EP4627656A1 - Verfahren zum bestimmen eines aktuellen ladezustands einer batteriezelle eines elektrischen energiespeichers, computerprogrammprodukt, computerlesbares speichermedium sowie batteriemanagementsystem - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines aktuellen ladezustands einer batteriezelle eines elektrischen energiespeichers, computerprogrammprodukt, computerlesbares speichermedium sowie batteriemanagementsystem

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Publication number
EP4627656A1
EP4627656A1 EP24704180.9A EP24704180A EP4627656A1 EP 4627656 A1 EP4627656 A1 EP 4627656A1 EP 24704180 A EP24704180 A EP 24704180A EP 4627656 A1 EP4627656 A1 EP 4627656A1
Authority
EP
European Patent Office
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computing device
charge
battery cell
electronic computing
management system
Prior art date
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Pending
Application number
EP24704180.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Otto von Kessel
Johannes Philipp Fath
Hendrik Pegel
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4627656A1 publication Critical patent/EP4627656A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a current state of charge of a battery cell of an electrical energy storage device according to the applicable patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a computer program product, a computer-readable storage medium and a battery management system
  • OCV open circuit voltage
  • DE 102020 007 747 A1 relates to a method for correcting a SOC characteristic curve of a battery with at least one battery cell for supplying an electric drive mode of an at least partially electrically driven motor vehicle.
  • a potential curve of respective half-cell potentials of the battery cell is determined in an initial state
  • first half-cell potentials of the battery cell are determined by means of a reference electrode in the battery cell at a first point in time and a charge difference of the battery cell between the first point in time and a subsequent second point in time is detected, wherein additionally second half-cell potentials are determined at the second point in time.
  • a scaling factor is determined by which the potential curve of the half-cell potentials of the initial state is scaled, wherein the scaling factor determines a difference between the potential difference between the first and second half-cell potentials and the potential curve in the initial state.
  • DE 10 2020 006 168 A1 describes a method for range prediction for an electrically driven motor vehicle with a battery, wherein an assignment rule is specified for assigning an open circuit voltage of the battery to a state of charge of the battery.
  • a value for the open circuit voltage is measured and a computing unit is used to check whether an error value for assigning the measured open circuit voltage to a state of charge assigned to the measured open circuit voltage according to the assignment rule is within a specified tolerance range.
  • the computing unit is used to predict a remaining range of the motor vehicle depending on a result of the check based on the assigned state of charge.
  • the object of the present invention is to provide a method, a computer program product, a computer-readable storage medium and a battery management system by means of which an improved determination of a state of charge of a battery cell of an electrical energy storage device of a motor vehicle can be determined or predicted.
  • a newly used open circuit voltage curve in the battery management system software is automatically adjusted to the aging of the electrode via the vehicle software to estimate the state of charge.
  • the state of charge estimation in the vehicle is improved because a more valid open circuit voltage curve can be used to better determine the current state of charge of the battery cell and thus the remaining range with the current charge; in particular, a range forecast can be generated.
  • the state of charge is determined more precisely, which has a positive effect on the accuracy of the range forecast with the current charge. In particular, this also increases the range with the current battery charge.
  • the method is carried out for a composite electrode designed as an anode and/or for a composite electrode designed as a cathode.
  • at least the anodes are provided as composite electrodes. Aging of the corresponding anodes can have a negative effect on the charge state estimation.
  • a current charge or a current charge state as well as a current aging of the Anode can be closed, which in turn has a positive effect on determining the range of the vehicle.
  • the current material capacity ratio is determined as a ratio between silicon and graphite in the electrode, in particular in the anode.
  • these can be made of silicon or silicon-containing materials such as SiOx or Si-C compounds and graphite.
  • the anodes can be made of silicon and graphite.
  • the silicon which in particular accounts for 10 to 20 percent of the anode, changes its state during aging. Theoretically, 0 to 100% silicon is also possible, and 2 to 50% silicon is particularly practical, depending on the specific cell design, quality of the active material used and manufacturer preference. Based on the material capacity ratio determination, the ratio between silicon and graphite can now be reliably determined. The currently valid open circuit voltage curve can then be reliably determined and the current state of charge can thus be reliably determined.
  • material characteristics for the components of the composite electrode are provided in a storage device of the electronic computing device.
  • at least one half-cell voltage relative to a state of charge can be specified as material characteristics.
  • a corresponding evaluation routine is stored on the battery management system, in particular the electronic computing device, which can determine the ratio of, for example, silicon and graphite capacity based on the silicon peak of the discharge.
  • a derivation of the curve is also stored here.
  • the described reconstruction of the anode voltage is also carried out, as is the determination of the aged cathode voltage.
  • the corresponding material characteristics for, for example, silicon and graphite, in particular the half-cell voltage plotted on the state of charge are stored. This can be parameterized using the literature or measured in advance with comparable materials in the in-house laboratory. If the anode and cathode voltages have already been determined “offline”, a corresponding look-up table with all possible half-cell voltages, in particular a large number of half-cell voltages, is stored on the storage device. A fitting or optimization algorithm is then used online, which uses the stored half-cell voltages to determine the current, especially aged, full cell voltage, especially the open circuit voltage.
  • the remaining range of the motor vehicle can be determined based on the current state of charge.
  • a more valid remaining range of the motor vehicle can be determined very conveniently, since a currently valid state of charge curve, which is individually tailored to the battery cell, can be specified. This means that a customer can be provided with a valid remaining range.
  • the battery cell is fully charged before the discharge process and a voltage and a charge quantity are recorded to derive the material-capacity ratio.
  • a complete charge and as complete a discharge as possible of the battery cell is provided with recording of the voltage and the charge quantity to derive the silicon-graphite capacity ratio, for example. This allows a reliable conclusion to be drawn about the current material-capacity ratio.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with program code means which cause an electronic computing device to carry out a method according to the previous aspect when the program code means are processed by the electronic computing device.
  • a further aspect of the invention also relates to a battery management system for determining a current state of charge of a battery cell of an electrical energy storage device of an at least partially electrically operated motor vehicle, with at least one electronic computing device, wherein the battery management system is designed to carry out a method according to the preceding aspect.
  • the method is carried out by means of the battery management system.
  • the electronic computing device comprises, for example, processors, circuits, in particular integrated circuits, as well as other electronic components in order to be able to carry out corresponding process steps.
  • the invention also relates to an electrical energy storage device with a battery management system.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an electrical energy storage device according to the preceding aspect.
  • the motor vehicle can be designed as an at least partially electrically operated motor vehicle or as a fully electrically operated motor vehicle.
  • Advantageous embodiments of the method are to be regarded as advantageous embodiments of the battery management system, the electrical energy storage device and the motor vehicle.
  • the battery management system, the electrical energy storage device and the motor vehicle in particular have material features in order to be able to carry out corresponding method steps.
  • Fig. 2 is a schematic block diagram according to an embodiment of the method.
  • identical or functionally identical elements are provided with identical reference symbols.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of an embodiment of a motor vehicle 10.
  • the motor vehicle 10 is designed as an at least partially electrically operated motor vehicle 10 or as a fully electrically operated motor vehicle 10.
  • the motor vehicle 10 has an electrical energy store 12.
  • the electrical energy store 12 in turn has a plurality of battery cells 14, in particular lithium-ion battery cells 14.
  • the electrical energy store 12 has at least one battery management system 16 with at least one electronic computing device 18.
  • silicon-containing anodes are used in battery cells to achieve maximum energy densities at the battery cell level.
  • the anode contains a certain amount of silicon and a certain amount of graphite.
  • the silicon content in current lithium batteries is still low, for example less than 10 percent, but is increasing in the future, so that precise determination is becoming more relevant.
  • composite electrodes with materials other than silicon are possible, such as silicon oxide or treated silicon materials, for example silicon-carbon compounds (Si-C).
  • Composite electrodes are also possible on the cathode side.
  • the silicon or the capacity of the second, theoretically also nth, material can be determined by simply discharging the full cell and analyzing the voltage derivative according to the amount of charge. From this, the ratio of graphite and silicon capacity can be calculated using the example of the silicon/graphite anode. Due to the increased volume expansion of the active material, the silicon portion is typically more susceptible to degradation during charging/discharging and thus ages more quickly. The ratio of silicon and graphite capacity therefore changes over the battery's service life. Even if the example of the silicon-graphite composition in the anode is mentioned here, composite electrodes are also possible in the cathode.
  • This additional aging dimension can be reduced by the possibility of electrical monitoring during ferry operation using suitable algorithms for the optimized determination the aged open circuit voltage curve, which is used to estimate the state of charge and thus the remaining range or range forecast.
  • the calculation of such an open circuit voltage curve for adaptation using the example of the silicon-graphite composite electrode is defined in more detail below.
  • the ratio of silicon and graphite capacity can be determined, for example, for the conversion of a simple discharge voltage curve of the battery cell 14. With this knowledge, current, especially aged, anode voltages can be reconstructed. Valid anode voltages corresponding to the aging can thus be derived. By combining this with the determination of aged cathode half-cell voltages, aged full-cell open-circuit voltage curves can be determined.
  • the open-circuit voltage can be determined both online, i.e. in the motor vehicle 10 by the electronic computing device 18, and offline, i.e. by storing a corresponding look-up table.
  • the aged full-cell open-circuit voltages can be stored in the vehicle-side capacity estimate, whereby a comparison with the current open-circuit voltage curve of the aging state of the battery cell 14 is determined.
  • Fig. 2 shows a schematic flow diagram according to an embodiment of the method.
  • a discharge process of the battery cell 14 is recorded by means of the electronic computing device 18 and a current material-capacity ratio of an electrode material of a composite electrode of the battery cell 14 is determined as a function of the discharge process by means of the electronic computing device 18.
  • a cathode half-cell voltage is determined, which is represented here by step S2.1.
  • the anode voltage is reconstructed, in particular with an aged material-capacity ratio, which is represented here by a step S2.2.
  • the full-cell open-circuit voltage curve is then calculated in accordance with the current aging state in a third step S3.
  • the calculation can be carried out using a special half-cell open-circuit voltage curve from the reconstructed composite electrodes.
  • the special open circuit voltage curve is used for battery cells 14 with the composite electrodes for the state of charge estimation.
  • the optimized state of charge estimation in particular the so-called SOC estimation, is again carried out.
  • An evaluation routine is again stored on the electronic computing device 18, which can determine the ratio of silicon and graphite capacity based on the silicon peak of the discharge.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (10) mittels eines Batteriemanagementsystems (16) des elektrischen Energiespeichers (12), mit den Schritten: - Erfassen eines Entladevorgangs der Batteriezelle (14) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (18) des Batteriemanagementsystems (16); - Bestimmen eines aktuellen Materialkapazitätsverhältnisses eines Elektrodenmaterials einer Kompositelektrode der Batteriezelle (14) in Abhängigkeit von dem Entladevorgang mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18); - Rekonstruieren einer Elektrodenspannung in Abhängigkeit von dem aktuellen Materialkapazitätsverhältnis und Bestimmen einer aktuell gültigen Leerlauspannungskurve für die Batteriezelle (14) mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18); und - Bestimmen des aktuellen Ladezustands in Abhängigkeit von der aktuell gültigen Leerlaufspannungskurve mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18). Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Batteriemanagementsystem (16).

Description

Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers, Computerprogrammprodukt, computerlesbares Speichermedium sowie Batteriemanagementsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem geltenden Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Batteriemanagementsystem
Die so genannte Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage - OCV) zur Schätzung des aktuellen Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers im Betrieb des Kraftfahrzeugs ändert sich über die Alterung, wodurch sich die Ladezustandsschätzung verschlechtert. Durch beispielsweise einen Siliziumanteil in der Anode entsteht eine zusätzliche Alterungsdimension, die die Leerlaufspannungskurve zusätzlich verändert. Aus Sicherheits- und Compliance-Gründen wird im Stand der Technik vom Worst Case ausgegangen und im Kraftfahrzeug mit der schlechtesten Ladezustandsschätzung gearbeitet. Dies führt zu einer verringerten Restreichweite beziehungsweise Reichweitenprognose im Fährbetrieb.
Die DE 102020 007 747 A1 betrifft ein Verfahren zum Korrigieren einer SOC-Kennlinie einer Batterie mit zumindest einer Batteriezelle zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmodus eines wenigstens teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. In dem Verfahren wird ein Potentialverlauf jeweiliger Halbzellenpotentiale der Batteriezelle in einem Initialzustand bestimmt, es werden erste Halbzellenpotentiale der Batteriezelle mittels einer Referenzelektrode in der Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt bestimmt und es wird ein Ladungsunterschied der Batteriezelle zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt erkannt, wobei zusätzlich zweite Halbzellenpotentiale zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt werden. Des Weiteren wird ein Skalierungsfaktor ermittelt, durch den der Potentialverlauf der Halbzellenpotentiale des Initialzustands skaliert wird, wobei durch den Skalierungsfaktor ein Unterschied zwischen der Potentialdifferenz der ersten und zweiten Halbzellenpotentiale zu dem Potentialverlauf im Initialzustand angegeben wird.
Die DE 10 2020 006 168 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reichweitenprognose für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Batterie, wobei eine Zuordnungsvorschrift zur Zuordnung einer Leerlaufspannung der Batterie zu einem Ladezustand der Batterie vorgegeben wird. Ein Wert für die Leerlaufspannung wird gemessen und mittels einer Recheneinheit wird überprüft, ob ein Fehlerwert für die Zuordnung der gemessenen Leerlaufspannung zu einem der gemessenen Leerlaufspannung gemäß der Zuordnungsvorschrift zugeordneten Ladezustand innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. Mittels der Recheneinheit wird eine verbleibende Reichweite des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Überprüfung basierend auf dem zugeordneten Ladezustand prognostiziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Batteriemanagementsystem zu schaffen, mittels welchen eine verbesserte Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs bestimmt beziehungsweise prognostiziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Batteriemanagementsystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels eines Batteriemanagementsystems des elektrischen Energiespeichers. Es erfolgt das Erfassen eines Entladevorgangs der Batteriezelle mittels einer elektronischen Recheneinrichtung des Batteriemanagementsystems. Es wird ein aktuelles Materialkapazitätsverhältnis eines Elektrodenmaterials einer Komposit-Elektrode der Batteriezelle in Abhängigkeit von dem Entladevorgang mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt. Es erfolgt ein Rekonstruieren einer Elektrodenspannung in Abhängigkeit von dem aktuellen Materialkapazitätsverhältnis und ein Bestimmen einer aktuell gültigen Leerlaufspannungskurve für die Batteriezelle mittels der elektronischen Recheneinrichtung. Es wird der aktuelle Ladezustand in Abhängigkeit von der aktuell gültigen Leerlaufspannungskurve mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt.
Insbesondere wird somit zur Ladezustandsschätzung eine neu herangezogene Ruhespannungskurve in der Software des Batteriemanagementsystems automatisiert entsprechend der Alterung der Elektrode über die Fahrzeug-Software angepasst. Die Ladezustandsschätzung im Kraftfahrzeug verbessert sich, da mit einer valideren Leerlaufspannungskurve der aktuelle Ladezustand der Batteriezelle und damit die Rest- Reichweite mit aktueller Ladung, insbesondere kann damit eine Reichweitenprognose erzeugt werden, besser bestimmt werden kann. Der Ladezustand wird genauer bestimmt, was sich positiv auf die Genauigkeit der Reichweitenprognose mit aktueller Ladung auswirkt. Insbesondere erhöht sich damit auch die Reichweite mit der aktuellen Akkuladung.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass zur Ladezustandsschätzung Ruhespannungskennlinien herangezogen werden, welche insbesondere spezifisch für die Komposit-Elektroden, also Elektroden mit zwei oder mehr Aktivmaterialien, bestimmt werden. Es erfolgt nun die Nutzung der Ruhespannungskennlinie speziell für die Komposit-Elektroden ermittelten Ruhespannungskennlinien, um die Schätzfehler des Ladezustands gering zu halten.
Durch die Verwendung von speziellen Ruhespannungskennlinien für die Komposit- Elektroden werden die Schätzfehler des Ladezustandsschätzungsberechnungsalgorithmus reduziert. Im Stand der Technik sind bisher lediglich Anpassungen der Leerlaufspannungskurven mit einfacher Anode mit nur einem Material, was insbesondere keinem Komposit-Material entspricht, vorgesehen. Eine solche spezielle Leerlaufspannungskurve kann sowohl für die Anoden als auch Kathoden bestimmt werden und zur Reduktion des Ladezustandsschätzfehlers herangezogen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Verfahren für eine als Anode ausgebildete Komposit-Elektrode und/oder für eine als Kathode ausgebildete Komposit- Elektrode durchgeführt. Insbesondere sind zumindest die Anoden als Komposit- Elektroden bereitgestellt. Eine Alterung der entsprechenden Anoden kann sich negativ auf die Ladezustandsabschätzung auswirken. Insbesondere durch die Anwendung des Verfahrens auf die Anode kann somit zuverlässig auf eine aktuelle Ladung beziehungsweise auf einen aktuellen Ladezustand sowie auf eine aktuelle Alterung der Anode geschlossen werden, was sich wiederum bei der Bestimmung einer Reichweite des Kraftfahrzeugs positiv auswirkt.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als das aktuelle Material-Kapazitäts- Verhältnis ein Verhältnis zwischen Silizium und Graphit in der Elektrode, insbesondere in der Anode, bestimmt wird. Insbesondere bei Anoden ist bereits bekannt, dass diese aus Silizium oder siliziumhaltigen Materialien wie SiOx- oder Si-C-Verbindungen und Graphit ausgebildet sein können. Insbesondere bei so genannten Lithium-Ionen-Batteriezellen ist es bereits bekannt, dass sich die Anoden aus Silizium und Graphit ausbilden können. Insbesondere das Silizium, welches insbesondere einen Anteil von 10 bis 20 Prozent der Anode aufweist, ändert seinen Zustand während der Alterung. Theoretisch möglich sind dabei auch 0 bis 100% Anteil Silizium und besonders praktikabel sind 2 bis 50 % Anteil Silizium, je nach spezifischer Zellauslegung, Qualität des verwendeten Aktivmaterials und Herstellerpräferenz. Auf Basis der Materialkapazitätsverhältnisbestimmung kann nun zuverlässig auf das Verhältnis zwischen Silizium und Graphit geschlossen werden. Daraufhin lässt sich wiederum zuverlässig die aktuell gültige Leerlaufspannungskurve ermitteln und dadurch zuverlässig auf den aktuellen Ladezustand geschlossen werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn Materialkennwerte für die Komponenten der Komposit- Elektrode in einer Speichereinrichtung der elektronischen Recheneinrichtung bereitgestellt werden. Hierzu können insbesondere als Materialkennwerte zumindest eine Halbzellenspannung relativ zu einem Ladezustand vorgegeben werden. Insbesondere ist auf dem Batteriemanagementsystem, insbesondere der elektronischen Recheneinrichtung, eine entsprechende Auswerteroutine hinterlegt, die anhand des Silizium-Peaks der Entladung das Verhältnis aus beispielsweise Silizium- und Graphit- Kapazität bestimmen kann. Insbesondere ist hierbei eine Ableitung der Kurve ebenfalls hinterlegt. Die beschriebene Rekonstruktion der Anodenspannung wird dabei ebenfalls durchgeführt sowie die Bestimmung der gealterten Kathodenspannung. Zur Differenzierung des Silizium- und Graphit-Anteils in der Anode sind die entsprechenden Materialkennwerte für beispielsweise Silizium und Graphit, insbesondere die Halbzellenspannung aufgetragen auf dem Ladezustand, hinterlegt. Dies kann anhand der Literatur parametriert werden oder vorab mit vergleichbaren Materialien im Eigenlabor gemessen werden. Falls die Anoden- und Kathodenspannungen bereits „offline“ bestimmt wurden, so wird ein entsprechender Look-up-Table mit allen möglichen Halbzellenspannungen, insbesondere eine Vielzahl von Halbzellenspannungen, auf der Speichereinrichtung hinterlegt. Online wird dann wiederum ein Fitting- beziehungsweise Optimierungs-Algorithmus genutzt, der aus hinterlegten Halbzellenspannungen die aktuelle, insbesondere gealterte, Vollzellspannung, insbesondere die Leerlaufspannung, bestimmt.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn auf Basis des aktuellen Ladezustands eine Rest-Reichweite des Kraftfahrzeugs bestimmt werden kann. Insbesondere kann somit hochkomfortabel eine validere Rest-Reichweite des Kraftfahrzeugs bestimmt werden, da insbesondere eine aktuell gültige Ladezustandskurve, welche individuell auf die Batteriezelle abgestimmt ist, vorgegeben werden kann. Somit kann einem Kunden eine valide Rest-Reichweite bereitgestellt werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn vor dem Entladevorgang eine gesamte Vollladung der Batteriezelle durchgeführt wird und eine Spannung und eine Ladungsmenge zur Ableitung des Material-Kapazitäts-Verhältnisses erfasst werden. Insbesondere ist eine vollständige Ladung und eine möglichst vollständige Entladung der Batteriezelle mit Aufzeichnung der Spannung und der Ladungsmenge zur Ableitung des beispielsweise Silizium-Graphit- Kapazitätsverhältnisses vorgesehen. Somit lässt sich zuverlässig auf das aktuelle Material-Kapazitäts-Verhältnis schließen.
Bei dem vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium mit dem Computerprogrammprodukt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Batteriemanagementsystem zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei das Batteriemanagementsystem zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des Batteriemanagementsystems durchgeführt. Die elektronische Recheneinrichtung weist beispielsweise Prozessoren, Schaltkreise, insbesondere integrierte Schaltkreise, sowie weitere elektronische Bauteile auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
Ebenfalls betrifft die Erfindung auch einen elektrischen Energiespeicher mit einem Batteriemanagementsystem.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug kann als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug oder als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Batteriemanagementsystems, des elektrischen Energiespeichers sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Das Batteriemanagementsystem, der elektrische Energiespeicher sowie das Kraftfahrzeug weisen insbesondere gegenständliche Merkmale auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers mit einer Ausführungsform eines Batteriemanagementsystems; und
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10. Das Kraftfahrzeug 10 ist als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 10 beziehungsweise als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 10 ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 10 weist hierzu einen elektrischen Energiespeicher 12 auf. Der elektrische Energiespeicher 12 weist wiederum eine Vielzahl an Batteriezellen 14, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen 14 auf. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 12 zumindest ein Batteriemanagementsystem 16 mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung 18 auf.
Für maximale Energiedichten auf Batteriezellenebene ist es bereits bekannt, dass in den Batteriezellen Silizium-haltige Anoden eingesetzt werden. Die Anode enthält dabei einen bestimmten Silizium- sowie einen Graphit-Anteil. Der Silizium-Anteil ist in aktuellen Lithium-Batterien noch gering, beispielsweise weniger als 10 Prozent, nimmt aber perspektivisch immer weiter zu, so dass die genaue Bestimmung relevanter wird. Gleichzeitig sind so genannte Komposit-Elektroden mit anderen Materialien als Silizium möglich, wie zum Beispiel Silizium-Oxid oder behandelte Silizium-Materialien, zum Beispiel Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen (Si-C). Komposit-Elektroden sind ebenfalls auch auf Kathodenseite möglich.
Die Silizium- beziehungsweise die Kapazität des zweiten, theoretisch auch n-ten, Materials lässt sich mittels einer einfachen Entladung der Vollzelle sowie der Analyse der Spannungsableitung nach der Ladungsmenge bestimmen. Daraus lässt sich, am Beispiel der Silizium-/Graphit-Anode, das Verhältnis aus Graphit- und Silizium-Kapazität beziffern. Der Silizium-Anteil ist aufgrund erhöhter Volumenexpansion des Aktivmaterials typischerweise anfälliger für Degradation im Lade-/Entladebetrieb und altert somit rascher. Somit ändert sich das Verhältnis aus Silizium- und Graphit-Kapazität über die Batterie-Lebensdauer. Auch wenn hier das Beispiel der Silizium-Graphit- Zusammensetzung in der Anode genannt wird, sind Komposit-Elektroden auch in der Kathode möglich.
Diese zusätzliche Alterungsdimension kann durch die Möglichkeit der elektrischen Überwachung im Fährbetrieb mittels geeigneter Algorithmen zur optimierten Bestimmung der gealterten Leerlaufspannungskurve verwendet werden, die zur Abschätzung des Ladezustands und damit der Rest-Reichweite beziehungsweise Reichweitenprognose herangezogen wird. Die Berechnung einer solchen Leerlaufspannungskurve zur Anpassung am Beispiel der Silizium-Graphit-Komposit-Elektrode wird nachfolgend näher bestimmt.
Das Verhältnis aus Silizium- und Graphit-Kapazität kann beispielsweise für die Umrechnung einer einfachen Entladungsspannungskurve der Batteriezelle 14 bestimmt werden. Mit dieser Erkenntnis können aktuelle, insbesondere gealterte, Anodenspannungen rekonstruiert werden. Es können somit valide, der Alterung entsprechende Anodenspannungen abgeleitet werden. Durch Kombination mit der Bestimmung von gealterten Kathoden-Halbzellenspannungen können gealterte Vollzell- Leerlaufspannungskurven bestimmt werden. Die Bestimmung der Leerlaufspannung kann sowohl online, das heißt im Kraftfahrzeug 10 durch die elektronische Recheneinrichtung 18, als auch offline, das heißt durch Hinterlegung einer entsprechenden Look-up-Tabelle bestimmt werden. Die gealterten Vollzell-Leerlaufspannungen können in die fahrzeugseitige Kapazitätsschätzung hinterlegt werden, wodurch ein Abgleich mit der aktuellen Leerlaufspannungskurve der Alterungszustand der Batteriezelle 14 bestimmt wird.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere erfolgt in einem ersten Schritt S1 das Erfassen eines Entladevorgangs der Batteriezelle 14 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 18 und das Bestimmen eines aktuellen Material-Kapazitäts-Verhältnisses eines Elektrodenmaterials einer Komposit-Elektrode der Batteriezelle 14 in Abhängigkeit von dem Entladevorgang mittels der elektronischen Recheneinrichtung 18. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt eine Bestimmung einer Kathoden-Halbzellspannung, welches vorliegend durch den Schritt S2.1 dargestellt ist. Ferner erfolgt eine Rekonstruktion der Anodenspannung insbesondere mit einem gealterten Material-Kapazitäts-Verhältnis, was vorliegend durch einen Schritt S2.2 dargestellt ist. Auf Basis des zweiten Schritts S2 erfolgt dann wiederum die Berechnung der Vollzell-Leerlaufspannungskurve entsprechend des aktuellen Alterungszustands in einem dritten Schritt S3. Insbesondere kann die Berechnung unter Einbeziehung einer speziellen Halbzell- Leerlaufspannungskurve aus den rekonstruierenden Komposit-Elektroden erfolgen. In einem vierten Schritt S4 erfolgt dann die Nutzung der speziellen Leerlaufspannungskurve für Batteriezellen 14 mit den Komposit-Elektroden für die Ladezustandsschätzung. In einem fünften Schritt S5 wird wiederum die optimierte Ladezustandsschätzung, insbesondere die so genannte SOC-Schätzung, durchgeführt. Insbesondere ist somit vorgesehen, dass eine vollständige Aufladung und möglichst vollständige Entladung der Batteriezelle 14 mit der Aufzeichnung der Spannung und der Ladungsmenge zur Ableitung des beispielsweise Silizium-Graphit-Kapazitätsverhältnisses durchgeführt wird. Auf der elektronischen Recheneinrichtung 18 wird wiederum eine Auswerteroutine hinterlegt, die anhand des Silizium-Peaks der Entladung das Verhältnis aus Silizium- und Graphit-Kapazität bestimmen kann. Hierbei ist auch die Ableitung der Kurve hinterlegt. Es erfolgt die beschriebene Rekonstruktion der Anodenspannung sowie die Bestimmung der gealterten Kathodenspannung. Zur Differenzierung des Silizium- und Graphitanteils in der Anode werden entsprechende Materialkennwerte für Silizium und Graphit, insbesondere deren Halbzellenspannung in Abhängigkeit des Ladezustands hinterlegt. Dies kann anhand der Literatur parametriert werden oder vorab mit vergleichbaren Materialien im eigenen Labor gemessen werden. Falls die Anoden- und Kathodenspannungen bereits offline bestimmt wurden, so wird eine entsprechende Look-up-Tabelle mit allen möglichen Halbzellspannungen, insbesondere einer Vielzahl von Halbzellenspannungen, hinterlegt. Online wird dann ein Fitting- beziehungsweise Optimierungs-Algorithmus vorhanden sein, der aus den hinterlegten Halbzellenspannungen die aktuelle, insbesondere gealterte Vollzellspannung bestimmt. Die elektronische Recheneinrichtung 18 ist dabei insbesondere mit einer entsprechenden Rechenleistung ausgelegt, so dass die beschriebenen Operationen auch durchgeführt werden können.
Bezugszeichenliste
10 Kraftfahrzeug
12 elektrischer Energiespeicher
14 Batteriezelle
16 Batteriemanagementsystem
18 elektronische Recheneinrichtung
S1 bis S5 Schritte des Verfahrens

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (10) mittels eines Batteriemanagementsystems (16) des elektrischen Energiespeichers (12), mit den Schritten:
- Erfassen eines Entladevorgangs der Batteriezelle (14) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (18) des Batteriemanagementsystems (16);
- Bestimmen eines aktuellen Materialkapazitätsverhältnisses eines Elektrodenmaterials einer Kompositelektrode der Batteriezelle (14) in Abhängigkeit von dem Entladevorgang mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18);
- Rekonstruieren einer Elektrodenspannung in Abhängigkeit von dem aktuellen Materialkapazitätsverhältnis und Bestimmen einer aktuell gültigen Leerlauspannungskurve für die Batteriezelle (14) mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18); und
- Bestimmen des aktuellen Ladezustands in Abhängigkeit von der aktuell gültigen Leerlaufspannungskurve mittels der elektronischen Recheneinrichtung (18).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für eine als Anode ausgebildete Kompositelektrode und/oder für eine als Kathode ausgebildete Kompositelektrode durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das aktuelle Materialkapazitätsverhältnis ein Verhältnis zwischen Silizium und Graphit in der Elektrode bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Materialkennwerte für die Komponenten der Kompositelektrode in einer Speichereinrichtung der elektronischen Recheneinrichtung (18) bereitgestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialkennwerte zumindest eine Halbzellenspannung relativ zu einem Ladezustand vorgegeben werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des aktuellen Ladezustands eine Restreichweite des Kraftfahrzeugs (10) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Entladevorgang eine gesamte Vollladung der Batteriezelle (14) durchgeführt wird und eine Spannung und eine Ladungsmenge zur Ableitung des Materialkapazitätsverhältnisses erfasst werden.
8. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung (18) dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung (18) abgearbeitet werden ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Computerlesbares Speichermedium mit zumindest einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.
10. Batteriemanagementsystem (16) zum Bestimmen eines aktuellen Ladezustands einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (10), mit zumindest einer elektronischen Recheneinrichtung (18), wobei das Batteriemanagementsystem (16) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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