DE102023111035A1

DE102023111035A1 - Verfahren und Messanordnung zum Schätzen eines Alterungszustands eines Batteriemoduls, sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102023111035A1
Application number: DE102023111035.7A
Authority: DE
Inventors: Carsten Lorenz; Eduard Main
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2023-04-28
Filing date: 2023-04-28
Publication date: 2024-10-31
Also published as: CN118867446A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (12) zum Schätzen eines Zustands (SOH) eines Batteriemoduls (10), wobei die Messanordnung (12) das Batteriemodul (10) umfasst, das einen Zellverbund (16) aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen (14) umfasst, und dazu ausgelegt ist, den Zustand (SOH) in Abhängigkeit von einer Ausdehnung (A) der Batteriezellen (14) zu schätzen. Dabei umfasst das Batteriemodul (10) ein von einem Kühlmittel (24) durchströmbares Zwischenzellkühlelement (18), das zwischen den zwei Batteriezellen (14) angeordnet ist und das durch die Ausdehnung (A) der Batteriezellen (14) derart komprimierbar ist, dass sich ein Volumen des Innenraums (30) verringert, wobei die Messanordnung (12) einen Kühlmittelbehälter (32) aufweist, der fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement (18) verbunden ist oder verbindbar ist, und wobei die Messanordnung (12) eine Messeinrichtung (42, 40, 36) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Füllstand (F; F1, F2) des Kühlmittelbehälters (32) zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem Füllstand (F; F1, F2) den Zustand (SOH) zu schätzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Schätzen eines Zustands eines Batteriemoduls, wobei die Messanordnung das Batteriemodul umfasst, das einen Zellverbund aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen aufweist, und die dazu ausgelegt ist, den Zustand in Abhängigkeit von einer Ausdehnung der Batteriezellen zu schätzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Schätzen eines Zustands eines Batteriemoduls.
Batteriezellen für Kraftfahrzeugbatterie, wie beispielsweise Hochvoltbatterien, dehnen sich typischerweise beim Laden aus und ziehen sich beim Entladen wieder zusammen. Dies wird auch als ladungsbedingtes Swelling bezeichnet. Dieses ladungsbedingte Swelling ist von einem alterungsbedingten Swelling überlagert. Im Zuge der Alterung von Batteriezellen dehnen diese sich entsprechend zunehmend aus. Wird also eine solche Batteriezelle geladen, so dehnt diese sich aus und während des Entladens der Zelle geht das Swelling wieder annähernd zurück in den Ausgangszustand, wobei ein irreversibler Swellinganteil bedingt durch das Alterungsswelling bestehen bleibt. Dieser irreversible Swellinganteil nimmt abhängig von der Alterung der Batteriezelle im Laufe der Zeit zu. Damit lässt sich über die Ausdehnung einer solchen Batteriezelle ihr Alterungszustand bestimmen oder zumindest annäherungsweise als Schätzwert bereitstellen.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystemen gibt es jedoch meist keine Möglichkeit, eine Aussage über ein solches Swellingverhalten beziehungsweise den Alterungszustand der Zellen zu treffen, ohne zusätzliche Messtechnik, wie zum Beispiel Kraftsensoren oder Drucksensoren, zu verbauen.
Die DE 10 2013 007 011 A1 beschreibt ein Verfahren zum Laden einer Lithium-Ionen-Batterie unter Verwendung eines Batteriemanagementsystems, in dem wenigstens eine Referenzkurve hinterlegt wird, die in Abhängigkeit vom Ladestrom, Temperatur, Ladezustand und Gesundheitszustand der Lithium-Ionen-Batterie einen Verlauf einer Vergrößerung des Zellvolumens und/oder der Zelldicke bei einem Ladevorgang umfasst, bis zu der noch kein Lithium-Plating auftritt. Weiterhin wird die bei einem Ladevorgang auftretende Vergrößerung des Zellvolumens und/oder der Zelldicke in Abhängigkeit vom Ladestrom, der Temperatur, dem Ladezustand und dem Gesundheitszustand der Lithium-Ionen-Batterie gemessen, mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen und der Ladestrom verringert oder ausgeschaltet, falls eine übermäßig große Vergrößerung des Zellvolumens und/oder der Zelldicke vorliegt. Zur Messung der Veränderung der Dicke und/oder des Volumens können verschiedene Messeinrichtungen verwendet werden, zum Beispiel Dehnungsmessstreifen, eine Einrichtung zur Messung eines Flächendrucks, eine Einrichtung, mittels der eine Verdrängung einer Flüssigkeit oder eine Änderung des hydrostatischen Drucks in der Batteriezelle gemessen werden kann.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2015 211 598 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit einem Kraftsensor, der eine Ausdehnung des elektrischen Energiespeichers erfasst, wobei eine Berechnung einer irreversiblen Ausdehnung des elektrischen Energiespeichers dadurch erfolgt, dass eine Differenz der ermittelten Ausdehnung des elektrischen Energiespeichers und einer von einem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers abhängigen angenommenen Ausdehnung gebildet wird.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2014 103 800 B4 ein System zum Überwachen eines Ladezustands einer Batterie, die einen Elektrolyten, eine Anode, eine Kathode und Stromkollektoren aufweist, wobei das System einen Sensor umfasst, der ein Messsignal liefert, welches eine Änderung des nominalen Volumens der Batterie anzeigt, das dasjenige Volumen ist, welches der Elektrolyt, die Anode, die Kathode und die Stromkollektoren einnehmen würden, wenn diese keiner Einschränkung unterliegen würden. Zudem umfasst das System eine Steuereinheit, die auf das Messsignal reagiert und dazu programmiert ist, das Messsignal zu verwenden, um einen Ladezustand der Batterie physikalisch zu schätzen, wobei das System ein Flüssigkeitsbad zur Temperaturregelung der Batterie umfasst, und wobei der Sensor ein Dimensionssensor ist, der ein Dimensionsmesssignal liefert, wobei ein Betrag an verdrängter Flüssigkeit eine Anzeige für die Änderung im Volumen der Batterie ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Schätzung eines Zustands eines Batteriemoduls abhängig von einer Ausdehnung der Batteriezellen des Moduls ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung zum Schätzen eines Zustands eines Batteriemoduls umfasst das Batteriemodul, das einen Zellverbund aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen umfasst, wobei die Messanordnung dazu ausgelegt ist, den Zustand in Abhängigkeit von einer Ausdehnung der Batteriezellen zu schätzen. Dabei weist das Batteriemodul ein von einem Kühlmittel durchströmbares Zwischenzellkühlelement auf, das zwischen den zwei Batteriezellen angeordnet ist und das eine flexible Außenhülle aufweist, die einen Innenraum umschließt, und die einen Kühlmittelzuführanschluss und einen Kühlmittelabführanschluss aufweist. Weiterhin ist das Zellzwischenkühlelement durch die Ausdehnung der Batteriezellen derart komprimierbar, dass sich ein Volumen des Innenraums verringert, wobei die Messanordnung einen Kühlmittelbehälter aufweist, der über den Kühlmittelzuführanschluss und/oder den Kühlmittelabführanschluss fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement verbunden ist oder verbindbar ist, und wobei die Messanordnung eine Messeinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Füllstand des Kühlmittelbehälters zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem bestimmten Füllständen den Zustand zu schätzen.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es durch die Ausbildung eines Zwischenzellkühlelements mit einer flexiblen Außenhülle möglich ist, ein Ausdehnungsverhalten von Batteriezellen auf den Füllstand eines Kühlmittelbehälters abzubilden. Volumenänderungen der Batteriezellen lassen sich dann auf einfache Weise über den veränderten Füllstand ermitteln. Zusätzlich kann ein solches Zwischenzellkühlelement zur Kühlung beziehungsweise Temperierung der Batteriezellen im Batteriemodul genutzt werden. Anders ausgedrückt kann eine ohnehin im Batteriemodul oder an den Batteriezellen vorgesehene Kühleinrichtung so ausgestaltet werden, dass sie gleichzeitig auch zur Erfassung einer Volumenänderung oder der Erfassung eines Ausdehnungsverhaltens der Batteriezellen genutzt werden kann. Damit ist zur Ermittlung eines solchen Ausdehnungsverhaltens kein zusätzlicher oder separat zu diesem Zweck vorgesehener Sensor erforderlich. Diese Sensorfunktionalität kann also vorteilhafterweise in ein solches Zwischenzellkühlelement beziehungsweise in die Batteriemodulkühlung integriert werden. Dies spart Bauraum, zusätzliche Komponenten und entsprechend auch Kosten. Gleichzeitig wird hierdurch eine vorteilhafte Möglichkeit bereitgestellt, um den Zustand, z.B. einen Alterungszustand, eines solchen Batteriemoduls abhängig von der Ausdehnung der vom Batteriemodul umfassten Zellen zu schätzen.
Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn der Zellverbund als Zellstapel ausgebildet ist und die Batteriezellen beispielsweise als prismatische Batteriezellen oder Pouchzellen ausgebildet sind. Die Batteriezellen können dann in Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sein, wobei zum Beispiel zwischen je zwei in Stapelrichtung zueinander angeordneten Batteriezellen ein Zwischenzellkühlelement angeordnet sein kann. Bei Pouchzellen beziehungsweise prismatischen Zellen dehnen sich die Zellen typischerweise beim swellingbedingten Ausdehnen in Stapelrichtung aus. Dabei schwellen sie hauptsächlich in einem zentralen Bereich bezogen auf die Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung an. Das Batteriemodul kann also für den Fall, dass dieses mehr als zwei Batteriezellen umfasst, auch entsprechend mehr Zwischenzellkühlelemente aufweisen. Diese können im Wesentlichen gleich ausgebildet sein. Die nachfolgenden Beschreibungen, die sich auf das Zwischenzellkühlelement beziehen, können entsprechend für weitere vom Batteriemodul umfasste Zwischenzellkühlelemente ganz analog gelten. Darüber hinaus kann das Batteriemodul auch ein Modulgehäuse aufweisen, in dem der Zellverbund angeordnet ist. Das Gehäuse kann zum Beispiel als Gehäusestruktur ausgebildet sein beziehungsweise als eine Art Spannrahmen, der den Zellverbund umgibt. Die Gehäusestruktur beziehungsweise das Gehäuse, in welchem der Zellverbund, insbesondere der Zellstapel, aufgenommen ist, kann zum Beispiel so ausgebildet sein, dass er eine Ausdehnung des Zellstapels in Stapelrichtung begrenzt und/oder verhindert. Ein solches Gehäuse gibt also eine maximal mögliche Abmessung des Batteriemoduls in Stapelrichtung vor. Ein Ausdehnen und Zusammenziehen der Batteriezellen im Zuge des eingangs beschriebenen Swellings führt damit nicht zu einem Ausdehnen und Zusammenziehen des Zellstapels beziehungsweise des Batteriemoduls als Ganzes. Damit sich die Zellen im Zuge des Swellings dennoch ausdehnen können, können diese im Zellverbund mit einem Abstand zueinander angeordnet sein. Daraus ergibt sich also ein Zwischenraum zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellen, in welchem das genannte Zwischenzellkühlelement angeordnet sein kann. Auf zusätzliche Swellingkompensierenden Elemente zwischen den Zellen kann damit optional ebenfalls verzichtet werden, da das Zwischenzellkühlelement durch die flexible Außenhülle dazu ausgelegt ist, sich an die Zellgeometrie und eine Änderung der Zellgeometrie bedingt durch das Zellswelling anzupassen. Das Zwischenzellkühlelement kann also derart flexibel ausgebildet sein, dass es einerseits komprimiert wird, wenn sich die beiden an das Zwischenzellkühlelement angrenzenden Batteriezellen ausdehnen, und dass es sich andererseits wieder ausdehnt, wenn sich die angrenzenden Batteriezellen wieder zusammenziehen. Das Zwischenzellkühlelement kann also der Swellingbewegung der Batteriezellen folgen und sein Innenvolumen korrespondierend verringern und vergrößern. Diese Volumenänderung des Innenvolumens des Innenraums des Zwischenzellkühlelements überträgt sich entsprechend auf den Füllstand des Kühlmittelbehälters. Das Zwischenzellkühlelement ist damit zumindest im Betrieb, d.h. wenn dessen Innenraum von einem Kühlmittel durchströmt wird, elastisch komprimierbar. Durch den Kühlmitteldruck kann die Kompression wieder zumindest zum Teil rückgängig gemacht werden, wenn sich die Zellen wieder beim Entladen zusammenziehen bzw. abschwellen.
Im Betrieb der Messanordnung beziehungsweise im Betrieb des Batteriemoduls ist in dem Kühlmittelbehälter Kühlmittel aufgenommen. Der Kühlmittelbehälter kann dabei zum Beispiel permanent fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement verbunden sein, insbesondere über den Kühlmittelzuführanschluss und/oder den Kühlmittelabführanschluss, oder situativ gekoppelt werden, zum Beispiel mittels einer Ventileinrichtung. Umfasst das Batteriemodul beispielsweise mehrere Zwischenzellkühlelemente, so können alle diese Zwischenzellkühlelemente an den gleichen Kühlmittelbehälter fluidisch angeschlossen sein. Der mit dem mindestens einen Zwischenzellkühlelement gekoppelte Kühlmittelbehälter stellt damit zusammen mit dem mindestens einen Zwischenzellkühlelement einen Teil eines Kühlkreislaufs zum Kühlen der Batteriezellen dar. Ein solcher Kühlkreislauf kann zudem eine Kühlmittelpumpe aufweisen, mittels welcher ein Kühlmittel in das Zwischenzellkühlelement gepumpt werden kann und im Kühlkreislauf zirkuliert werden kann. Das Kühlmittel durchströmt den Innenraum des Zwischenzellkühlelements entsprechend und wird aus der Kühlmittelabführleitung beziehungsweise dem Kühlmittelabführanschluss wieder aus dem Zwischenzellkühlelement abgeführt. Dieser Kühlkreislauf kann zudem mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein, um das Kühlmittel zu temperieren. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers kann das Kühlmittel wieder in das Zwischenzellkühlelement gefördert werden. Die Kühlmittelbehälter, der auch als Ausgleichsbehälter bezeichnet werden kann, ist fluidisch an diesen Kreislauf angeschossen. Durch diese Kopplung kann er Volumenschwankungen im Kreislauf ausgleichen und Kühlmittel in den Kreislauf nachführen oder aus diesem aufnehmen.
Die Messeinrichtung kann zum Beispiel einen Füllstandssensor umfassen, um den Füllstand des Kühlmittelbehälters zu bestimmen. Bei der Bestimmung des Füllstands des Kühlmittelbehälters bestimmt die Messeinrichtung entsprechend den aktuellen Stand, das heißt die Füllhöhe oder das Füllvolumen des im Kühlmittelbehälter befindlichen Kühlmittels.
Das Batteriemodul kann zudem Distanzelemente aufweisen, die zwischen je zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen angeordnet sind, insbesondere in einem Randbereich dieser Batteriezellen, um im Randbereich der Batteriezellen einen durch dieses Distanzelement vorgegebenen Mindestabstand zwischen den Batteriezellen zu definieren. Dieses Distanzelement ist entsprechend inkompressibel ausgebildet. Ein solches Distanzelement kann zum Beispiel auch als Teil des Zwischenzellkühlelements umgesetzt sein. Beispielsweise kann dieses Distanzelement im Bereich einer oder zweier gegenüberliegender Kanten der Außenhülle angeordnet sein oder die Außenhülle vollständig oder nahezu vollständig im Randbereich umlaufend angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass durch das Zellswelling die flexible Außenhülle des Zwischenzellkühlelements plattgedrückt wird und ein Durchströmen der Außenhülle mit dem Kühlmittel dadurch verhindert wird.
Als Kühlmittel wird bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel verwendet, insbesondere ein wasserbasiertes Kühlmittel, z.B. Wasser mit optionalen Zusätzen.
Die flexible Außenhülle kann zum Beispiel durch zwei Folien gebildet sein, die umlaufend randseitig miteinander gefügt sind, zum Beispiel miteinander verschweißt sind. Bei den Folien kann es sich um Metallfolien handeln oder um Kunststofffolien. Die Außenhülle weist zudem zwei Schnittstellen bzw. Kopplungsstellen auf, die den Kühlmittelzuführanschluss und den Kühlmittelabführanschluss bereitstellen auf. Diese Anschlüsse koppeln den übrigen Kühlkreislauf mit dem Inneren der Außenhülle.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, als den Zustand einen Alterungszustand des Batteriemoduls und/oder einen fehlerhaften Zustand des Batteriemoduls zu schätzen. Wie eingangs beschrieben gibt es beim Zellswelling einen irreversiblen Swellinganteil, der alterungsbeding bestehen bleibt. Dieser irreversible Swellinganteil nimmt abhängig von der Alterung der Batteriezelle im Laufe der Zeit zu. Je älter eine Batteriezelle ist bzw. je stärker eine Batteriezelle altert, desto größer ist der irreversible Swellinganteil, z.B. bezogen auf einen definierten, initialen Referenzzustand der Batteriezelle zu Beginn ihrer Lebenszeit, bzw. desto schneller nimmt der irreversible Swellinganteil zu. Damit kann über die Ausdehnung der Zellen auf den irreversible Swellinganteil geschlossen werden, der wiederum ein Maß für den Alterungszustand der Batteriezellen ist. Der Alterungszustand kann auch als Gesundheitszustand der Batteriezellen bezeichnet werden.
Aus der Betrachtung des Füllstands, insbesondere im zeitlichen Verlauf, lässt sich vorteilhafterweise aber nicht nur der Alterungszustand des Batteriemoduls ermitteln, sondern beispielsweise kann auch das Vorliegen eines Defekts erkannt werden. Kommt es beispielsweise zu einer abrupten Erhöhung des Füllstands, so lässt dies beispielsweise auf ein sehr untypisches starkes Ausdehnen einer Batteriezelle oder einen Defekt einer solchen Batteriezelle schließen. Kommt es zu einem abrupten Füllstandsabfall, so kann beispielsweise auf ein Leck im Kühlkreislauf geschlossen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, den Füllstand des Kühlmittelbehälters wiederholt zu bestimmen und in Abhängigkeit von den wiederholt erfassten Füllständen den Zustand (SOH) zu schätzen, insbesondere wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt, den Füllstand wiederholt für mehrere Ladezyklen des Batteriemoduls zu bestimmen. Wie eingangs beschrieben, dehnen sich Batteriezellen, wie auch die vorliegenden Batteriezellen, beim Laden aus, das heißt sie schwellen an, und sie ziehen sich beim Entladen wieder zusammen, das heißt sie schwellen ab. Ein Ladezyklus kann von einem Lademaximum zum nächsten Lademaximum definiert sein, das heißt als die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu welchem die Batteriezelle beziehungsweise das Batteriemodul einen maximalen Ladezustand aufweist, bis zum nächsten Zeitpunkt, zu welchem die Batteriezelle beziehungsweise das Batteriemodul einen maximalen Ladezustand aufweist. Er kann auch als die Zeitspanne zwischen zwei Ladevorgängen definiert sein, bei welchen das Batteriemodul an einer fahrzeugexternen Ladeeinrichtung elektrisch geladen wird. Der maximale Ladezustand muss dabei nicht notwendigerweise als der maximal mögliche Ladezustand definiert sein. Mit anderen Worten kann der maximale Ladezustand auch weniger als 100 Prozent SoC (State of Charge, Ladezustand) betragen.
Besonders vorteilhaft ist die Betrachtung beziehungsweise die Überwachung des Füllstands über mehrere Ladezyklen hinweg. Daher kann es also vorgesehen sein, dass während eines Ladezyklus der Füllstand mindestens einmal ermittelt wird. Im Verlauf eines nachfolgenden Ladezyklus wird der Füllstand mindestens einmal erneut ermittelt. Gerade die Betrachtung über mehrere Ladezyklen hinweg erlaubt eine Aussage über die Alterung des Batteriemoduls. Wie eingangs beschrieben, hat das alterungsbedingte Swelling zur Folge, dass eine Batteriezelle ihren ursprünglichen nicht ausgedehnten Zustand nicht wieder erreichen kann. Die minimale Ausdehnung der Zelle nimmt also beispielsweise von Ladezyklus zu Ladezyklus zu und gibt damit Aufschluss über die Alterung beziehungsweise die Stärke der Alterung. Daher ist die Betrachtung mehrerer Ladezyklen beziehungsweise die Vermessung des Füllstands für mehrere Ladezyklen sehr vorteilhaft.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem wiederholt erfassten Füllstand einen zeitlichen Verlauf des Füllstands zu ermitteln und in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf den Zustand zu schätzen. Wird also der zeitliche Verlauf des Füllstands, vor allen über mehrere Ladezyklen hinweg, betrachtet, so kann daraus beispielsweise der irreversible Swellinganteil einfach ermittelt werden. Dieser stellt ein Maß für den Zustand des Batteriemoduls beziehungsweise der von diesem umfassten Zellen dar. Daher ist es sehr vorteilhaft, den zeitlichen Verlauf des erfassten Füllstands auszuwerten.
Der Füllstand des Kühlmittelbehälters kann dabei quasi permanent erfasst beziehungsweise überwacht werden oder auch nur zeitweise. Beispielsweise kann der Füllstand während der Fahrt oder auch im inaktiven Zustand des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Der Füllstand kann zum Beispiel alle x Kilometer erfasst werden, wobei x kleiner ist als die maximale Reichweite, die mit einer vollgeladenen Batterie, die das Batteriemodul umfasst, erreicht werden kann, wenn diese Batterie in einem Kraftfahrzeug Verwendung findet. Der Füllstand kann aber auch nur einmal pro Ladezyklus erfasst werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, beim Erfassen eines jeweiligen Füllstands eine aktuelle Kühlmitteltemperatur zu bestimmen und den Zustand zusätzlich in Abhängigkeit von den wiederholt bestimmten, den jeweiligen Füllständen zugeordneten Kühlmitteltemperaturen zu schätzen. Dadurch kann vorteilhafterweise auch der Einfluss der Temperatur auf die Ausdehnung der Batteriezellen sowie auch auf die Ausdehnung des Kühlmittels selbst berücksichtigt werden. Wird also beispielsweise eine Messung zur Bestimmung des Füllstands durchgeführt, so kann zeitgleich oder in einem möglichst kurzen Zeitraum zuvor oder danach auch die Temperatur des Kühlmittels bestimmt werden. Der Einfluss der Temperatur auf den Füllstand kann damit vorteilhafterweise herausgerechnet werden. Dadurch lässt sich der Zustand noch genauer ermitteln.
Zur Ermittlung der Temperatur kann die Messeinrichtung einen Temperatursensor aufweisen. Dieser kann in den oben beschriebenen Kühlkreislauf integriert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, den Zustand zusätzlich in Abhängigkeit von einem jeweiligen, ermittelten Ladezustand des Batteriemoduls zu bestimmen, den das Batteriemodul beim Ermitteln eines jeweiligen Füllstands aufweist. Dies ist ebenfalls sehr vorteilhaft, da hierdurch auch der ladezustandsbedingte Swellinganteil berücksichtigt und bei der Ermittlung des Zustands herausgerechnet werden kann. Beispielsweise ist es vorteilhaft, zur Ermittlung des Zustands den Füllstand des Batteriemoduls zu unterschiedlichen Zeiten für den gleichen Ladezustand des Batteriemoduls miteinander zu vergleichen. Im Laufe der Zeit sollte es alterungsbedingt zu einem Anstieg des Füllstands unter sonst gleichen Bedingungen, das heißt bei gleichem Ladezustand des Batteriemoduls und für die gleiche Temperatur des Batteriemoduls beziehungsweise des Kühlmittels, kommen. Die Erfassung der Temperatur sowie des Ladezustands zusätzlich zur Bestimmung der jeweiligen Füllstände ist damit sehr vorteilhaft, um den Zustand genau ermitteln zu können.
Grundsätzlich ist es auch möglich, den Ladezustand des Batteriemoduls dabei unberücksichtigt zu lassen. Dies ist zum Beispiel möglich, wenn der zeitliche Verlauf des Füllstands über sehr viele Ladezyklen hinweg ermittelt und ausgewertet wird. Im Mittel lässt sich hierbei bedingt durch die Alterung eine mittlere Zunahme des minimalen Füllstands oder des maximalen Füllstands oder auch eines durchschnittlichen Füllstands im Laufe der Zeit verzeichnen, wobei dieser Anstieg ebenfalls Aufschluss über den Zustand des Batteriemoduls gibt.
Die Betrachtung des Ladezustands beziehungsweise die zusätzliche Erfassung des Ladezustands hat jedoch sehr große Vorteile und ermöglicht zudem, dass der Zustand basieren auf nur sehr wenigen, erfassten Füllstandswerten ermittelt werden kann.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, den Füllstand wiederholt für einen gleichen Ladezustand des Batteriemoduls zu erfassen und insbesondere eine zeitliche Zunahme des wiederholt ermittelten Füllstands zu bestimmen und den Zustand in Abhängigkeit von der Zunahme zu schätzen. In diesem Fall ist es also prinzipiell ausreichend, den Füllstand nur einmalig pro Ladezustand zu ermitteln, wobei der Füllstand für jeden Ladezyklus immer für den gleichen Ladezustand des Batteriemoduls, also immer zum Beispiel bei 40 Prozent SoC oder immer bei 70 Prozent SoC, ermittelt wird. Damit sind die erfassten Messwerte für den Füllstand einfacher vergleichbar und der Einfluss des Ladezustands des Batteriemoduls muss nicht herausgerechnet werden. Die zeitliche Zunahme dieses Füllstands, zum Beispiel auch des in Bezug auf die aktuelle Temperatur normierten Füllstands, gibt dann entsprechend Aufschluss über die Alterung. Somit ist es also sehr vorteilhaft, insbesondere unter Berücksichtigung der aktuellen Temperatur bei einer jeweiligen Messung des Füllstands, die zeitliche Zunahme des wiederholt ermittelten Füllstands zu bestimmen und daraus den Zustand oder die Zunahme der Alterung des Batteriemoduls zu schätzen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, den wiederholt erfassten Füllstand oder eine daraus abgeleitete Größe mit mindestens einem Referenzwert oder einer Referenzkurve, beispielsweise einer Sollkurve, zu vergleichen und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs den Zustand zu schätzen. Ein solcher Referenzwert beziehungsweise eine solche Referenzkurve kann zum Beispiel den Füllstandsverlauf im Laufe der Zeit für eine durchschnittliche Zellalterung oder Batteriemodulalterung beschreiben. Durch Vergleich mit einem solchen Referenzwert oder einer Referenzkurve lässt sich also ermitteln, ob das Batteriemodul überdurchschnittlich stark oder unterdurchschnittlich stark altert. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Referenzbereich vorgegeben sein. Liegt der zeitliche Verlauf des Füllstands innerhalb dieses Referenzbereichs, so unterliegt das Batteriemodul einer normalen Alterung und andernfalls liegt eine überdurchschnittliche oder unterdurchschnittliche Alterung vor. Der Füllstandswert, der mit dem Referenzwert verglichen wird, bezieht sich dabei bevorzugt auf einen gleichen Temperaturwert und den gleichen Ladezustandswert des Batteriemoduls. Damit kann also für einzelne, erfasste Füllstände ermittelt werden, was das Batteriemodul für einen Zustand aufweist.
Die Referenzkurve beziehungsweise der Referenzwert kann durch ein in der Messeinrichtung gespeichertes Kennlinienfeld bereitgestellt sein. Ein solches Kennlinienfeld kann zum Beispiel die Größen Füllstand, Temperatur, Ladezustand und Alterungszustand in Zusammenhang setzen. Außerdem kann so ein Referenzkennfeld für eine gleichartige Messanordnung erstellt worden sein. Damit kann beispielsweise der Füllstandswert direkt verglichen werden. Andernfalls kann der ermittelte Füllstand auch gemäß einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift in eine Ausdehnung der Batteriezellen umgerechnet werden, zum Beispiel eine bestimmte Füllstandszunahme in eine durchschnittliche Volumenzunahme pro Zelle. Dann kann das Kennlinienfeld beispielsweise auch die Größen Zellvolumen, Temperatur, Ladezustand und Alterungszustand in Zusammenhang setzen.
Aus der Betrachtung des Füllstands, insbesondere im zeitlichen Verlauf, lässt sich vorteilhafterweise aber nicht nur der Alterungszustand des Batteriemoduls ermitteln, sondern beispielsweise kann auch das Vorliegen eines Defekts erkannt werden, wie oben bereits beschrieben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messanordnung dazu ausgelegt, ein Signal in Abhängigkeit von dem geschätzten Zustand auszugeben, insbesondere um den geschätzten Zustand mittels einer Ausgabeeinrichtung, zum Beispiel einer Anzeigeeinrichtung, auszugeben. Die Messanordnung kann also dazu ausgelegt sein, den ermittelten Zustand, der im Allgemeinen wiederholt ermittelt werden kann beziehungsweise fortwährend ermittelt werden kann, über eine Ausgabeeinrichtung, zum Beispiel an einen Benutzer, auszugeben.
Der aktuelle Zustand kann zum Beispiel in einem Display des Kraftfahrzeugs angezeigt werden. Dadurch ist der Fahrer beziehungsweise Nutzer des Kraftfahrzeugs immer über den aktuellen Zustand seiner Batterie informiert. Auch können einem Benutzer des Kraftfahrzeugs Hinweise auf eine übermäßig starke Alterung ausgegeben werden oder entsprechende Warnungen oder Empfehlungen, die Batterie schonender zu behandeln. Im Falle der Detektion eines Defekts kann eine Aufforderung zum Aufsuchen einer Werkstatt ausgegeben werden. In Abhängigkeit vom ermittelten Zustand können aber auch fahrzeuginterne oder batterieinterne Vorgänge gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Ladestrategie zum Laden des Batteriemoduls an einer externen Energiequelle in Abhängigkeit von einem aktuellen Alterungszustand angepasst werden. So kann eine schonendere Ladestrategie mit geringerer Ladeleistung gewählt werden, wenn festgestellt wird auf Basis des aktuell geschätzten Alterungszustands, dass die Batterie übermäßig stark gealtert ist. Der geschätzte Alterungszustand kann auch in einem Speicher der Messanordnung abgelegt werden. Insbesondere kann dort ein Alterungszustandsverlauf abgelegt sein, der sich aus mehreren ermittelten bzw. geschätzten Alterungszuständen ergibt. Ein solcher Speicher kann zum Beispiel nach Bedarf auch von einem Benutzer oder einer Werkstatt ausgelesen werden. Im Falle eines Verkaufs des Fahrzeugs können dadurch zum Beispiel auch sehr genau der Restwert des Energiespeichers und dessen Alterungszustand ermittelt werden und einem potentiellen Käufer angezeigt werden.
Die Messanordnung kann darüber hinaus nicht nur ein einzelnes Batteriemodul, sondern auch mehrere Batteriemodule aufweisen. Insbesondere kann die Messanordnung auch eine Hochvoltbatterie aufweisen, die das Batteriemodul, insbesondere die mehreren Batteriemodule, umfasst. Für die mehreren Batteriemodule können optional auch mehrere Kühlmittelbehälter vorgesehen sein, die separat überwacht werden beziehungsweise deren Füllstände separat bestimmt und ausgewertet werden. Damit lassen sich die Alterungszustände der jeweiligen Batteriemodule unabhängig voneinander ermitteln. Dies ermöglicht auch einen Vergleich der Alterungszustände der Batteriemodule untereinander.
Dies vereinfacht zum Beispiel auch die Detektion möglicher Defekte eines solchen Batteriemoduls, zum Beispiel wenn ein Batteriemodul ein auffällig anderes Verhalten zeigt hinsichtlich seines Alterungszustands, als die anderen Batteriemodule. Bevorzugt ist es jedoch, dass für alle Batteriemodule ein gemeinsamer Kühlmittelbehälter vorgesehen ist. Dadurch lässt sich der Alterungszustand für eine Hochvoltbatterie beziehungsweise die mehreren Batteriemodule als Ganzes ermitteln. Dadurch wird der Aufbau des Kühlkreislaufs vereinfacht und der messtechnische Aufwand wird reduziert.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Schätzen eines Zustands eines Batteriemoduls, das einen Zellverbund aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen umfasst, wobei der Zustand in Abhängigkeit von einer Ausdehnung der Batteriezellen geschätzt wird. Dabei weist das Batteriemodul ein von einem Kühlmittel durchströmtes Zwischenzellkühlelement auf, das zwischen den zwei Batteriezellen angeordnet ist und das eine flexible Außenhülle aufweist, die einen Innenraum umschließt, und die einen Kühlmittelzuführanschluss und einen Kühlmittelabführanschluss aufweist. Weiterhin wird das Zwischenzellkühlelement durch die Ausdehnung der Batteriezellen derart komprimiert, dass sich ein Volumen des Innenraums verringert, wobei ein Kühlmittelbehälter über den Kühlmittelzuführanschluss und/oder den Kühlmittelabführanschluss fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement verbunden ist und wobei ein Füllstand des Kühlmittelbehälters erfasst wird und in Abhängigkeit von dem erfassten Füllstand der Zustand geschätzt wird.
Die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für die Messanordnung. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Prozessoreinrichtung kann z.B. auf zumindest einer Schaltungsplatine und/oder auf zumindest einem SoC (System on Chip) basieren.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls für eine Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Batteriemodul einen bestimmten kleinen Ladezustand aufweist;
2 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 1 bei einem größeren Ladezustand;
3 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 1, wobei das Batteriemodul gealtert ist und den gleichen bestimmten kleinen Ladezustand aufweist;
4 eine grafische Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der Ausdehnung beziehungsweise Dicke der Zellen im Verlaufe der Zeit und des korrespondierenden Füllstands eines Kühlmittelreservoirs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Batteriemodul einen geringen Ladezustand aufweist; und
6 eine schematische Darstellung der Messanordnung aus 5, wobei das Batteriemodul einen höheren Ladezustand aufweist oder stärker gealtert ist.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10 für eine Messanordnung 12 (vergleiche 5) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist mindestens zwei Batteriezellen 14 auf, die in diesem Beispiel als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind. Die Batteriezellen 14 können zu einer Zellanordnung, in diesem Beispiel in Form eines Zellstapels 16, bereitgestellt sein. Die Batteriezellen 14 sind demzufolge in einer Stapelrichtung x nebeneinander angeordnet. Zwischen den beiden Batteriezellen 14 befindet sich ein Zwischenzellkühlelement 18. Dieses umfasst eine flexible Außenhülle 20, die zum Beispiel durch eine Folie beziehungsweise zwei miteinander gefügte Folien bereitgestellt sein kann. Außerdem umfasst das Zwischenzellkühlelement 18 ein inkompressibles oder im Wesentlichen inkompressibles Rahmenteil 22. Dieses kann wie im vorliegenden Beispiel an der oberen und unteren Kante der Außenhülle 20 bezogen auf die hier dargestellte z-Richtung angeordnet sein. Diese Rahmenelemente 22 können aber auch an den Kanten der Außenhülle 20 angeordnet sein, die die Außenhülle 20 in und entgegen der y-Richtung begrenzen. Durch diese Rahmenelemente 22 ist gleichzeitig ein Distanzelement bereitgestellt, durch welches ein bestimmter Mindestabstand der Zellen 14 in deren Randbereich R gewährleistet wird.
Das Zwischenzellkühlelement 18 ist zudem so ausgestaltet, dass dieses von einem Kühlmittel 24 (vergleiche 5) durchströmbar ist. Zu diesem Zweck kann das Zwischenzellkühlelement 18 zudem einen Kühlmittelzuführanschluss 26 und einen Kühlmittelabführanschluss 28 (vergleiche 5) aufweisen.
Die flexible Außenhülle 20 schließt dabei einen von dem Kühlmittel 24 durchströmbaren Innenraum 30 des Zwischenzellkühlelements 18 ein.
Die Zellen 14, wie diese in 1 dargestellt sind, weisen dabei einen bestimmten kleinen Ladezustand SOC1 auf. Außerdem kann es sich dabei um Zellen 14 zu Beginn ihrer Lebensdauer handeln. Jeder Zelle 14 kann in Stapelrichtung x eine maximale Dicke D0 zugeordnet sein, welche die Dicke der Zelle 14 in x-Richtung bezogen auf einen zentralen Bereich BZ der Zelle 14 definieren kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Batteriemoduls 10 aus 1, wobei nunmehr die Zellen 14 einen größeren Ladezustand SOC2 aufweisen. Während des Ladens der Batteriezellen 14 dehnen diese sich aus, was auch als Swelling bezeichnet wird. Demzufolge weisen die Zellen 14 nunmehr einen zweite Dicke D1 auf, die größer ist als die ursprüngliche Dicke D0 der Zellen 14 im weniger geladenen Zustand. Während des Entladens der Zellen 14 geht das Swelling wieder annähernd zurück in den Ausgangszustand. Allerdings bleibt ein irreversibler Swellinganteil bestehen, der auch als Alterungsswelling bezeichnet wird. Dies ist in 3 illustriert.
3 zeigt dabei eine schematische Darstellung des Batteriemoduls 10 aus 1 und 2, wobei nunmehr die Zellen 14 wiederum ihren ursprünglichen bestimmten Ladezustand SOC1 aufweisen. Weiterhin weisen die Zellen 14 eine korrespondierende Dicke D2 im zentralen Bereich BZ auf, die entsprechend wiederum geringer ist als die Dicke D1 im stärker geladenen Zustand. Allerdings korrespondiert nunmehr diese dritte Dicke D2 nicht mehr zur ursprünglichen Dicke D0 bei gleichem Ladezustand SOC1, sondern ist größer. Die Differenz zwischen dieser dritten Dicke D2 und der ursprünglichen Dicke D0 ist der irreversible Swellinganteil. Dieses Ausdehnungsverhalten von Zellen 14 im Laufe der Zeit ist nochmal in 4 grafisch veranschaulicht.
4 zeigt dabei eine schematische beziehungsweise grafische Darstellung des Verlaufs der Ausdehnung A beziehungsweise der Dicke D von Zellen 14 im Laufe der Zeit t über mehrere Ladezyklen Z hinweg. Ein Ladezyklus kann zum Beispiel als die Zeitspanne zwischen zwei maximal geladenen Zuständen einer Zelle 14 definiert sein. Dieser in 4 dargestellte Verlauf 4 korrespondiert im Übrigen auch qualitativ zum zeitlichen Verlauf eines Füllstands F eines Kühlmittelbehälters 32 (vergleiche 5), der entsprechend verwendet werden kann, um die Ausdehnung A beziehungsweise Dicke D der Zellen 14 zu bestimmen und entsprechend um deren Zustand, z.B. Alterungszustand zu schätzen. Wie aus 4 ersichtlich ist, nimmt der irreversible Swellinganteil im Laufe der Zeit t stetig zu. Das heißt, für gleiche Ladezustände einer Zelle 14, und bei gleicher Temperatur, dehnt sich die Zelle 14 ebenso im Laufe der Zeit t aus. Je stärker diese Ausdehnung gegenüber dem ursprünglichen Zustand der Zelle 14 ist, je stärker ist die Zelle gealtert beziehungsweise desto höher bzw. schlechter ist ihr Alterungszustand.
Durch den Einsatz eines solchen flexiblen Kühlers, wie dieser zwischen den Zellen des Batteriesystems beziehungsweise des Batteriemoduls 10 in Form des Zwischenzellkühlelements 18 bereitgestellt ist, kann also über den Füllstand F des Kühlwasserausgleichsbehälters 32 ein Rückschluss auf den Zustand der Zellen 14 im System getroffen werden.
Dies wird nun nochmal anhand von 5 und 6 erläutert.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 12 umfasst ein Batteriemodul 10 mit mehreren in einer Stapelrichtung x nebeneinander angeordneten Batteriezellen 14. Das Batteriemodul 10 kann dabei wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf den Unterschied, dass dieses nunmehr mehrere, das heißt mehr als zwei, Batteriezellen 14 umfasst. Entsprechend umfasst das Batteriemodul 10 auch mehrere Zwischenzellkühlelemente 18. Insbesondere ist hierbei zwischen je zwei benachbart zueinander angeordneten Zellen 14 ein solches Zwischenzellkühlelement 18 angeordnet. Jedes der Zwischenzellkühlelemente 18 weist einen Kühlmittelzuführanschluss 26 und einen Kühlmittelabführanschluss 28 auf.
Außerdem umfasst das Batteriemodul 10 ein Gehäuse 34, welches eine Ausdehnung des Zellstapels 16 in und entgegen x-Richtung begrenzt beziehungsweise verhindert. Die Messanordnung 12 umfasst weiterhin einen Temperatursensor 36 zur Erfassung einer aktuellen Temperatur des Kühlmittels 24, einen Spannungssensor 38 zur Erfassung einer Zellspannung oder Modulspannung des Batteriemoduls 10, aus welcher der aktuelle Ladezustand SOC des Batteriemoduls 10 bestimmt werden kann, und einen Füllstandssensor 40, der den aktuellen Füllstand beziehungsweise die Füllhöhe des Kühlmittels 24 im Ausgleichsbehälter 32 erfasst. Weiterhin kann die Messanordnung 12 eine Messeinrichtung 42 aufweisen, die die erfassten Messgrößen auswertet und daraus den Alterungszustand SOH des Batteriemoduls 10 bestimmt. Die Ermittlung des aktuellen Ladezustands SOC auf Basis der erfassten Modulspannung V kann ebenfalls durch die Messeinrichtung 42 durchgeführt werden. Weiterhin weist die Messanordnung 12 einen Kühlkreislauf 44 auf, an den die Zwischenzellkühlelemente 18 angeschlossen sind, insbesondere über ihre jeweiligen Zu- und Abführanschlüsse 26, 28. Dieser Kühlmittelkreislauf 44 kann zudem eine Pumpe 46 zum Pumpen des Kühlmittels 24 durch den Kühlmittelkreislauf 44 aufweisen. Außerdem ist vorliegend exemplarisch auch ein Kühler oder Wärmetauscher 48 als Teil des Kühlkreislaufes 44 dargestellt, über welchen Wärme aus dem Kühlkreislauf 44 abgeführt werden kann oder Wärme dem Kühlkreislauf 44 zugeführt werden kann, um das Kühlmittel 24 entsprechend zu temperieren. Auch der Kühlmittelausgleichsbehälter 32 ist an den Kühlkreislauf 44 angeschlossen und dadurch über den jeweiligen Kühlmittelzu- und -abführanschluss 26, 28 fluidisch mit dem Inneren 30 eines jeweiligen Zwischenzellkühlelements 18 verbunden.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Messanordnung 12 aus 5, wobei nunmehr die Zellen 14 des Batteriemoduls 10 stärker ausgedehnt sind als im in 5 dargestellten Zustand. Gemäß dem in 5 dargestellten Zustand können die Zellen 14 zum Beispiel wiederum eine initiale Dicke D0 aufweisen, und in dem Zustand, der in 6 dargestellt ist, eine größere Dicke D1. Diese kann nun durch einen höheren Ladezustand SOC bedingt sein, aber auch durch eine gewisse Alterung der Zellen 14. Dehnen sich die Zellen 14 also entsprechend im Zuge des Aufladens und/oder der Alterung aus, so führt dies entsprechend zu einer Kompression der flexiblen Außenhülle 20 der Zwischenzellkühlelemente 18. Dadurch verringert sich das jeweilige Innenvolumen 30 der Zwischenzellkühlelemente 18. Dadurch kann dieses Innenvolumen 30 von einer geringeren Menge Kühlmittel 24 durchströmt werden. Mit anderen Worten wird hierdurch ein gewisses Kühlmittelvolumen verdrängt, wodurch der Füllstand F, der gemäß 5 einen ersten Füllstandswert F1 aufweist, in der Situation, die in 6 dargestellt ist, vergrößert, und entsprechend einen zweiten Wert F2 aufweist, der größer ist als der erste Wert F1. Dies kann entsprechend vom Füllstandssensor 40 erfasst werden. Der Pegel beziehungsweise Füllstand F kann also im geladenen beziehungsweise gealterten Zustand der Zellen 14 durch den Füllstandssensor 40 gemessen werden. Durch die Ausdehnung der Zellen 14 werden die Kühler zwischen den Zellen 14, das heißt also die Zwischenzellkühlelemente 18, zusammengedrückt und verdrängen das Kühlmedium 24, wodurch der Pegel F im Ausgleichsbehälter 32 steigt. Während des Entladens der Zelle 14 geht das Swelling entsprechend wieder annähernd zurück in den Ausgangszustand. Entsprechend reduziert sich auch der Füllstand F wieder korrespondierend. Der Füllstand F nimmt im Laufe der Lebensdauer einer Zelle 14 einen typischen Verlauf, wie dieser bereits zu 4 beschrieben wurde. Das alterungsbedingte Swelling nimmt über einen zeitlichen und einen zyklischen Anteil stetig zu. Durch die Auswertung des Pegels F, insbesondere in Abhängigkeit von einer jeweils korrespondierend hierzu auch ermittelten Temperatur T und des Ladezustands SOC, können entsprechend Rückschlüsse auf den allgemeinen Zustand der im System verbauten Zellen 14 hinsichtlich ihrer Alterung getroffen werden. Durch eine Aufteilung in mehrere Kühlkreisläufe 44 kann die qualitative Aussage noch verbessert werden.
Die Messeinrichtung kann also mittels des Füllstandssensors 40 zum Beispiel wiederholt den Füllstand F ermitteln und unter Verwendung eines in einem Speicher 42a der Messeinrichtung 42 abgelegten Kennfeldes K kann zum Beispiel bestimmt werden, ob die Alterung des Batteriemoduls 10 einem Sollverlauf entspricht oder übermäßig stark oder deutlich schwächer als im Durchschnitt ausfällt. Die Messeinrichtung 42 kann den Alterungszustand SOH wiederholt ermitteln beziehungsweise überwachen. Die ermittelten Werte können zum Beispiel ebenfalls im Speicher 42a abgelegt und gespeichert werden. Außerdem kann der aktuelle Alterungszustand SOH auch einem Benutzer des Fahrzeugs, in welchem die Messanordnung 12 Anwendung findet, über ein Display oder eine andere Ausgabeeinrichtung angezeigt oder ausgegeben werden. Auch andere Funktionen des Kraftfahrzeugs können in Abhängigkeit von dem ermittelten Alterungszustand SOH gesteuert werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Zellzustandserkennung über einen Pegel des Ausgleichsbehälters bereitgestellt werden kann. Durch den Einsatz flexibler Kühler zwischen den Zellen eines Batteriesystems kann über den Füllstand des Kühlwasserausgleichsbehälters ein Rückschluss auf den Zustand der Zellen im System getroffen werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Aussagefähigkeit über den Zustand und das Swellingverhalten der Zellen durch Verwendung vorhandener Sensorik des Batterie- beziehungsweise Thermomanagementsystems im Fahrzeug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013007011 A1 [0004]
DE 102015211598 A1 [0005]
DE 102014103800 B4 [0006]

Claims

Messanordnung (12) zum Schätzen eines Zustands (SOH) eines Batteriemoduls (10), wobei die Messanordnung (12) das Batteriemodul (10) umfasst, das einen Zellverbund (16) aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen (14) umfasst, und wobei die Messanordnung (12) dazu ausgelegt ist, den Zustand (SOH) in Abhängigkeit von einer Ausdehnung (A) der Batteriezellen (14) zu schätzen, dadurch gekennzeichnet, dass - das Batteriemodul (10) ein von einem Kühlmittel (24) durchströmbares Zwischenzellkühlelement (18) aufweist, das zwischen den zwei Batteriezellen (14) angeordnet ist und das eine flexible Außenhülle (20) aufweist, die einen Innenraum (30) umschließt, und die einen Kühlmittelzuführanschluss (26) und einen Kühlmittelabführanschluss (28) aufweist, - wobei das Zwischenzellkühlelement (18) durch die Ausdehnung (A) der Batteriezellen (14) derart komprimierbar ist, dass sich ein Volumen des Innenraums (30) verringert, - wobei die Messanordnung (12) einen Kühlmittelbehälter (32) aufweist, der über den Kühlmittelzuführanschluss (26) und/oder den Kühlmittelabführanschluss (28) fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement (18) verbunden ist oder verbindbar ist, und - wobei die Messanordnung (12) eine Messeinrichtung (42, 40, 36) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Füllstand (F; F1, F2) des Kühlmittelbehälters (32) zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem Füllstand (F; F1, F2) den Zustand (SOH) zu schätzen.
Messanordnung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, als den Zustand (SOH) einen Alterungszustand (SOH) des Batteriemoduls (10) und/oder einen fehlerhaften Zustand des Batteriemoduls (10) zu schätzen.
Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, den Füllstand (F; F1, F2) des Kühlmittelbehälters (32) wiederholt zu bestimmen und in Abhängigkeit von den wiederholt erfassten Füllständen (F; F1, F2) den Zustand (SOH) zu schätzen, insbesondere wobei die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, den Füllstand (F; F1, F2) wiederholt für mehrere Ladezyklen (Z) des Batteriemoduls (10) zu bestimmen.
Messanordnung (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem widerholt erfassten Füllstand (F; F1, F2) einen zeitlichen Verlauf des Füllstands (F; F1, F2) zu ermitteln und in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf den Zustand (SOH) zu schätzen.
Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, beim Erfassen eines jeweiligen Füllstands (F; F1, F2) eine aktuelle Kühlmitteltemperatur (T) zu bestimmen und den Zustand (SOH) zusätzlich in Abhängigkeit von den widerholt bestimmten, den jeweiligen Füllständen (F; F1, F2) zugeordneten Kühlmitteltemperaturen (T) zu schätzen; und/oder - die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, den Zustand (SOH) zusätzlich in Abhängigkeit von einem jeweiligen, ermittelten Ladezustand (SOC; SOC1, SOC2) des Batteriemoduls (10) zu bestimmen, den das Batteriemodul (10) beim Ermitteln eines jeweiligen Füllstands (F; F1, F2) aufweist.
Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, den Füllstand (F; F1, F2) wiederholt für einen gleichen Ladezustand (SOC; SOC1, SOC2) des Batteriemoduls (10) zu erfassen, und insbesondere eine zeitliche Zunahme des wiederholt ermittelten Füllstands (F; F1, F2) zu bestimmen und den Zustand (SOH) in Abhängigkeit von der Zunahme zu schätzen.
Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (42, 40, 36) dazu ausgelegt ist, den wiederholt erfassten Füllstand (F; F1, F2) oder eine daraus abgeleitete Größe mit mindestens einem Referenzwert (K) zu vergleichen und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs den Zustand (SOH) zu schätzen.
Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (12) dazu ausgelegt ist, ein Signal in Abhängigkeit von dem geschätzten Zustand (SOH) auszugeben, insbesondere um den geschätzten Zustand (SOH) mittels einer Ausgabeeinrichtung, z.B. einer Anzeigeeinrichtung, auszugeben.
Kraftfahrzeug mit einer Messanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Schätzen eines Zustands (SOH) eines Batteriemoduls (10), das einen Zellverbund (16) aufweist, der mindestens zwei Batteriezellen (14) umfasst, wobei der Zustand (SOH) in Abhängigkeit von einer Ausdehnung (A) der Batteriezellen (14) geschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das Batteriemodul (10) ein von einem Kühlmittel (24) durchströmtes Zwischenzellkühlelement (18) aufweist, das zwischen den zwei Batteriezellen (14) angeordnet ist und das eine flexible Außenhülle (20) aufweist, die einen Innenraum (30) umschließt, und die einen Kühlmittelzuführanschluss (26) und einen Kühlmittelabführanschluss (28) aufweist, - wobei das Zwischenzellkühlelement (18) durch die Ausdehndung der Zellen derart komprimiert wird, dass sich ein Volumen des Innenraums (30) verringert, - wobei ein Kühlmittelbehälter (32) über den Kühlmittelzuführanschluss (26) und/oder den Kühlmittelabführanschluss (28) fluidisch mit dem Zwischenzellkühlelement (18) verbunden ist, und - wobei ein Füllstand (F; F1, F2) des Kühlmittelbehälters (32) erfasst wird und in Abhängigkeit von dem erfassten Füllstand (F; F1, F2) der Zustand (SOH) geschätzt wird.