahl der Ladezyklen und die bekannten Alterungseffekte von Lithium-Ionen-Batterien, wie einer Abnahme der Kapazität und einer Zunahme des Innenwiderstands, an. Hierbei kann sich der Begriff der Kapazität auf die in der Zelle speicherbare Ladung (beispielsweise in der Einheit A-h) oder speicherbare Energie (beispielswese in der Einheit kW-h) beziehen. Die Kapazität nimmt mit der Zeit ab und es kommt zu einem Anstieg des Innenwiderstands aufgrund von Nebenreaktionen, die beim Laden beispielsweise im Elektrolyten oder durch Kristallisation (beispielsweise Bildung von Dendriten) am Minuspol (der Anode beim Ladevorgang) stattfinden. Diese Nebenvorgänge können beispielsweise Dehnvorgänge der Aktivmaterialien oder auch die dabei erfolgte mechanische Arbeit der Aktivmaterialien umfassen.
Jedoch findet neben den vorgenannten Alterungseffekten von Lithium-Ionen-Batterien immer auch ein irreversibler Druckanstieg in den Zellen oder, abhängig von der Einfassung in ein Zellgehäuse, eine äquivalente irreversible Ausdehnung der Zellen statt.
Dieser irreversible Druckanstieg wird zu einem gewissen Anteil durch das Zellgehäuse (beispielsweise eine prismatische Zelle, eine zylindrische Zelle, oder eine Pouch-Zelle) abgefangen. Jedoch können aktuelle Zellen so hohe Drücke über ihre Lebensdauer aufbauen, dass es auch zu einer plastischen oder berstenden Verformung des Zellgehäuses kommen kann.
Um dem vorzubeugen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mechanische Spannungen in einer Sekundärzelle oder das Anschwellen einer Sekundärzelle zu bestimmen. Ein Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Spannungen in einem elektrischen Traktionsenergiespeicher eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Traktionsenergiespeicher zum Speichern elektrischer Energie mit mindestens einem Zellmodul, das jeweils ein Gehäuse und mehrere im Gehäuse angeordnete und mit einer Leistungsschnittstelle des Zellmoduls elektrisch leitend verbundene Sekundärzellen umfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens eine Bestimmungseinheit, die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage eines Innenwiderstands der Sekundärzellen im mindestens einen Zellmodul zu verschiedenen Zeiten eine mechanische Spannung in den Sekundärzellen zu bestimmen. Dabei entspricht ein erster Wert des Innenwiderstands einem ersten Zustand der mechanischen Spannung. Ein zweiter Wert des Innenwiderstands, der größer als der erste Wert des Innenwiderstands ist, entspricht einem zweiten Zustand der mechanischen Spannung, die größerer als die mechanische Spannung im ersten Zustand ist.
Die mechanische Spannung kann ein Druck, vorzugsweise ein Druckanstieg, sein.
Die mit der Leistungsschnittstelle des Zellmoduls elektrisch leitend verbundenen Sekundärzellen können im Zellmodul in Reihe oder parallel geschaltet sein. Im Fall mehrerer Zellmodule können deren Leistungsschnittstellen im Traktionsenergiespeicher in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Im Fall mehrerer Zellmodule kann jedem Zellmodul jeweils eine andere der Bestimmungseinheiten zugeordnet sein, die auf Grundlage des Innenwiderstands der Sekundärzellen des jeweiligen Zellmoduls zu verschiedenen Zeiten die mechanische Spannung in den Sekundärzellen des jeweiligen Zellmoduls bestimmt.
Der Innenwiderstand der Sekundärzellen kann einen Innenwiderstand einer oder aller Sekundärzellen (beispielsweise je Zellmodul) umfassen. Die bestimmte mechanische Spannung kann eine mechanische Spannung in einer oder allen Sekundärzellen umfassen. Alternativ kann der Innenwiderstand der Sekundärzellen einen Innenwiderstand für jede der Sekundärzellen umfassen. Die bestimmte mechanische Spannung kann eine mechanische Spannung in jeder der Sekundärzelle umfassen.
Die mechanische Spannung kann in den Sekundärzellen einen Druck umfassen, vorzugsweise einen (beispielsweise nur oder erst) im zweiten Zustand die Sekundärzellen verformenden Druck. Die mechanische Spannung in den Sekundärzellen kann einen die Sekundärzellen verformenden Druck umfassen. Beispielsweise kann die mechanische Spannung einen Zellgehäuse der Sekundärzellen verformenden Druck, vorzugsweise in mindestens einer der Sekundärzellen, umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine aus der mechanischen Spannung (beispielsweis dem Druck) in den Sekundärzellen resultierende Druckkraft der Sekundärzellen im jeweiligen Zellmodul kleiner als eine Bruchkraft des Gehäuses des jeweiligen Zellmoduls sein.
Jede der Sekundärzellen kann jeweils einen Separator aufweisen. Eine Durchlässigkeit, vorzugsweise eine lonenpermeabilität, des Separators kann abhängig sein von der mechanischen Spannung, vorzugsweise dem Druck, in der jeweiligen Sekundärzelle.
Jede der Sekundärzellen kann eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Separator zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode umfassen. Der Innenwiderstand kann ein Maß für die lonenpermeabilität und/oder einen auf den Separator wirkenden Druck sein.
Der Separator kann eine Folie oder Membran, oder eine Schichtung mehrerer Membranen oder Folien umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Separator unverwobene Fasern oder einen Vliesstoff umfassen.
Der Separator kann semipermeabel (teilweise durchlässig) sein oder eine ionenselektive Permeabilität (Durchlässigkeit) aufweisen. Der Separator kann insbesondere für Li+-lonen permeabel (durchlässig) sein. Die Permeabilität des Separators kann das Produkt von Diffusionskoeffizient und Verteilungskoeffizient der Ionen geteilt durch eine Dicke des Separators sein. Der Verteilungskoeffizient kann das Verhältnis einer Konzentration der Ionen auf einer ersten Seite des Separators zur Anode und einer Konzentration der Ionen auf einer zweiten Seite des Separators zur Kathode sein. Die Dicke des Separators kann mit zunehmendem Druck im Zellmodul und/oder zunehmender Druckkraft auf den Separator abnehmen.
Die lonenpermeabilität des Separators kann im zweiten Zustand kleiner sein als im ersten Zustand.
Die Bestimmungseinheit kann ein Messmodul aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den Innenwiderstand jeder Sekundärzelle des Zellmoduls oder eines der Zellmodule zu messen, vorzugsweise auf Grundlage einer gemessenen Spannung und eines gemessenen Stroms der jeweiligen Sekundärzelle.
Alternativ oder ergänzend kann die Bestimmungseinheit ein Messmodul aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den Innenwiderstand des oder jedes Zellmoduls zu messen, vorzugsweise auf Grundlage einer gemessenen elektrischen Spannung und eines gemessenen elektrischen Stroms des jeweiligen Zellmoduls.
Der gemessene elektrische Strom und/oder die gemessene elektrische Spannung können in einem Messintervall abgefragt oder gemessen sein. Der Innenwiderstand kann auf Grundlage der gemessenen elektrischen Spannung und des gemessen elektrischen Stroms gemäß einem Ersatzschaltbild des jeweiligen Zellmoduls berechnet sein.
Die Bestimmungseinheit kann ein Steuerungsmodul ausweisen, in dem ein Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand und der mechanischen Spannung hinterlegt ist, und/oder das dazu ausgebildet ist, mittels des hinterlegten Zusammenhangs auf Grundlage des Innenwiderstands die mechanische Spannung zu bestimmen.
Der Zusammenhang kann abhängig sein von einer Temperatur im jeweiligen Zellmodul oder in den Sekundärzellen, vorzugsweise wobei im ersten Zustand und/oder im zweiten Zustand der mechanischen Spannung der Innenwiderstand eine monoton fallende Funktion der Temperatur ist. Alternativ oder ergänzend kann der Zusammenhang abhängig sein von einem Ladezustand oder einer Leerlaufspannung des jeweiligen Zellmoduls oder der Sekundärzellen, vorzugsweise wobei im ersten und/oder im zweiten Zustand der mechanischen Spannung der Innenwiderstand eine monoton steigende Funktion des Ladezustands oder der Leerlaufspannung ist.
Alternativ oder ergänzend kann ein erster bzw. zweiter Schwellwert für den Innenwiderstand von einer Temperatur und/oder einem Ladezustand und/oder einer Leerlaufspannung des Zellmoduls abhängen.
Die Bestimmungseinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, die mechanische Spannung im Gehäuse des oder jedes Zellmoduls zu bestimmen. Die mechanische Spannung im jeweiligen Zellmodul kann der mechanischen Spannung in den Sekundärzellen abzüglich einer Rückhaltekraft von Gehäusen der Sekundärzellen entsprechen. Die Gehäuse der Sekundärzellen können aneinander anliegend und/oder spielfrei und/oder formschlüssig im jeweiligen Zellmodul angeordnet sein. Die Sekundärzellen können im Gehäuse des jeweiligen Zellmoduls spielfrei angeordnete sein. Beispielsweise können die Zellen zueinander parallel stehende Zylinder umfassen und/oder hexagonal angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können die in Kraftaustausch stehenden Sekundärzellen aneinander anliegen oder über Distanzelemente in Kraftaustausch stehen. Die Distanzelemente können Kühlkanäle umfassen.
Die Sekundärzellen können dicht angeordnet sein. Die Sekundärzellen können direkt aneinander anliegend oder (beispielsweise teilweise) eingefasst sein. Die Sekundärzellen können im ersten Zustand mit einer Spannkraft eingespannt sein, wobei die Spannkraft im zweiten Zustand erhöht ist.
Die Bestimmungseinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, die mechanische Spannung im Traktionsenergiespeicher zu bestimmen. Die mechanische Spannung im Traktionsenergiespeicher kann der mechanischen Spannung in dem mindestens einen Zellmodul abzüglich einer Haltekraft des Gehäuses des Zellmoduls entsprechen.
Die Gehäuse der Zellmodule können aneinander anliegend und/oder spielfrei und/oder formschlüssig im Traktionsenergiespeicher angeordnet sein.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, abhängig vom erfassten Innenwiderstand einen Schaltzustand des Traktionsenergiespeichers oder des jeweiligen Zellmoduls zu steuern, beispielsweise zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung des Gehäuses des jeweiligen Zellmoduls.
Das mindestens eine Zellmodul kann jeweils mindestens ein Schaltschütz umfassen, das dazu ausgebildet ist, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Sekundärzellen und der Leistungsschnittstelle des jeweiligen Zellmoduls zu unterbrechen. Die Bestimmungseinheit, vorzugsweise das Steuerungsmodul, kann dazu ausgebildet sein, abhängig von der bestimmten mechanischen Spannung das mindestens eine Schaltschütz zu steuern.
Abhängig von der bestimmten mechanischen Spannung kann ein Schaltzustand des Schaltschützes gesteuert werden. Die Bestimmungseinheit kann abhängig von dem erfassten Innenwiderstand das Schaltschütz des jeweiligen Zellmoduls öffnen. Insbesondere kann die Bestimmungseinheit abhängig von der dem erfassten Innenwiderstand zugeordneten mechanischen Spannung das Schaltschütz des jeweiligen Zellmoduls öffnen.
Die Abhängigkeit des gesteuerten Schaltzustands kann einen Vergleich des erfassten Innenwiderstands mit einem vorbestimmten Innenwiderstand umfassen. Das Gehäuse des Zellmoduls kann aufgrund des Drucks in den Sekundärzellen durch die (beispielsweise spielfrei und/oder aneinander anliegenden) Sekundärzellen mechanisch belastet sein. Der vorbestimmte Innenwiderstand kann gemäß einer mechanischen Belastungsgrenze des Gehäuses des Zellmoduls und/oder der Gehäuse der Sekundärzellen berechnet sein.
Die Bestimmungseinheit, vorzugsweise das Steuerungsmodul, kann dazu ausgebildet sein, die elektrisch leitende Verbindung zu trennen, vorzugsweise mittels des Schaltschützes, falls die bestimmte mechanische Spannung einen ersten Grenzwert übersteigt und/oder falls ein Anstieg der bestimmten mechanische Spannung einen zweiten Grenzwert übersteigt.
Die Bestimmungseinheit kann dazu ausgebildet sein, mindestens einmal in jedem Ladezyklus des Traktionsenergiespeichers die mechanische Spannung zu bestimmen und/oder die bestimmte mechanische Spannung mit dem ersten und/oder zweiten Grenzwert abzugleichen.
Die Bestimmungseinheit kann dazu ausgebildet sein, in verschiedenen Ladezyklen des Traktionsenergiespeichers bei demselben Ladezustand und/oder derselben Temperatur des jeweiligen Zellmoduls oder der Sekundärzellen die mechanische Spannung zu bestimmen und/oder die bestimmte mechanische Spannung mit dem ersten und/oder zweiten Grenzwert abzugleichen.
Die Bestimmungseinheit kann einen Verlauf der bestimmten mechanischen Spannung mit einem gespeicherten Verlauf vergleichen. Der gespeicherte Verlauf des Innenwiderstands kann auch als Kennlinie bezeichnet werden. Der Verlauf kann als Funktion einer Anzahl von Ladezyklen oder eines Ladungsumsatzes oder eines Stromumsatzes des Traktionsenergiespeichers oder des jeweiligen Zellmoduls gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Das Kraftfahrzeug, beispielsweise der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, umfasst einen elektrischen Traktionsenergiespeicher und eine Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Spannungen in dem Traktionsenergiespeicher. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Spannungen im T raktionsenergiespeicher;
Figur 2 ein schematisches Diagramm der mechanischen Spannung und des elektrischen Innenwiderstands als Funktion einer Alterung eines Ausführungsbeispiels des Traktionsenergiespeichers, deren Zusammenhang in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist;
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der
Sekundärzelle im ersten Zustand, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung einsetzbar ist;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der
Sekundärzelle im zweiten Zustand, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung einsetzbar ist;
Figur 5 ein schematisches Diagramm des Innenwiderstands als Funktion einer Alterung eines Ausführungsbeispiels des Traktionsenergiespeichers und eines Grenzwerts, der einem ersten Grenzwert der mechanischen Spannung entspricht und in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist;
Figur 6 ein schematisches Diagramm des Innenwiderstands als Funktion einer Alterung eines Ausführungsbeispiels des Traktionsenergiespeichers und eines Anstiegs, der einem zweiten Grenzwert der mechanischen Spannung entspricht und in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist;
Figur 7 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist;
Figur 8 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Ladezustandsabhängigkeit des Innenwiderstands, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist; Figur 9 ein schematisches Diagramm der Durchlässigkeit eines Ausführungsbeispiels des Separators in Abhängigkeit von der mechanischen Spannung, deren Zusammenhang in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist;
Figur 10 ein schematisches Diagramm des Innenwiderstands eines Ausführungsbeispiels der Sekundärzelle in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit des Separators, deren Zusammenhang in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hinterlegbar ist; und
Figur 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Kraftfahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Spannungen 200 in einem elektrischen Traktionsenergiespeicher 110 eines Kraftfahrzeugs.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen Traktionsenergiespeicher 110 zum Speichern elektrischer Energie. Der Traktionsenergiespeicher 110 umfasst mindestens ein Zellmodul 120, das jeweils ein Gehäuse 122 und mehrere im Gehäuse 122 angeordnete und mit einer Leistungsschnittstelle 124 des Zellmoduls 120 und/oder des Traktionsenergiespeichers 110 elektrisch leitend verbundene Sekundärzellen 300 umfasst.
Ferner umfasst die Vorrichtung 100 mindestens eine Bestimmungseinheit 130, die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage eines Innenwiderstands der Sekundärzellen 300 im mindestens einen Zellmodul 120 zu verschiedenen Zeiten eine mechanische Spannung 200 in den Sekundärzelle 300 zu bestimmen.
Die Bestimmungseinheit 130 kann ein Messmodul 132 umfassen, das aufgrund einer Spannung 126 und eines Stroms 128 an der Leistungsschnittstelle 124 den Innenwiderstand bestimmt. In einem Steuerungsmodul 134 der Bestimmungseinheit 130 ist ein Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand und der mechanischen Spannung 200 hinterlegt. Ein erster Wert des Innenwiderstands 204 entspricht einem ersten Zustand der mechanischen Spannung 200. Ein zweiter Wert des Innenwiderstands 204, der größer als der erste Wert des Innenwiderstands 204 ist, entspricht einem zweiten Zustand der mechanischen Spannung 200, die größer als die mechanische Spannung 200 im ersten Zustand ist. Das Bestimmen der mechanischen Spannung 200 kann ein Erfassen und/oder ein Diagnostizieren und/oder ein Überwachen der mechanischen Spannung 200, vorzugsweise eines Anstiegs des Drucks in bzw. eines Anschwellens der Sekundärzellen, umfassen.
Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm der mechanischen Spannung 200 und des elektrischen Innenwiderstands 204 als Funktion einer Alterung eines Ausführungsbeispiels des Traktionsenergiespeichers 110. Ein daraus resultierender Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung 200 und dem elektrischen Innenwiderstand 204 kann in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 hinterlegbar sein. Beispielsweise kann, wie im Ausführungsbeispiel der Figur 2 zu sehen ist, ein linearer Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung 200 und dem elektrischen Innenwiderstand 204 bestehen.
Die mechanische Spannung 200 und der elektrische Innenwiderstand 204 können als Funktion einer beliebigen Größe der Alterung (oder Nutzungsdauer) des Traktionsenergiespeichers 110 erfasst und ausgewertet werden zur Bestimmung des Zusammenhangs, beispielsweise indem die Größe der Alterung als gemeinsamer Parameter eliminiert wird bei der Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der mechanischen Spannung 200 und dem elektrischen Innenwiderstand 204.
Während in der Figur 2 der elektrische Innenwiderstand 204 und die mechanische Spannung 200 (beispielsweise der Druck) in den Sekundärzellen 120 jeweils im Verlauf der Ladezyklen 202 als beispielhafte Größe der Alterung erfasst ist, kann eine erste Variante jedes Ausführungsbeispiels die mechanische Spannung 200 als Funktion des elektrischen Ladungsdurchsatzes (beispielsweise in Ah) oder des Energiedurchsatzes (beispielsweise in kWh), vorzugsweise an der Leistungsschnittstelle 124, erfassen oder überwachen. Eine zweite Variante jedes Ausführungsbeispiels kann den elektrischen Innenwiderstand 204 und die mechanische Spannung 200 als Funktion eines (beispielsweise gemäß dem Stand der Technik bestimmten) Gesundheitszustands (fachsprachlich: „State of Health“ oder SoH) der Sekundärzellen 300 erfassen oder überwachen.
Mehrere Sekundärzellen 300 (kurz: Zellen) können geometrisch oder gemäß einer dichtesten Packung zusammengefasst (beispielsweise aneinander anliegend) in einem Zellmodul 120 angeordnet sind. Dadurch kann sich eine Einzelzellausdehnung aller Zellen 300 in einem Zellmodul 120 kumulieren oder aufsummieren. Mittels einer Konstruktion eines Zellgehäuses jeder Zelle 300 oder mittels einer Konstruktion des Gehäuses 122 des Zellmoduls 120 kann die entstehende Längenausdehnung (beispielsweise in einer oder mehreren Dimensionen) abgefangen werden. Ist der kundenspezifische Einsatz der Zellen 300 und/oder des Zellmoduls 120 jedoch so intensiv, dass das Zellgehäuse und/oder das Gehäuse 122 des mindestens einen Zellmoduls 120 die Kräfte der mechanischen Verformung nicht mehr abfangen kann, kann es zum mechanischen Versagen (beispielsweise zum Brechen) des Zellgehäuses und/oder des Gehäuses 122 kommen. Hierdurch können sich Sicherheitsrisiken ergeben, beispielsweise kann ein Kurzschluss entstehen, eine offene Hochvoltspannung (HV-Spannung) vorliegen und/oder ein Elektrolyt austreten.
Es kann Fälle geben, in denen der State of Health (SoH) einer Zelle 300, basierend auf einer aus dem Stand der Technik bekannten Größe der Alterung (beispielsweise einer Kapazitätsdegradation) einer Zelle 300 noch in Ordnung ist. Jedoch kann die Zelle 300 bereits kritisch hohe Druckkräfte 200 erzeugt haben. Im Stand der Technik besteht hierzu keine befriedigende Technik zur Detektion und/oder Diagnose der mechanischen Spannung 200.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 können, vorzugsweise ohne Drucksensoren (beispielsweise im Elektrolyten oder als Dehnungsstreifen im Zellgehäuse der Zelle 300 oder im Gehäuse 122 des Zellmoduls 120), den Druck aufgrund des Innenwiderstands 204 bestimmen.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Sekundärzelle im ersten Zustand, die allgemein mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist und in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 (insbesondere in jedem Zellmodul 120) mehrfach einsetzbar ist. Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der Sekundärzelle 300 im zweiten Zustand. Ferner ist in den Figuren 3 und 4 jeweils ein elektrischer Verbraucher 350 beispielhaft ergänzt, um den elektronischen Stromfluss außerhalb der Zelle 300 und den ionischen Stromfluss innerhalb der Zelle 300 beim Entladen der Zelle 300 darzustellen.
Die Zelle 300 umfasst einen Minuspol als negative Elektrode 302 und einen Pluspol als positive Elektrode 312. Der Minuspol 302 weist eine Kupfer-Folie als negativen Stromkollektor 304 auf. Der negative Stro kollektor 304 steht in elektrisch leitendem Kontakt mit einem negativen Aktivmaterial 306 zur Lithiumeinlagerung, beispielsweise Graphit, Silicium oder reines Lithium.
Der Pluspol 312 weist eine Aluminium-Folie als positiven Stromkollektor 314 auf. Der positive Strom kollektor 314 steht in elektrisch leitendem Kontakt mit einem positiven Aktivmaterial 316 zur Lithiumionenspeicherung, beispielsweise einem Metallphosphat, einem Metalloxid, einem Metallfluorid, einem Metallsulfid oder Nickel-Kobalt-Mangan.
Zwischen dem Minuspol 302 und dem Pluspol 312 ist ein Elektrolyt 320, beispielsweise wasserfreie Lithiumsalze in einem organischen Lösemittel, und ein Separator 330.
Zellintern verbaute Separatoren 330 besitzen eine druckabhängige lonenpermeabilität. Steigt der Druck 200 in der Zelle 300 stark an, nimmt die lonenpermeabilität des Separators 330 ab. Dies führt zu einer, beispielsweise sprunghaften, Abnahme der lonenpermeabilität, welche durch einen Anstieg des Innenwiderstands 204 der Zelle 300 erfasst wird.
Der Separator kann einen mikroporösen Kunststoff umfassen, beispielsweise Vliese mit Glasfasern oder Polyethylen.
Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils schematisch eine Sekundärzelle 300 (kurz: Zelle) mit Lithium als Aktivmaterial. Der Minuspol 302 gibt beim in den Figuren 3 und 4 gezeigten Entladen Elektronen ab, ist also Ort der Oxidation, d.h. die Anode. Der Pluspol 312 nimmt beim in den Figuren 3 und 4 gezeigten Entladen Elektronen auf, ist also Ort der Reduktion, d.h. die Kathode. Umgekehrt ist beim Laden der Zelle 300 der Minuspol 302 die Kathode und der Pluspol 312 die Anode der Redoxreaktion.
Je nach Zellspannung und Stabilität des Elektrolyten 320 kommt es zu Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten 320. Die zumeist festen Zersetzungsprodukte der Nebenreaktionen akkumulieren an der Grenzschicht zwischen der negativen Elektrode 302 und dem Elektrolyt 320 und bilden das sogenannte „Solid-Electrolyte-Interface“ (SEI), d.h. eine passive Grenzschicht 308, die elektronisch isolierend, aber durchlässig für Lithiumionen ist.
Die passive Grenzschicht 308 ist in den Figuren 3 und 4 schematisch gezeigt. Wenn die passive Grenzschicht 308 nach wenigen Zyklen ausgebildet ist und stabil bleibt, trägt sie zur Stabilisierung des elektrochemischen Systems in der Zelle 300 bei, da die passive Grenzschicht 308 eine weitere exotherme Zersetzung des Elektrolyten 320 verhindern kann, die schlimmstenfalls zum thermischen Durchbrennen der Zelle 300 führen könnte.
Auch an der positiven Elektrode 312 kann sich eine passive Grenzschicht 318 ausbilden, die fachsprachlich als „Cathode-Electrolyte-Interphase“ (CEI) bezeichnet wird.
Wie in der Figur 4 im Vergleich zur Figur 3 schematisch gezeigt, kann die Bildung der passiven Grenzschicht 308 und/oder der passiven Grenzschicht 318 Volumen in der geschlossenen Zelle 300 verdrängen (beispielsweise durch Kristallisation) und somit eine Ursache für den Anstieg der mechanischen Spannung 200 (beispielsweise des Drucks) in der Zelle 300 sein. Beispielsweise gibt es - neben einem direkten Beitrag der passiven Grenzschichten 308 und 318 zum Innenwiderstand 204 - auch einen indirekten Beitrag zum Innenwiderstand aufgrund des Anstiegs des Drucks in der Zelle 300, welcher wiederum die druckabhängige lonenpermeabilität des Separators 330 reduziert.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 können mittels der bereits in einem Batteriemanagementsystem (BMS) verorteten Sensoren, vorzugsweise einem Messmodul 132 zum Messen des Stroms 128 und der Spannung 126 des Zellmoduls 120 oder einer Einzelzellspannung der Zellen 300, den Innenwiderstand 204 des Zellmoduls 120 und/oder der einzelnen Zellen 300 messen. Beispielsweise kann unter einem bestimmten Laststrom 128 ein Spannungsabfall 126 über das Zellmodul 120 oder ein Spannungsabfall über die Zelle 300 ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 100, beispielsweise die Bestimmungseinheit 130, mittels eines entsprechend ausgebildeten BMS implementiert sein.
In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 ist im BMS 130 der Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung 200 und dem Innenwiderstand 204 als eine Kennlinie des Innenwiderstands 204 des Separators 330 über den Druck 200 (beispielsweise eine Druckkraft) hinterlegt. Diese Kennlinie kann in Form einer beliebigen Kennlinie beschrieben sein (z.B. Gurley in Abhängigkeit vom Druck 200), welche die lonenpermeabilität in Abhängigkeit der Druckkraft 200 wiedergibt. Wird ein Anstieg des Innenwiderstands 204 detektiert, der sich mit der hinterlegten Kennlinie deckt, kann der Druck 200 bestimmt werden. Beispielsweise kann der zweite Zustand des Drucks 200 bestimmt werden, woraufhin die Bestimmungseinheit 130 (beispielsweise das BMS) geeignete Maßnahmen ausführt. In einer zweiten Variante jedes Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100, die optional mit der ersten Variante kombinierbar ist, wird der aktuell gemessen Innenwiderstand 204 in der Bestimmungseinheit 130 (beispielsweise im BMS) ermittelt. Beim Überschreiten eines gewissen Wertes als dem ersten Grenzwert (z.B. 100 bis 200 mOhm) kann der zweite Zustand des Drucks 200 bestimmt werden, woraufhin die Bestimmungseinheit 130 (beispielsweise das BMS) die Maßnahmen ausgeführt.
Figur 5 zeigt einen solchen ersten Grenzwert 500 für den Innenwiderstand 204, der gemäß dem Zusammenhang dem ersten Grenzwert der mechanischen Spannung 200 und/oder dem zweiten Zustand der mechanischen Spannung 200 entspricht.
Figur 5 zeigt ferner schematisch den Innenwiderstand 204 als exemplarische Funktion einer Größe der Alterung des Traktionsenergiespeichers 110, beispielsweise der Ladezyklen 202. Beim Überschreiten des ersten Grenzwerts 500 werden die Maßnahmen ausgeführt.
Figur 6 zeigt ebenfalls den Innenwiderstand 204 als Funktion der Alterung des Traktionsenergiespeichers 110, beispielsweise der Anzahl der Ladezyklen 202. Beispielsweise gemäß der ersten Variante wird ein als Kennlinie hinterlegter Anstieg 600 des Innenwiderstands 204 erfasst, der einem zweiten Grenzwert der mechanischen Spannung 200 und/oder dem zweiten Zustand der mechanischen Spannung 200 entspricht. In Reaktion auf die Bestimmung des zweiten Zustands werden die Maßnahmen ausgeführt.
Die geeigneten Maßnahmen könnten ein Abschalten der jeweiligen Zelle 300 und/oder ein Abschalten des die jeweilige Zelle 300 enthaltenden Zellmoduls 120 und/oder ein Abschalten des Traktionsenergiespeichers 110 umfassen. Alternativ oder ergänzend können die geeigneten Maßnahmen eine Außerbetriebnahme des Traktionsenergiespeichers 110 umfassen.
Figur 7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Temperaturabhängigkeit 700 des Innenwiderstands 204, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 hinterlegbar ist. Beispielsweise kann (vorzugsweise in jedem Zustand der mechanischen Spannung 200) der gemessene Innenwiderstand 204 gemäß der Temperaturabhängigkeit 700 korrigiert werden bevor der Zusammenhang zur Bestimmung der mechanischen Spannung 200 angewendet wird. Alternativ oder ergänzend kann der Zusammenhang gemäß der Temperaturabhängigkeit 700 korrigiert werden. Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Ladezustandsabhängigkeit 800 des Innenwiderstands 204, die in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 hinterlegbar ist. Beispielsweise kann (vorzugsweise in jedem Zustand der mechanischen Spannung 200) der gemessene Innenwiderstand 204 gemäß der Ladezustandsabhängigkeit 800 korrigiert werden bevor der Zusammenhang zur Bestimmung der mechanischen Spannung 200 angewendet wird. Alternativ oder ergänzend kann der Zusammenhang gemäß der Ladezustandsabhängigkeit 800 korrigiert werden. Der Ladezustand 208 kann als eine Leerlaufspannung (OCV) der jeweiligen Zelle 300 oder des jeweiligen Zellmoduls 120 gemessen werden.
Figur 9 zeigt ein schematisches Diagramm der Durchlässigkeit 210 (beispielsweise die Permeabilität der Lithiumionen) eines Ausführungsbeispiels des Separators 330 in Abhängigkeit 900 von der mechanischen Spannung 200. Beispielsweise ist die inverse Durchlässigkeit linear zum Druck 200.
Figur 10 zeigt ein schematisches Diagramm des Innenwiderstands 204 eines Ausführungsbeispiels der Zelle 300 in Abhängigkeit 1000 von der Durchlässigkeit 210 des Separators 330. Beispielsweise ist die inverse Durchlässigkeit linear zum Innenwiderstand 204.
In jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann aus den Abhängigkeiten 900 und 1000 der Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand 204 und dem Druck 200 bestimmt und/oder in der Bestimmungseinheit 130 hinterlegt werden.
Der Zusammenhang kann (beispielsweise für eine Vielzahl von Zellen 300) für eine gegebene Morphologie des Separators 330 gültig oder anwendbar sein.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Kraftfahrzeugs 1100 mit einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Zur besseren Übersichtlichkeit sind Komponenten der Vorrichtung 100, insbesondere der Traktionsenergiespeicher 110 und die Bestimmungseinheit 130 außerhalb des Kraftfahrzeugs dargestellt. Dabei kann die Bestimmungseinheit 130 an einer oder mehreren oder jedem der in der Figur 11 mit dem Bezugszeichen 130 bezeichneten Stellen implementiert sein.
Beispielsweise ist die Bestimmungseinheit für die Bestimmung der mechanischen Spannung in einzelnen Zellen 300 im jeweiligen Zellmodul 120 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist die Bestimmungseinheit 130 für die Bestimmung der mechanischen Spannung in dem Zellmodul 120 oder in einzelnen Zellmodulen 120 im Traktionsenergiespeicher 110 angeordnet, beispielsweise in einem zentralen Batteriemanagementsystem 112. Optional kann das Kraftfahrzeug zwei oder mehr Traktionsenergiespeicher 110 umfassen.
Die Bestimmungseinheit 130 kann über eine Datenleitung mit einem Fahrzeugfunktionsnetz 1102 des Kraftfahrzeugs 1100 in Datenaustausch stehen. Die ausgetauschten Daten können eine Abfrage der mechanischen Spannung 200 seitens des Kraftfahrzeugs und eine Antwort der bestimmten mechanischen Spannung 200 seitens der Bestimmungseinheit 130 umfassen.
Ferner kann der Traktionsenergiespeicher 110 oder können die Traktionsenergiespeicher 110 mit einem Fahrzeugleistungsnetz 1104 (beispielsweise dem Antriebsstrang) elektrische leitend verbunden sein. Im Fall einer Implementierung der Bestimmungseinheit 130 im zentralen Batteriemanagementsystem 112 des Traktionsenergiespeichers 110 kann in Reaktion auf die Bestimmung des zweiten Zustands der mechanischen Spannung 200 die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Traktionsenergiespeicher 110 und dem Fahrzeugleistungsnetz 1104 mittels eine Schaltschützes unterbrochen werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
110 Traktionsenergiespeicher
112 Zentrales Batteriemanagementsystem
120 Zellmodul
122 Gehäuse des Zellmoduls
124 Leistungsschnittstelle des Zellmoduls
126 Elektrische Spannung des Zellmoduls
128 Elektrischer Strom des Zellmoduls
130 Bestimmungseinheit, vorzugsweise Batteriemanagementsystem (BMS)
132 Messmodul der Bestimmungseinheit
134 Steuerungsmodul der Bestimmungseinheit
200 Mechanische Spannung, vorzugsweise Kraft oder Druckkraft
202 Ladezyklus des Zellmoduls
204 Innenwiderstand des Zellmoduls
206 Temperatur des Zellmoduls
208 Leerlaufspannung (fachsprachlich: open-circuit voltage oder OCV) oder Ladezustand 210 Durchlässigkeit, insbesondere lonenpermeabilität 300 Sekundärzelle im Zellmodul, kurz: Zelle 302 Minuspol, auch: negative Elektrode
304 Negativer Stromkollektor, auch: Stromableiter, vorzugsweise Kupfer-Folie 306 Negatives Aktivmaterial zur Lithiumeinlagerung, vorzugsweise Graphit, Silicium oder reines Lithium
308 Passive Grenzschicht, fachsprachlich auch: Solid Electrolyte Interface (SEI)
312 Pluspol, auch: positive Elektrode
314 Positiver Stromkollektor, auch: Stromableiter, vorzugsweise Aluminium-Folie 316 Positives Aktivmaterial zur Lithiumionenspeicherung, vorzugsweise Metallphosphat, Metalloxid, Metallfluorid, Metallsulfid oder Nickel-Kobalt-Mangan 318 Passive Grenzschicht, fachsprachlich auch: Cathodic Electrolyte Interface (CEI)
320 Elektrolyt, vorzugsweise wasserfreie Lithiumsalze in organischem Lösemittel
330 Separator der Zelle
350 Elektrischer Verbraucher
500 Schwellwert des Innenwiderstands
600 Anstieg des Innenwiderstands
700 Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands 800 Ladezustandsabhängigkeit des Innenwiderstands
900 Zusammenhang zwischen Durchlässigkeit und mechanischer Spannung
1000 Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Durchlässigkeit 1100 Kraftfahrzeug 1102 Fahrzeugfunktionsnetz
1104 Fahrzeugleistungsnetz

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Bestimmung mechanischer Spannungen (200) in einem elektri schen Traktionsenergiespeicher (110) eines Kraftfahrzeugs (1100), umfassend: einen Traktionsenergiespeicher (110) zum Speichern elektrischer Energie mit mindestens einem Zellmodul (120), das jeweils ein Gehäuse (122) und mehrere im Gehäuse (122) angeordnete und mit einer Leistungsschnittstelle (124) des Zellmoduls (120) elektrisch leitend verbundene Sekundärzellen (300) umfasst; und mindestens eine Bestimmungseinheit (130), die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage eines Innenwiderstands (204) der Sekundärzellen (300) im mindestens ei nen Zellmodul (120) zu verschiedenen Zeiten eine mechanische Spannung (200) in den Sekundärzellen (300) zu bestimmen, wobei ein erster Wert des Innenwiderstands (204) einem ersten Zustand der mechanischen Spannung (200) entspricht und ein zweiter Wert des Innenwiderstands (204), der größer als der erste Wert des Innenwi derstands (204) ist, einem zweiten Zustand der mechanischen Spannung (200) ent spricht, die größerer als die mechanische Spannung (200) im ersten Zustand ist.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die mechanische Spannung (200) in den Sekundärzellen einen Druck umfasst, vorzugsweise einen im zweiten Zustand die Se kundärzellen (300) verformenden Druck.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Sekundärzellen (300) je weils einen Separator (330) aufweist, und wobei eine Durchlässigkeit (210), vorzugs weise eine lonenpermeabilität, des Separators (300) abhängig ist von der mechani schen Spannung (200), vorzugsweise dem Druck, in der jeweiligen Sekundärzelle.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die lonenpermeabilität des Separators (300) im zweiten Zustand kleiner ist als im ersten Zustand.
5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bestimmungseinheit (130) ein Messmodul (132) aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Innenwiderstand (204) jeder Sekundärzelle (130) des Zellmoduls (120) oder eines der Zellmodule (120) zu messen, vorzugsweise auf Grundlage einer gemessenen Spannung (200) und ei nes gemessenen Stroms der jeweiligen Sekundärzelle (130).
6. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bestimmungseinheit (130) ein Messmodul (132) aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Innenwiderstand (204) des oder jedes Zellmoduls (120) zu messen, vorzugsweise auf Grundlage einer gemessenen elektrischen Spannung (126) und eines gemessen elektrischen Stroms (128) des jeweiligen Zellmoduls (120).
7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bestimmungseinheit (130) ein Steuerungsmodul (134) aufweist, in dem ein Zusammenhang (900, 1000) zwischen dem Innenwiderstand (204) und der mechanischen Spannung (200) hinter legt ist, und das dazu ausgebildet ist, mittels des hinterlegten Zusammenhangs (900, 1000) auf Grundlage des Innenwiderstands (204) die mechanische Spannung (200) zu bestimmen.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei der Zusammenhang (900, 1000) abhängig ist von: einer Temperatur (206) im jeweiligen Zellmodul (120) oder in den Sekundärzel len (300), vorzugsweise wobei im ersten Zustand und/oder im zweiten Zustand der mechanischen Spannung (200) der Innenwiderstand (204) eine monoton fallende Funktion der Temperatur (206) ist; und/oder einem Ladezustand (208) oder einer Leerlaufspannung (208) des jeweiligen Zellmoduls (120) oder der Sekundärzellen (300), vorzugsweise wobei im ersten und/oder im zweiten Zustand der mechanischen Spannung (200) der Innenwiderstand (204) eine monoton steigende Funktion des Ladezustands (208) oder der Leer laufspannung (208) ist.
9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bestimmungseinheit (130) ferner dazu ausgebildet ist, die mechanische Spannung (200) im Gehäuse (122) des oder jedes Zellmoduls (120) zu bestimmen, wobei die mechanische Spannung (200) im jeweiligen Zellmodul (120) der mechanischen Spannung (200) in den Sekun därzellen abzüglich einer Rückhaltekraft von Gehäusen der Sekundärzellen ent spricht.
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bestimmungseinheit (130) ferner dazu ausgebildet ist, die mechanische Spannung (200) im Traktionsener giespeicher (110) zu bestimmen, wobei die mechanische Spannung (200) im Trakti- onsenergiespeicher (110) der mechanischen Spannung (200) in dem mindestens ei nen Zellmodul (120) abzüglich einer Haltekraft des Gehäuses (122) des Zellmoduls (120) entspricht.
11. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das mindestens eine Zellmodul (120) jeweils mindestens ein Schaltschütz umfasst, das dazu ausgebildet ist, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Sekundärzellen (300) und der Leistungsschnittstelle (124) des jeweiligen Zellmoduls (120) zu unterbrechen, und wobei die Bestimmungseinheit (130), vorzugsweise das Steuerungsmodul (134), dazu ausgebildet ist, abhängig von der bestimmten mechanischen Spannung (200) das mindestens eine Schaltschütz zu steuern.
12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Bestimmungseinheit (130), vorzugsweise das Steuerungsmodul (134), dazu ausgebildet ist, die elektrisch leitende Verbindung zu trennen, vorzugsweise mittels des Schaltschützes, falls die bestimmte mechanische Spannung (200) einen ersten Grenzwert (500) übersteigt und/oder falls ein Anstieg (600) der bestimmten mechanischen Spannung (200) einen zweiten Grenzwert übersteigt.
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Bestimmungseinheit (130) dazu aus gebildet ist, mindestens einmal in jedem Ladezyklus des Traktionsenergiespeichers (110) die mechanische Spannung (200) zu bestimmen und/oder die bestimmte me chanische Spannung (200) mit dem ersten und/oder zweiten Grenzwert abzugleichen.
14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Bestimmungseinheit (130) dazu ausgebildet ist, in verschiedenen Ladezyklen des Traktionsenergiespeichers (110) bei demselben Ladezustand (208) und/oder derselben Temperatur (206) des jeweiligen Zellmoduls (120) oder der Sekundärzellen (300) die mechanische Span nung (200) zu bestimmen und/oder die bestimmte mechanische Spannung (200) mit dem ersten und/oder zweiten Grenzwert abzugleichen.
15. Kraftfahrzeug (1100), insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (100) zur Bestimmung mechanischer Spannungen (200) in einem elektrischen Traktionse nergiespeicher (110) des Kraftfahrzeugs (1100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
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