WO2020038852A1 - Modular aufgebaute batterie und verfahren zum betreiben einer modular aufgebauten batterie - Google Patents

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WO2020038852A1
WO2020038852A1 PCT/EP2019/072071 EP2019072071W WO2020038852A1 WO 2020038852 A1 WO2020038852 A1 WO 2020038852A1 EP 2019072071 W EP2019072071 W EP 2019072071W WO 2020038852 A1 WO2020038852 A1 WO 2020038852A1
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battery
soh
pressure
soc
operating state
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PCT/EP2019/072071
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Christoph KÄPPNER
Holger Lange
Jörg Fritzsche
Markus Kielsmeier
Thomas Schulenburg
Ina Stradtmann
Bastian Schaar
Arne-Christian Voigt
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a modular battery according to the preamble of
  • the invention relates to a method for operating a modular battery according to the preamble of the independent method claim.
  • Battery cells e.g. Lithium-ion battery cells are subject to progressive aging during operation. This aging changes the properties of the battery that are relevant for operation, e.g. Capacity, internal resistance, self-discharge rate, power delivery capacity, possible charge rate, mechanical properties etc. It is known that the course of the battery cells.
  • Cell aging can be influenced by mechanical force on the cell.
  • the battery cells are frequently mechanically pretensioned in order to counteract the aging.
  • the battery cells within the battery are often clamped at a constant pressure.
  • the state of tension of the battery cells can change with the aging of the cells, since the cells can have a thickness increase (so-called "swelling") with increasing life.
  • the object of the invention is therefore to at least partially overcome at least one disadvantage known from the prior art in a modular battery.
  • a battery of modular design which is of simple construction and which is provided with an improved, in particular flexible, preferably controllable, pressurization or pressure control of the battery cells, which is adapted to the aging and the increase in thickness of the battery cells depending on the operating point is.
  • it is an object of the invention to provide an improved method for operating a modular battery, which can be carried out reliably and gently for the battery cells and which enables an extended service life and improved performance of the battery.
  • the object of the invention is achieved by a modular battery with the features of the independent device claim, in particular from
  • the invention provides a modular battery (or simply a battery hereinafter), comprising: a plurality of battery cells and a detection unit for detecting at least one operating state of the battery.
  • an actuator which is preferably arranged in the battery, is provided in order to set a pressure in the battery (i.e. an
  • Compilation of different operating parameters of the battery can be understood, such as. B. a temperature, a state of charge or "State of Charge” (SOC), one
  • the actuator in the sense of the invention actively converts the control commands of a control unit into a suitable pressure in the battery.
  • the control unit in turn comprises different aging models for the battery, which can be selected individually depending on the detected operating state. Each aging model includes a function of battery life in
  • the modular battery can advantageously be used in mobile applications, for example in vehicles, or in stationary applications, for example in generators.
  • One idea of the invention is that the target value for the pressure in the battery or for the clamping pressure or the clamping force of the battery cells within the battery is supplied via an aging model which determines the optimum pressure for each operating state of the battery.
  • the aging model can be integrated in a special control unit or directly in a battery management system.
  • the control unit determines the optimal clamping force of the battery cells or the optimal pressure in the battery on the basis of the known history, the current and the expected operating parameters of the battery, which together represent the operating state of the battery.
  • the control unit controls one
  • Actuator that is active, flexible and operating point-oriented at all times the optimum
  • the invention can provide in a modular battery that a hydraulic cooling device for tempering and for hydrostatic mounting of the
  • the hydraulic cooling device enables the battery cells to be pressurized evenly. At the same time, the hydraulic
  • Cooling device temper the battery to a suitable temperature for the detected operating state. Furthermore, the hydraulic cooling device can have an inlet line to and an outlet line from the battery. A temperature-controlled can be supplied via the feed line
  • Coolant to be led to the battery A coolant that has absorbed the waste heat from the battery cells can be removed via the drain line.
  • the battery can have a housing for the battery cells, into which the coolant can be introduced through the feed line.
  • the battery cells can advantageously be accommodated in flexible, in particular coolant-impermeable, sleeves. The coolant flows around the
  • the cells are also stored hydrostatically using the coolant.
  • the coolant that has absorbed the waste heat from the battery cells is discharged from the housing using the drain line.
  • the invention can provide that the actuator can be arranged in an inlet line of a hydraulic cooling device to the battery.
  • the actuator can therefore exert a hydraulic pressure on the battery cells.
  • the invention can provide that the actuator is designed to measure the pressure in the battery as a hydraulic pressure in a hydraulic cooling device
  • the hydraulic pressure acts evenly and gently on the battery cells.
  • the hydraulic pressure can advantageously be oriented to the operating state and corresponding to the aging of the battery cells can be set. In this way, improved operating conditions for the battery can be provided.
  • the invention can provide a housing for a battery in which the battery cells are accommodated.
  • the battery cells can be protected in a housing.
  • a fluid-tight mounting of the battery cells can be provided.
  • the housing can be closed in a fluid-tight manner, except for the openings for an inlet and an outlet line of a hydraulic cooling device for temperature control and for hydrostatic mounting of the battery cells.
  • the housing can be fluidly connected to the cooling device and even form part of the cooling device.
  • the invention can provide that a housing of the battery is fluidly connected to a hydraulic cooling device for temperature control and for hydrostatic mounting of the battery cells.
  • the pressure in the hydraulic cooling device can determine or essentially determine the pressure in the housing of the battery apart from small fluctuations.
  • the actuator has an adjusting element in order to adjust the pressure in the battery.
  • the actuating element can advantageously be movably mounted and driven by the actuator.
  • the actuating element can set a pressure in the battery due to the mechanical action on a fluid, for example an oil, which can be used for and for hydrostatic mounting of the battery cells.
  • a fluid for example an oil
  • the actuator has a motor in order to drive an actuating element.
  • the actuator can actively drive the control element in order to set a desired pressure in the battery.
  • the invention can provide that the motor is in the form of a stepper motor and / or a linear motor.
  • a stepper motor can be advantageous in order to enable step-by-step control of the actuating element.
  • a linear motor can be advantageous in order to implement a stable control of the control element.
  • the invention can provide that the actuating element is designed in the form of a piston.
  • a piston is a structurally simple and inexpensive component that can be easily installed.
  • a piston can become one enclose a lockable and changeable volume in a housing of the battery on the side facing the battery cells. The volume can be changed via the movement of the piston and thus the pressure in the battery can change.
  • a piston is arranged on a spindle.
  • the piston can thus be fastened on the spindle and moved, in particular linearly, with the spindle.
  • the spindle can in turn be driven simply and stably.
  • the invention can provide for a modular battery that a
  • Guide chamber is provided in a housing of the battery, in which a piston is linearly movable.
  • the guide chamber can close on the circumference with the piston in order to have a lockable and changeable volume in a housing of the battery
  • the actuating element is designed in the form of a membrane.
  • a sensitive pressure setting can be achieved using a membrane.
  • the pressure setting with a membrane brings with it a certain elasticity and flexibility. In this way, the pressure setting can be made less stiff and regulated more easily.
  • an eccentric or a working piston is provided in order to tension a membrane in a housing of the battery.
  • An eccentric or a working piston are inexpensive and easily drivable elements.
  • An eccentric can produce rotary and linear movements.
  • An eccentric can also be used to produce rotary and linear movements.
  • a working piston can be advantageous to produce a linear movement.
  • the geometry of the housing of the battery and the type of fluid for storing the battery cells one or the other element can be advantageous.
  • the actuating element can be designed in the form of an expandable element.
  • a stretchable element can allow an extended travel range.
  • a wide range for changing the pressure can be provided via an extended actuating path of the actuating element.
  • an eccentric or a working piston can be provided in order to expand an expandable element in a housing of the battery.
  • the choice of an eccentric or a working piston can be advantageous depending on the design of the battery, the geometry of the housing of the battery and the type of fluid for mounting the battery cells.
  • the invention can provide that the actuating element is designed in the form of a piezo element.
  • a piezo element can advantageously be controlled simply using electrical signals.
  • a piezo element does not require a drive.
  • the invention can provide that the actuator is a pump and / or a
  • a pump can be advantageous to a fluid for tempering and for hydrostatic storage of the
  • the pump can combine several functions and can be advantageous for the circulation of the fluid and for the pressure setting.
  • a storage volume can be advantageous to provide an appropriate amount of fluid for the desired pressure in the battery.
  • the invention can provide in a modular battery that a compensation chamber is provided in a housing of the battery in order to flexibly compensate for pressure fluctuations in the battery.
  • the rigidity when setting the pressure in the battery can thus be reduced and the controlled system for the adjusting element can be simplified.
  • the invention can provide for a compensation chamber that the
  • Compensation chamber encloses a gas volume or in other words limited.
  • Gas volume can form a gas spring to flexibly compensate for pressure fluctuations in the battery. Another advantage of a gas volume is that parameters of the
  • volume of gas e.g. B. pressure, temperature and / or volume, easily detected and can be used to determine the actually prevailing pressure (actual pressure) in the battery.
  • at least one easily measurable parameter can be provided, which can help regulate the pressure in the battery.
  • the compensation chamber is open to the rest of the battery housing. If the fluid for tempering and for hydrostatic storage of the battery cells is an oil, then a gas volume can form a phase boundary with the fluid and compensate for pressure fluctuations without additional delimitation elements. Nevertheless, it is conceivable that the compensation chamber can be fluidly separated from the rest of the housing by a spring element.
  • the spring element can be designed, for example, in the form of a, preferably stretchable, membrane or a bimetal strip.
  • the invention can provide for a modular battery that the
  • Operating state of the battery includes several operating parameters of the battery, such as a current, a voltage, a capacity, a temperature, an internal resistance, a
  • the operating state of the battery can thus have a comprehensive compilation of the operating parameters of the battery.
  • the detection unit can advantageously have at least one sensor in order to detect at least one operating parameter of the battery for determining the operating state of the battery, the operating parameters of the battery being: current (I),
  • Performance requirement mechanical and / or geometric properties of the battery. The operation of the battery can thus be monitored.
  • the invention can provide a control unit that is designed to control the actuator.
  • an intelligent system for the battery can be provided, which can be controlled autonomously in order to set a desired and suitable pressure within the battery.
  • control unit is designed to control the actuator in order to set an, in particular optimal, pressure in the battery which corresponds to the detected operating state
  • corresponding battery aging model enables a maximum battery life, in particular the aging model being determinable as a function of the detected operating state of the battery. In this way, an optimal pressure can be determined that is suitable for operating the battery in the detected operating state.
  • control unit can have a memory in which corresponding aging models of the battery for different operating states of the battery are stored as functions of the service life of the battery as a function of the pressure in the battery.
  • a control for the pressure can thus be provided, which ensures that the battery cells within the battery experience a suitable clamping pressure.
  • control unit in the context of the invention, for example using special power electronics, assigns a corresponding aging model to the detected operating state of the battery.
  • control unit can be designed within the scope of the invention to determine an operating state of the battery at a later time To predict depending on the detected operating state and an expected use and / or an expected place of use of the battery at this later point in time, the aging model being determined as a function of the forecast operating state of the battery. Predictive control of the pressure in the battery can thus be provided.
  • An expected use e.g. during rest periods, at peak times, when switching to an electric drive in a hybrid vehicle in an environmental zone to be driven through
  • an expected location e.g. when driving downhill, on a motorway, in a city, etc.
  • Surveillance systems navigation units, route planning systems, intelligent on-board computers or the like can be determined.
  • control unit is implemented within a battery management system.
  • the advantages within the scope of the invention can thus be achieved with existing means of the battery.
  • the invention provides a vehicle with a modular battery, which can be configured as described above.
  • vehicle according to the invention With the aid of the vehicle according to the invention, the same advantages are achieved which were described above in connection with the battery according to the invention. These advantages are referred to in full in the present case.
  • the object according to the invention is achieved by a method for operating a modular battery, which has a plurality of battery cells and a detection unit for detecting an operating state of the battery, an actuator, which is in particular part of the battery, being controlled to set a pressure in the battery to be set as a function of the detected operating state of the battery, in particular a corresponding aging model of the battery being assigned to the detected operating state, wherein preferably a pressure is selected according to this aging model which enables a maximum service life of the battery.
  • the invention can provide within the scope of the method that a control unit controls the actuator in such a way that an, in particular optimal, pressure in the battery is set which, according to an aging model of the battery, which corresponds to the detected operating state of the battery, has a maximum service life of the battery Battery enables.
  • the appropriate aging model is determined depending on the recorded operating status Battery selected.
  • a suitable pressure can thus be set actively and flexibly, which leads to optimal operating conditions of the battery in the detected operating state.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a modular battery in the sense of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an actuator in the sense of the invention according to one of many possible embodiments of the actuator.
  • FIG. 1 shows a battery 100 of modular construction, which comprises a plurality of battery cells 101, which can be designed in the form of lithium-ion battery cells 101, for example pouch cells.
  • the modular battery 100 comprises a hydraulic cooling device 10 for tempering the battery 100, which is also used for hydrostatic mounting of the
  • the battery 100 further comprises a detection unit 20 for detecting an operating state I, U, C, T, R, SOH, SOC of the battery 100.
  • the battery cells 101 are subject to progressive aging during operation. This aging changes the properties of the battery 100 that are relevant to the operation, such as Capacitance C, internal resistance R, self-discharge rate, power delivery capacity, possible charging rate, mechanical properties, etc. In addition, this aging causes the battery cells 101 to have an increase in thickness (so-called “swelling”). There is also one
  • an actuator 40 is provided according to the invention to set a pressure D in the battery 100 (ie a clamping pressure of the battery cells 101 within the battery OO) depending on the detected operating state I, U, C, T, R, SOH, SOC of the battery 100.
  • a corresponding aging model L (P) of the battery 100 is assigned to the detected operating state I, U, C, T, R, SOH, SOC (see function f in FIG. 2).
  • the control unit 30 selects an, in particular optimal, pressure P * which corresponds to a maximum service life L max of the battery 100 (see the maximum L max (P * ) of that shown in FIG. 2 Function f).
  • the control unit 30 in turn controls the actuator 40 in order to set this optimal pressure P * in the battery 100.
  • the pressure P can preferably be set as a hydraulic pressure P for the hydrostatic mounting of the battery cells 101.
  • the actuator 40 can be arranged in an inlet line 11 of the hydraulic cooling device 10.
  • the actuator 40 can be designed, for example, in the form of a pump or a compressor.
  • the operating state I, U, C, T, R, SOH, SOC of the battery 100 in the sense of the invention can be understood to mean a comprehensive compilation of different operating parameters of the battery 100, including e.g. For example: a current I, a voltage U, a capacitance C, a temperature T, an internal resistance R, an aging state SOH, a state of charge SOC, a self-discharge rate, a possible charging rate, a power delivery capacity, a power requirement, mechanical and / or geometric properties of the battery 100, etc.
  • the actuator 40 actively converts the control commands from the control unit 30 into a suitable pressure P in the battery 100.
  • the setpoint for the pressure P in the battery 100 or for the clamping pressure or the clamping force of the battery cells 101 within the battery 100 is supplied via an aging model L (P), which corresponds to each operating state I, U , C, T, R, SOH, SOC of the battery 100 determines the optimal pressure P * .
  • the control unit 30 can be provided with corresponding power electronics.
  • the control unit 30 can advantageously set the optimum pressure P * in the battery 100 on the basis of the known history, the current and the expected operating parameters of the battery. Controlling the pressure P in the battery 100 in this way leads to a significant extension of its service life and to general performance improvements.
  • the control unit 30 comprises a memory 31, in which various aging models L (P) for the battery 100 are stored, which can be selected individually depending on the detected operating state I, U, C, T, R, SOH, SOC.
  • Each aging model L (P) comprises a function f of the lifespan L of the battery 100 as a function of the pressure P in the battery 100. Knowing the suitable aging model L (P), an optimal pressure P * can consequently be determined, based on this aging model L (P) enables a maximum service life L max of the battery 100.
  • the battery 100 can furthermore have a, preferably pressure-resistant, housing 102 for the battery cells 101, into which the coolant can be introduced through the inlet line 11 of the hydraulic cooling device 10.
  • the battery cells 101 can advantageously be accommodated in flexible, in particular coolant-impermeable, sleeves. The coolant flows around the battery cells 101 and thus temperature-regulates the cells.
  • the battery cells 101 are stored hydrostatically using the coolant.
  • the coolant which has absorbed the waste heat from the battery cells 101, is discharged from the housing 102 with the aid of a drain line 12 of the hydraulic cooling device 10.
  • the detection unit 20 can advantageously have at least one sensor 22 in order to detect at least one operating parameter of the battery 100
  • the detection unit 20 can have a pressure sensor 21 around which
  • hydrostatic pressure P within the battery 100 i.e. H. within the housing 102 to monitor.
  • the control unit 30 can furthermore have a corresponding regulator 32, which regulates the hydrostatic pressure P within the housing 102 to the optimum pressure P * by means of settings on the actuator 40.
  • the electronics unit 30 can be implemented in a central battery management system 110 or can be designed as a separate unit or a separate control device.
  • a refrigeration machine 14 can also be provided in the feed line 11.
  • a refrigeration machine 14 can also be provided in the drain line 12 of the hydraulic
  • Cooling device 10 can be provided after a compressor 15 or a pump 15, a heat exchanger 17.
  • the heat exchanger 17 can be ventilated by means of a fan 16 to promote heat dissipation.
  • the heat exchanger 17 can be implemented, for example, within a vehicle radiator.
  • the heat exchanger 17 can in turn to a
  • Vehicle heater 201 can be connected to use the waste heat from the battery 100. After passage of the heat exchanger 17, a valve 18 for throttling the
  • Coolant may be provided. With the help of the refrigeration machine 14 and the heat exchanger 17, the heat transport can be reliably implemented. With the aid of the actuator 40 and the compressor 15, the pressure conditions in the battery 100 and in the cooling circuit of the hydraulic cooling device 10 can be flexibly controlled.
  • the battery 100 according to the invention can be used advantageously in mobile applications, for example in a vehicle 200.
  • FIG. 3 A possible embodiment of an actuator 40 in the sense of the invention is shown in FIG. 3.
  • the housing 102 of the battery 100 can be seen in FIG. Only one battery cell 101 is shown by way of example in FIG. 3, the battery 100 having a plurality of battery cells 101.
  • the housing 102 can be closed in a fluid-tight manner, except for the openings (not shown) for an inlet line 11 and an outlet line 12 of the hydraulic one
  • Cooling device 10 for temperature control and for hydrostatic storage of the battery cells 101.
  • the housing 102 forms part of the cooling device 10.
  • the actuator 40 has an actuating element 41 in order to adjust the pressure in the battery 100, i. H. to set the pressure P in the housing 102.
  • This pressure P corresponds to the pressure P in
  • the actuating element 41 is movably mounted and driven by the actuator 40.
  • the actuator 40 can, for example, provide a linear stepper motor.
  • the actuating element 41 can act on the fluid in the housing 102 by the mechanical movement in order to adjust the pressure P in the battery 100.
  • the actuating element 41 comprises a piston and a spindle 42 to which the piston is attached.
  • the spindle 42 is linearly driven by the motor 43. This causes the piston to move linearly in a guide chamber 103 of the housing 102.
  • Guide chamber 103 is open to the remaining housing 102.
  • FIG. 3 shows only one exemplary embodiment of the actuator 40 in the sense of the invention.
  • further exemplary embodiments of the actuator 40 are conceivable, for example with an actuating element 41 in the form of a membrane or an expandable element. This can an eccentric or a working piston can be provided in order to actuate such an actuating element 41.
  • an adjusting element 41 in the form of a piezo element is conceivable.
  • the actuator 40 has a pump and / or a storage volume in order to set the pressure P in the battery 100.
  • FIG. 3 further shows that a compensation chamber 104 can be provided in the housing 102 in order to flexibly compensate for pressure fluctuations in the battery 100.
  • the rigidity in the pressure setting in the battery 100 can thus be reduced and the controlled system for the actuating element 41 can be simplified.
  • a volume of gas may be enclosed in the equalization chamber 104.
  • the gas volume can serve as a gas spring.
  • the actually prevailing pressure P (actual pressure) in the battery 100 can be determined via the parameters of the gas volume, such as pressure, temperature and / or volume. Thus, easily measurable
  • Parameters are provided which can be used for regulating the pressure P in the battery 100.
  • the positioning accuracy of the actuator 40 can be compensated for with the aid of the gas volume.
  • the compensation chamber 104 is open to the rest of the housing 102.
  • Line 105 can only be understood as a phase boundary between gas and oil.
  • the compensation chamber 104 can be fluidly separated from the rest of the housing by a spring element, the line 105 indicating this spring element.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine modular aufgebaute Batterie (100), aufweisend mehrere Batteriezellen (101) und eine Erfassungseinheit (20) zur Erfassung eines Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100). Hierzu ist erfindungsgemäß ein Aktuator (40) vorgesehen, um einen Druck (P) in der Batterie (100) in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) einzustellen.

Description

Beschreibung
Modular aufgebaute Batterie und Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie
Die Erfindung betrifft eine modular aufgebaute Batterie nach dem Oberbegriff des
unabhängigen Vorrichtungsanspruches und ein Fahrzeug mit einer entsprechenden modular aufgebauten Batterie nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Batteriezellen, z.B. Lithium-Ionen-Batteriezellen, unterliegen im Betrieb einer fortschreitenden Alterung. Diese Alterung verändert die für den Betrieb relevanten Eigenschaften der Batterie, wie z.B. Kapazität, Innenwiderstand, Selbstentladerate, Leistungs-Liefervermögen, mögliche Laderate, mechanische Eigenschaften usw. Es ist bekannt, dass sich der Verlauf der
Zellalterung durch mechanische Krafteinwirkung auf die Zelle beeinflussen lässt. Häufig werden bei bekannten Batterien die Batteriezellen mechanisch vorgespannt, um der Zeitalterung entgegenzuwirken. Häufig werden die Batteriezellen innerhalb der Batterie mit einem konstanten Druck verspannt. Allerdings kann sich der Verspannungszustand der Batteriezellen mit der Alterung der Zellen verändern, da die Zellen mit der steigenden Lebensdauer eine Dickenzunahme (sog.„Swelling“) aufweisen können. Dazu kommt noch eine
betriebspunktabhängige Dickenzunahme der Batteriezellen, z.B. in Abhängigkeit von einem Ladezustand oder„State of Charge“ (SOC), einem Alterungszustand oder„State of Health“ (SOH), einer entnehmbaren Stromrate, einer Temperatur usw.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, mindestens einen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil bei einer modular aufgebauten Batterie zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine modular aufgebaute Batterie bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und welche mit einer verbesserten, insbesondere flexiblen, vorzugsweise steuerbaren, Druckbeaufschlagung bzw. Drucksteuerung der Batteriezellen bereitgestellt wird, die an die Alterung und an die betriebspunktabhängige Dickenzunahme der Batteriezellen angepasst ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Fahrzeug bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie bereitzustellen, welches zuverlässig und schonend für die Batteriezellen ausgeführt werden kann und welches eine verlängerte Lebensdauer sowie verbesserte Leistung der Batterie ermöglicht. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine modular aufgebaute Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem
kennzeichnenden Teil, durch ein entsprechendes Fahrzeug mit den Merkmalen des
unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Merkmale, die zu den einzelnen Erfindungsaspekten offenbart werden, können in der Weise miteinander kombiniert werden, dass bzgl. der
Offenbarung zu den Erfindungsaspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt eine modular aufgebaute Batterie (oder im Weiteren einfach Batterie) bereit, aufweisend: mehrere Batteriezellen und eine Erfassungseinheit zur Erfassung zumindest eines Betriebszustandes der Batterie. Hierzu ist erfindungsgemäß ein Aktuator, der vorzugsweise in der Batterie angeordnet ist, vorgesehen, um einen Druck in der Batterie (d. h. einen
Verspanndruck der Batteriezellen innerhalb der Batterie) in Abhängigkeit des zumindest einen erfassten Betriebszustandes der Batterie einzustellen, wobei insbesondere dem erfassten Betriebszustand mithilfe einer Steuereinheit ein entsprechendes Alterungsmodell der Batterie zugeordnet wird, wobei vorzugsweise der Druck nach diesem Alterungsmodell mithilfe der Steuereinheit ausgewählt und mithilfe des Aktuators bereitgestellt wird, der eine maximale Lebensdauer der Batterie ermöglicht.
Unter dem Betriebszustand der Batterie im Sinne der Erfindung kann eine umfassende
Zusammenstellung unterschiedlicher Betriebsparameter der Batterie verstanden werden, wie z. B. einer Temperatur, eines Ladezustandes oder„State of Charge“ (SOC), eines
Alterungszustandes oder„State of Health“ (SOH), einer Stromanforderung usw. Der Aktuator im Sinne der Erfindung setzt aktiv die Steuerbefehle einer Steuereinheit in einen geeigneten Druck in der Batterie um. Die Steuereinheit umfasst wiederum verschiedene Alterungsmodelle für die Batterie, die in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes individuell ausgewählt werden können. Jedes Alterungsmodell umfasst eine Funktion der Lebensdauer der Batterie in
Abhängigkeit von dem Druck in der Batterie. In Kenntnis des passenden Alterungsmodells kann folglich ein optimaler Druck ermittelt werden, der nach diesem Alterungsmodell eine maximale Lebensdauer der Batterie verspricht.
Die modular aufgebaute Batterie kann vorteilhafterweise in mobilen Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, oder in stationären Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden. Ein Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der Sollwert für den Druck in der Batterie bzw. für den Verspanndruck oder die Verspannkraft der Batteriezellen innerhalb der Batterie über ein Alterungsmodell geliefert wird, das zu jedem Betriebszustand der Batterie den optimalen Druck ermittelt. Das Alterungsmodell kann in einer speziellen Steuereinheit oder direkt in einem Batterie-Management-System integriert werden. Die Steuereinheit bestimmt die optimale Verspannkraft der Batteriezellen oder den optimalen Druck in der Batterie auf Basis der bekannten Historie, der aktuellen sowie der zu erwartenden Betriebsparameter der Batterie, die zusammen den Betriebszustand der Batterie darstellen. Die Steuereinheit steuert einen
Aktuator, der aktiv, flexibel und betriebspunktorientiert zu jeder Zeit den optimalen
Verspanndruck auf die Batteriezellen ausübt, was zu einer signifikanten Verlängerung ihrer Lebensdauer sowie zu allgemeinen Performance-Verbesserungen, wie z. B. Stromraten etc., führt.
Ferner kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass eine hydraulische Kühlvorrichtung zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der
Batteriezellen vorgesehen ist. Durch die hydraulische Kühlvorrichtung kann eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Batteriezellen erfolgen. Zugleich kann die hydraulische
Kühlvorrichtung die Batterie auf eine geeignete Temperatur für den erfassten Betriebszustand temperieren. Ferner kann die hydraulische Kühlvorrichtung eine Zulaufleitung zu und eine Ablaufleitung von der Batterie aufweisen. Über die Zulaufleitung kann ein temperiertes
Kühlmittel zu der Batterie geleitet werden. Über die Ablaufleitung kann ein Kühlmittel abgeführt werden, welches die Abwärme der Batteriezellen aufgenommen hat. Die Batterie kann ein Gehäuse für die Batteriezellen aufweisen, in welches das Kühlmittel durch die Zulaufleitung eingeleitet werden kann. Vorteilhafterweise können die Batteriezellen in flexiblen, insbesondere Kühlmittel undurchlässigen, Hüllen aufgenommen werden. Das Kühlmittel umströmt die
Batteriezellen und temperiert somit die Zellen. Außerdem werden die Zellen mithilfe des Kühlmittels hydrostatisch gelagert. Das Kühlmittel, welches die Abwärme der Batteriezellen aufgenommen hat, wird aus dem Gehäuse mithilfe der Ablaufleitung abgeleitet.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass der Aktuator in einer Zulaufleitung einer hydraulischen Kühlvorrichtung zu der Batterie angeordnet sein kann. Mithin kann der Aktuator einen hydraulischen Druck auf die Batteriezellen ausüben.
Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass der Aktuator dazu ausgeführt ist, den Druck in der Batterie als einen hydraulischen Druck in einer hydraulischen Kühlvorrichtung in
Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes der Batterie einzustellen. Der hydraulische Druck beaufschlagt die Batteriezellen gleichmäßig und schonend. Der hydraulische Druck kann vorteilhafterweise Betriebszustand orientiert und entsprechend der Alterung der Batteriezellen eingestellt werden. Auf diese Weise können verbesserte Betriebsbedingungen für die Batterie bereitgestellt werden.
Außerdem kann die Erfindung bei einer Batterie ein Gehäuse vorsehen, in welchem die Batteriezellen aufgenommen sind. In einem Gehäuse können die Batteriezellen geschützt aufgenommen werden. Zudem kann in einem Gehäuse eine fluiddichte Lagerung der
Batteriezellen ermöglicht werden. Hierzu kann das Gehäuse fluiddicht abgeschlossen werden, bis auf die Öffnungen für eine Zu- und eine Ablaufleitung einer hydraulischen Kühlvorrichtung zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen. Mit anderen Worten kann das Gehäuse fluidisch an die Kühlvorrichtung angeschlossen werden und sogar einen Teil der Kühlvorrichtung bilden.
Zudem kann die Erfindung bei einer Batterie vorsehen, dass ein Gehäuse der Batterie fluidisch mit einer hydraulischen Kühlvorrichtung zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen verbunden ist. Somit kann der Druck in der hydraulischen Kühlvorrichtung den Druck im Gehäuse der Batterie bestimmen oder im Wesentlichen bestimmen bis auf kleine Schwankungen.
Im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Aktuator ein Stellelement aufweist, um den Druck in der Batterie einzustellen. Das Stellelement kann vorteilhafterweise bewegbar gelagert sein und vom Aktuator angetrieben werden. Das
Stellelement kann durch die mechanische Einwirkung auf ein Fluid, bspw. ein Öl, welches zum und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen verwendet werden kann, ein Druck in der Batterie einstellen.
Ferner kann es bei einer Batterie im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, dass der Aktuator einen Motor aufweist, um ein Stellelement anzutreiben. Somit kann der Aktuator aktiv das Stellelement antreiben, um einen gewünschten Druck in der Batterie einzustellen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass der Motor in Form eines Schrittmotors und/oder eines Linearmotors ausgebildet ist. Ein Schrittmotor kann vorteilhaft sein, um eine schrittweise Ansteuerung des Stellelementes zu ermöglichen. Ein Linearmotor kann von Vorteil sein, um eine stabile Ansteuerung des Stellelementes zu realisieren.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass das Stellelement in Form eines Kolbens ausgebildet ist. Ein Kolben ist ein konstruktiv einfaches und kostengünstiges Bauteil, welches einfach eingebaut werden kann. Ein Kolben kann zu einer den Batteriezellen zugewandten Seite ein abschließbares und veränderbares Volumen in einem Gehäuse der Batterie einschließen. Über die Bewegung des Kolbens kann das Volumen verändert werden und somit der Druck in der Batterie verändern.
Außerdem ist es denkbar, dass ein Kolben auf einer Spindel angeordnet ist. Somit kann der Kolben auf der Spindel befestigt werden und mit der Spindel, insbesondere linear, bewegt werden. Die Spindel kann wiederum einfach und stabil angetrieben werden.
Zudem kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass eine
Führungskammer in einem Gehäuse der Batterie vorgesehen ist, in welcher ein Kolben linear bewegbar führbar ist. Die Führungskammer kann umfangsseitig mit dem Kolben abschließen, um ein abschließbares und veränderbares Volumen in einem Gehäuse der Batterie
abzugrenzen.
Ferner ist es denkbar, dass das Stellelement in Form einer Membran ausgebildet ist. Mithilfe einer Membran kann eine sensitive Druckeinstellung erreicht werden. Dazu kommt noch, dass die Druckeinstellung mit einer Membran eine gewisse Elastizität und Nachgiebigkeit mit sich bringt. Auf diese Weise kann die Druckeinstellung weniger steif erfolgen und einfacher geregelt werden.
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass ein Exzenter oder ein Arbeitskolben vorgesehen ist, um eine Membran in einem Gehäuse der Batterie zu spannen. Ein Exzenter oder ein Arbeitskolben sind kostengünstige und einfach antreibbare Elemente. Ein Exzenter kann rotatorische und lineare Bewegungen erzeugen. Ein Exzenter kann außerdem die
Antriebskraft anpassen. Ein Arbeitskolben kann vorteilhaft sein, um eine lineare Bewegung zu erzeugen. Je nach Ausgestaltung der Batterie, der Geometrie des Gehäuses der Batterie und der Art des Fluides zur Lagerung der Batteriezellen kann das eine oder das andere Element von Vorteil sein.
Des Weiteren kann das Stellelement in Form eines dehnbaren Elementes ausgebildet sein. Ein dehnbares Element kann einen verlängerten Stellweg ermöglichen. Über einen verlängerten Stellweg des Stellelementes kann ein breiter Bereich zur Änderung des Druckes bereitgestellt werden.
Außerdem kann ein Exzenter oder ein Arbeitskolben vorgesehen sein, um ein dehnbares Element in einem Gehäuse der Batterie zu dehnen. Auch dabei kann die Wahl eines Exzenters oder eines Arbeitskolbens je nach Ausgestaltung der Batterie, der Geometrie des Gehäuses der Batterie und der Art des Fluides zur Lagerung der Batteriezellen von Vorteil sein. Zudem kann die Erfindung vorsehen, dass das Stellelement in Form eines Piezoelementes ausgebildet ist. Ein Piezoelement kann vorteilhafterweise einfach mithilfe von elektrischen Signalen angesteuert werden. Ein Piezoelement erfordert keinen Antrieb.
Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass der Aktuator eine Pumpe und/oder ein
Speichervolumen aufweist, um den Druck in der Batterie einzustellen. Eine Pumpe kann vorteilhaft sein, um ein Fluid zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der
Batteriezellen zu befördern und zugleich einen geeigneten Druck dabei einzustellen. Auf diese Weise kann die Pumpe mehrere Funktionen in sich vereinen und vorteilhaft für die Umwälzung des Fluides und für die Druckeinstellung sein. Ein Speichervolumen kann vorteilhaft sein, um eine geeignete Menge des Fluides für den gewünschten Druck in der Batterie bereitzustellen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass eine Ausgleichskammer in einem Gehäuse der Batterie vorgesehen ist, um Druckschwankungen in der Batterie flexibel auszugleichen. Somit kann die Steifigkeit bei der Druckeinstellung in der Batterie verringert und die Regelstrecke für das Stellelement vereinfacht werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Ausgleichskammer vorsehen, dass die
Ausgleichskammer ein Gasvolumen umschließt oder mit anderen Worten begrenzt. Ein
Gasvolumen kann eine Gasfeder bilden, um Druckschwankungen in der Batterie flexibel auszugleichen. Ein weiterer Vorteil eines Gasvolumens liegt darin, dass Parameter des
Gasvolumens, wie z. B. Druck, Temperatur und/oder Volumen, leicht erfasst werden und zur Bestimmung des tatsächlich herrschbaren Druckes (Ist-Druckes) in der Batterie dienen können. Somit kann mindestens ein leicht messbares Parameter bereitgestellt werden, welches bei der Regelung des Druckes in der Batterie helfen kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Ausgleichskammer offen zum restlichen Gehäuse der Batterie ist. Wenn das Fluid zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen ein Öl ist, so kann ein Gasvolumen mit dem Fluid eine Phasengrenze bilden und ohne zusätzliche Abgrenzungselemente Druckschwankungen ausgleichen. Dennoch ist es denkbar, dass die Ausgleichskammer durch ein Federelement fluidisch vom restlichen Gehäuse getrennt sein kann. Das Federelement kann bspw. in Form einer, vorzugsweise dehnbaren, Membran oder eines Bimetallstreifens ausgebildet sein.
Zudem kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass der
Betriebszustand der Batterie mehrere Betriebsparameter der Batterie umfasst, wie einen Strom, eine Spannung, eine Kapazität, eine Temperatur, einen Innenwiderstand, einen
Alterungszustand, einen Ladezustand, eine Selbstentladerate, eine mögliche Laderate, ein Leistungs-Liefervermögen, eine Leistungsanforderung, mechanische und/oder geometrische Eigenschaften der Batterie. Somit kann der Betriebszustand der Batterie eine umfassende Zusammenstellung der Betriebsparameter der Batterie aufweisen.
Vorteilhafterweise kann die Erfassungseinheit mindestens einen Sensor aufweisen, um mindestens einen Betriebsparameter der Batterie zum Bestimmen des Betriebszustandes der Batterie zu erfassen, wobei die Betriebsparameter der Batterie sein können: Strom (I),
Spannung (U), Kapazität (C), Temperatur (T), Innenwiderstand (R), Alterungszustand (SOH), Ladezustand (SOC), Selbstentladerate, mögliche Laderate, Leistungs-Liefervermögen,
Leistungsanforderung, mechanische und/oder geometrische Eigenschaften der Batterie. Somit kann der Betrieb der Batterie überwacht werden.
Darüber hinaus kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie eine Steuereinheit vorsehen, die dazu ausgelegt ist, den Aktuator anzusteuern. Somit kann ein intelligentes System für die Batterie bereitgestellt werden, welches autonom steuerbar ist, um einen gewünschten und passenden Druck innerhalb der Batterie einzustellen.
Außerdem kann die Erfindung bei einer modular aufgebauten Batterie vorsehen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Aktuator anzusteuern, um einen, insbesondere optimalen, Druck in der Batterie einzustellen, der gemäß einem dem erfassten Betriebszustand
entsprechenden Alterungsmodell der Batterie eine maximale Lebensdauer der Batterie ermöglicht, wobei insbesondere das Alterungsmodell in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand der Batterie bestimmbar ist. Somit kann ein optimaler Druck ermittelt werden, der zum Betrieb der Batterie bei dem erfassten Betriebszustand geeignet ist.
Ferner kann die Steuereinheit im Rahmen der Erfindung einen Speicher aufweisen, in welchem für unterschiedliche Betriebszustände der Batterie entsprechende Alterungsmodelle der Batterie als Funktionen der Lebensdauer der Batterie in Abhängigkeit von dem Druck in der Batterie hinterlegt sind. Somit kann eine Steuerung für den Druck bereitgestellt werden, die dafür sorgt, dass die Batteriezellen innerhalb der Batterie einen geeigneten Verspanndruck erfahren.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die Steuereinheit im Rahmen der Erfindung, bspw. mithilfe einer speziellen Leistungselektronik, dem erfassten Betriebszustand der Batterie ein entsprechendes Alterungsmodell zuordnet. Somit kann eine intelligente, insbesondere
Betriebszustand orientierte, Steuerung für den Druck in der Batterie ermöglicht werden.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die Steuereinheit im Rahmen der Erfindung dazu ausgelegt sein kann, einen Betriebszustand der Batterie zu einem späteren Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand und einer erwarteten Verwendung und/oder einem erwarteten Einsatzort der Batterie zu diesem späteren Zeitpunkt zu prognostizieren, wobei das Alterungsmodell in Abhängigkeit von dem prognostizierten Betriebszustand der Batterie bestimmt wird. Somit kann eine vorausschauende Steuerung des Druckes in der Batterie bereitgestellt werden. Eine erwartete Verwendung (bspw. bei Ruhephasen, bei Stoßzeiten, bei einer Umstellung auf einen Elektroantrieb in einem Hybridfahrzeug in einer zu durchfahrenden Umweltzone) und/oder ein erwarteter Einsatzort (bspw. bei einer Bergabfahrt, einer Autobahnfahrt, einer Stadtfahrt usw.) der Batterie können/kann mithilfe von
Überwachungssystemen, Navigationseinheiten, Routenplanungssystemen, intelligenten Bordcomputern oder Ähnlichem bestimmt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es zudem denkbar, dass die Steuereinheit innerhalb eines Batterie-Management-Systems implementiert ist. Somit können die Vorteile im Rahmen der Erfindung mit vorhandenen Mitteln der Batterie erreicht werden.
Außerdem stellt die Erfindung ein Fahrzeug mit einer modular aufgebauten Batterie bereit, die wie oben beschrieben ausgebildet sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeuges werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie gelöst, die mehrere Batteriezellen und eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Betriebszustandes der Batterie aufweist, wobei ein Aktuator, der insbesondere Teil der Batterie ist, angesteuert wird, um einen Druck in der Batterie in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes der Batterie einzustellen, wobei insbesondere dem erfassten Betriebszustand ein entsprechendes Alterungsmodell der Batterie zugeordnet wird, wobei vorzugsweise ein Druck nach diesem Alterungsmodell ausgewählt wird, der eine maximale Lebensdauer der Batterie ermöglicht. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ebenfalls die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der
erfindungsgemäßen Batterie beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen des Verfahrens vorsehen, dass eine Steuereinheit den Aktuator derart ansteuert, dass ein, insbesondere optimaler, Druck in der Batterie eingestellt wird, der gemäß einem Alterungsmodell der Batterie, welches dem erfassten Betriebszustand der Batterie entspricht, eine maximale Lebensdauer der Batterie ermöglicht. Das passende Alterungsmodell wird in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes der Batterie ausgewählt. Somit kann ein geeigneter Druck aktiv und flexibel eingestellt werden, der zu optimalen Betriebsbedingungen der Batterie bei dem erfassten Betriebszustand führt.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer modular aufgebauten Batterie im Sinne der Erfindung,
Fig. 2 ein beispielhaftes Alterungsmodell für einen erfassten Betriebszustand der Batterie, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Aktuators im Sinne der Erfindung gemäß einer von vielen möglichen Ausführungsformen des Aktuators.
Die Figur 1 zeigt eine modular aufgebaute Batterie 100, die mehrere Batteriezellen 101 umfasst, die in Form von Lithium-Ionen-Batteriezellen 101 , bspw. Pouch-Zellen, ausgebildet sein können. Die modular aufgebaute Batterie 100 umfasst eine hydraulische Kühlvorrichtung 10 zum Temperieren der Batterie 100, die außerdem zum hydrostatischen Lagern der
Batteriezellen 101 ausgeführt ist. Ferner umfasst die Batterie 100 eine Erfassungseinheit 20 zur Erfassung eines Betriebszustandes I, U, C, T, R, SOH, SOC der Batterie 100.
Die Batteriezellen 101 unterliegen im Betrieb einer fortschreitenden Alterung. Diese Alterung verändert die für den Betrieb relevanten Eigenschaften der Batterie 100, wie z.B. Kapazität C, Innenwiderstand R, Selbstentladerate, Leistungs-Liefervermögen, mögliche Laderate, mechanische Eigenschaften usw. Außerdem bewirkt diese Alterung, dass die Batteriezellen 101 eine Dickenzunahme (sog.„Swelling“) aufweisen können. Dazu kommt noch eine
betriebspunktabhängige Dickenzunahme der Batteriezellen 101 , z.B. in Abhängigkeit von einem Ladezustand oder„State of Charge“ SOC, einem Alterungszustand oder„State of Health“ SOH, einer entnehmbaren Stromrate, einer Temperatur T usw.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie 100 ist erfindungsgemäß ein Aktuator 40 vorgesehen, um einen Druck D in der Batterie 100 (d. h. einen Verspanndruck der Batteriezellen 101 innerhalb der Batteriel OO) in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes I, U, C, T, R, SOH, SOC der Batterie 100 einzustellen.
Dem erfassten Betriebszustand I, U, C, T, R, SOH, SOC wird im Rahmen der Erfindung mithilfe einer Steuereinheit 30 ein entsprechendes Alterungsmodell L(P) der Batterie 100 zugeordnet (s. die Funktion f in der Figur 2). Gemäß dem ausgewählten Alterungsmodell L(P) wird durch die Steuereinheit 30 ein, insbesondere optimaler, Druck P* ausgewählt, der einer maximalen Lebensdauer Lmax der Batterie 100 entspricht (s. das Maximum Lmax(P*) der in der Figur 2 gezeigten Funktion f). Die Steuereinheit 30 steuert wiederum den Aktuator 40 an, um diesen optimalen Druck P* in der Batterie 100 einzustellen.
Der Druck P kann vorzugsweise als ein hydraulischer Druck P zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen 101 eingestellt werden. Hierzu kann der Aktuator 40 in einer Zulaufleitung 1 1 der hydraulischen Kühlvorrichtung 10 angeordnet sein. Der Aktuator 40 kann bspw. in Form einer Pumpe oder eines Verdichters ausgebildet sein.
Unter dem Betriebszustand I, U, C, T, R, SOH, SOC der Batterie 100 im Sinne der Erfindung kann eine umfassende Zusammenstellung unterschiedlicher Betriebsparameter der Batterie 100 verstanden werden, umfassend z. B.: einen Strom I, eine Spannung U, eine Kapazität C, eine Temperatur T, einen Innenwiderstand R, einen Alterungszustand SOH, einen Ladezustand SOC, eine Selbstentladerate, eine mögliche Laderate, ein Leistungs-Liefervermögen, eine Leistungsanforderung, mechanische und/oder geometrische Eigenschaften der Batterie 100 usw.
Der Aktuator 40 setzt aktiv die Steuerbefehle der Steuereinheit 30 in einen geeigneten Druck P in der Batterie 100 um. Mithilfe der Steuereinheit 30 wird im Sinne der Erfindung der Sollwert für den Druck P in der Batterie 100 bzw. für den Verspanndruck oder die Verspannkraft der Batteriezellen 101 innerhalb der Batterie 100 über ein Alterungsmodell L(P) geliefert, das zu jedem Betriebszustand I, U, C, T, R, SOH, SOC der Batterie 100 den optimalen Druck P* ermittelt. Hierzu kann die Steuereinheit 30 mit einer entsprechenden Leistungselektronik bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit 30 den optimalen Druck P* in der Batterie 100 auf Basis der bekannten Historie, der aktuellen sowie der zu erwartenden Betriebsparameter der Batterie einstellen. Eine solche Ansteuerung des Druckes P in der Batterie 100 führt zu einer signifikanten Verlängerung ihrer Lebensdauer sowie zu allgemeinen Performance- Verbesserungen. Die Steuereinheit 30 umfasst einen Speicher 31 , in welchem verschiedene Alterungsmodelle L(P) für die Batterie 100 gespeichert sind, die in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes I, U, C, T, R, SOH, SOC individuell ausgewählt werden können. Jedes Alterungsmodell L(P) umfasst eine Funktion f der Lebensdauer L der Batterie 100 in Abhängigkeit von dem Druck P in der Batterie 100. In Kenntnis des passenden Alterungsmodells L(P) kann folglich ein optimaler Druck P* ermittelt werden, der nach diesem Alterungsmodell L(P) eine maximale Lebensdauer Lmax der Batterie 100 ermöglicht.
Die Batterie 100 kann weiterhin ein, vorzugsweise druckbeständiges, Gehäuse 102 für die Batteriezellen 101 aufweisen, in welches das Kühlmittel durch die Zulaufleitung 1 1 der hydraulischen Kühlvorrichtung 10 eingeleitet werden kann. Vorteilhafterweise können die Batteriezellen 101 in flexiblen, insbesondere Kühlmittel undurchlässigen, Hüllen aufgenommen werden. Das Kühlmittel umströmt die Batteriezellen 101 und temperiert somit die Zellen.
Außerdem werden die Batteriezellen 101 mithilfe des Kühlmittels hydrostatisch gelagert. Das Kühlmittel, welches die Abwärme der Batteriezellen 101 aufgenommen hat, wird aus dem Gehäuse 102 mithilfe einer Ablaufleitung 12 der hydraulischen Kühlvorrichtung 10 abgeleitet.
Vorteilhafterweise kann die Erfassungseinheit 20 im Sinne der Erfindung mindestens einen Sensor 22 aufweisen, um mindestens einen Betriebsparameter der Batterie 100 zum
Bestimmen des Betriebszustandes I, U, C, T, R, SOH, SOC der Batterie 100 zu erfassen, wie dies schematisch in der Figur 1 angedeutet ist.
Weiterhin kann die Erfassungseinheit 20 einen Drucksensor 21 aufweisen, um den
hydrostatischen Druck P innerhalb der Batterie 100, d. h. innerhalb des Gehäuses 102, zu überwachen.
Die Steuereinheit 30 kann weiterhin einen entsprechenden Regler 32 aufweisen, welcher den hydrostatischen Druck P innerhalb des Gehäuses 102 durch Einstellungen am Aktuator 40 auf den optimalen Druck P* einregelt.
Die erfindungsgemäße Elektronikeinheit 30 kann in einem zentralen Batterie-Management- System 110 implementiert oder als eine separate Einheit bzw. ein separates Steuergerät ausgeführt sein.
Im Kühlkreislauf der hydraulischen Kühlvorrichtung 10 kann außerdem in der Zulaufleitung 11 eine Kältemaschine 14 vorgesehen sein. In der Ablaufleitung 12 der hydraulischen
Kühlvorrichtung 10 kann nach einem Verdichter 15 oder einer Pumpe 15 ein Wärmetauscher 17 vorgesehen sein. Der Wärmetauscher 17 kann mithilfe eines Ventilators 16 belüftet werden, um den Wärmeabtransport zu begünstigen. Der Wärmetauscher 17 kann bspw. innerhalb eines Fahrzeugkühlers realisiert werden. Der Wärmetauscher 17 kann wiederum an eine
Fahrzeugheizung 201 angeschlossen werden, um die Abwärme der Batterie 100 zu nutzen. Nach dem Durchgang des Wärmetauschers 17 kann ein Ventil 18 zur Drosselung des
Kühlmittels vorgesehen sein. Mithilfe der Kältemaschine 14 und des Wärmetauschers 17 kann der Wärmetransport zuverlässig realisiert werden. Mithilfe des Aktuators 40 und des Verdichters 15 können die Druckverhältnisse in der Batterie 100 sowie im Kühlkreislauf der hydraulischen Kühlvorrichtung 10 flexibel gesteuert werden.
Wie in der Figur 1 unten rechts angedeutet ist, kann die erfindungsgemäße Batterie 100 auf eine vorteilhafte Weise bei mobilen Anwendungen, bspw. in einem Fahrzeug 200, verwendet werden.
Eine mögliche Ausführung eines Aktuators 40 im Sinne der Erfindung ist in der Figur 3 gezeigt. In der Figur 3 ist das Gehäuse 102 der Batterie 100 erkennbar. In der Figur 3 ist lediglich beispielhaft nur eine Batteriezelle 101 gezeigt, wobei die Batterie 100 mehrere Batteriezellen 101 aufweist. Das Gehäuse 102 kann fluiddicht abgeschlossen sein, bis auf die nicht gezeigten Öffnungen für eine Zulaufleitung 11 und eine Ablaufleitung 12 der hydraulischen
Kühlvorrichtung 10 zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen 101. Das Gehäuse 102 bildet im Rahmen der Erfindung einen Teil der Kühlvorrichtung 10.
Der Aktuator 40 weist ein Stellelement 41 auf, um den Druck in der Batterie 100, d. h. den Druck P im Gehäuse 102, einzustellen. Dieser Druck P entspricht dem Druck P in der
Kühlvorrichtung 10.
Das Stellelement 41 ist bewegbar gelagert und vom Aktuator 40 angetrieben. Zum Antreiben des Stellelementes 41 kann der Aktuator 40 bspw. einen linearen Schrittmotor vorsehen. Das Stellelement 41 kann durch die mechanische Bewegung auf das Fluid im Gehäuse 102 einwirken, um den Druck P in der Batterie 100 einzustellen.
Das Stellelement 41 umfasst dabei einen Kolben und eine Spindel 42, an welcher der Kolben befestigt ist. Die Spindel 42 wird linear vom Motor 43 angetrieben. Dadurch wird bewirkt, dass der Kolben in einer Führungskammer 103 des Gehäuses 102 linear bewegt wird. Die
Führungskammer 103 ist zum restlichen Gehäuse 102 offen.
Die Figur 3 zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel des Aktuators 40 im Sinne der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind weitere Ausführungsbeispiele des Aktuators 40 denkbar, bspw. mit einem Stellelement 41 in Form einer Membran oder eines dehnbaren Elementes. Hierzu kann ein Exzenter oder ein Arbeitskolben vorgesehen sein, um ein solches Stellelement 41 zu betätigen.
Ferner ist ein Stellelement 41 in Form eines Piezoelementes denkbar.
Weiterhin ist es denkbar, dass der Aktuator 40 eine Pumpe und/oder ein Speichervolumen aufweist, um den Druck P in der Batterie 100 einzustellen.
Weiterhin zeigt die Figur 3, dass eine Ausgleichskammer 104 im Gehäuse 102 vorgesehen sein kann, um Druckschwankungen in der Batterie 100 flexibel auszugleichen. Somit kann die Steifigkeit bei der Druckeinstellung in der Batterie 100 verringert und die Regelstrecke für das Stellelement 41 vereinfacht werden. In der Ausgleichskammer 104 kann ein Gasvolumen eingeschlossen sein. Das Gasvolumen kann als eine Gasfeder dienen. Über die Parameter des Gasvolumens, wie Druck, Temperatur und/oder Volumen, kann der tatsächlich herrschende Druck P (Ist-Druck) in der Batterie 100 bestimmt werden. Somit können leicht messbare
Parameter bereitgestellt werden, welches für die Regelung des Druckes P in der Batterie 100 verwendet werden können. Mithilfe des Gasvolumens kann die Stellgenauigkeit des Aktuators 40 kompensiert werden.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Ausgleichskammer 104 offen zum restlichen Gehäuse 102 ist. Die Linie 105 kann dabei lediglich als eine Phasengrenze zwischen Gas und Öl verstanden werden. Gleichwohl ist es denkbar, dass die Ausgleichskammer 104 durch ein Federelement fluidisch vom restlichen Gehäuse getrennt sein kann, wobei die Linie 105 dieses Federelement andeutet.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste 0 Kühlvorrichtung
1 Zulaufleitung
2 Ablaufleitung
14 Kältemaschine, Verdampfer
15 Verdichter, Pumpe
16 Ventilator
17 Wärmetauscher, Fahrzeugkühler
18 Ventil 0 Erfassungseinheit
1 Drucksensor
2 Sensor
0 Steuereinheit
1 Speicher
2 Regler
0 Aktuator
1 Stellelement
2 Spindel
3 Motor
100 Batterie
101 Batteriezelle
102 Gehäuse
103 Führungskammer
104 Ausgleichskammer
105 Liniel 10 Batterie-Management-System
200 Fahrzeug
201 Fahrzeugheizung
I, U, C, T, R, SOH, SOC Betriebszustand
I Strom U Spannung C Kapazität
T Temperatur
R Innenwiderstand SOH Alterungszustand SOC Ladezustand f Funktion
L(P) Alterungsmodell
L Lebensdauer
Lmax maximale Lebensdauer
P Druck
P* optimaler Druck

Claims

Patentansprüche
1. Modular aufgebaute Batterie (100), aufweisend:
mehrere Batteriezellen (101 ) und
eine Erfassungseinheit (20) zur Erfassung zumindest eines Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Aktuator (40) vorgesehen ist, um einen Druck (P) in der Batterie (100) in Abhängigkeit des zumindest einen erfassten Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) einzustellen.
2. Batterie (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine hydraulische Kühlvorrichtung (10) zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der Batteriezellen (101 ) vorgesehen ist,
und/oder dass der Aktuator (40) in einer Zulaufleitung (1 1 ) einer hydraulischen
Kühlvorrichtung (10) zu der Batterie (100) angeordnet ist,
und/oder dass der Aktuator (40) dazu ausgeführt ist, den Druck (P) in der Batterie (100) als einen hydraulischen Druck (P) in einer hydraulischen Kühlvorrichtung (10) in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) einzustellen.
3. Batterie (100) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Gehäuse (102) vorgesehen ist, in welchem die Batteriezellen (101 ) aufgenommen sind,
und/oder dass ein Gehäuse (102) der Batterie (100) fluidisch mit einer hydraulischen Kühlvorrichtung (10) zum Temperieren und zum hydrostatischen Lagern der
Batteriezellen (101 ) verbunden ist.
4. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (40) ein Stellelement (41 ) aufweist, um den Druck (P) in der Batterie (10) einzustellen.
5. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (40) einen Motor (43) aufweist, um ein Stellelement (41 ) anzutreiben.
6. Batterie (100) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor (43) in Form eines Schrittmotors und/oder eines Linearmotors ausgebildet ist.
7. Batterie (100) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement (41 ) in Form eines Kolbens ausgebildet ist,
und/oder dass ein Kolben auf einer Spindel (42) angeordnet ist,
und/oder dass eine Führungskammer (103) in einem Gehäuse (102) der Batterie (100) vorgesehen ist, in welcher ein Kolben linear bewegbar führbar ist.
8. Batterie (100) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement (41 ) in Form einer Membran ausgebildet ist,
und/oder dass ein Exzenter oder ein Arbeitskolben vorgesehen ist, um eine Membran in einem Gehäuse (102) der Batterie (100) zu spannen.
9. Batterie (100) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement (41 ) in Form eines dehnbaren Elementes ausgebildet ist, und/oder dass ein Exzenter oder ein Arbeitskolben vorgesehen ist, um ein dehnbares Element in einem Gehäuse (102) der Batterie (100) zu dehnen.
10. Batterie (100) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement (41 ) in Form eines Piezoelementes ausgebildet ist.
1 1. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (40) eine Pumpe und/oder ein Speichervolumen aufweist, um den Druck (P) in der Batterie (10) einzustellen.
12. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Ausgleichskammer (104) in einem Gehäuse (102) der Batterie (100) vorgesehen ist, um Druckschwankungen in der Batterie (100) flexibel auszugleichen.
13. Batterie (100) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgleichskammer (104) ein Gasvolumen umschließt,
wobei die Ausgleichskammer (104) offen zu einem Gehäuse (102) der Batterie (100) ist, oder wobei die Ausgleichskammer (104) durch ein Federelement (105) fluidisch von einem Gehäuse (102) der Batterie (100) getrennt ist.
14. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) einen oder mehrere der nachfolgend genannten Betriebsparameter der Batterie (100) umfasst: Strom (I), Spannung (U), Kapazität (C), Temperatur (T), Innenwiderstand (R),
Alterungszustand (SOH), Ladezustand (SOC), Selbstentladerate, mögliche Laderate, Leistungs-Liefervermögen, Leistungsanforderung, mechanische und/oder geometrische Eigenschaften der Batterie (100),
und/oder dass die Erfassungseinheit (20) mindestens einen Sensor (22) aufweist, um mindestens einen Betriebsparameter der Batterie (100) zum Bestimmen des
Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) zu erfassen, wobei die Betriebsparameter der Batterie (100) sein können: Strom (I), Spannung (U), Kapazität (C), Temperatur (T), Innenwiderstand (R), Alterungszustand (SOH), Ladezustand (SOC), Selbstentladerate, mögliche Laderate, Leistungs-Liefervermögen,
Leistungsanforderung, mechanische und/oder geometrische Eigenschaften der Batterie (100).
15. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit (30) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den Aktuator (40) anzusteuern.
16. Batterie (100) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (30) dazu ausgelegt ist, den Aktuator (40) anzusteuern, um einen optimalen Druck (P*) in der Batterie (100) einzustellen, der gemäß einem dem erfassten Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) entsprechenden Alterungsmodell (L(P)) der Batterie (100) eine maximale Lebensdauer (Lmax) der Batterie (100) ermöglicht.
17. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (30) einen Speicher (31 ) aufweist,
in welchem für unterschiedliche Betriebszustände (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) entsprechende Alterungsmodelle (L(P)) der Batterie (100) als Funktionen (f) der Lebensdauer (L) der Batterie (100) in Abhängigkeit von dem Druck (P) in der Batterie (100) hinterlegt sind,
und/oder dass die Steuereinheit (30) dem erfassten Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) ein entsprechendes Alterungsmodell (L(P)) zuordnet.
18. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (30) dazu ausgelegt ist, einen Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) zu einem späteren Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) und einer erwarteten Verwendung und/oder einem erwarteten Einsatzort der Batterie (100) zu diesem späteren Zeitpunkt zu prognostizieren,
wobei das Alterungsmodell (L(P) in Abhängigkeit von dem prognostizierten
Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) bestimmbar ist.
19. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (30) innerhalb eines Batterie-Management-Systems (1 10) implementiert ist.
20. Fahrzeug (200) mit einer modular aufgebauten Batterie (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
21. Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Batterie (100), die mehrere Batteriezellen (101 )
und eine Erfassungseinheit (20) zur Erfassung eines Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Aktuator (40) angesteuert wird, um einen Druck (P) in der Batterie (100) in Abhängigkeit des erfassten Betriebszustandes (I, U, C, T, R, SOH, SOC) der Batterie (100) einzustellen.
22. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit (30) den Aktuator (40) derart ansteuert, dass ein optimaler Druck (P*) in der Batterie (100) eingestellt wird, der gemäß einem dem erfassten Betriebszustand (I, U, C, T, R, SOH, SOC) entsprechenden Alterungsmodell (L(P)) der Batterie (100) eine maximale Lebensdauer (Lmax) der Batterie (100) ermöglicht.
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