WO2021013888A1 - Verfahren und anordnung zum betreiben einer batterievorrichtung - Google Patents

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Philippe Grass
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Vitesco Technologies GmbH
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method and an arrangement for operating a battery device, in particular a traction battery device of an electrically driven vehicle.
  • the invention also relates to a battery device, in particular a traction battery device of an electrically driven vehicle, with a named arrangement.
  • Lithium-ion battery cells or other battery cells with comparable properties are used, among other things, in battery devices, in particular in
  • Traction battery devices used in electrically powered vehicles to propel them.
  • the battery cells should be operated at the highest possible operating temperature, since the electrical conductivity of electrolytes in the
  • Battery cells increases with increasing operating temperature, which in turn increases the efficiency of the battery cells and thus that of the battery devices with increasing battery temperature.
  • the thermal stability limit depends on many external and internal factors of the battery cells and changes over the life of the battery cells. Consequently, the thermal stability limit cannot be determined or established in advance.
  • the object of the present application is thus to provide a possibility with which a battery device with a number of battery cells can be operated efficiently as possible without failures in the battery cells.
  • a method for operating a battery device in particular a traction battery device of an electrically driven vehicle, having a number of battery cells arranged inside a battery housing of the battery device is provided.
  • (at least) one fluid concentration (at least) of a predetermined fluid in the interior of the battery housing, in particular on or in the respective battery cells, is recorded (continuously or repeatedly).
  • the fluid concentration can be measured at a location inside the battery housing and outside the battery cells. Then the recorded
  • Fluid concentration continuously with (at least) a predetermined one
  • a maximum permissible operating temperature of the battery device is (dynamically) adapted or adjusted.
  • the battery device is then (continuously) operated in such a way that the maximum permissible operating temperature is not exceeded.
  • the fluid concentration of the predetermined fluid in the interior of the battery housing, in particular on or in the respective battery cells, is, in particular over the entire
  • predetermined regular intervals recorded repeatedly and continuously compared with at least one or a number of predetermined concentration thresholds. If the detected fluid concentration exceeds the
  • Concentration threshold / s the maximum permitted operating temperature of the battery device is dynamically adapted or adjusted. In the subsequent operating phase up to the next adaptation, the battery device is then continuously operated in such a way that the maximum permissible operating temperature is not exceeded in this operating phase.
  • a decomposition product of in particular is used as the predetermined fluid
  • Battery cells is exceeded and at which the battery cell materials begin to decompose. Based on the change in concentration of this fluid, a conclusion can be drawn that the (variable) battery-specific thermal stability limit has been exceeded.
  • a suitable selection of the fluid can cause decomposition in the
  • Battery cell temperature must be reduced in good time to the maximum permissible operating temperature or the dynamic thermal stability limit. If the maximum permitted operating temperature or the dynamic thermal stability limit is known, the battery device or the battery cells can be operated at the highest possible temperature, which is the thermal
  • the battery device or the battery cells can be used over their entire
  • the battery device or the battery cells are in a
  • Service life of the battery device or the battery cells and, for example, exactly at or by 1%, 2%, 5%, 8%, 10%, 15% or a maximum of 20% below the maximum permitted, dynamically adapted operating temperature.
  • the battery device or the battery cells are operated at as high an operating temperature as possible without the battery-specific thermal stability limit being exceeded.
  • a possibility is provided with which can operate a battery device efficiently without significant temperature-related failures.
  • the battery cells are designed, for example, as lithium-ion battery cells or other battery cells with comparable properties. Accordingly, the battery device is designed, for example, as a lithium battery device.
  • a concentration of a predetermined gas that is one of the decomposition products of the electrolytes of the battery cells is detected as the fluid concentration of the predetermined fluid.
  • concentration of the predetermined gas a concentration of hydrogen “H2”, a concentration of carbon dioxide “C02”, a
  • the gases mentioned are the decomposition products of the electrolytes in the battery cells.
  • the increase in the concentration of these gases inside the battery housing is an indicator that the maximum permissible operating temperature of the battery cells has been exceeded.
  • the detected fluid concentration is compared with concentration thresholds of a predetermined operating temperature-concentration conversion table
  • Operating temperature-concentration conversion table and adjusted based on the comparison result.
  • this table for example, a large number of previously determined, maximum permissible operating temperatures for various
  • the detected fluid concentration is compared with a further predetermined critical concentration threshold. If and as soon as the detected fluid concentration exceeds the further critical concentration threshold, a critical situation in the battery device is recognized. When a critical situation is recognized, an error message is output, for example in the form of a warning signal.
  • the battery device can be switched off in a controlled manner. With this measure, an imminent risk of so-called thermal runaway in the battery cells is recognized early and by issuing an error message countermeasures, such as. B. Switching off the
  • the aforementioned steps of detecting the fluid concentration, comparing it with the concentration threshold and adapting the maximum permitted operating temperature and possibly also recognizing the critical situation and outputting an error message over the, in particular, entire, service life of the battery device are carried out continuously or Carried out continuously and iteratively at specified time intervals.
  • the battery device is tempered by cooling or heating in such a way that the battery device is operated (slightly) below or (precisely) at the maximum permissible operating temperature.
  • the battery device is operated exactly at or slightly below the maximum permissible operating temperature.
  • an air pressure in the interior of the battery housing is also recorded.
  • the maximum permissible operating temperature is also based on the detected fluid concentration
  • an arrangement for operating a battery device in particular a traction battery device of an electrically driven vehicle, with a number of battery cells arranged in the interior of a battery housing is provided.
  • the arrangement has a measuring unit which is set up a
  • the arrangement also has a comparison unit which is set up to continuously compare the fluid concentration detected by the measuring unit with (at least) one predetermined concentration threshold.
  • the arrangement also has an adaptation unit which is set up to continually and dynamically adapt a maximum permissible operating temperature of the battery device if and as soon as the detected fluid concentration decreases
  • the arrangement also has a regulation / control unit which is set up to operate the battery device until the next adjustment of the maximum permissible operating temperature in such a way that the current maximum permissible operating temperature is not exceeded.
  • a battery device in particular a traction battery device of an electrically powered vehicle
  • the battery device has a battery arrangement which has a battery housing and a number of battery cells, the battery cells being arranged in the interior of the battery housing.
  • the battery device also has an arrangement described above for operating the battery device.
  • Transferable battery device also to be regarded as advantageous configurations of the above-mentioned arrangement or the above-mentioned battery device.
  • the single figure shows a schematic representation of a battery device BV with a Arrangement AO for operating the battery device BV according to the exemplary embodiment of the invention.
  • the battery device BV which in this embodiment as a
  • Is designed traction battery device of an electrically driven vehicle has a battery housing BG and a battery pack of a plurality of battery cells BZ, which are arranged in the battery housing BG and are also protected from mechanical and other external influences by this.
  • Lithium-ion battery cells for example, are installed as the battery cells BZ.
  • the battery device BV has a temperature control unit TE for temperature control, that is to say for cooling or heating, of the battery device BV or the battery cells BZ.
  • the temperature control unit TE has, for example. A cooler with cooling channels for the passage of a preheated cooling liquid, such as. B. cooling water.
  • the battery housing BG has openings OF, for example, on the housing wall, through which air or gases from the interior of the battery housing BG into the
  • the air pressure inside the battery housing BG is matched to the air pressure in the vicinity of the battery housing BG through the openings OF.
  • the efficiency of the battery device BV with the battery cells BZ increases as the battery cell temperature rises, since the conductivity of the
  • Battery cells BZ used electrolytes with the increasing
  • Battery cells BZ decreases with increasing battery cell temperature. Viewed from this point of view alone, the battery device BV or the battery cells BZ should be operated at the highest possible battery cell or room temperature.
  • Liquid electrolytes have a limited thermal stability and catch a certain (limit) temperature or a battery-specific thermal
  • Stability limit to decompose One of the many decomposition products of this decomposition process is hydrogen, which first collects in gaseous form inside the battery housing BG and gradually escapes from the battery housing BG via the openings OF on the battery housing BG.
  • This battery-specific thermal stability limit represents the maximum permitted operating temperature of the battery cells BZ or the battery device BV and should not be exceeded. This thermal stability limit is by no means one over the entire service life of the battery cells BZ
  • Battery cells BZ and thus to rapid aging and even premature failure of these battery cells BZ.
  • the battery cells BZ should be operated as continuously as possible over their entire service life at battery cell or room temperatures that are not higher than the dynamic thermal stability limit.
  • the battery device BV or the battery cells BZ should be tempered, cooled or heated as little as possible in order to avoid unnecessary energy costs. Since the power for temperature control is usually taken from the battery cells BZ themselves, unnecessary temperature control of the battery device BV leads to an unnecessary reduction in the otherwise effectively applicable power quantity of the battery device BV.
  • the battery device BV has an arrangement AO for operating the battery device BV.
  • the arrangement AO is designed, for example, as part of a battery management system of the battery device BV and has, inter alia, a measuring unit ME, a comparison unit VE, an adaptation unit AE and a
  • the measuring unit ME is set up to detect a fluid concentration of at least one predetermined fluid in the interior of the battery housing BG.
  • the measuring unit ME has, for example, a hydrogen sensor with which the measuring unit ME continuously or repeatedly detects the concentration of the hydrogen in the interior of the battery housing BG at predetermined short time intervals of, for example, a few hundred milliseconds.
  • the measuring unit ME forwards the measured values to the comparison unit VE, which is connected downstream of the measuring unit ME for signaling purposes.
  • the measuring unit ME can thanks to the short
  • Measurement period record short-term increases in the hydrogen concentration inside the battery housing BG with a high degree of accuracy.
  • the comparison unit VE is set up, the detected fluid concentration with first, predetermined concentration thresholds, for example
  • the comparison unit VE has, for example, a comparator which compares the measurement data of the fluid concentration transmitted by the measurement unit ME with the first concentration thresholds and forwards the comparison results to the downstream adaptation unit AE.
  • the adaptation unit AE is set up based on the
  • Comparison unit VE transmitted comparison results to dynamically adapt a maximum permitted operating temperature of the battery device BV or the battery cells BZ and to forward the adjusted maximum permitted operating temperature to the downstream regulation / control unit RE.
  • the regulation / control unit RE is set up to operate the battery device BV or to control and regulate it. In this case, the battery device BV operates at an operating temperature which is, in particular exactly, but not above the maximum permissible operating temperature.
  • the regulation / control unit RE is set up based on the maximum permitted operating temperature
  • Temperature control unit TE heats or cools the battery device BV or the battery cells BZ to the aforementioned operating temperature.
  • the arrangement AO optionally has an air pressure measuring unit in the form of, for example, a first air pressure sensor, which is set up to detect an air pressure or a change in air pressure over time inside the battery housing BG and to forward the detected pressure values to the downstream comparison unit VE.
  • the look-up table contains pressure values as a further parameter.
  • the comparison unit VE is set up accordingly, the measurement data of the fluid concentration transmitted by the measurement unit ME, taking into account the detected pressure values with the first
  • the measuring unit ME continuously and in predefined measurements using the hydrogen sensor, among other things, during active operation but also outside of active operation (namely during the idle phase) Periodic intervals
  • the measurement unit ME forwards the measured concentration values in the form of analog or digital measurement data to the downstream
  • Comparison unit VE uses the comparator, among other things, to compare the concentration values transmitted by the measuring unit ME with predetermined values
  • Concentration thresholds for example the look-up table mentioned above, and forwards the comparison results to the downstream adaptation unit AE.
  • the adaptation unit AE fits, among other things, based on the
  • Comparison unit VE transmitted comparison results dynamically a maximum permitted operating temperature of the battery device BV or the battery cells BZ and forwards the adjusted maximum permitted operating temperature to the closed-loop / open-loop control unit RE.
  • the regulation / control unit RE operates the temperature control unit TE of the battery device BV in such a way that it heats or cools the battery device BV or the battery cells BZ to an operating temperature that is exactly at the maximum permitted operating temperature or around 5% lower than the maximum allowed
  • the regulation / control unit RE continuously monitors the operating temperature of the battery device BV so that the maximum permissible operating temperature is not exceeded (or not exceeded for longer than a predetermined period of time).
  • the maximum permissible operating temperature is preferably adapted continuously over the entire service life of the battery device BV or continuously iteratively and dynamically at the specified time intervals.
  • Hydrogen concentration with the concentration thresholds and the dynamic adaptation of the maximum permissible operating temperature during the entire life of the battery device BV is carried out continuously or continuously iteratively at the specified time intervals.
  • the battery device BV or the battery cells BZ are always operated at the optimum operating temperature.
  • An air pressure inside the battery housing BG is optionally also recorded and used to adapt the maximum permissible operating temperature.
  • the comparison unit VE optionally compares the recorded ones
  • Hydrogen concentration values with a further specified critical concentration threshold If or as soon as the critical concentration threshold is exceeded by the recorded hydrogen concentration values, a critical situation, such as B. a thermal runaway in which
  • Battery device BV or the battery cells BZ assumed. In this case, the battery device BV is switched off in a controlled manner and an error message is output.

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung (BV) mit einer Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses (BG) angeordneten Batteriezellen (BZ), mit Schritten: - Erfassen einer Fluidkonzentration eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses (BG); - Vergleichen der erfassten Fluidkonzentration mit einer vorgegebenen Konzentrationsschwelle; - Adaptieren einer maximal erlaubten Betriebstemperatur der Batterievorrichtung (BV), wenn die erfasste Fluidkonzentration die Konzentrationsschwelle überschreitet; - Betreiben der Batterievorrichtung (BV) derart, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Ferner wird eine Anordnung (AO) zum Betreiben einer Batterievorrichtung (BV) sowie eine Batterievorrichtung (BV) mit einer genannten Anordnung (AO) offenbart.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum Betreiben einer Batterievorrichtung Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Batterievorrichtung, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterievorrichtung, insb. eine Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer genannten Anordnung.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Lithium-Ionen-Batteriezellen oder sonstige Batteriezellen mit vergleichbaren Eigenschaften werden unter anderem in Batterievorrichtungen, insb. in
Traktionsbatterievorrichtungen von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu deren Antrieb, verwendet.
Die Batteriezellen sollten dabei bei einer möglichst hohen Betriebstemperatur betrieben werden, da die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten in den
Batteriezellen mit steigender Betriebstemperatur zunimmt, wodurch wiederum die Effizienz der Batteriezellen und somit die der Batterievorrichtungen mit der steigenden Batterietemperatur steigt.
Andererseits sinkt die thermische Stabilität mancher Elektrolyten, insb. mancher Flüssigelektrolyten, in den Batteriezellen jedoch ab einer bestimmten Temperatur rapide ab und die Elektrolyten fangen ab dieser Temperatur an, sich zu zersetzen. Dies führt wiederum zu einem unkontrollierbaren Ausfall der Batteriezellen. Diese bestimmte Temperatur wird allgemein„batteriespezifische thermische
Stabilitätsgrenze“ genannt. Dabei hängt die thermische Stabilitätsgrenze von vielen äußeren und inneren Faktoren der Batteriezellen ab und ändert sich über die Lebensdauer der Batteriezellen. Folglich kann die thermische Stabilitätsgrenze nicht vorab ermittelt bzw. festgelegt werden.
Wie bei vielen anderen technischen Vorrichtungen üblich, besteht bei den
Batterievorrichtungen die allgemeine Anforderung, diese möglichst sicher und effizient zu betreiben. Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine Batterievorrichtung mit einer Anzahl von Batteriezellen möglichst ohne Ausfälle bei den Batteriezellen effizient betrieben werden kann.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses der Batterievorrichtung angeordneten Batteriezellen bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren wird (mindestens) eine Fluidkonzentration (mindestens) eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses, insb. an oder in den jeweiligen Batteriezellen, (fortlaufend bzw. wiederholt) erfasst. Dabei kann die Fluidkonzentration an einem Ort innerhalb des Batteriegehäuses und außerhalb der Batteriezellen gemessen werden. Anschließend wird die erfasste
Fluidkonzentration (fortlaufend) mit (mindestens) einer vorgegebenen
Konzentrationsschwelle verglichen. Wenn bzw. sobald die erfasste
Fluidkonzentration die Konzentrationsschwelle überschreitet, wird eine maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batterievorrichtung (dynamisch) adaptiert bzw. angepasst. Die Batterievorrichtung wird dann (fortlaufend) derart betrieben, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
Die Fluidkonzentration des vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses, insb. an oder in den jeweiligen Batteriezellen, wird, insb. über die gesamte
Lebensdauer der Batterievorrichtung, fortlaufend kontinuierlich oder in
vorgegebenen regelmäßigen Abständen wiederholt erfasst und fortlaufend mit mindestens einer bzw. einer Anzahl von vorgegebenen Konzentrationsschwellen verglichen. Überschreitet die erfasste Fluidkonzentration die
Konzentrationsschwelle/n, so wird die maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batterievorrichtung dynamisch adaptiert bzw. angepasst. In der anschließenden Betriebsphase bis zu der nächsten Adaption wird die Batterievorrichtung dann fortlaufend derart betrieben, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur in dieser Betriebsphase nicht überschritten wird. Als das vorbestimmte Fluid wird dabei insb. ein Zersetzungsprodukt von
Batteriezellen-Materialien ausgewählt, dessen Konzentrationsänderung in einem direkten kausalen Zusammenhang zu einem Batteriezellen-Zustand steht, bei dem die (veränderliche) batteriespezifische thermische Stabilitätsgrenze der
Batteriezellen überschritten wird und bei dem die Batteriezellen-Materialien anfangen, sich zu zersetzen. Anhand der Konzentrationsänderung dieses Fluids kann somit eine Schlussfolgerung auf einer Überschreitung der (veränderlichen) batteriespezifischen thermischen Stabilitätsgrenze gezogen werden. Durch eine geeignete Auswahl des Fluids kann eine Zersetzungserscheinung bei den
Batteriezellen frühzeitig erkannt werden. Entsprechend kann die
Batteriezellentemperatur rechtzeitig auf die maximal erlaubte Betriebstemperatur bzw. die dynamische thermische Stabilitätsgrenze reduziert werden. Ist die maximal erlaubte Betriebstemperatur bzw. die dynamische thermische Stabilitätsgrenze bekannt, so können die Batterievorrichtung bzw. die Batteriezellen bei einer möglichst hohen Temperatur betrieben werden, welche die thermische
Stabilitätsgrenze nicht überschreitet.
Durch die dynamische Adaption der maximal erlaubten Betriebstemperatur basierend auf der (fortlaufend bzw. wiederholt) erfassten Fluidkonzentration des vorbestimmten Fluids und den anschließenden Betrieb der Batterievorrichtung an oder unter der maximal erlaubten Betriebstemperatur bis zur nächsten Adaption können die Batterievorrichtung bzw. die Batteriezellen über deren gesamte
Lebensdauer schonend und zugleich effizient betrieben werden. Weiterführende Zersetzung der Batteriezellen-Materialien wird somit verhindert bzw. auf eine minimale ungefährliche Maße begrenzt. Entsprechend werden temperaturbedingte Ausfälle bei den Batteriezellen vermieden und folglich wird die Lebensdauer der Batteriezellen-Materialien verlängert.
Dabei werden die Batterievorrichtung bzw. die Batteriezellen bei einer
Betriebstemperatur betrieben, welche stets (und insb. über die gesamte
Lebensdauer der Batterievorrichtung bzw. der Batteriezellen) und bspw. genau an oder um 1 %, 2%, 5%, 8%, 10%, 15% oder maximal 20% unter der maximal erlaubten, dynamisch adaptierten Betriebstemperatur liegt.
Dadurch werden die Batterievorrichtung bzw. die Batteriezellen bei einer möglichst hohen Betriebstemperatur betrieben, ohne dabei die batteriespezifische thermische Stabilitätsgrenze überschritten wird. Folglich ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine Batterievorrichtung ohne nennenswerte temperaturbedingte Ausfälle effizient betrieben werden kann.
Die Batteriezellen sind bspw. als Lithium-Ionen-Batteriezellen oder sonstige Batteriezellen mit vergleichbaren Eigenschaften ausgebildet. Entsprechend ist die Batterievorrichtung bspw. als eine Lithium-Batterievorrichtung ausgebildet sein.
Bspw. wird als die Fluidkonzentration des vorbestimmten Fluids eine Konzentration eines vorbestimmten Gases erfasst, das eins der Zersetzungsprodukte der Elektrolyten der Batteriezellen ist.
Bspw. wird als die Konzentration des vorbestimmten Gases eine Konzentration des Wasserstoffs„H2“, eine Konzentration des Kohlenstoffdioxids„C02“, eine
Konzentration des Kohlenstoffmonoxids„CO“ oder eine Konzentration eines Kohlenwasserstoffs erfasst. Die genannten Gase sind als Zersetzungsprodukte der Elektrolyten der Batteriezellen. Der Anstieg der Konzentration dieser Gase im Inneren des Batteriegehäuses ist ein Indikator dafür, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batteriezellen überschritten ist.
Bspw. wird die erfasste Fluidkonzentration mit Konzentrationsschwellen einer vorbestimmten Betriebstemperatur-Konzentrations-Umsetzungstabelle
(Lookup-Tabelle) der Batterievorrichtung verglichen. Die maximal erlaubte
Betriebstemperatur wird dann anhand der
Betriebstemperatur-Konzentrations-Umsetzungstabelle und basierend auf dem Vergleichsergebnis angepasst. In dieser Tabelle wird bspw. eine Vielzahl von vorab ermittelten, maximal erlaubten Betriebstemperaturen für verschiedene
Lebensabschnitte der Batteriezellen bzw. für verschiedene Zustandswerte
(SOH-Werte, auf Englisch„State of Health“) der Batteriezellen abgespeichert. Abhängig von den jeweiligen aktuellen Lebensabschnitten bzw. SOH-Werten der Batteriezellen wird dann eine entsprechende Konzentrationsschwelle aus der Tabelle abgelesen und mit der aktuell erfassten Fluidkonzentration verglichen.
Bspw. wird die erfasste Fluidkonzentration mit einer weiteren vorgegebenen kritischen Konzentrationsschwelle verglichen. Wenn und sobald die erfasste Fluidkonzentration die weitere kritische Konzentrationsschwelle überschreitet, wird eine kritische Situation bei der Batterievorrichtung erkannt. Beim Erkennen einer kritischen Situation wird eine Fehlermeldung bspw. in Form von einem Warnsignal ausgegeben. Optional wird die Batterievorrichtung kontrolliert abgeschaltet. Mit dieser Maßnahme wird eine drohende Gefahr eines so genannten thermischen Durchgehens bei den Batteriezellen frühzeitig erkannt und durch Abgabe einer Fehlermeldung werden Gegenmaßnahmen, wie z. B. Abschalten der
Batterievorrichtung, eingeleitet.
Bspw. werden die zuvor genannten Schritte des Erfassens der Fluidkonzentration, des Vergleichens mit der Konzentrationsschwelle und des Adaptierens der maximal erlaubten Betriebstemperatur und ggf. auch des Erkennens der kritischen Situation sowie des Ausgebens einer Fehlermeldung über die, insb. gesamte, Lebensdauer der Batterievorrichtung kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen fortlaufend und iterativ durchgeführt.
Bspw. wird die Batterievorrichtung durch Kühlen bzw. Erwärmen derart temperiert, dass die Batterievorrichtung (geringfügig) unter bzw. (genau) an der maximal erlaubten Betriebstemperatur betrieben wird. Insb. wird die Batterievorrichtung dabei genau an oder geringfügig unter der maximal erlaubten Betriebstemperatur betrieben.
Bspw. wird neben der Fluidkonzentration noch ein Luftdruck im Inneren des Batteriegehäuses erfasst. Die maximal erlaubte Betriebstemperatur wird in diesem Fall zusätzlich zu der Fluidkonzentration noch basierend auf dem erfassten
Luftdruck angepasst. Mit den Luftdruckwerten wird einer der Haupteinflussfaktoren für die Fluidkonzentration miterfasst und bei der Adaption berücksichtigt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Adaption erhöht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum Betreiben einer Batterievorrichtung, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses angeordneten Batteriezellen bereitgestellt.
Die Anordnung weist eine Messeinheit auf, die eingerichtet ist, eine
Fluidkonzentration eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses fortlaufend kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen regelmäßig zu erfassen. Die Anordnung weist ferner eine Vergleichseinheit auf, die eingerichtet ist, die von der Messeinheit erfasste Fluidkonzentration fortlaufend mit (mindestens) einer vorgegebenen Konzentrationsschwelle zu vergleichen.
Die Anordnung weist zudem eine Adaptionseinheit auf, die eingerichtet ist, eine maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batterievorrichtung fortlaufend dynamisch anzupassen, wenn und sobald die erfasste Fluidkonzentration die
Konzentrationsschwelle überschreitet.
Die Anordnung weist außerdem eine Regelungs-/Steuerungseinheit auf, die eingerichtet ist, die Batterievorrichtung bis zur nächsten Anpassung der maximal erlaubten Betriebstemperatur derart zu betreiben, dass die aktuelle maximal erlaubte Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Batterievorrichtung, insb. eine Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs,
bereitgestellt.
Die Batterievorrichtung weist eine Batterieanordnung auf, die ein Batteriegehäuse und eine Anzahl von Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet sind. Die Batterievorrichtung weist ferner eine zuvor beschriebene Anordnung zum Betreiben der Batterievorrichtung auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Anordnung bzw. die oben genannte
Batterievorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der oben genannten Anordnung bzw. der oben genannten Batterievorrichtung anzusehen.
Beschreibung der Zeichnung:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung eine Batterievorrichtung BV mit einer Anordnung AO zum Betreiben der Batterievorrichtung BV gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Batterievorrichtung BV, die in dieser Ausführungsform als eine
Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet ist, weist ein Batteriegehäuse BG und ein Batteriepaket aus einer Vielzahl von Batteriezellen BZ auf, die in dem Batteriegehäuse BG angeordnet sind und von diesem auch vor mechanischen und sonstigen äußeren Einflüssen geschützt sind. Als die Batteriezellen BZ werden bspw. Lithium-Ionen-Batteriezellen verbaut.
Darüber hinaus weist die Batterievorrichtung BV eine Temperierungseinheit TE zum Temperieren, sprich zum Kühlen oder Erwärmen, der Batterievorrichtung BV bzw. der Batteriezellen BZ auf. Die Temperierungseinheit TE weist bspw. einen Kühler mit Kühlkanälen zum Durchleiten von einer vortemperierten Kühlflüssigkeit, wie z. B. Kühlwasser, auf.
Das Batteriegehäuse BG weist bspw. an der Gehäusewand Öffnungen OF auf, durch die Luft bzw. Gase aus dem Inneren des Batteriegehäuses BG in die
Umgebung des Batteriegehäuses BG und/oder umgekehrt strömen können. Durch die Öffnungen OF wird der Luftdruck im Inneren des Batteriegehäuses BG dem Luftdruck in der Umgebung des Batteriegehäuses BG angeglichen.
Die Effizienz der Batterievorrichtung BV mit den Batteriezellen BZ steigt mit steigender Batteriezellentemperatur an, da die Leitfähigkeit von in den
Batteriezellen BZ verwendeten Elektrolyten mit der steigenden
Batteriezellentemperatur zunimmt und folglich der Innenwiderstand der
Batteriezellen BZ mit der steigenden Batteriezellentemperatur abnimmt. Allein aus diesem Gesichtspunkt betrachtet sollten die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ bei einer möglichst hohen Batteriezellen- bzw. Raumtemperatur betrieben werden.
Andererseits weisen bestimmte in den Batteriezellen BZ vorhandene
Flüssigelektrolyten eine begrenzte thermische Stabilität auf, und fangen ab eine bestimmte (Grenz-)Temperatur bzw. eine batteriespezifische thermische
Stabilitätsgrenze an, sich zu zersetzen. Als eins von vielen Zersetzungsprodukten dieses Zersetzungsvorganges entsteht dabei Wasserstoff, der sich gasförmig zuerst im Inneren des Batteriegehäuses BG ansammelt und nach und nach über die Öffnungen OF am Batteriegehäuse BG aus dem Batteriegehäuse BG entweicht. Diese batteriespezifische thermische Stabilitätsgrenze stellt die maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batteriezellen BZ bzw. der Batterievorrichtung BV dar und sollte nicht überschritten werden. Dabei ist diese thermische Stabilitätsgrenze keineswegs eine über die gesamte Lebensdauer der Batteriezellen BZ
gleichbleibende (Grenz-)Temperatur, sondern ändert sich von vielen internen und externen Einflussfaktoren der Batteriezellen BZ beeinflusst über die Lebensdauer der Batteriezellen BZ ständig. Werden die Batteriezellen BZ bei einer
Betriebstemperatur höher als der thermischen Stabilitätsgrenze betrieben, so reagieren Salze der Flüssigelektrolyten, insb. Lithiumsalz, der Batteriezellen BZ unkontrollierbar miteinander. Dies führt zu irreversiblen Schäden bei den
Batteriezellen BZ und somit zu einer schnellen Alterung und gar zu vorzeitigen Ausfällen dieser Batteriezellen BZ. Um diesem entgegenzuwirken, sollten die Batteriezellen BZ über deren gesamte Lebensdauer hinweg möglichst durchgehend bei Batteriezell- bzw. Raumtemperaturen betrieben werden, die nicht höher als die dynamische thermische Stabilitätsgrenze liegen.
Darüber hinaus sollten die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ möglichst wenig temperiert, spricht gekühlt oder erwärmt werden, um unnötige Energiekosten zu vermeiden. Da die Leistung zur Temperierung in der Regel aus den Batteriezellen BZ selbst entnommen wird, führt eine unnötige Temperierung der Batterievorrichtung BV zu einer unnötigen Verminderung der sonst wirksam anwendbaren Leistungsmenge der Batterievorrichtung BV.
Um die Batterievorrichtung BV im Hinblick auf alle drei oben genannten
Gesichtspunkte optimal betreiben zu können, weist die Batterievorrichtung BV eine Anordnung AO zum Betreiben der Batterievorrichtung BV auf. Die Anordnung AO ist bspw. als Teil eines Batteriemanagementsystems der Batterievorrichtung BV ausgebildet und weist unter anderem eine Messeinheit ME, eine Vergleichseinheit VE, eine Adaptionseinheit AE sowie eine
Regelungs-/Steuerungseinheit RE auf.
Die Messeinheit ME ist eingerichtet, eine Fluidkonzentration mindestens eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses BG zu erfassen. Dabei weist die Messeinheit ME bspw. einen Wasserstoff-Sensor auf, mit dem die Messeinheit ME kontinuierlich oder in vorgegebenen kurzen Zeitabständen von bspw. einigen Flundert Millisekunden fortlaufend wiederholt die Konzentration des Wasserstoffs im Inneren des Batteriegehäuses BG erfasst. Die Messwerte leitet die Messeinheit ME an die Vergleichseinheit VE weiter, die der Messeinheit ME signaltechnisch nachgeschaltet ist.
Obwohl der Wasserstoff nach und nach durch die Öffnungen OF aus dem
Batteriegehäuse BG entweicht, kann die Messeinheit ME dank der kurzen
Messperiode kurzzeitige Anstiege der Wasserstoff-Konzentration im Inneren des Batteriegehäuses BG mit einer hohen Genauigkeit erfassen.
Die Vergleichseinheit VE ist eingerichtet, die erfasste Fluidkonzentration mit ersten, vorgegebenen Konzentrationsschwellen bspw. einer
Betriebstemperatur-Konzentrations-Umsetzungstabelle (Lookup-Tabelle) zu vergleichen. Dabei weist die Vergleichseinheit VE bspw. einen Komparator auf, der die von der Messeinheit ME übermittelten Messdaten der Fluidkonzentration mit den ersten Konzentrationsschwellen zu vergleichen und Vergleichsergebnisse an die nachgeschaltete Adaptionseinheit AE weiterzuleiten.
Die Adaptionseinheit AE ist eingerichtet, basierend auf den von der
Vergleichseinheit VE übermittelten Vergleichsergebnissen eine maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batterievorrichtung BV bzw. der Batteriezellen BZ dynamisch anzupassen und die angepasste maximal erlaubte Betriebstemperatur an die nachgeschaltete Regelungs-/Steuerungseinheit RE weiterzuleiten. Die Regelungs-/Steuerungseinheit RE ist eingerichtet, die Batterievorrichtung BV zu betreiben, bzw. zu steuern und regeln. Dabei betreibt die Batterievorrichtung BV bei einer Betriebstemperatur, die an, insb. genau an, jedoch nicht über der maximal erlaubten Betriebstemperatur liegt. Hierzu ist die Regelungs-/Steuerungseinheit RE eingerichtet, basierend auf der maximal erlaubten Betriebstemperatur die
Temperierungseinheit TE derart zu steuern bzw. zu regeln, dass die
Temperierungseinheit TE die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ auf die zuvor genannte Betriebstemperatur erwärmt bzw. kühlt.
Die Anordnung AO weist optional eine Luftdruckmesseinheit in Form von bspw. einem ersten Luftdrucksensor auf, die eingerichtet ist, einen Luftdruck oder eine zeitliche Luftdruckveränderung im Inneren des Batteriegehäuses BG zu erfassen und die erfassten Druckwerte an die nachgeschaltete Vergleichseinheit VE weiterzuleiten. In diesem Fall enthält die Look-Up-Tabelle als einen weiteren Parameter Druckwerte. Die Vergleichseinheit VE ist entsprechend eingerichtet, die von der Messeinheit ME übermittelten Messdaten der Fluidkonzentration unter Berücksichtigung der erfassten Druckwerte mit den ersten
Konzentrationsschwellen zu vergleichen.
Nachdem der Aufbau der Batterievorrichtung BV samt der Anordnung AO beschrieben wurde, wird nachfolgend deren Funktionsweise, insb. die der
Anordnung AO, ausführlich beschrieben:
Zur Erhöhung der Effizienz und der Lebensdauer bei der Batterievorrichtung BV bzw. der Batteriezellen BZ erfasst die Messeinheit ME unter anderem mittels des Wasserstoff-Sensors während des aktiven Betriebs aber auch außerhalb des aktiven Betriebs (nämlich während der Ruhephase) der Batterievorrichtung BV fortlaufend und in vorgegebenen Zeitabständen regelmäßig
Wasserstoff-Konzentration im Inneren des Batteriegehäuses BG bzw. an den Batteriezellen BZ. Die gemessenen Konzentrationswerte leitet die Messeinheit ME in Form von analogen oder digitalen Messdaten an die nachgeschaltete
Vergleichseinheit VE weiter. Die Vergleichseinheit VE vergleicht unter anderem mittels des Komparators die von der Messeinheit ME übermittelten Konzentrationswerte mit vorgegebenen
Konzentrationsschwellen bspw. der oben genannten Look-Up-Tabelle und leitet die Vergleichsergebnisse an die nachgeschaltete Adaptionseinheit AE weiter.
Die Adaptionseinheit AE passt unter anderem basierend auf den von der
Vergleichseinheit VE übermittelten Vergleichsergebnissen eine maximal erlaubte Betriebstemperatur der Batterievorrichtung BV bzw. der Batteriezellen BZ dynamisch an und leitet die angepasste maximal erlaubte Betriebstemperatur an die nachgeschaltete Regelungs-/Steuerungseinheit RE weiter.
Die Regelungs-/Steuerungseinheit RE betreibt in der nachfolgenden Betriebsphase bis zu der nächsten Adaption die Temperierungseinheit TE der Batterievorrichtung BV derart, dass diese die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ auf eine Betriebstemperatur erwärmt bzw. kühlt, die genau an der maximal erlaubten Betriebstemperatur oder um ca. 5% niedriger als die maximal erlaubte
Betriebstemperatur liegt. Dabei überwacht die Regelungs-/Steuerungseinheit RE die Betriebstemperatur der Batterievorrichtung BV kontinuierlich, sodass die maximal erlaubte Betriebstemperatur nicht (bzw. nicht länger als eine vorgegebene Zeitdauer) überschritten wird.
Dabei wird die maximal erlaubte Betriebstemperatur vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer der Batterievorrichtung BV kontinuierlich oder in den vorgegebenen Zeitabständen fortlaufend iterativ und dynamisch angepasst. Hierzu werden die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte, nämlich das Erfassen der Wasserstoff-Konzentration, das Vergleichen der erfassten
Wasserstoff-Konzentration mit den Konzentrationsschwellen und das dynamische Adaptieren der maximal erlaubte Betriebstemperatur während der gesamten Lebensdauer der Batterievorrichtung BV kontinuierlich oder in den vorgegebenen Zeitabständen fortlaufend iterativ durchgeführt.
Auf dieser Weise werden die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ stets an der optimalen Betriebstemperatur betrieben. Optional wird auch ein Luftdruck im Inneren des Batteriegehäuses BG miterfasst und bei zur Adaption der maximal erlaubten Betriebstemperatur herangezogen. Optional vergleicht die Vergleichseinheit VE die erfasste
Wasserstoff-Konzentrationswerte mit einer weiteren vorgegebenen kritischen Konzentrationsschwelle. Wird bzw. sobald die kritische Konzentrationsschwelle von der erfassten Wasserstoff-Konzentrationswerte überschritten, wird von einer kritischen Situation, wie z. B. einem thermischen Durchgehen, bei der
Batterievorrichtung BV bzw. den Batteriezellen BZ ausgegangen. In diesem Fall wird die Batterievorrichtung BV kontrolliert abgeschaltet und eine Fehlermeldung ausgegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung (BV) mit einer Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses (BG) angeordneten Batteriezellen (BZ), mit Schritten:
Erfassen einer Fluidkonzentration eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses (BG);
Vergleichen der erfassten Fluidkonzentration mit einer vorgegebenen Konzentrationsschwelle;
Adaptieren einer maximal erlaubten Betriebstemperatur der Batterievorrichtung (BV), wenn die erfasste Fluidkonzentration die Konzentrationsschwelle überschreitet;
Betreiben der Batterievorrichtung (BV) derart, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Erfassens ferner vorsieht, dass als die Fluidkonzentration des vorbestimmten Fluids eine Konzentration eines vorbestimmten Gases erfasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als die Konzentration des vorbestimmten Gases eine Konzentration des Wasserstoffs, eine Konzentration des
Kohlenstoffdioxids, eine Konzentration des Kohlenstoffmonoxids oder eine Konzentration eines Kohlenwasserstoffs erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
der Schritt des Vergleichens ferner vorsieht, dass die erfasste Fluidkonzentration mit Konzentrationsschwellen einer vorbestimmten Betriebstemperatur-Konzentrations-Umsetzungstabelle
(Lookup-Tabelle) der Batterievorrichtung (BV) verglichen wird; und der Schritt des Adaptierens ferner vorsieht, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur anhand der
Betriebstemperatur-Konzentrations-Umsetzungstabelle und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs adaptiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
der Schritt des Vergleichens ferner vorsieht, dass die erfasste Fluidkonzentration ferner mit einer weiteren vorgegebenen kritischen Konzentrationsschwelle verglichen wird; wobei eine kritische Situation bei der Batterievorrichtung (BV) erkannt wird, wenn die erfasste Fluidkonzentration eine weitere vorgegebene kritische Konzentrationsschwelle überschreitet; und
der Schritt des Betreibens ferner vorsieht, dass beim Erkennen der kritischen Situation eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Erfassens, des Vergleichens und des Adaptierens über die Lebensdauer der Batterievorrichtung (BV) kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen iterativ durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Betreibens ferner vorsieht, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur durch Temperieren der Batterievorrichtung (BV) nicht überschritten wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Betreibens ferner vorsieht, dass die Batterievorrichtung (BV) an der maximal erlaubten Betriebstemperatur betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit Schritten:
Erfassen eines Luftdrucks im Inneren des Batteriegehäuses (BG);
wobei der Schritt des Adaptierens ferner vorsieht, dass die maximal erlaubte Betriebstemperatur basierend auf dem erfassten Luftdruck adaptiert wird.
10. Anordnung (AO) zum Betreiben einer Batterievorrichtung (BV) mit einer
Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses (BG) angeordneten
Batteriezellen (BZ), aufweisend:
eine Messeinheit (ME) zum Erfassen einer Fluidkonzentration eines vorbestimmten Fluids im Inneren des Batteriegehäuses (BG); eine Vergleichseinheit (VE) zum Vergleichen der erfassten
Fluidkonzentration mit einer vorgegebenen Konzentrationsschwelle; eine Adaptionseinheit (AE) zum Adaptieren einer maximal erlaubten Betriebstemperatur der Batterievorrichtung (BV), wenn die erfasste Fluidkonzentration die Konzentrationsschwelle überschreitet; eine Regelungs-/Steuerungseinheit (RE) zum Betreiben der Batterievorrichtung (BV) derart, dass die maximal erlaubte
Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
11. Batterievorrichtung (BV), aufweisend:
eine Batterieanordnung (BA), die ein Batteriegehäuse (BG) und eine Anzahl von Batteriezellen (BZ) aufweist, wobei die Batteriezellen (BZ) im Inneren des Batteriegehäuses (BG) angeordnet sind;
eine Anordnung (AO) nach Anspruch 10 zum Betreiben der Batterievorrichtung (BV).
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