WO2019007848A1 - Verfahren zur zustandsbestimmung einer elektrischen energiespeichereinheit, entsprechende vorrichtung zur durchführung des verfahrens sowie entsprechende elektrische energiespeichereinheit - Google Patents

Verfahren zur zustandsbestimmung einer elektrischen energiespeichereinheit, entsprechende vorrichtung zur durchführung des verfahrens sowie entsprechende elektrische energiespeichereinheit Download PDF

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention is based on a method for determining the state of an electrical energy storage unit, a device configured for carrying out the method and an electrical energy storage unit comprising the device.
  • Electric energy storage units in particular based on the lithium-ion technology, find increasing popularity in the automotive sector in particular as an important component in the drive train.
  • the electrodes of an electrical energy storage unit are subject to volumetric changes due to the storage and removal processes of the lithium ions.
  • the corresponding extent of the electrodes changes, in particular orthogonal to a layer arrangement of the electrodes.
  • the document DE 10 2012 209 271 A1 describes a battery management system of a battery, wherein a pressure-sensitive film sensor is mounted within a battery cell on an electrode winding, the measured values of which are evaluated by a battery state detection and used for detecting the battery condition.
  • the document US 2015/0188198 A1 describes a battery module which has a battery cell and a force meter and a control module, wherein the force meter measures a force due to the swelling of the battery cell and the control module is arranged based on the received force measurement data, the remaining life of Estimate battery module.
  • the electrical energy storage unit has at least two pole terminals and at least one electrode assembly.
  • an expansion of the electrode assembly and / or a force exerted by the electrode assembly is detected.
  • a first state variable which represents a first state of the electrical energy storage unit, is determined, for which purpose the detected extent of the electrode assembly and / or the force exerted by the electrode assembly and a first mathematical model stored in a data store are used.
  • the first state variable may be a state of charge or an aging state of the electrical Represent energy storage unit.
  • the aging state may be, for example, a dimensionless value which decreases with increasing force exerted by the electrode assembly or increasing expansion.
  • the first mathematical model can for example be stored in a memory module of a battery management control unit.
  • a mathematical model may include differential equations or algebraic equations.
  • a data-based map can also be part of the mathematical model.
  • a plurality of expansion or force values can be linked to the corresponding state of charge values and stored in the memory module.
  • a model in the form of state of charge a * I is also conceivable, where a is a model constant and I the extent.
  • At least one electrical variable of the electrical energy storage unit is detected, the electrical variable in particular being able to represent a current flowing in the electrical energy storage unit and / or an electrical voltage prevailing between the pole terminals.
  • a second state variable which likewise represents the first state of the electrical energy storage unit, is determined using the detected at least one electrical variable of the electrical energy storage unit as well as a second mathematical model likewise stored in a data memory.
  • the first state is determined by means of two different state variables.
  • a change of the first mathematical model and / or of variables determined by means of the first mathematical model takes place as a function of the first comparison.
  • a change of the second mathematical model and / or of variables determined by means of the second mathematical model takes place as a function of the first comparison.
  • lifetime predictions of the electrical energy storage unit can be carried out more accurately and thus unnecessary failures of the electrical energy storage unit can be prevented. Also extending the life of the electrical energy storage unit operation of the electrical energy storage unit is possible because, for example, by the more accurate determination of state limit value for voltages and / or currents are better maintained. Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
  • a correction factor for changing the first mathematical model and / or the second mathematical model and / or the quantities determined by means of the first mathematical model and / or the variables determined by means of the second mathematical model are determined.
  • a correction of the corresponding variables or models can be carried out in an advantageous manner, for example, in addition, a temperature of the electrical energy storage unit by means of the correction factor can be considered.
  • a second comparison of the detected extent of the electrode assembly with a predefined expansion threshold value and / or the force exerted by the electrode assembly with a predefined force threshold value is carried out.
  • a first signal for displaying the comparison result is generated as a function of the second comparison.
  • the first signal can, for example, turn on a light source which indicates to a user an exceeding of the corresponding threshold value.
  • This is advantageous since it informs the user of a possibly dangerous situation and thus he can if necessary act immediately, which reduces the risk to life and limb.
  • a difference value between the first state variable and the second state variable is determined, and then the correction factor is determined as a function of the difference value.
  • This has the advantage that known control engineering structures, for example a Kalman filter, which use the difference value, can be used to mathematically estimate the first state.
  • the detection of the expansion and / or the force exerted on opposite sides of the electrical energy storage unit and / or the electrode assembly takes place.
  • the sensitivity of the method is increased, since the corresponding expansion or the corresponding force acts on both sides in the case of prismatic or cylindrical shapes or generally symmetrical shapes of electrical energy storage units, in particular battery cells.
  • the detection of the expansion and / or the force exerted on the same place on the opposite sides of the electrical energy storage unit to ensure the same possible measurement conditions and to provide comparable measurement results.
  • the detection of the expansion and / or the force exerted within the electrical energy storage unit is not distorted by external influences, which increases the accuracy of the method.
  • the detection of the expansion of the electrode assembly is expediently carried out by means of at least one strain gauge.
  • the force exerted by the electrode assembly is detected by means of at least one piezoelectric element and / or by means of at least one induction coil. This has the advantage that proven and in practice tested force and strain measuring methods are used, which ensures the ease of implementation.
  • the subject matter of the disclosure is a device which comprises at least one means which is set up to carry out the above-mentioned method.
  • the at least one means may include, for example, a battery management control device and optionally current sensors and / or voltage sensors and / or temperature sensors.
  • An electronic control unit in particular in the form of a battery management control unit, can also be such a means.
  • An electronic control unit may, in particular, comprise an electronic control unit which, for example, has a microcontroller and / or an application-specific hardware component, e.g. an ASIC may be understood, but may also include a personal computer or a programmable logic controller.
  • an electronic control unit which, for example, has a microcontroller and / or an application-specific hardware component, e.g. an ASIC may be understood, but may also include a personal computer or a programmable logic controller.
  • the subject matter of the disclosure is an electrical energy storage unit which comprises at least 2 pole terminals and an electrode assembly as well as the aforementioned device.
  • An electric energy storage unit may in particular be understood as meaning an electrochemical battery cell and / or a battery module having at least one electrochemical battery cell and / or a battery pack having at least one battery module.
  • the electric energy storage unit may be a lithium-based battery cell or a lithium-based battery module or a lithium-based battery pack.
  • the electrical energy storage unit may be a lithium-ion battery cell or a lithium-ion battery module or a lithium-ion battery pack.
  • the battery cell can be of the type lithium polymer accumulator, nickel metal hydride accumulator, lead acid accumulator, lithium air accumulator or lithium sulfur accumulator or in general an accumulator of any electrochemical composition.
  • a capacitor is possible as an electrical energy storage unit.
  • the electrical energy storage unit expediently comprises at least two means for detecting an expansion of the electrode assembly and / or a force exerted by the electrode assembly on opposite sides of the electrical energy storage unit or the electrode assembly.
  • FIG. 1 shows a flow chart of the disclosed method according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart of the disclosed method according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart of the disclosed method according to a third embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart of the disclosed method according to a fourth embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of the apparatus arranged to carry out the disclosed method.
  • FIG. 1 shows a flow chart of the disclosed method for determining the state of an electrical energy storage unit according to a first embodiment.
  • the electrical energy storage unit whose state is determined comprises at least two pole terminals and an electrode assembly.
  • a first step Sil an expansion of the electrode assembly is detected.
  • a second step S12 the electrical current prevailing between the two pole terminals of the electrical energy storage unit is reached Tension detected.
  • a third step S13 a first state of charge state, which represents the state of charge of the electrical energy storage unit, is determined using the detected extent of the electrode assembly and a first mathematical model stored in a data memory.
  • a second state of charge state which, like the first state of charge state, represents the state of charge of the electrical energy storage unit, is determined using the detected electrical voltage as well as a second mathematical model stored in a data memory. This can be done, for example, by means of an electrical equivalent circuit diagram model of the electrical energy storage unit and a control engineering structure, for example a Kalman filter.
  • a fifth step S15 a first comparison of the first state of charge magnitude with the second state of charge magnitude is performed.
  • FIG. 2 shows a flow chart of the disclosed method for determining the state of an electrical energy storage unit according to a second embodiment.
  • the electrical energy storage unit whose state is determined comprises at least 2 pole terminals and an electrode assembly.
  • a force exerted by the electrode assembly is detected.
  • a first aging state variable is determined using the detected applied force and a first mathematical model stored in a data memory.
  • the first aging state variable may be a dimensionless value that decreases with increasing force exerted by the electrode assembly.
  • Exemplary numerical values range between 0 and 1 or between 0% and 100% and can be read, for example, from a characteristic field, in each of the individual expansion values, a value of the first aging state variable is assigned. These relations can be obtained, for example, from experiments.
  • a third step S23 the current flowing in the electrical energy storage unit and the electrical voltage prevailing between the polarity terminals are detected.
  • a fourth step S23 the current flowing in the electrical energy storage unit and the electrical voltage prevailing between the polarity terminals are detected.
  • Step S24 determines a second state of aging condition using the sensed electrical current and voltage and a second mathematical model stored in a data memory.
  • the second aging state variable as well as the first aging state variable represent the aging state of the electrical energy storage unit.
  • the second aging state variable may be, for example, a dimensionless value, which likewise decreases with decreasing electrical storage capacity of the electrical energy storage unit.
  • the first aging state variable is compared with the second aging state variable.
  • Step S26 determines a correction factor for changing the second aging state quantity based, for example, on the difference of the first state quantity and the second state quantity.
  • the second aging state variable is changed as a function of the first comparison and using the correction factor.
  • FIG. 3 shows a flowchart of the disclosed method for determining the state of an electrical energy storage unit according to a third embodiment.
  • a first step S31 an extension of the electrode assembly is detected.
  • a second step S32 the electrical voltage prevailing between the two pole terminals of the electrical energy storage unit is detected.
  • a third step S33 a first state of charge state, which represents the state of charge of the electrical energy storage unit, is determined using the detected extent of the electrode assembly and a first mathematical model stored in a data memory.
  • a second state of charge amount which as well as the first state of charge state, the Charge state of the electrical energy storage unit represents, using the detected electrical voltage and a stored in a data storage second mathematical model determined.
  • a fifth step S35 a first comparison of the detected extent of the electrode assembly with a predefined expansion threshold value is performed.
  • a sixth step S36 the first state variable is compared with the second state variable. Assuming that the expansion threshold is exceeded, a first signal for displaying the first comparison result is generated in a seventh step S37. In an eighth step S38 then the second mathematical
  • Model changed in response to the comparison of the first state variable with the second state variable, for example, by changing the parameter values of the second mathematical model. Furthermore, the second state variable is changed as a function of the comparison of the first state variable with the second state variable, for example by increasing or decreasing a value of the second state variable as a function of the comparison, and used to predict the lifetime of the electrical energy storage unit.
  • FIG. 4 shows a flow chart of the disclosed method for determining the state of an electrical energy storage unit according to a fourth embodiment.
  • the electrical energy storage unit whose state is determined comprises at least 2 pole terminals and an electrode assembly.
  • a force exerted by the electrode assembly is detected.
  • a first state of charge state is determined using the detected applied force and a first mathematical model stored in a data store.
  • a third step S43 the current flowing in the electrical energy storage unit and the electrical voltage prevailing between the polarity terminals are detected.
  • a second state of charge state is determined using the detected electrical current and the detected electrical voltage as well as a second mathematical model stored in a data memory.
  • a first comparison of the first state variable with the second state variable is performed.
  • a difference value between the first state variable and the second state is obtained. Standsworth determined.
  • a correction factor is determined as a function of the determined difference value.
  • the first mathematical model is changed in dependence on the first comparison and the determined correction factor. Subsequently, the changed mathematical model can be used, for example, in the context of a more accurate determination of the remaining life of the electrical energy storage unit.
  • Figure 5 shows a schematic representation of the disclosed apparatus 70 arranged to carry out the disclosed method.
  • suitable sensors 71 for example by means of a strain gauge and / or a piezoelectric element and a current or voltage sensor, an expansion of an electrode assembly and / or a force exerted by the electrode assembly force and an electrical current and an electrical voltage of an electrical energy storage unit detected.
  • the acquired values are processed in an electronic control unit 72 in accordance with the method steps described above and the corresponding quantities described are determined.
  • corresponding control variables for example current and voltage setpoints, can be calculated and output to a power electronics 73 in order, for example, to extend the service life of the electrical energy storage unit or to enable a gentler operation of the electrical energy storage unit.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit beschrieben, wobei die elektrische Energiespeichereinheit mindestens zwei Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe aufweist und das Verfahren die nachstehend Schritte umfasst. Es wird eine Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder einer von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft erfasst (S11). Weiterhin wird eine erste Zustandsgröße, die einen ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder der von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells ermittelt (S13). Weiterhin wird mindestens eine elektrische Größe der elektrischen Energiespeichereinheit erfasst (S12). Weiterhin wird eine zweite Zustandsgröße, die den ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten mindestens einen elektrischen Größe der elektrischen Energiespeichereinheit sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells, ermittelt (S14). Anschließend erfolgt (S15) ein erster Vergleich der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße. Weiterhin wird das erste mathematische Modell und/oder mittels des ersten mathematischen Modells ermittelte Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs geändert und/oder das zweite mathematische Modell und/oder mittels des zweiten mathematischen Modells ermittelte Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs geändert (S16). Weiterhin wird eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Vorrichtung und eine elektrischen Energiespeichereinheit umfassend die Vorrichtung beschrieben.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie entsprechende elektrische Energiespeichereinheit
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, einer zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Vorrichtung und einer elektrischen Energiespeichereinheit umfassend die Vorrichtung.
Stand der Technik
Elektrische Energiespeichereinheiten, insbesondere basierend auf der Lithiumionentechnologie, finden gerade im Automobilbereich zunehmende Verbreitung als wichtige Komponente im Antriebsstrang. Dabei sind die Elektroden einer elektrischen Energiespeichereinheit aufgrund der Einspeicherungs- und Ausspeiche- rungsvorgänge der Lithiumionen volumetrischen Änderungen unterworfen. Abhängig von einem Ladezustand, aber auch einer Alterung der Elektroden, ändert sich die entsprechende Ausdehnung der Elektroden, insbesondere orthogonal zu einer Lagenanordnung der Elektroden. Diese mechanischen Änderungen können demzufolge zusätzlich zu den bereits bisher verwendeten Messgrößen Temperatur, elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit oder einem elektrischen Strom verwendet werden, um die Bestimmungsgenauigkeit der Alterung oder des Ladezustandes einer Elektrode zu erhöhen beziehungsweise um Ungenauigkeiten, welche auf der alleinigen Erfassung von elektrischen Größen beruhen, zu minimieren.
In der Druckschrift DE 10 2012 209 271 AI wird ein Batteriemanagementsystem einer Batterie beschrieben, wobei innerhalb einer Batteriezelle auf einem Elektrodenwickel ein drucksensitiver Foliensensor angebracht ist, dessen Messwerte von einer Batteriezustandserkennung ausgewertet und zur Batteriezustandser- kennung verwendet werden. In der Druckschrift US 2015/0188198 AI wird ein Batteriemodul beschrieben, das eine Batteriezelle sowie einen Kraftmesser und ein Steuerungsmodul aufweist, wobei der Kraftmesser eine Kraft aufgrund des Anschwellen der Batteriezelle misst und das Steuerungsmodul eingerichtet ist, basierend auf den empfangenen Kraftmessdaten die verbleibende Lebensdauer des Batteriemoduls zu schätzen.
In dem Artikel„A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estinnation" von Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014), wird die Kraft, welche eine Lithiumionenzelle während des Ladens beziehungsweise Entladens entwickelt, mittels eines mathematischen Modells beschrieben. Dabei wird ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kraftmesseinheiten außerhalb einer Batteriezelle vorsieht.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Offenbart wird ein Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Vorrichtung und eine elektrische Energiespeichereinheit umfassend die Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Dabei weist die elektrische Energiespeichereinheit mindestens zwei Polanschlüsse und mindestens eine Elektrodenbaugruppe auf.
Innerhalb des Verfahrens wird eine Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder eine von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft erfasst.
Weiterhin wird eine erste Zustandsgröße, die einen ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, ermittelt, wobei dazu die erfasste Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder die von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft sowie ein in einem Datenspeicher abgelegtes erstes ma- thematisches Modell verwendet werden. Insbesondere kann die erste Zustandsgröße einen Ladezustand oder einen Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentieren. Der Alterungszustand kann beispielsweise ein dimensionsloser Wert sein, der mit ansteigender von der Elektrodenbaugruppe ausgeübter Kraft beziehungsweise zunehmender Ausdehnung abnimmt. Das erste mathematische Modell kann beispielsweise in einem Speicherbaustein eines Batteriemanagementsteuergerätes hinterlegt sein. Ein mathematisches Modell kann beispielsweise Differentialgleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein. Dazu können beispielsweise mehrere Ausdehnungs- beziehungsweise Kraftwerte mit den entsprechenden Ladezustandswerten verknüpft und in dem Speicherbaustein hinterlegt sein. Auch ein Modell in der Form Ladezustand = a * I ist denkbar, wobei a eine Modellkonstante und I die Ausdehnung ist.
Weiterhin wird mindestens eine elektrische Größe der elektrischen Energiespeichereinheit erfasst, wobei die elektrische Größe insbesondere ein in der elektrischen Energiespeichereinheit fließender Strom und/oder eine zwischen den Polanschlüssen herrschende elektrische Spannung darstellen kann.
Weiterhin wird eine zweite Zustandsgröße, welche ebenfalls den ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der er- fassten mindestens einen elektrischen Größe der elektrischen Energiespeichereinheit sowie eines ebenfalls in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells ermittelt. Somit wird der erste Zustand mittels zweier unterschiedlicher Zustandsgrößen ermittelt.
Anschließend wird ein erster Vergleich der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße durchgeführt.
Danach erfolgt gegebenenfalls eine Änderung des ersten mathematischen Modells und/oder von mittels des ersten mathematischen Modells ermittelten Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Änderung des zweiten mathematischen Modells und/oder von mittels des zweiten mathematischen Modells ermittelten Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs. Somit wird in vorteilhafter Weise die Tatsache genutzt, dass ein erster Zustand mittels zweier unterschiedlicher Zustandsgrößen ermittelt wurde. Dadurch können Abweichungen zwischen den Ermittlungsmethoden festgestellt werden und gleichzeitig die entsprechenden verwendeten mathematischen Modelle bezie- hungsweise die damit ermittelten Größen angepasst werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Zustandsbestimmung und sorgt somit für eine verbesserte Nutzung des Energieinhalts der elektrischen Energiespeichereinheit. Weiterhin können beispielsweise Lebensdauerprognosen der elektrischen Energiespeichereinheit genauer erfolgen und somit unnötige Ausfälle der elektrischen Energiespeicher- einheit verhindert werden. Auch ein die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängernder Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit ist möglich, da beispielsweise durch die genauere Zustandsbestimmung Grenzwert für Spannungen und/oder Ströme besser eingehalten werden. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise wird ein Korrekturfaktor zur Änderung des ersten mathematischen Modells und/oder des zweiten mathematischen Modells und/oder der mit- tels des ersten mathematischen Modells ermittelten Größen und/oder der mittels des zweiten mathematischen Modells ermittelten Größen ermittelt. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Korrektur der entsprechenden Größen beziehungsweise Modelle erfolgen, wobei beispielsweise zusätzlich eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit mittels des Korrekturfaktors berücksichtigt werden kann.
Zweckmäßigerweise wird ein zweiter Vergleich der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe mit einem vordefinierten Ausdehnungsschwellenwert und/oder der von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft mit einem vordefi- nierten Kraftschwellenwert durchgeführt. Anschließend wird in Abhängigkeit des zweiten Vergleichs ein erstes Signal zur Anzeige des Vergleichsergebnisses erzeugt. Das erste Signal kann beispielsweise ein Leuchtmittel einschalten, welches einem Benutzer ein Überschreiten des entsprechenden Schwellenwertes anzeigt. Dies ist vorteilhaft, da dadurch dem Benutzer eine möglicherweise ge- fährliche Situation mitgeteilt wird und er somit gegebenenfalls unmittelbar handeln kann, was das Risiko für Leib und Leben senkt. Zweckmäßigerweise wird ein Differenzwert zwischen der ersten Zustandsgröße und der zweiten Zustandsgröße ermittelt und anschließend der Korrekturfaktor in Abhängigkeit des Differenzwertes ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass bekannte regelungstechnische Strukturen, beispielsweise ein Kaimanfilter, welche den Differenzwert nutzen, eingesetzt werden können, um den ersten Zustand mathematisch zu schätzen.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Erfassung der Ausdehnung und/oder der ausgeübten Kraft auf einander gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der Elektrodenbaugruppe. Dadurch wird die Sensitivität des Verfahrens erhöht, da die entsprechende Ausdehnung beziehungsweise die entsprechende Kraft bei prismatischen beziehungsweise zylinderförmigen beziehungsweise allgemein eine Symmetrie aufweisenden Formen von elektrischen Energiespeichereinheiten, insbesondere Batteriezellen, auf beide Seiten wirkt. Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung der Ausdehnung und/oder der ausgeübten Kraft an der gleichen Stelle auf den gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Energiespeichereinheit, um möglichst gleiche Messbedingungen zu gewährleisten und vergleichbare Messergebnisse zu liefern.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Erfassung der Ausdehnung und/oder der ausgeübten Kraft innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit. Somit werden die entsprechenden Messwerte nicht durch äußere Einflüsse verfälscht, was die Genauigkeit des Verfahrens erhöht.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Erfassung der Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe mittels mindestens eines Dehnungsmessstreifens. Alternativ oder zusätzlich wird die von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft mittels mindestens eines Piezoelements und/oder mittels mindestens einer Induktionsspule erfasst. Dies hat den Vorteil, dass bewährte und in der Praxis erprobte Kraft- beziehungsweise Dehnungsmessverfahren eingesetzt werden, was die einfache Umsetzbar- keit gewährleistet.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung, welche mindestens ein Mittel umfasst, das eingerichtet ist, das oben genannte Verfahren auszufüh- ren. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät sowie gegebenenfalls Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein.
Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicher- programmierbare Steuerung fallen.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine elektrische Energiespeichereinheit, welche mindestens 2 Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe sowie die vorgenannte Vorrichtung umfasst. Somit können die vorgenannten Vorteile realisiert werden.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batte- riemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen- Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Bat- teriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel- Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
Zweckmäßigerweise umfasst die elektrische Energiespeichereinheit mindestens zwei Mittel zur Erfassung einer Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder einer von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Energiespeichereinheit oder der Elektro- denbaugruppe befinden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
Es zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
Figur 4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, welche eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen.
Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Zustandsbestim- mung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei umfasst die elektrische Energiespeichereinheit, deren Zustand bestimmt wird, mindestens zwei Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe. In einem ersten Schritt Sil wird eine Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe er- fasst. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S12 die zwischen den zwei Polanschlüssen der elektrischen Energiespeichereinheit herrschende elektrische Spannung erfasst. Anschließend wird in einem dritten Schritt S13 eine erste Ladezustandsgröße, die den Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells ermittelt. Weiterhin wird in einem vierten Schritt S14 eine zweite Ladezustandsgröße, die ebenso wie die erste Ladezustandsgröße den Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten elektrischen Spannung sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels eines elektrischen Ersatzschaltbildmodells der elektrischen Energiespeichereinheit und einer regelungstechnischen Struktur, beispielsweise einem Kaimanfilter, erfolgen. Danach wird in einem fünften Schritt S15 ein erster Vergleich der ersten Ladezustandsgröße mit der zweiten Ladezustandsgröße durchgeführt. Unter der Annahme, dass sich die erste Ladezustandsgröße und die zweite Ladezu- Standsgröße um mehr als einen vordefinierten Betrag unterscheiden, wird in einem sechsten Schritt S16 die zweite Ladezustandsgröße in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses geändert und in einem siebten Schritt S17 während eines Betriebes der elektrischen Energiespeichereinheit verwendet, um durch die genauere Zustandsbestimmung die Lebensdauer der elektrischen Energiespeicher- einheit zu erhöhen. Sollten sich die erste Ladezustandsgröße und die zweite Ladezustandsgröße nicht um mehr als den vordefinierten Betrag unterscheiden, ist keine Änderung notwendig. Dann kann beispielsweise wieder bei dem ersten Schritt Sil eingesetzt werden und das Verfahren beginnt erneut. Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei umfasst die elektrische Energiespeichereinheit, deren Zustand bestimmt wird, mindestens 2 Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe. In einem ersten Schritt S21 wird eine von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft erfasst. In einem zweiten Schritt S22 wird eine erste Alterungszustandsgröße unter Verwendung der erfassten ausgeübten Kraft sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells ermittelt. Die erste Alterungszustandsgröße kann beispielsweise ein dimensionsloser Wert sein, der mit ansteigender von der Elektrodenbaugruppe ausgeübter Kraft abnimmt. Beispielhafte Zahlenwerte bewegen sich zwischen 0 und 1 beziehungsweise zwischen 0 % und 100 % und können beispielsweise aus einem Kennfeld ausgelesen werden, in dem einzelnen Ausdehnungswerten jeweils ein Wert der ersten Alterungszustandsgröße zugeordnet ist. Diese Relationen können beispielsweise aus Versuchen gewonnen werden. Anschließend wird in einem dritten Schritt S23 der in der elektrischen Energiespeichereinheit fließende Strom und die zwischen den Polanschlüssen herrschende elektrische Spannung erfasst. In einem vierten
Schritt S24 wird dann eine zweite Alterungszustandsgröße unter Verwendung des erfassten elektrischen Stromes und der erfassten elektrischen Spannung sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells ermittelt. Dabei repräsentiert die zweite Alterungszustandsgröße ebenso wie die erste Alterungszustandsgröße den Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit. Dabei kann die zweite Alterungszustandsgröße beispielsweise ein dimensionsloser Wert sein, der mit abnehmender elektrischer Speicherkapazität der elektrischen Energiespeichereinheit ebenfalls abnimmt. Anschließend wird in einem fünften Schritt S25 die erste Alterungszustandsgröße mit der zwei- ten Alterungszustandsgröße verglichen. Anschließend wird in einem sechsten
Schritt S26 ein Korrekturfaktor zum Ändern der zweiten Alterungszustandsgröße ermittelt, welcher beispielsweise auf der Differenz der ersten Zustandsgröße und der zweiten Zustandsgröße basiert. Eine beispielhafte Definition des Korrekturfaktors lautet: Korrekturfaktor = C * ( Wert der ersten Zustandsgröße - Wert der zweiten Zustandsgröße ), wobei C eine entsprechende Konstante ist. Anschließend wird in einem siebten Schritt S27 in Abhängigkeit des ersten Vergleichs und unter Nutzung des Korrekturfaktors die zweite Alterungszustandsgröße geändert. Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Zustandsbestim- mung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 wird eine Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe erfasst. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S32 die zwischen den 2 Polanschlüssen der elektrischen Energiespeichereinheit herrschende elektrische Spannung erfasst. Anschließend wird in einem dritten Schritt S33 eine erste Ladezustandsgröße, die den Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells ermittelt. Weiterhin wird in einem vierten Schritt S34 eine zweite Ladezustandsgröße, die ebenso wie die erste Ladezustandsgröße den Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten elektrischen Spannung sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells ermittelt. Anschließend wird in einem fünften Schritt S35 ein erster Vergleich der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe mit einem vordefinierten Ausdehnungsschwellenwert durchgeführt. Weiterhin wird in einem sechsten Schritt S36 die erste Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße verglichen. Unter der Annahme, dass der Ausdehnungsschwellenwert überschritten wird, wird in einem siebten Schritt S37 ein erstes Signal zur Anzeige des ersten Vergleichsergebnisses er- zeugt. In einem achten Schritt S38 wird anschließend das zweite mathematische
Modell in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße geändert, indem beispielsweise die Parameterwerte des zweiten mathematischen Modells geändert werden. Weiterhin wird die zweite Zustandsgröße in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße geändert, indem beispielsweise ein Wert der zweiten Zustandsgröße in Abhängigkeit des Vergleichs erhöht oder verringert wird, und zur Prognose der Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Zustandsbestim- mung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer vierten Ausführungsform. Dabei umfasst die elektrische Energiespeichereinheit, deren Zustand bestimmt wird, mindestens 2 Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe. In einem ersten Schritt S41 wird eine von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft erfasst. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S42 eine erste Ladezu- Standsgröße unter Verwendung der erfassten ausgeübten Kraft sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells ermittelt. Anschließend wird in einem dritten Schritt S43 der in der elektrischen Energiespeichereinheit fließende Strom und die zwischen den Polanschlüssen herrschende elektrische Spannung erfasst. In einem vierten Schritt S44 wird eine zweite Lade- zustandsgröße unter Verwendung des erfassten elektrischen Stromes und der erfassten elektrischen Spannung sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells ermittelt. Anschließend wird in einem fünften Schritt S45 ein erster Vergleich der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße durchgeführt. Anschließend wird in einem sechsten Schritt S46 ein Differenzwert zwischen der ersten Zustandsgröße und der zweiten Zu- Standsgröße ermittelt. Daraufhin wird in einem siebten Schritt S47 ein Korrekturfaktor in Abhängigkeit des ermittelten Differenzwertes bestimmt. In einem achten Schritt S48 wird das erste mathematische Modell in Abhängigkeit des ersten Vergleichs und des ermittelten Korrekturfaktors geändert. Anschließend kann das geänderte mathematische Modell beispielsweise im Rahmen einer genaueren Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 70, die eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dabei werden mittels geeigneter Sensoren 71, beispielsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens und/oder eines Piezoelements und eines Strom- beziehungsweise Spannungssensors, eine Ausdehnung einer Elektrodenbaugruppe und/oder eine von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft sowie ein elektrischer Strom und eine elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit erfasst. Die er- fassten Werte werden in einem elektronischen Steuergerät 72 entsprechend den oben beschriebenen Verfahrensschritten verarbeitet und die entsprechenden beschriebenen Größen ermittelt. Weiterhin können entsprechende Steuergrößen, beispielsweise Strom- und Spannungssollwerte, berechnet werden und an eine Leistungselektronik 73 ausgegeben werden, um beispielsweise die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit zu verlängern beziehungsweise einen schonenderen Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit zu ermöglichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Zustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit, wobei die elektrische Energiespeichereinheit mindestens zwei Polanschlüsse und mindestens eine Elektrodenbaugruppe aufweist, umfassend die Schritte:
a) Erfassen (Sil, S21, S31, S41) einer Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder einer von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft; b) Ermitteln (S13, S22, S32, S42) einer ersten Zustandsgröße, die einen ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere einen Ladezustand oder einen Alterungszustand, unter Verwendung der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder der von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells;
c) Erfassen (S12, S23, S33, S43) mindestens einer elektrischen Größe der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere eines in der elektrischen Energiespeichereinheit fließenden Stromes und/oder einer zwischen den Polanschlüssen herrschenden elektrischen Spannung;
d) Ermitteln (S14, S24, S34, S44) einer zweiten Zustandsgröße, die den ersten Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, unter Verwendung der erfassten mindestens einen elektrischen Größe der elektrischen Energiespeichereinheit sowie eines in einem Datenspeicher abgelegten zweiten mathematischen Modells;
e) Durchführen (S15, S25, S36, S45) eines ersten Vergleichs der ersten Zustandsgröße mit der zweiten Zustandsgröße;
f) Ändern (S16, S27, S38, S48) des ersten mathematischen Modells und/oder von mittels des ersten mathematischen Modells ermittelten Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs und/oder Ändern des zweiten mathematischen Modells und/oder von mittels des zweiten mathematischen Modells ermittelten Größen in Abhängigkeit des ersten Vergleichs.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend:
g) Ermitteln (S26) eines Korrekturfaktors zum Ändern des ersten und/oder des zweiten mathematischen Modells und/oder der mittels des ersten und/oder des zweiten mathematischen Modells ermittelten Größen;
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
h) Durchführen (S35) eines zweiten Vergleichs der erfassten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe mit einem vordefinierten Ausdehnungsschwellenwert und/oder der von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft mit einem vordefinierten Kraftschwellenwert;
i) In Abhängigkeit des zweiten Vergleichs Erzeugen (S37) eines ersten Signals zur Anzeige des Vergleichsergebnisses.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, weiterhin umfassend: j) Ermitteln (S46) eines Differenzwertes zwischen der ersten Zustandsgröße und der zweiten Zustandsgröße;
k) Ermitteln (S47) des Korrekturfaktors in Abhängigkeit des Differenzwertes.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung der Ausdehnung und/oder der ausgeübten Kraft in Schritt a) auf einander gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der Elektrodenbaugruppe erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung der Ausdehnung und/oder der ausgeübten Kraft in Schritt a) innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung der Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe mittels mindestens eines Dehnungsmessstreifens erfolgt und/oder die von der Elektrodenbaugruppe ausgeübte Kraft mittels mindestens eines Piezoelements und/oder mittels mindestens einer Induktionsspule erfasst wird.
Vorrichtung (70), umfassend mindestens ein Mittel (72), insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Elektrische Energiespeichereinheit, umfassend mindestens zwei Polanschlüsse und eine Elektrodenbaugruppe sowie eine Vorrichtung (70) nach Anspruch 8.
10. Elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend mindestens zwei Mittel (71) zur Erfassung einer Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe und/oder einer von der Elektrodenbaugruppe ausgeübten Kraft, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Energiespei- chereinheit und/oder der Elektrodenbaugruppe befinden.
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