WO2016091577A1 - Verfahren zum bestimmen des alterungszustandes eines batteriemoduls - Google Patents

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WO2016091577A1
WO2016091577A1 PCT/EP2015/077430 EP2015077430W WO2016091577A1 WO 2016091577 A1 WO2016091577 A1 WO 2016091577A1 EP 2015077430 W EP2015077430 W EP 2015077430W WO 2016091577 A1 WO2016091577 A1 WO 2016091577A1
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battery module
temperature
charging
battery
internal resistance
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PCT/EP2015/077430
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Inventor
Jan Salziger
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, for example for use in hybrid and electric vehicles, and in particular to a method for calorimetric determination of the aging state of a battery module.
  • Battery modules usually consisting of several cells, which are electrically interconnected, come for example in hybrid and
  • Electric vehicles used Frequently, a relatively high number of cells is used. Increasingly, lithium-ion cells are used in the automotive industry.
  • the decisive parameters of a cell are usually the capacitance and the internal resistance.
  • the capacity of a cell generally refers to the amount of charge that can be stored or delivered by the cell.
  • the internal resistance of the cells in the circuit represents a resistance. Ideally, a voltage drops across the internal resistance of the cell, resulting in a power loss which i.a. as heat is measurable.
  • calorimeters In order to measure a thermal power loss, calorimeters are used in the prior art, in which the test object is located. If an energy is supplied to the test object, usually a thermal power dissipation is produced which heats the test object in the calorimeter. Using the known mass of the test object, the specific heat capacity of the calorimeter and the measured temperature increase, the power loss can be determined.
  • SOC state of charge
  • SOH state of health
  • the state of charge describes the current state of charge and how much charge is (still) contained in the cell. A fully charged cell has an SOC of 100%.
  • a precise charge level indicator is essential for hybrid and electric vehicles. Due to use-related cyclical aging, for example due to over- and
  • the state of aging describes the irreversible loss of capacity or the aging of a cell.
  • a new cell has a SOH of 100%.
  • a battery module with an SOH of 80% or less is considered no longer suitable for hybrid and electric vehicles.
  • the aging state of a cell is not a measurement of a physical quantity, but rather a measure of the functionality of the cell, which measure can indirectly also be a measure of the remaining life and the residual capacity of the cell.
  • a battery module 's aging condition records operating events that are weighted and recorded using data sheet information on wear values and onward values of the aging condition of the battery module
  • the determination of the operating temperature of the battery module leads arithmetically to wear values and further to values of the aging state of the battery module.
  • Charge state (SOC) of a battery which estimates the internal resistance of the battery by comparing the measured operating temperature with a correlation diagram in which previously stored battery temperatures are represented as a function of the internal resistance of the battery.
  • the estimated internal resistance of the battery is then used to determine an estimated charge / discharge current, based on which the estimated SOC is determined.
  • a charge / discharge current is measured by means of a current sensor, with the aid of which the internal resistance of the battery is then calculated. This value is used to do this
  • the invention has for its object to provide a way, as in a simplified and / or improved over the prior art, a more precise determination of the aging state of a battery module can be made possible.
  • the invention provides a method for calorimetrically determining the aging state of a battery module having a plurality of interconnected cells and at least one temperature sensor, comprising the following steps: uncoupling the battery
  • Battery module of a coolant circuit measuring a first temperature by means of the / the temperature sensor / s, charging the battery module with a defined, constant current over a defined period of time, measuring a second temperature by means of the / the temperature sensor / s after completion of the charging process and calculating the internal resistance of the battery module based on a temperature difference ⁇ between the first temperature and the second temperature.
  • the calorimetric method according to the invention serves to more accurately determine the aging state of a battery module.
  • Battery module for a first or a second period thermally insulated is left in the rest position.
  • the voltage is continuously measured during the charging process.
  • the efficiency ⁇ of the battery module is calculated on the basis of the measured data.
  • the individual method steps are initiated by a battery control device that is connected to the battery module and the cooling circuit.
  • the thermal power loss is calculated.
  • the charging time and the charging current are dimensioned so that limits of the battery module are not exceeded.
  • the charging time and the charging current are dimensioned so that switching to constant voltage charging of the battery module is avoided.
  • the invention provides a battery module that has one or more
  • the battery module is connected to a battery control unit and is controlled by the control unit and in particular monitored, wherein the battery module of the
  • Cooling circuit can be decoupled and thermally isolated a defined charging cycle by means of the control unit is feasible.
  • the battery module according to the invention allows the implementation of the method for determining the current internal resistance of the battery module and thus Furthermore, the calculation of the efficiency, resulting in the
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for determining the aging state of a battery module
  • Figure 2 is a schematic representation of a temperature increase in a battery module or a cell during the charging process
  • Figure 3 is a schematic representation of the occurring during loading of a cell services.
  • FIG. 4 is a flow chart of a method for determining the
  • FIG. 1 shows a battery module 10 which is connected to a cooling circuit 20 and is controlled by a battery control device 30.
  • Battery control device 30 is also referred to as a battery management system.
  • the battery module 10 usually comprises a plurality of cells 11, which are electrically interconnected.
  • the cells 11 may be, for example, lithium-ion cells.
  • the battery module 10 can
  • thermo sensors 12 are installed at various points, which measure the cell and battery module temperature.
  • FIGs 2 and 3 the temperature increase in a battery module or a cell during charging and the services occurring are shown schematically. If the battery module 10 is charged with a defined current over a period of time (t), an energy ⁇ ⁇ is supplied to the battery module 10. This is divided into the energy P 3 , which is stored in the cells and the energy P 2 , which is measurable as heat. The energy P 2 is also called thermal power loss. The lower the temperature increase ⁇ corresponding to the temperature difference between the second, increased
  • FIG. 4 shows the steps of a method for determining the
  • a battery module 10 shown in Figure 1
  • the individual method steps are initiated by the battery control unit 30.
  • the cooling circuit 20 is decoupled from the battery module 10 and the battery module 10 thermally isolated brought into rest for a sufficiently long time ti, which means that during this time the cells 11 no energy may be removed or supplied.
  • components that serve to control the temperature such as, for example, pump, radiator, heater and valves, from the battery control unit 30
  • the temperature in the battery module 10 is then measured in a step 42.
  • the temperature sensors 12 are used to measure the temperatures at various locations in the battery module 10 and stored as temperatures Tai, Tbi, Tci ⁇ . It can be assumed that the temperature distribution within the battery module is the same after a sufficiently long observation time.
  • the temperature of the coolant present in the cooling circuit 20 can be determined and, if necessary, used to correct the determined temperature of the battery module 10.
  • the thermally insulated battery module 10 is charged with a defined, constant current I over a defined period of time t 2 .
  • the voltage U is measured continuously.
  • the charging duration At and the charging current I should be such that a constant current can flow for a sufficiently long period of time, without limit values of the battery module 10 are exceeded. Also, the battery module 10 may not get into a state of charge, in the on
  • the battery module 10 is left thermally isolated in the rest position for a sufficiently long period.
  • a subsequent step 45 using the temperature sensors 12, the temperatures at the same points as previously measured in the battery module 10 and stored as temperatures T a2 , T b 2, T C 2 .... If the ratio of the mass of the battery module 10 compared to the thermal resistance between the battery module 10 and the environment is sufficiently small, it is possible to dispense with a dedicated insulation of the battery module 10 during times ti, t 2 and t 3 .
  • a temperature difference ⁇ is determined. This can be done for each individual measuring point or averaged for the entire battery module 10. On the basis of the data of the determined temperature difference ⁇ and the known parameters, such as mass and specific heat capacity of the battery module 10, charging current, charging time At, in a further step 46 of
  • the electric power P e i is defined as follows: with I - charging current
  • the internal resistance R of the battery module 10 can be calculated as follows:
  • a mass of the battery module 10 of 150 kg a specific heat capacity of the battery module 10 of 2.4 kJ / kgK and a measured temperature increase AT of 7 K, a heat energy AQ of 2.52 MJ can be determined Charging the battery module 10 has been converted into heat. This results in an average
  • Battery module 10 with each subsequent measurement, a change in the internal resistance can be classified.
  • the calculated internal resistance of the battery module 10 can thus be used to determine the aging state of the battery module 10.
  • further current values of the battery module 10, for example the capacity can also be determined.
  • a sudden increase in the internal resistance of the battery module 10 compared to previous measurements may indicate defective cells 11 in the battery module 10 and thus offers a further advantage over the prior art.
  • I - charging current is valid for constant currents and voltages.
  • U (t n) on the basis of the efficiency of currently determined, the actual internal resistance of the battery module can be determined in a step 47. Since the original efficiency of the battery module 10 is known or was determined before use of the battery module 10, the aging state of a battery module 10 can be determined with the currently determined efficiency. Thus, the calorimetric method of the invention is more accurate

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls (10), das eine Vielzahl von zusammengeschalteten Zellen (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Abkoppeln des Batteriemoduls (10) von einem Kühlmittelkreislauf (20); Messen einer ersten Temperatur mittels der Temperatursensoren (12); Laden des Batteriemoduls (10) mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum; Messen einer zweiten Temperatur mittels der Temperatursensoren (12) nach Beenden des Ladevorganges; und Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls (10) basierend auf einer Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul beispielsweise zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und insbesondere ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls.
Stand der Technik
Batteriemodule, üblicherweise bestehend aus mehreren Zellen, die miteinander elektrisch verschaltet sind, kommen beispielsweise in Hybrid- und
Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Häufig wird dabei eine relativ hohe Zahl von Zellen eingesetzt. Zunehmend werden in der Automobilindustrie Lithium-Ionen- Zellen verwendet. Maßgebliche Parameter einer Zelle sind üblicherweise die Kapazität und der Innenwiderstand. Die Kapazität einer Zelle bezeichnet im Allgemeinen die Ladungsmenge, die von der Zelle gespeichert werden oder abgegeben werden kann. Wird eine Zelle bzw. ein Batteriemodul mit einem Strom geladen, so stellt der Innenwiderstand der Zellen im Stromkreis einen Widerstand dar. Idealisiert fällt am Innenwiderstand der Zelle eine Spannung ab, wobei eine Verlustleistung entsteht, die u.a. als Wärme messbar ist.
Um eine thermische Verlustleistung zu messen, werden nach dem Stand der Technik Kalorimeter eingesetzt, in denen sich das Testobjekt befindet. Wird dem Testobjekt eine Energie zugeführt, entsteht üblicherweise eine thermische Verlustleistung das Testobjekt im Kalorimeter erwärmt. Mithilfe der bekannten Masse des Testobjekts, der spezifischen Wärmekapazität des Kalorimeters und der gemessenen Temperaturerhöhung kann die Verlustleistung ermittelt werden. Für den Betrieb eines Batteriemoduls sind der Ladezustand, auch englisch: State of Charge (SOC) genannt, und der Alterungszustand, auch englisch: State of Health (SOH) genannt, von großer Bedeutung. Der Ladezustand beschreibt den aktuellen Ladezustand und damit wie viel Ladung (noch) in der Zelle enthalten ist. Eine vollständig geladene Zelle hat einen SOC von 100%. Eine präzise Ladezustandsanzeige ist für Hybrid- und Elektrofahrzeuge essenziell. Durch nutzungsbedingte zyklische Alterung, beispielsweise durch Über- und
Tiefentladung oder zu hohe Ströme, und produktbedingte kalendarische Alterung verschlechtern sich die Parameter, wie beispielsweise der Innenwiderstand, die Kapazität, Selbstentladung und verbleibende Ladezyklen, einer Zelle in
Gebrauch gegenüber denen einer neuen Zelle. Der Alterungszustand beschreibt den irreversiblen Kapazitätsverlust bzw. die Alterung einer Zelle. Eine neue Zelle hat einen SOH von 100%. In der Automobilindustrie, beispielsweise, gilt ein Batteriemodul mit einem SOH von 80% oder geringer als nicht mehr geeignet für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Der Alterungszustand einer Zelle stellt keinen Messwert einer physikalischen Größe dar, sondern vielmehr ein Maß für die Funktionsfähigkeit der Zelle, wobei dieses Maß indirekt auch ein Maß für die Restlebensdauer und der Restkapazität der Zelle sein kann. Bekannte Verfahren zum Ermitteln des typischerweise in Prozent angegebenen
Alterungszustandes eines Batteriemoduls erfassen Betriebsereignisse, die gewichtet gezählt werden und die unter Benutzung von Datenblattangaben zu Abnutzungswerten und weiter zu Werten des Alterungszustandes des
Batteriemoduls führen. Mit anderen Worten wird eine Schätzung des
Alterungszustandes vorgenommen, die auf einem typischen und
dementsprechend erwarteten Abnutzungsverhalten einer Batterie basiert.
Weiterhin führt die Bestimmung der Betriebstemperatur des Batteriemoduls rechnerisch zu Abnutzungswerten und weiter zu Werten des Alterungszustandes des Batteriemoduls.
Aus der US 2005/0269991 AI ist ein Verfahren zum Abschätzen des
Ladungszustandes (SOC) einer Batterie bekannt, welches den Innenwiderstand der Batterie durch Vergleichen der gemessenen Betriebstemperatur mit einem Korrelationsdiagramm, in dem zuvor gespeicherte Batterietemperaturen in Abhängigkeit von dem Innenwiderstand der Batterie dargestellt sind, abschätzt. Der geschätzte Innenwiderstand der Batterie wird dann zur Bestimmung eines geschätzten Lade-/Entladestromes herangezogen, auf dessen Grundlage dann der geschätzte SOC bestimmt wird. Weiterhin wird mittels eines Stromsensors ein Lade-/Entladestrom gemessen, mit dessen Hilfe dann der Innenwiderstand der Batterie berechnet wird. Dieser Wert wird verwendet, um das
Korrelationsdiagramm zu aktualisieren.
Der Grundgedanke der offenbarten technischen Lösung besteht darin, dass der Alterungszustand einer Zelle offensichtlich eine Schlüsselkomponente für den Betrieb eines Batteriemoduls darstellt, dessen Kenntnis eine genauere
Bestimmung tatsächlicher bzw. aktueller Zellparameter ermöglichen kann. Üblicherweise verändern sich die einzelnen Parameter einer Zelle während der Alterung unterschiedlich, sodass es sinnvoll erscheint, den Alterungszustand für unterschiedliche Zellparameter getrennt zu betrachten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie auf eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und/oder verbesserte Weise eine präzisere Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls ermöglicht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein
Batteriemodul gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls, das eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Zellen und zumindest einen Temperatursensor aufweist, vor, welches die folgenden Schritte umfasst: Abkoppeln des
Batteriemoduls von einem Kühlmittelkreislauf, Messen einer ersten Temperatur mittels des/der Temperatursensor/en, Laden des Batteriemoduls mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum, Messen einer zweiten Temperatur mittels des/der Temperatursensor/en nach Beenden des Ladevorganges und Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls basierend auf einer Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass der aktuelle Innenwiderstand und damit der aktuelle Wirkungsgrad eines Batteriemoduls auf der Grundlage von kalorimetrischen Messungen berechnet werden kann und somit eine präzisere Bestimmung des
Innenwiderstandes bzw. des Wirkungsgrades des Batteriemoduls möglich ist.
Da der ursprüngliche Innenwiderstand des Batteriemoduls bekannt ist bzw. vor Gebrauch des Batteriemoduls ermittelt wurde, kann ein Korrekturwert zur Berechnung des Alterungszustandes des Innenwiderstandes des Batteriemoduls ermittelt werden. Weiterhin kann basierend auf dem ursprünglichen
Innenwiderstand des Batteriemoduls mit jeder nachfolgenden Messung eine Veränderung des Innenwiderstandes klassifiziert werden. Ein sprunghafter Anstieg des Innenwiderstandes des Batteriemoduls gegenüber
vorangegangenen Messungen kann auf defekte Zellen hindeuten und bietet somit einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Mithilfe des berechneten aktuellen Innenwiderstandes des Batteriemoduls können weitere aktuelle Werte des Batteriemoduls, beispielsweise die Kapazität, ermittelt werden. Somit dient das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren einer genaueren Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass vor dem Messen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur das
Batteriemodul für einen ersten bzw. einen zweiten Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass während des Ladevorganges die Spannung kontinuierlich gemessen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass basierend auf den gemessenen Daten der Wirkungsgrad η des Batteriemoduls berechnet wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die einzelnen Verfahrensschritte von einem Batteriesteuergerät, das mit dem Batteriemodul und dem Kühlkreislauf verbunden ist, veranlasst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es
vorgesehen, dass basierend auf einer Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur die thermische Verlustleistung berechnet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es
vorgesehen, dass basierend auf dem berechneten Innenwiderstand der
Alterungszustand des Batteriemoduls ermittelt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es
vorgesehen, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass Grenzwerte des Batteriemoduls nicht überschritten werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es
vorgesehen, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass ein Umschalten auf Konstantspannungsladen des Batteriemoduls vermieden wird.
Weiterhin sieht die Erfindung ein Batteriemodul, das eine oder mehrere
zusammengeschaltete Zelle/n und zumindest einen Temperatursensor aufweist und mit einem Kühlkreislauf verbunden ist, wobei das Batteriemodul mit einem Batteriesteuergerät verbunden ist und von dem Steuergerät gesteuert und insbesondere überwacht wird, vor, wobei das Batteriemodul von dem
Kühlkreislauf abkoppelbar ist und thermisch isoliert ein definierter Ladezyklus mittels des Steuergerätes durchführbar ist.
Durch die Abkopplung des Batteriemoduls von dem Kühlkreislauf und die
Durchführugn eines definierten Ladezyklus mittels des Steuergerätes gestattet das erfindungsgemäße Batteriemodul die Durchführung des Verfahrens zur Feststellung des aktuellen inneren Widerstands des Batteriemoduls und damit ferner die Berechnung des Wirkungsgrades, woraus sich auf den
Alterungszustand des Batteriemoduls schließen lässt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Temperaturerhöhung in einem Batteriemodul oder einer Zelle beim Ladevorgang;
Figur 3 eine schematische Darstellung der beim Laden einer Zelle auftretenden Leistungen; und
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen des
Alterungszustandes eines Batteriemoduls.
Ausführungsform (en) der Erfindung
In Figur 1 ist ein Batteriemodul 10 der mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden ist und von einem Batteriesteuergerät 30 gesteuert wird gezeigt. Das
Batteriesteuergerät 30 wird unter anderem auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet. Der Batteriemodul 10 umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen 11, die die miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Zellen 11 können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen sein. Der Batteriemodul 10 kann
beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. In dem Batteriemodul 10 sind an verschiedenen Stellen Temperatursensoren 12 verbaut, die die Zell-und Batteriemodultemperatur messen. In den Figuren 2 und 3 sind die Temperaturerhöhung in einem Batteriemodul oder einer Zelle beim Ladevorgang und die dabei auftretenden Leistungen schematisch dargestellt. Wird der Batteriemodul 10 über einen Zeitraum (t) mit einem definierten Strom geladen, so wird dem Batteriemodul 10 eine Energie Ρλ zugeführt. Diese teilt sich auf in die Energie P3, die in den Zellen gespeichert wird und die Energie P2, die als Wärme messbar ist. Die Energie P2 wird auch als thermische Verlustleistung bezeichnet. Je geringer die Temperaturerhöhung ΔΤ entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der zweiten, erhöhten
Temperatur T2 am Ende des Ladezyklus und der ersten Temperatur Tl zu Beginn des Ladezyklus, umso geringer ist folglich der Innenwiderstand der Zellen.
In Figur 4 sind die Schritte eines Verfahrens zum Bestimmen des
Alterungszustandes eines Batteriemoduls 10 (dargestellt in Figur 1) gezeigt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden von dem Batteriesteuergerät 30 veranlasst. Zunächst wird in einem Schritt 41 der Kühlkreislauf 20 von dem Batteriemodul 10 abgekoppelt und der Batteriemodul 10 für eine ausreichend lange Zeit ti thermisch isoliert in Ruhestellung gebracht, was bedeutet, dass während dieser Zeit den Zellen 11 keine Energie entnommen oder zugeführt werden darf. Hierzu werden Komponenten, die der Temperaturregelung dienen, wie beispielsweise Pumpe, Kühler, Heizer und Ventile, von dem Batteriesteuergerät 30
ausgeschaltet. Dann erfolgt in einem Schritt 42 das Messen der Temperatur im Batteriemodul 10. Mithilfe der Temperatursensoren 12 werden die Temperaturen an verschiedenen Stellen im Batteriemodul 10 gemessen und als Temperaturen Tai, Tbi, Tci ··· abgespeichert. Es kann davon ausgegangen werden, dass nach ausreichend langer Betrachtungszeit die Temperaturverteilung innerhalb des Batteriemoduls gleich ist. Zusätzlich kann die Temperatur des im Kühlkreislauf 20 befindlichen Kühlmittels ermittelt werden und bei Bedarf zur Korrektur der ermittelten Temperatur des Batteriemoduls 10 herangezogen werden.
Nun wird in einem folgenden Schritt 43 das thermisch isolierte Batteriemodul 10 über einen definierten Zeitraum t2 mit einem definierten, konstanten Strom I geladen. Währenddessen wird in einem Schritt 44 die Spannung U kontinuierlich gemessen. Die Ladedauer At und der Ladestrom I sollten so bemessen sein, dass über einen ausreichend langen Zeitraum ein konstanter Strom fließen kann, ohne dass Grenzwerte des Batteriemoduls 10 überschritten werden. Auch darf der Batteriemodul 10 nicht in einen Ladezustand gelangen, in dem auf
Konstantspannungsladen umgeschaltet werden muss.
Nachdem der definierte Ladezyklus beendet ist, wird das Batteriemodul 10 für einen ausreichend langen Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen. In einem nachfolgenden Schritt 45 werden mithilfe der Temperatursensoren 12 die Temperaturen an den gleichen Stellen wie zuvor im Batteriemodul 10 gemessen und als Temperaturen Ta2, Tb2, TC2 ... abgespeichert. Ist das Verhältnis der Masse des Batteriemoduls 10 verglichen zum thermischen Widerstand zwischen dem Batteriemodul 10 und der Umgebung ausreichend klein, so kann auf eine dedizierte Isolation des Batteriemoduls 10 während der Zeiten ti, t2 und t3 verzichtet werden.
Basierend auf den gemessenen Temperaturdaten Tal, Tbi, Tci und Ta2, Tb2, TC2 wird eine Temperaturdifferenz ΔΤ ermittelt. Dies kann für jeden einzelnen Messpunkt erfolgen oder gemittelt für den gesamten Batteriemodul 10. Anhand der Daten der ermittelten Temperaturdifferenz ΔΤ und der bekannten Parameter, wie beispielsweise Masse und spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls 10, Ladestromstärke, Ladezeit At, kann in einem weiteren Schritt 46 der
Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 berechnet werden.
Mit Hilfe der Grundgleichung der Kalorik,
AQ = m-c AT mit AQ - Wärmeenergie
m - Masse des Batteriemoduls 10
c - spezifische Wärmekapazität de Batteriemoduls 10
AT - Temperaturdifferenz ist es möglich, die einem Körper, hier der Batteriemodul 10, zugeführte bzw. die von dem Körper abgegebene Wärmeenergie AQ zu ermitteln. Diese Gleichung gilt nur, wenn sich der Phasenzustand eines Körpers nicht ändert, was vorliegend gegeben ist. Mit Hilfe der ermittelten Wärmeenergie AQ ist es dann möglich, eine gemittelte momentane Wärmeleistung P, hier die thermische Verlustleistung P2, zu berechnen:
P2 = AQ/At mit At - Ladezeit.
Die elektrische Leistung Pei ist wie folgt definiert:
Figure imgf000011_0001
mit I - Ladestrom
R - Innenwiderstand des Batteriemoduls 10
Setzt man die thermische Verlustleistung P2 mit der elektrischen Leistung Pei gleich, lässt sich der Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 wie folgt berechnen:
R = Pz/I2 mit P2 - thermische Verlustleistung
I - Ladestrom
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann ein vorteilhafter Ladestrom 1=10 A und eine vorteilhafte Ladezeit At = 7 Stunden betragen. Bei einer solchen beispielhaften Ladung kann bei einer Masse des Batteriemoduls 10 von 150 kg, einer spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls 10 von 2,4kJ/kgK und einer gemessenen Temperaturerhöhung AT von 7 K eine Wärmeenergie AQ von 2,52 MJ bestimmt werden, die während des Ladevorganges des Batteriemoduls 10 in Wärme umgewandelt wurde. Hieraus ergibt sich eine gemittelte
momentane Wärmeleistung, die thermische Verlustleistung P2, von 100 W. Bei einem Ladestrom I von 10 A ergibt sich somit ein Innenwiderstand R des Batteriemoduls 10 von 1 Ω. Da der ursprüngliche Innenwiderstand des Batteriemoduls bekannt ist bzw. vor Gebrauch des Batteriemoduls 10 ermittelt wurde, kann ein Korrekturwert zur Berechnung des Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 ermittelt werden. Weiterhin kann basierend auf dem ursprünglichen Innenwiderstand des
Batteriemoduls 10 mit jeder nachfolgenden Messung eine Veränderung des Innenwiderstandes klassifiziert werden. Der berechnete Innenwiderstand des Batteriemoduls 10 kann somit zur Bestimmung des Alterungszustandes des Batteriemoduls 10 herangezogen werden. Mithilfe des berechneten aktuellen Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 können außerdem weitere aktuelle Werte des Batteriemoduls 10, beispielsweise die Kapazität, ermittelt werden.
Ein sprunghafter Anstieg des Innenwiderstandes des Batteriemoduls 10 gegenüber vorangegangenen Messungen kann auf defekte Zellen 11 in dem Batteriemodul 10 hindeuten und bietet somit einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
Weiterhin ist es möglich, den Wirkungsgrad η des Batteriemoduls 10 anhand der gemessenen Daten zu berechnen. Die Formel zur Berechnung des
Wirkungsgrades η
U l t mit m - Masse des Batteriemoduls 10
c - spezifische Wärmekapazität de Batteriemoduls 10
ΔΤ - Temperaturdifferenz
t - Ladezeit t2
U - Spannung
I - Ladestrom ist gültig für konstante Ströme und Spannungen. Zielführender erscheint eine Integration, also eine abschnittsweise Summation der Leistungen P(ti) = I (ti) " U (ti) +...+ I(tn)- U(tn). Auf Basis des aktuell ermittelten Wirkungsgrades kann der aktuelle Innenwiderstand des Batteriemoduls in einem Schritt 47 ermittelt werden. Da der ursprüngliche Wirkungsgrad des Batteriemoduls 10 bekannt ist oder vor Gebrauch des Batteriemoduls 10 ermittelt wurde, kann mit dem aktuell ermittelten Wirkungsgrad der Alterungszustand eines Batteriemoduls 10 ermittelt werden. Somit dient das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren einer genaueren
Bestimmung des Alterungszustandes eines Batteriemoduls 10.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen des Alterungszustandes eines Batteriemoduls (10), der eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Zellen (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist, umfassend die Schritte:
- Abkoppeln des Batteriemoduls (10) von einem Kühlmittelkreislauf (20);
- Messen einer ersten Temperatur (Tl) mittels des/der
Temperatursensor/en (12);
- Laden des Batteriemoduls (10) mit einem definierten, konstanten Strom über einen definierten Zeitraum (At);
- Messen einer zweiten Temperatur (T2) mittels des/der
Temperatursensor/en (12) nach Beenden des Ladevorganges; und
- Berechnen des Innenwiderstandes des Batteriemoduls (10) basierend auf einer Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen der ersten Temperatur (Tl) und der zweiten Temperatur (T2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Messen der ersten Temperatur (Tl) und der zweiten Temperatur (T2) das Batteriemodul (10) für einen ersten Zeitraum, insbesondere einen zweiten Zeitraum thermisch isoliert in Ruhestellung belassen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass während des Ladevorganges die Spannung des
Batteriemoduls (10) kontinuierlich gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf den gemessenen Daten der Wirkungsgrad η des Batteriemoduls (10) berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte mittels eines Batteriesteuergerätes (30), das mit dem Batteriemodul (10) und dem
Kühlkreislauf (20) verbunden ist, veranlasst, insbesondere überwacht, insbesondere ausgewertet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf einer Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der ersten Temperatur (Tl) und der zweiten Temperatur (T2) eine thermische Verlustleistung (P2) berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem berechneten Innenwiderstand und/oder basierend auf dem berechneten Wirkungsgrad η der Alterungszustand des Batteriemoduls (10) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass Grenzwerte des Batteriemoduls (10) nicht überschritten werden.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladedauer und der Ladestrom so bemessen sind, dass ein Umschalten auf Konstantspannungsladen des Batteriemoduls (10) vermieden wird.
10. Batteriemodul (10), das eine oder mehrere zusammengeschaltete Zelle/n (11) und zumindest einen Temperatursensor (12) aufweist und mit einem Kühlkreislauf verbunden ist, wobei das Batteriemodul (10) mit einem
Batteriesteuergerät (30) verbunden ist und von dem Steuergerät gesteuert und insbesondere überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) von dem Kühlkreislauf (20) abkoppelbar ist und thermisch isoliert ein definierter Ladezyklus mittels des Steuergerätes (30) durchführbar ist
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