WO2025087751A1 - Vorrichtung zur ermittlung des innendrucks in einer lithium-ionen-batterie - Google Patents

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Arber Avdyli
Otto von Kessel
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Mercedes Benz Group AG
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Definitions

  • the object of the present invention is to provide a method for determining the internal pressure in a battery, which enables reliable predictions of the internal pressure in a simple, cost-effective and low-error manner.
  • the method according to the invention for determining the internal pressure of a lithium-ion battery utilizes the vehicle's control unit software, which estimates the current health status of the battery module during operation.
  • the internal pressure of the battery module is then determined based on a stored characteristic curve or a stored characteristic map of the specific pressure-dependent health status of the respective type of monitored battery module and the individual battery cells installed therein.
  • the determination of the state of health and the damage rate (SOH/State of Health and Dc/Damage Rate) during ferry operation can be derived from the existing internal battery pressure.
  • the inclusion of module-specific capacity aging is crucial, since different modules from different manufacturers and with different installed materials exhibit different aging behavior and thus ultimately different cell thickness growth in the same scenario, i.e. the same temperature influences, changes in state of charge, and the like.
  • the method according to the invention uses the stored characteristic curve or the stored characteristic map of this specific pressure-dependent state of health of the respective type of battery module or its individual battery cells used. This data is determined experimentally once for each type and can then be incorporated accordingly in the characteristic curve or the A characteristic map must be stored in order to be able to determine the internal battery pressure based on the current aging state determined by the vehicle software.
  • a single-cell-related characteristic curve or a single-cell-related characteristic diagram is derived from the characteristic curve or the characteristic diagram, wherein the position of the respective single battery cell in the battery module is taken into account.
  • the single battery cells in the battery module for example in a stack of prismatic single battery cells closer to the edge of the module or in its center, different forces act on the single battery cells, since those in the edge area are more likely to give way than those arranged in the center.
  • the highest force typically acts on these cells, which means that the highest pressure occurs here.
  • the individual battery cell with the worst state of health is used to estimate the maximum pressure.
  • This can, for example, be an individual battery cell located closer to the center of the module. If the state of health is estimated based on this "worst-case" cell, a correspondingly high level of safety can be guaranteed, since an action resulting from the state of health and the maximum pressure determined from it, such as a safety-related shutdown of the entire lithium-ion battery, is then always carried out based on the "weakest link in the chain.” This ensures the highest level of safety.
  • the entire process is simple, efficient, and reliable, and does not require any failure-prone measuring technology or sensors to record pressure or mechanical length changes. This increases vehicle safety and thus the safety of passengers, as the lithium-ion battery can simply be shut down if a critical pressure is reached. Furthermore, the process allows for a better prognosis of the expected future development of health, with positive effects on future age-related range estimations and the vehicle's residual value, as battery life can be optimized through more or less unobtrusive adjustments to battery management by the person using the vehicle. According to a very advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that at least the capacity development and/or the development of the internal resistance of the battery module and/or the individual battery cells of the battery module are taken into account when determining the state of health. Depending on the electrical measurement technology present in the module or in the area of the individual cells of the module, the capacity development of the entire module or individual battery cells and/or the development of the internal resistance can ideally be considered accordingly as typical parameters for the state of health and the damage rate.
  • Another very advantageous embodiment can also provide for the health status to be determined during ferry operation using predefined and/or learned estimation algorithms.
  • estimation algorithms which start with a basic algorithm, are suitable for estimating the health status based on corresponding models.
  • they can also be further developed using machine learning or artificial intelligence. This allows for improved adaptation of the material installed in the respective vehicle to be specifically developed.
  • the estimation algorithms are adjusted based on the determined internal pressure.
  • the estimation algorithms can thus be adjusted accordingly based on the determined internal pressure as the new initial pressure.
  • artificial intelligence or, in particular, machine learning can help to further improve the results.
  • At least a warning message, an adjustment in the operational management and/or, in the worst case, a shutdown of the affected battery module can be implemented as soon as the internal pressure determined by the method according to the invention exceeds at least a predetermined limit pressure.
  • This predetermined limit pressure can be the pressure referred to as the maximum pressure in the sense described above. It is the pressure for which safe operation can be guaranteed in any case due to the mechanical structure of the lithium-ion battery. If the determined internal pressure exceeds this specified limit pressure, a potentially safety-critical situation must be expected, which will at least result in a warning message, an adjustment in the operating management and/or shutdown of the affected battery module.
  • limit pressures can be provided, for example to first make an adjustment in the operating management at a lower limit pressure, to issue a warning at a medium limit pressure and finally to carry out the emergency shutdown of the affected battery module at an upper/maximum limit pressure.
  • This escalation sequence has the advantage that a person using the vehicle can still prepare for this to a certain extent.
  • the characteristic curve or characteristic map for each type of battery module and the individual battery cells installed therein can be determined in advance on a module-specific basis based on the aging measurement of one or more battery modules of the respective type and made available for storage in the respective control unit.
  • the module types intended for installation before such modules are mounted in a vehicle they can also be measured type-specifically.
  • new modules can also be measured continuously.
  • the corresponding characteristic curve or characteristic map can be made generally available via a cloud in order to have the corresponding data for the newly installed replacement battery module or the newly installed replacement battery easily and efficiently available, for example when changing a battery.
  • a corresponding update can, for example, be carried out together with the battery replacement in the workshop, but can also be implemented over the air. This offers the possibility of readjusting the characteristic maps if new findings on module-specific aging have been discovered for battery modules that have already been in operation for a longer period of time, in order to ensure even further improvements in existing systems via a software update.
  • Another extremely advantageous variant of the method according to the invention can further provide for the determination of a remaining battery life based on the current state of health.
  • An advantageous further development of this can then further provide for this remaining battery life to be stored and/or updated or visualized for a user. This makes it possible, for example, to easily and efficiently read the expected remaining battery life during a workshop visit. Furthermore, to ensure the greatest possible transparency, this information can also be visualized for the vehicle user, either directly in the vehicle or, for example, in an application connected to the vehicle on a computer or mobile device.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram explaining the method according to the invention.
  • the block on the far left comprises the measurement of battery values in the vehicle and is designated 1.
  • the measured values are values that are required anyway to control the battery 3 (see Figure 2), i.e., for what is known as battery management.
  • the current state of health (SOHc) of the lithium-ion battery 3 installed in the vehicle as a traction battery is then determined in control unit software, indicated as an example and designated 1A.
  • This state of health SOHc, estimated using estimation algorithms, is then transferred, as indicated by the arrow, to a battery control unit designated 2 in its entirety.
  • a first control module 2A of this battery control unit 2 the current states of health SOHc in the individual cells are then determined with regard to their arrangement in the respective battery module.
  • the stacking of the individual battery cells within each cell module results in different pressure distributions.
  • those individual battery cells at the edge, located on an end plate are subject to softer boundary conditions than those in the center of the module.
  • stiffer boundary conditions apply.
  • the greatest internal pressure typically builds up from the individual battery cells in the center M of each battery module, while this pressure decreases accordingly toward the edge R, as the end plates allow for a certain amount of deformation. Pressure-dependent aging thus results in an inhomogeneous pressure distribution.
  • the final calibration takes place by determining a local damage rate using the difference quotient df (SOHc) / dETP, where ETP describes the energy throughput.
  • Battery control unit 2 then forwards the target information or the data for generating the target information to the block labeled 5 on the far right. This is where the pressure is ultimately determined based on the estimated aging or the estimated health status of each of the individual battery cells.
  • the pressure determined in this way allows a strategy to react to increased pressures and to avoid safety-critical pressure scenarios by switching off the lithium-ion battery or, if the design allows, the affected battery module 4 accordingly, in particular when a maximum limit pressure is reached.
  • the process ultimately requires only two things: The product-specific pressure-dependent aging behavior, which must be determined experimentally and can be stored as a characteristic curve/map in the vehicle control unit. Second, an estimation of the SOH state of health must be implemented on the battery control unit 2, which compares the current SOH state of health with the characteristic curve/map to determine the applied pressure.
  • the individual battery cells are sorted according to their location within the respective module 4, so that a function of the current health status f (SOHc) can be determined.
  • This essentially consists of a sequence of the current health statuses SOHci of the individual battery cells.
  • f(SOHc) [SOHCj ,SOHc i+i ,SOHc i+2 SOHc n ]
  • the local damage rate is determined using the difference quotient df(SOHc) /dETP mentioned above.
  • the damage rate distribution is then classified into the characteristic map in order to then determine the corresponding pressure as the desired target information.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks in einer Lithium-Ionen-Batterie (3) aus einem oder mehreren Batteriemodulen (4) mit jeweils mehreren miteinander verspannten Batterieeinzelzellen, welche in einem Fahrzeug als Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrischen Antrieb eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass im Fahrbetrieb über eine Steuergerätesoftware des Fahrzeugs ein aktueller Gesundheitszustand (SOHc) der Batterie (3) abgeschätzt wird, wonach anhand einer hinterlegten Kennlinie oder einer hinterlegten Kennfeldes des spezifischen druckabhängigen Gesundheitszustandes des jeweils eingesetzten Typs des überwachten Batteriemoduls (4) und der darin verbauten Batterieeinzelzellen dessen/deren Innendruck ermittelt wird.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung des Innendrucks in einer Lithium-Ionen-Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks in einer Lithium-Ionen- Batterie aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mehreren miteinander verspannten Batterieeinzelzellen.
Lithium-Ionen-Batterien unterliegen einer Volumenänderung sowohl beim Laden bzw. Entladen als auch über die Alterung ihrer Batterieeinzelzellen. Durch die Alterung kommt es im Wesentlichen ein Zelldickenwachstum mit zunehmendem Alter. Dieses Zelldickenwachstum ergibt sich aus chemischen Reaktionen der aktiven Elektrodenmaterialien, welche prinzipiell auch bereits beim Laden und Entladen auftreten, insbesondere aber über die Alterung irreversibel zunehmen. Innerhalb der Lithium-Ionen- Batterie oder eines Batteriemoduls, wovon die Lithium-Ionen-Batterie mehrere umfassen kann, sind die Batterieeinzelzellen im Allgemeinen mechanisch verspannt, also beispielsweise bei prismatischen Zellen zu einem Zellstapel aufgestapelt und zwischen Endplatten bzw. Druckbrillen verspannt. Durch diese mechanische Verspannung kommt es zu einem Druckanstieg in der Batterie, wenn die Schichtaufbauten der einzelnen
Batterieeinzelzellen expandieren und die Batterieeinzelzellen ihr Volumen vergrößern.
Dabei ist es so, dass die ladezustandsabhängige Volumenänderung, welche auch als „Atmen“ der Zellen bezeichnet wird, sehr gut vermessen werden kann. Diese kann somit einfach in die mechanische Auslegung der Batterie- bzw. Modulgehäuse mit einbezogen werden. Das alterungsbedingte Zelldickenwachstum ist dahingegen sehr schwierig zu handhaben. Einerseits ist es schwierig und teuer zu testen, da irreversibles Zelldickenwachstum ein Alterungsphänomen ist und verschiedene Alterungsszenarien auftreten, welche so unterschiedlich sein können, dass vorab niemals alle zuverlässig und vollständig getestet werden können. Häufig bleiben die Szenarien und ihre Auswirkung auf das Zelldickenwachstum unbekannt. In der heutigen Automobilindustrie übliche schnelle Entwicklungszyklen der Lithium-Ionen-Batterien mit variierenden Zellaufbauten resultieren in einem sich stetig ändernden inneren Aufbau, also in der chemischen Zusammensetzung und/oder dem mechanischen Schichtaufbau der Batterieeinzelzellen. Genau dieser hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf das alterungsbedingte Zelldickenwachstum. Ferner ist es so, dass die Herstellungsprozesse und Materialien sich von Hersteller zu Hersteller stark unterscheiden, sodass zusätzlich zu unvermeidlichen Produktionstoleranzen trotz desselben zugrunde liegenden Aufbaus eine hohe Herstellervarianz auftritt. Die Unterschiede können sich im schlimmsten Fall mit den Produktionstoleranzen aufschaukeln. Ein weiterer Grund liegt darin, dass mit neueren Entwicklungen zunehmend stark expandierende Aktivmaterialien zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Siliziumverbindungen in der Anode, welche an der aktiven Umsetzung beteiligt sind. Diese verstärken etwaige Auslegungsungenauigkeiten in kritische Druck- und Expansionsbereiche, welche dementsprechend schwieriger vorherzusagen und konstruktiv zu beherrschen sind. Alles in allem ist es so, dass von einem unkontrollierten alterungsbedingten Zellwachstum, welches die erwarteten Größenordnungen übersteigt, sicherheitskritische Auswirkungen ausgehen können. Ein solches kann zu einer mechanischen Deformierung des Batterie- und/oder Modulgehäuses führen, bis hin zu einem Riss, einem Kurschluss oder dergleichen. Im schlimmsten Fall kann dies gravierende Auswirkungen bezüglich der Sicherheit haben, z.B. kann es im Extremfall zu einem Brand der Batterie kommen.
Es wäre daher sehr wünschenswert über den Innendruck der Batterie eine entsprechende Information vorliegen zu haben, um die Batterie rechtzeitig vor Erreichen eines sicherheitskritischen Maximaldrucks abschalten zu können. Um solche Informationen zu generieren können dabei entsprechende Sensoren verbaut werden wie beispielsweise Drucksensoren oder Sensoren zur Distanzmessung/Längenmessung des Batteriemoduls, an diesem verbaute Stromschienen oder dergleichen. Dies ist aufwändig, bedarf eines gewissen Bauraums bezüglich der Anordnung der Sensoren und der Leitungsführung. Darüber hinaus besteht bei einer großen Anzahl zusätzlicher Sensoren immer auch die Gefahr eines zusätzlichen Ausfallrisikos bzw. die Gefahr, dass durch falsch positive Messwerte der Sensoren Szenarien ausgelöst werden, welche eigentlich unerwünscht sind.
Aus der Literatur, beispielsweise aus dem Artikel „Effects of module stiffness and initial compression on lithium-ion cell aging“, T. Deich et al., Journal of Power Sources 506 (2021) 230163 sind Studien zum druck- bzw. kraftabhängigen Alterungsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen grundlegend bekannt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin ein Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks in einer Batterie anzugeben, welches einfach, kostengünstig und mit geringer Fehleranfälligkeit zuverlässige Vorhersagen über den Innendruck ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks einer Lithium-Ionen- Batterie nutzt gemäß der Erfindung eine Steuergerätesoftware des Fahrzeugs, welche im Fährbetrieb einen aktuellen Gesundheitszustand des Batteriemoduls abschätzt. Anhand einer hinterlegten Kennlinie oder eines hinterlegten Kennfeldes des spezifischen druckabhängigen Gesundheitszustandes des jeweiligen eingesetzten Typs des überwachten Batteriemoduls und der darin verbauten Batterieeinzelzellen wird dann dessen Innendruck ermittelt.
Erfindungsgemäß kann so durch die Parametrierung des druckabhängigen Alterungsverhaltens innerhalb der Fahrzeugsoftware die Bestimmung des Gesundheitszustandes und der Schädigungsrate (SOH/State of Health und Dc/Damage Rate) im Fährbetrieb kann so auf den anliegenden Batterieinnendruck zurückgeschlossen werden. Um dies zuverlässig zu erreichen ist das Einbeziehen der modulspezifischen Kapazitätsalterung entscheidend, da unterschiedliche Module unterschiedlicher Hersteller und unterschiedlicher verbauter Materialien beim selben Szenario, also denselben Temperatureinwirkungen, Ladezustandsänderungen und dergleichen, ein unterschiedliches Alterungsverhalten und damit letztlich ein unterschiedliches Zelldickenwachstum aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt hier die hinterlegte Kennlinie bzw. das hinterlegte Kennfeld eben dieses spezifischen druckabhängigen Gesundheitszustands des jeweils eingesetzten Typs des Batteriemoduls bzw. seiner Batterieeinzelzellen. Diese Daten werden für jeden Typ einmalig experimentell ermittelt und können dann entsprechend in der Kennlinie oder dem Kennfeld hinterlegt sein, um anhand des aktuellen über die Fahrzeugsoftware ermittelten Alterungszustands auf den Batterieinnendruck zurückschließen zu können.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass aus der Kennlinie oder dem Kennfeld eine einzelzellbezogene Kennlinie oder ein einzelzellbezogenes Kennfeld abgeleitet wird, wobei die Position der jeweiligen Batterieeinzelzelle in dem Batteriemodul berücksichtigt wird. Je nach Anordnung der Batterieeinzelzelle in dem Batteriemodul, also beispielsweise in einem Stapel von prismatischen Batterieeinzelzellen eher am Rande des Moduls oder in dessen Mitte, wirken unterschiedliche Kräfte auf die Batterieeinzelzellen, da diejenigen im Randbereich eher ausweichen können, als diejenigen die in der Mitte angeordnet sind. Damit wirkt auf diese typischerweise die höchste Kraft, womit hier der höchste Druck auftritt.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dann ferner vorgesehen sein, dass die Batterieeinzelzelle mit dem schlechtesten Gesundheitszustand zur Abschätzung des Maximaldrucks genutzt wird. Dies kann beispielsweise eine eher in der Mitte des Moduls angeordnete Batterieeinzelzelle sein. Wird der Gesundheitszustand auf Basis dieser „worst case“ Zelle abgeschätzt, kann eine entsprechende hohe Sicherheit gewährleistet werden, da eine aus dem Gesundheitszustand und dem hieraus ermittelten Maximaldruck resultierende Aktion wie beispielsweise ein sicherheitsbedingtes Abschalten der gesamten Lithium-Ionen- Batterie dann immer auf Basis des „schwächsten Glieds in der Kette“ erfolgt. Dies gewährleistet die höchste Sicherheit.
Das gesamte Verfahren ist dabei einfach, effizient und zuverlässig und benötigt keine störanfällige Messtechnik und Sensorik zur Erfassung des Drucks oder einer mechanischen Längenänderung. Die Sicherheit des Fahrzeugs und damit die Sicherheit für Leib und Leben der Fahrzeugpassagiere wird somit erhöht, da im Falle des Erreichens eines kritischen Drucks die Lithium-Ionen-Batterie einfach abgeschaltet werden kann. Ferner erlaubt das Verfahren eine bessere Prognose für die zu erwartende zukünftige Entwicklung des Gesundheitszustands mit positiven Auswirkungen auf die zukünftige alterungsbedingte Reichweitenabschätzung und den Fahrzeugrestwert, da hier durch die für das Fahrzeug nutzende Person mehr oder weniger unauffällige Anpassungen im Batteriemanagement eine Optimierung der Batterielebensdauer erzielt werden kann. Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass in die Bestimmung des Gesundheitszustands zumindest die Kapazitätsentwicklung und/oder die Entwicklung des Innenwiderstands des Batteriemoduls und/oder der Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls einfließt. Je nach elektrischer Messtechnik, welche in dem Modul oder im Bereich der Einzelzellen des Moduls vorliegt, lässt sich idealerweise die Kapazitätsentwicklung des Gesamtmoduls oder einzelner Batterieeinzelzellen und/oder die Entwicklung des Innenwiderstands als typische Kenngrößen für den Gesundheitszustand und die Schädigungsrate entsprechend berücksichtigen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung kann es außerdem vorsehen, dass die Bestimmung des Gesundheitszustandes im Fährbetrieb anhand vorgegebener und/oder erlernter Schätzalgorithmen erfolgt. Solche Schätzalgorithmen, welche mit einem Basisalgorithmus starten, sind zur Abschätzung des Gesundheitszustandes basierend auf entsprechenden Modellen geeignet. Sie können neben der reinen Vorgabe auch über maschinelles Lernen oder künstliche Intelligenz weitergebildet werden. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung der Anpassung des jeweils verbauten Materials in dem jeweiligen Fahrzeug spezifisch weiterbilden. Durch die immer mehr an die spezifischen Batterie, welche von Innen überwacht wird, erfolgende Anpassung werden somit mit zunehmender Betriebsdauer immer bessere Werte geliefert. Damit lässt sich insbesondere der Aufwand beim Ermitteln der Vorgabewerte reduzieren.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass die Schätzalgorithmen basierend auf dem ermittelten Innendruck angepasst werden. Die Schätzalgorithmen lassen sich so basierend auf dem ermittelten Innendruck als neuen Anfangsdruck entsprechend anpassen. Auch hier kann künstliche Intelligenz oder insbesondere maschinelles Lernen dabei helfen die Ergebnisse weiter zu verbessern.
Wie bereits oben erwähnt lässt sich nun gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung zumindest eine Warnmeldung, eine Anpassung im Betriebsmanagement und/oder im schlimmsten Fall ein Abschalten des betroffenen Batteriemoduls umsetzen, sobald der über das erfindungsgemäße Verfahren ermittelte Innendruck zumindest einen vorgegebenen Grenzdruck übersteigt. Dieser vorgegebene Grenzdruck kann der im oben beschriebenen Sinn als Maximaldruck bezeichnete Druck sein. Es ist der Druck, für den aufgrund des mechanischen Aufbaus der Lithium-Ionen- Batterie in jedem Fall ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann. Übersteigt der ermittelte Innendruck diesen vorgegebenen Grenzdruck, so muss mit einer potentiell sicherheitskritischen Situation gerechnet werden, welche zumindest eine Warnmeldung, eine Anpassung im Betriebsmanagement und/oder eine Abschaltung des betroffenen Batteriemoduls zur Folge hat. Prinzipiell können dabei mehrere Grenzdrücke vorgesehen sein, um so beispielsweise zuerst bei einem unteren Grenzdruck eine Anpassung im Betriebsmanagement vorzunehmen, bei einem mittleren Grenzdruck eine Warnung auszugeben und letztlich bei einem oberen/maximalen Grenzdruck die Notabschaltung des betroffenen Batteriemoduls vorzunehmen. Diese Eskalationsreihenfolge hat dabei den Vorteil, dass eine das Fahrzeug nutzende Person sich noch bis zu einem gewissen Grad hierauf vorbereiten kann.
Wie eingangs bereits erwähnt kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Kennlinie oder das Kennfeld für jeden Typ eines Batteriemoduls und der darin verbauten Batterieeinzelzellen vorab anhand der Vermessung der Alterung eines oder mehrerer Batteriemodule des jeweiligen Typs modulspezifisch ermittelt und zur Hinterlegung in dem jeweiligen Steuergerät bereitgestellt wird. Neben der Vermessung der für den Einbau vorgesehen Modultypen vor der Montage derartiger Module in einem Fahrzeug, können diese also typspezifisch vermessen werden. Es können aber auch neuartige Module fortlaufend vermessen werden. Beispielsweise über eine Cloud kann die entsprechende Kennlinie oder das Kennfeld allgemein bereitgestellt werden, um so beispielsweise beim Wechsel einer Batterie die entsprechenden Daten für das jeweils neu eingebaute Austauschbatteriemodul bzw. die neu eingebaute Austauschbatterie einfach und effizient zur Verfügung zu haben. Ein entsprechendes Update kann beispielsweise zusammen mit dem Austausch der Batterie in der Werkstatt erfolgen, lässt sich jedoch auch Over the Air realisieren. Dies bietet die Möglichkeit die Kennfelder nachzujustieren, wenn zu bereits seit längerem in Betrieb befindlichen verbauten Batteriemodulen neue Erkenntnisse zur modulspezifischen Alterung erkannt worden sind, um so auch bei bereits bestehenden Systemen über ein Softwareupdate eine noch weitere Verbesserung zu gewährleisten.
Eine weitere außerordentlich günstige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorsehen, dass basierend auf dem aktuellen Gesundheitszustand eine Restlebensdauer der Batterie ermittelt wird. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon kann es dann ferner vorsehen, dass diese Restlebensdauer der Batterie gespeichert und/oder fortgeschrieben oder auch für einen Nutzer visualisiert wird. Hierdurch ist es möglich beispielsweise bei einem Werkstattaufenthalt einfach und effizient die zu erwartende Restlebensdauer der Batterie auszulesen. Darüber hinaus kann im Zuge einer möglichst hohen Transparenz diese auch für den Nutzer des Fahrzeugs visualisiert werden, entweder in dem Fahrzeug direkt oder beispielsweise in einer mit dem Fahrzeug verbundenen Applikation auf einem Computer oder einem mobilen Endgerät.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher dargestellt ist.
In Figur 1 ist ein schematisches Schaubild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen. Der Block ganz links umfasst die Messung von Batteriewerten im Fahrzeug und ist mit 1 bezeichnet. Die gemessenen Werte sind dabei Werte, welche zur Steuerung der Batterie 3 (vgl. Figur 2), also für das sogenannte Batteriemanagement ohnehin erforderlich sind. In einer exemplarisch angedeuteten und mit 1A bezeichneten Steuergerätesoftware erfolgt dann die Bestimmung des aktuellen Gesundheitszustandes (SOHc) der in dem Fahrzeug als Traktionsbatterie verbauten Lithium-Ionen-Batterie 3. Dieser über Schätzalgorithmen abgeschätzte Gesundheitszustand SOHc wird dann wie es mit dem Pfeil angedeutet ist an ein in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichnetes Batteriesteuergerät übergeben. In einem ersten Steuerungsmodul 2A dieses Batteriesteuergerät 2 werden dann die aktuellen Gesundheitszustände SOHc in den Einzelzellen bezüglich ihrer Anordnung in dem jeweiligen Batteriemodul ermittelt. Dieses hier durch die Grafik der aktuellen Gesundheitszustände SOHc über der örtlichen Position der Einzelzellen in dem Batteriemodul angedeutet, wobei hier die x-Achse des Diagramms die Länge des Moduls von einer ersten Randzelle R im Bereich der y-Achse, über die Modulmitte M bis hin zu einer gegenüberliegenden Randzelle R exemplarisch gezeigt.
Prinzipiell ist es dabei so, dass der modul- bzw. zellspezifische druckabhängige Gesundheitszustand SOH vorab für jeden Typ von Batterie , Einzelzelle oder Zellmodul experimentell charakterisiert werden kann. Hierzu können beispielsweise jeweils Versuche zum Alterungsverhalten bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden. Das Alterungsverhalten bestimmt sich dabei insbesondere anhand einer Entwicklung der Kapazität und/oder des Innenwiderstands. Diese Daten können dann im weiteren Verlauf des Verfahrens als Kennlinie oder Kennfeld in dem Fahrzeug hinterlegt werden.
Zusätzlich ist es so, dass sich in Folge der Stapelung der Batterieeinzelzellen innerhalb des jeweiligen Zellmoduls verschiedene Druckverteilungen ergeben, wobei typischerweise diejenigen Batterieeinzelzellen am Rand, die an einer Endplatte angeordnet sind, in der Regel weicheren Randbedingungen unterliegen als diejenigen Batterieeinzelzellen in der Modulmitte. Hier gelten steifere Randbedingungen. Somit baut sich typischerweise in der Mitte M des jeweiligen Batteriemoduls aus den Batterieeinzelzelle der größte Innendruck auf, während sich dieser nach außen zum Rand R hin entsprechend abbaut, da die Endplatten eine gewisse Verformung zulassen. Infolge der druckabhängigen Alterung entsteht damit eine inhomogene Druckverteilung.
In der Darstellung der Figur 2 ist diese am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie 3 aus 10 Batteriemodulen 4.1 - 4.10 exemplarisch dargestellt.
Im Modul 2B des Batteriesteuergeräts 2 erfolgt dann letztlich die Bedatung in dem eine örtliche Schädigungsrate über den Differenzquotienten df (SOHc) / dETP bestimmt wird, wobei ETP den Energiedurchsatz (energy throughput) beschreibt. Das Batteriesteuergerät 2 gibt dann die Zielinformation bzw. die Daten zur Generierung der Zielinformation an den ganz rechts dargestellten mit 5 bezeichneten Block weiter. Hier erfolgt dann letztlich die Bestimmung des Drucks anhand der abgeschätzten Alterung bzw. des abgeschätzten Gesundheitszustandes jeder der Batterieeinzelzellen.
Durch die Bestimmung des Gesundheitszustands SOHc im Fährbetrieb mittels geeigneter Schätzalgorithmen kann also anhand der oben erwähnten über die experimentelle Charakterisierung erfassten Kennlinie auf denjenigen Druck zurückgeschlossen werden, der zwangsläufig auf die jeweilige Batterieeinzelzelle gewirkt haben muss. Dies hat nun zwei entscheidende Vorteile:
Erstens sind bei bekanntem Druck bessere Zukunftsprognosen für die weitere Entwicklung des Gesundheitszustands SOH des Lithium-Ionen Batterie 3 möglich, da der Druck einen großen Einfluss auf den Gesundheitszustand SOH hat. Somit lassen sich also verbesserte Aussagen zum zukünftigen Rest-Gesundheitszustand und damit der Restreichweite bzw. dem Restgebrauchswert der Lithium-Ionen-Batterie 3 treffen. Zweitens erlaubt der so ermittelte Druck eine Strategie um auf erhöhte Drücke reagieren zu können und sicherheitskritische Druckszenarien zu vermeiden, indem, insbesondere beim Erreichen eines maximalen Grenzdrucks, die Lithium-Ionen-Batterie, oder wenn dies vom Aufbau möglich ist, das betroffene Batteriemodul 4 entsprechend abgeschaltet werden kann.
Das Verfahren benötigt letztlich nur zwei Dinge. Das produktspezifische druckabhängige Alterungsverhalten, welches experimentell bestimmt werden muss, und welches als Kennlinie/Kennfeld in dem Fahrzeugsteuergerät hinterlegt werden kann. Zweitens muss auf dem Batteriesteuergerät 2 eine Abschätzung des Gesundheitszustands SOH implementiert sein, die den aktuellen Gesundheitszustand SOHc entsprechend mit der Kennlinie/dem Kennfeld abgleicht, um so einen anliegenden Druck zu bestimmen.
Das Vorgehen kann dabei im Wesentlichen anhand der nachfolgenden vier Schritte umgesetzt werden:
Zuerst werden alle Einzelkapazitäten entsprechend bestimmt, um hieraus aktuelle Gesundheitszustände SOHc für jede der Batterie Einzelzellen entsprechend zu ermitteln.
Im zweiten Schritt erfolgt dann eine Sortierung nach örtlicher Position der Batterieeinzelzellen innerhalb des jeweiligen Moduls 4, sodass eine Funktion des aktuellen Gesundheitszustandes f (SOHc) ermittelt werden kann. Diese besteht quasi aus einer Aneinanderreihung der aktuellen Gesundheitszustände SOHci der einzelnen Batterieeinzelzellen. f(SOHc)=[SOHCj ,SOHci+i ,SOHci+2 SOHcn]
Im dritten Schritt wird dann die örtliche Schädigungsrate über den oben bereits angesprochenen Differenzenquotient df(SOHc) /dETP bestimmt.
Im vierten Schritt erfolgt dann eine Einordnung der Schädigungsratenverteilung in das Kennfeld, um hieraus dann den entsprechenden Druck als gewünschte Zielinformation zu bestimmen.

Claims

Mercedes-Benz Group AG Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks in einer Lithium-Ionen-Batterie (3) aus einem oder mehreren Batteriemodulen (4) mit jeweils mehreren miteinander verspannten Batterieeinzelzellen, welche in einem Fahrzeug als Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrischen Antrieb eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Fährbetrieb über eine Steuergerätesoftware des Fahrzeugs ein aktueller Gesundheitszustand (SOHc) der Batterie (3) abgeschätzt wird, wonach anhand einer hinterlegten Kennlinie oder einer hinterlegten Kennfeldes des spezifischen druckabhängigen Gesundheitszustandes des jeweils eingesetzten Typs des überwachten Batteriemoduls (4) und der darin verbauten Batterieeinzelzellen dessen/deren Innendruck ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der Kennlinie oder dem Kennfeld eine einzelzellbezogene Kennlinie oder ein einzelzellbezogenes Kennfeld abgeleitet wird, wobei die Position der jeweiligen Batterieeinzelzelle in dem Batteriemodul berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzelle mit dem schlechtesten Gesundheitszustand (SOHci) zur Abschätzung des aufgetretenen Maximaldrucks genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung des Gesundheitszustandes (SOHc) im Fährbetrieb zumindest die Kapazitätsentwicklung und/oder die Entwicklung des Innenwiederstands des Batteriemoduls und/oder der Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls einfließt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gesundheitszustandes im Fährbetrieb anhand vorgegebener und/oder erlernter Schätzalgorithmen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzalgorithmen basierend auf einem Startalgorithmus mittels maschinellem Lernen oder künstlicher Intelligenz typspezifisch angepasst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzalgorithmen basierend auf dem ermittelten Innendruck angepasst werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sobald der ermittelte Innendruck zumindest einen vorgegebenen Grenzdruck übersteigt eine Warnmeldung, eine Anpassung im Betriebsmanagement und/oder eine Abschaltung des betroffenen Batteriemoduls (4) ausgelöst wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie oder das Kennfeld für jeden Typ einer Batterie (3) eines Batteriemoduls (4) und seiner darin verbauten Batterieeinzelzellen vorab anhand der Vermessung der Alterung eines oder mehrerer derartiger Batteriemodule (4) modulspezifisch ermittelt und zur Hinterlegung in dem jeweiligen Steuergerät bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem aktuell abgeschätzten Gesundheitszustand (SOHc) eine Restlebensdauer der Batterie (3) ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Restlebensdauer in einem Speichermedium entsprechend gespeichert und fortgeschrieben und/oder in einem Anzeigegerät visualisiert wird.
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