DE102022004267A1

DE102022004267A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, Verfahren zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks, Computerprogrammprodukt, computerlesbares Speichermedium, elektronische Recheneinrichtung sowie Druckregulierungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022004267A1
Application number: DE102022004267.3A
Authority: DE
Inventors: Arber Avdyli; Sebastian Theil
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-05-23
Also published as: EP4568854A2; WO2024104760A3; WO2024104760A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate (Dc) einer Batteriezelle (16) für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (12), mit den Schritten: Bestimmen einer Kapazitätsdegradation der Batteriezelle (16) in Abhängigkeit von einer aufgrund einer Zellschwellung der Batteriezelle (16) erzeugten Kraft; Bestimmen eines Alterungszustands (SOH) der Batteriezelle (16); und Bestimmen der Schädigungsrate (Dc) in Abhängigkeit von der Kapazitätsdegradation und des Alterungszustands (SOH).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks für zumindest eine Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Druckregulierungseinrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln sowie ein computerlesbares Speichermedium. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs sowie eine Druckregulierungseinrichtung zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks für zumindest eine Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verspannungen von Zellblöcken, insbesondere Batteriezellblöcken, bekannt, bei welchen durch eine Verpressung in der Montage ein entsprechender Druck aufgebaut wird. Dabei werden die Batteriezellen in einen definierten Bauraum mit einer strukturellen Steifigkeit verpresst. Infolge der Alterung neigen die Zellen dazu, in der Dicke zu wachsen und dadurch resultiert eine Kraft im Block, die über die Alterung zunimmt. Dabei spricht man vom so genannten Zelldickenwachstum, das somit zu einer Druckentwicklung im Block führt.
Um die Druckentwicklung infolge Alterung zu entschleunigen, werden kompressible Matten, so genannte Spannmatten, verwendet. Die Spannmatten verbrauchen jedoch Bauraum und haben isolierende Wirkung auf die Batteriezellen und nehmen Einfluss auf die thermische Anbindung der Batteriezellen. Nach aktuellem Stand beruht die Auslegung der Spannmatten nur zur Entschleunigung der Kraftentwicklung, jedoch wird außer Acht gelassen, dass möglicherweise die Lebensdauer in bestimmten Kraftniveaus reduziert wird.
Die DE 10 2019 004 928 A1 betrifft eine Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen in einem entladenen Zustand der Batteriezelle ein erstes Volumen, in einem geladenen Zustand der Batteriezelle ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen, wobei die zumindest erste flexible Spanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft auf die Vielzahl von Batteriezellen die zumindest erste flexible Spanneinrichtung zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil des Kraftfahrzeugs abgestützt ist.
Die DE 10 2019 007 363 A1 betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit wenigstens einem Elektrodenstapel, welcher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander angeordneten Lagen von Elektroden und zwischen den Elektroden angeordneten Separatoren umfasst. Eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte dienen dem Ausüben eines Drucks auf den zwischen Druckplatten angeordneten wenigstens einen Elektrodenstapel. Wenigstens ein Aktuator ist zum Bewegen zumindest einer der Druckplatten vorgesehen. Eine Steuerungseinrichtung ist zum Ansteuern des wenigstens einen Aktuators vorgesehen. Die Druckplatten sind durch den wenigstens einen Aktuator miteinander gekoppelt. Durch ein mittels der Steuerungseinrichtung bewirktes Ansteuern des wenigstens einen Aktuators ist ein Abstand der Druckplatten voneinander veränderbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle, ein Verfahren zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks für zumindest eine Druckregulierungseinrichtung, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium, eine elektronische Recheneinrichtung sowie Druckregulierungseinrichtung zu schaffen, durch welche ein verbesserter Betrieb einer Batteriezelle in einem elektrischen Energiespeicher realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung. Es erfolgt das Bestimmen einer Kapazitätsdegradation der Batteriezelle in Abhängigkeit von einer aufgrund einer Zellschwellung der Batteriezelle erzeugten Kraft, das Bestimmen des Alterungszustands der Batteriezelle und das Bestimmen der Schädigungsrate in Abhängigkeit von der Kapazitätsdegradation und des Alterungszustands.
Insbesondere kann somit eine Beschreibung, Messung und Quantifizierung der zell- und modulindividuellen alterungsspezifischen Druckabhängigkeit einer beispielsweise als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Batteriezelle bestimmt werden. Es erfolgt die Bedatung und eine optimierte Modulauslegung zur Lebensdauersteigerung. Insbesondere kann es dadurch zu einer Lebensdauersteigerung des Produkts kommen sowie der Haltekapazität über einen größeren Lebensdauerbereich, wodurch die Reichweitenlebensdauer maximiert ist.
Insbesondere beschreibt somit die Erfindung die Quantifizierung und Wechselwirkung der Kraft und der Zellalterung und eine entsprechende passive und aktive Steuerung der Regelung des Drucks beziehungsweise der Kraft über die Alterung. Hierbei zählt zum ersten Aspekt insbesondere die Messung und die Auswertung. Hierbei werden Lithium-lonen-Zellen in einem mechanischen Aufbau beispielsweise eingespannt und mit einem elektrischen Profil zyklisiert. Dabei ist zu beachten, dass der Messaufbau in der Lage sein muss, die Kräfte und Zellwachstum zu messen.
Mit Hilfe der Messungen lassen sich durch die Auswertung entsprechende Kennlinien ableiten, mit Hilfe die Druckregelung zellspezifisch dann wiederum eingestellt werden kann.
Durch die konstanten Druckbedingungen lassen sich die Druckabhängigkeiten in der Alterung signifikant messen. Um nun die Kraftabhängigkeit zu quantifizieren, bedarf es einer speziellen Auswertung, die nachfolgend beschrieben ist und auch durch reale Batterie-Lebensdauertests validiert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die Schädigungsrate auf Basis eines Kovarianzverfahrens bestimmt. Insbesondere kann die Schädigungsrate mittels der Formel: $D_{c} = | \frac{C o v (S O H_{c}, E T P)}{V a r (E T P)} |$
bestimmt werden, wobei D_c der Schädigungsrate, SOH_c dem Alterungszustand und ETP einem Energiedurchfluss entspricht. Insbesondere kann somit die Kraftabhängigkeit der Kapazitätsdegradation über die Schädigungsrate ermittelt werden. Die Schädigungsrate wird dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere mit der Kovarianz bestimmt.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schädigungsrate auf Basis einer Ableitung mittels der Formel: $D_{c} = | \frac{d S O H_{c}}{d E T P} |$
bestimmt wird, wobei D_c der Schädigungsrate, SOH_c dem Alterungszustand und ETP einer Energiedurchflussrate entspricht. Insbesondere kann somit alternativ auch über die direkte Ableitung des Verlaufs die Schädigungsrate bestimmt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks für zumindest eine Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Druckregulierungseinrichtung, wobei eine Schädigungsrate auf Basis eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt bestimmt wird, und in Abhängigkeit von der bestimmten Schädigungsrate ein kontinuierlich auszuübender Druck auf die Batteriezelle bestimmt wird.
Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass ein kontinuierlicher Druck beziehungsweise Kraft zwischen 9 Kilonewton und 11 Kilonewton, insbesondere 10 Kilonewton, eingestellt wird.
Insbesondere ist gezeigt worden, dass die Schädigungsrate einen parabolischen Verlauf über den anliegenden Druck aufweist. Insbesondere resultiert daraus, dass ein optimaler Betriebspunkt der Gegenkraft im Bereich von 10 Kilonewton liegt und im Umkehrschluss kann die Lebensdauer maximiert werden, wenn die Batteriezelle entweder durch inhärente Auslegung nur in diesem Bereich betrieben wird oder durch eine externe Regelung, insbesondere über die Druckregulierungseinrichtung in diesem Bereich reguliert wird.
Bei den vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere um computerimplementierte Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung beziehungsweise dem zweiten Aspekt der Erfindung durchzuführen.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium mit einem Computerprogrammprodukt nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Computerprogrammprodukt kann auch als Computerprogramm bezeichnet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung beschreibt eine elektronische Recheneinrichtung zum Bestimmen einer Schädigungsrate einer Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei die elektronische Recheneinrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt.
Die elektronische Recheneinrichtung weist beispielsweise Prozessoren, Schaltkreise, insbesondere integrierte Schaltkreise, sowie weitere elektronische Bauteile auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine Druckregulierungseinrichtung zum Bestimmen eines einstellbaren Drucks für zumindest eine Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei die Druckregulierungseinrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Das Verfahren wird dabei insbesondere mittels der Druckregulierungseinrichtung durchgeführt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der unterschiedlichen Erfindungsaspekte sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der anderen Erfindungsaspekte anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Druckregulierungseinrichtung mit einer zusätzlichen Ausführungsform einer elektronischen Recheneinrichtung;
2 ein schematisches SOH-ETP-Diagramm; und
3 ein schematisches Kraft-Schädigungsrate-Diagramm.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Druckregulierungseinrichtung 10. Die Druckregulierungseinrichtung 10 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest eine elektronische Recheneinrichtung 12 auf, welche zum Steuern einer Druckregeleinheit 14 ausgebildet ist. Ferner kann die elektronische Recheneinrichtung 12 auch zum Bestimmen einer Schädigungsrate D_c (3) ausgebildet sein. Alternativ kann zum Bestimmen der Schädigungsrate D_c auch eine andere elektronische Recheneinrichtung bereitgestellt werden.
Insbesondere kann eine Schädigungsrate D_c für eine Batteriezelle 16 vorgesehen sein. Bei der Batteriezelle 16 handelt es sich insbesondere um eine Lithium-lonen-Batteriezelle. Die Batteriezelle 10 befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere in einem Gehäuse 18, so dass auch eine entsprechende Kraft K auf die Batteriezelle 16 ausgeübt werden kann.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass die Quantifizierung und die Wechselwirkung der Kraft K auf die Zellalterung und die passive und aktive Steuerung der Druckregulierung über die Alterung entsprechend angepasst werden kann.
Hierzu gehört insbesondere die spezielle Messung und die Auswertung. Hierbei werden die Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 in einem Versuchsaufbau eingespannt und mit einem elektrischen Profil zyklisiert. Dieser Versuchsaufbau kann beispielsweise auch über die Druckregulierungseinrichtung 10 nachgebildet werden. Dabei ist zu beachten, dass der Messaufbau in der Lage sein muss, die Kräfte K und das Zellwachstum entsprechend messen zu können. Mit Hilfe der Messungen lassen sich durch die Auswertungen Kennlinien ableiten, mit Hilfe die Druckregelung zellspezifisch den optimalen Druck beziehungsweise die Kraft K einstellen kann. Durch die konstanten Druckbedingungen lassen sich die Druckabhängigkeiten in der Alterung signifikant messen. Um nun die Kraftabhängigkeit zu quantifizieren, bedarf es einer speziellen Auswertung, die auch durch reale Batterie-Lebensdauertests validiert ist.
2 zeigt ein schematisches ETP-SOH-Diagramm. Bei dem ETP handelt es sich insbesondere um die so genannte Energy through put, welche in Wattstunden angegeben ist und dem Energiedurchfluss entspricht. Ferner ist der Alterungszustand, insbesondere des State of Health (SOH) mit aufgetragen. Der SOH ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere in Prozent aufgetragen, wobei mit einem Wert von ETP = 0 100 Prozent State of Health zu verzeichnen sind. Ferner sind unterschiedliche Kennlinien gezeigt, wobei die Kennlinien insbesondere Batteriezellen 16 bei unterschiedlichen Kräften zeigen und einem Zelltest 22 entsprechen. Ferner ist ein tatsächlicher Batterietest 20 gezeigt, welcher die theoretischen Bestimmungen entsprechend validiert.
Insbesondere zeigt die 2 die Kraftabhängigkeit der Kapazitätsdegradation, welche über die Schädigungsrate D_c ermittelt wird. Die Schädigungsrate D_c wird dabei mit den zwei folgenden mathematischen Vorschriften berechnet. Zum einen über die Kovarianz: $D_{c} = | \frac{C o v (S O H_{c}, E T P)}{V a r (E T P)} |$
oder alternativ über die direkte Ableitung des Verlaufs: $D_{c} = | \frac{d S O H_{c}}{d E T P} |$
Der Batterietest 20 gemäß 2 wurde dabei unter realen Verspannbedingungen durchgeführt und mittels Sondermesstechnik wurden entsprechende Dehnungen und Kräfte K über die Alterung gemessen.
3 zeigt ein schematisches Kraft-Schädigungsraten-Diagramm, wobei die Kraft K insbesondere in Kilonewton angegeben ist und die Schädigungsrate D_c in Prozent von Megawattstunden. Hierbei ist insbesondere erkennbar, dass die abgeleiteten Schädigungsraten D_c aus der Zellebene zu einer realen Batteriemessung passen. Darüber hinaus kann sowohl in der Batteriemessung als auch in der entsprechenden Zellmessung ein parabolischer Verlauf der Schädigungsraten D_c über den anliegenden Druck beziehungsweise die Kraft K ermittelt werden. Somit resultiert daraus, dass ein optimaler Betriebspunkt der Gegenkraft im Bereich von 10 Kilonewton liegt und im Umkehrschluss kann die Lebensdauer maximiert werden, wenn die Batterie beziehungsweise der elektrische Energiespeicher entweder durch inhärente Auslegung nur in diesem Bereich betrieben wird oder durch eine externe Regelung in diesem Bereich, beispielsweise mit Druckregulierungseinrichtung 10, reguliert wird.
Aus der Erfindung gehen somit Verbesserungen und Empfehlungen hervor, zum einen ist eine aktive Druckregulierung für eine Lebensdauersteigerung gezeigt. Weiterhin geht hervor, dass die Kräfte K im Modul möglichst konstant zu halten sind und über der Zellreihe, da ansonsten inhomogene Kraftverteilungen zu inhomogenen Druckentwicklungen führen. Darüber hinaus ist erkennbar, dass Module beziehungsweise Zellreihen möglichst kompakt und so gebaut werden sollten, dass man sich über die Alterung und das Zellwachstum im optimalen Bereich des Drucks beziehungsweise der Kraft K bewegt.
Bezugszeichenliste

10: Druckregulierungseinrichtung
12: elektronische Recheneinrichtung
14: Druckregeleinheit
16: Batteriezelle
18: Gehäuse
20: Batterietest
22: Zelltest
K: Kraft
ETP: Energiedurchfluss
SOH: Alterungszustand
Dc: Schädigungsrate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019004928 A1 [0004]
DE 102019007363 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Schädigungsrate (Dc) einer Batteriezelle (16) für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (12), mit den Schritten: - Bestimmen einer Kapazitätsdegradation der Batteriezelle (16) in Abhängigkeit von einer aufgrund einer Zellschwellung der Batteriezelle (16) erzeugten Kraft; - Bestimmen eines Alterungszustands (SOH) der Batteriezelle (16); und - Bestimmen der Schädigungsrate (D_c) in Abhängigkeit von der Kapazitätsdegradation und des Alterungszustands (SOH).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigungsrate (Dc) auf Basis eines Kovarianzverfahrens bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigungsrate (Dc) mittels der Formel: $D_{c} = | \frac{C o v (S O H_{c}, E T P)}{V a r (E T P)} |$
bestimmt wird, wobei Dc der Schädigungsrate, SOH_c dem Alterungszustand und ETP einem Energiedurchfluss entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigungsrate (D_c) auf Basis einer Ableitung mittels der Formel: $D_{c} = | \frac{d S O H_{c}}{d E T P} |$
bestimmt wird, wobei D_c der Schädigungsrate, SOHc dem Alterungszustand und ETP einem Energiedurchfluss entspricht.
Verfahren zum Bestimmen einer einstellbaren Kraft (K) für zumindest eine Batteriezelle (16) für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Druckregulierungseinrichtung (10), wobei eine Schädigungsrate (Dc) auf Basis eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bestimmt wird, und in Abhängigkeit von der bestimmten Schädigungsrate (Dc) eine kontinuierlich auszuübende Kraft (K) auf die Batteriezelle (16) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kraft (K) zwischen 9kN und 11kN, insbesondere 10kN, eingestellt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung (12) dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung (12) abgearbeitet werden, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder 5 und 6 durchzuführen.
Computerlesbares Speichermedium mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 7.
Elektronische Recheneinrichtung (12) zum Bestimmen einer Schädigungsrate (Dc) einer Batteriezelle (16) für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei die elektronische Recheneinrichtung (12) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
Druckregulierungseinrichtung (10) zum Bestimmen einer einstellbaren Kraft (K) für zumindest eine Batteriezelle (16) für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei die Druckregulierungseinrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 oder 6 ausgebildet ist.