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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung und ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest eine Energiespeichervorrichtung.
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Energiespeicher zum Speichern von Energie in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen umfassen derzeit Lithiumionenzellen. Aufgrund von Alterungsprozessen in Lithiumionenzellen elektrischer Energiespeicher kommt es über das Alter und die Anzahl der Ladezyklen zu einem Kapazitätsverlust und einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit des Energiespeichers.
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Der durch diese Alterungsprozesse beeinflusste Alterungszustand wird derzeit anhand von drei Indikatoren ermittelt. Der erste Indikator, welcher Rückschlüsse auf den Alterungszustand des Energiespeichers ermöglicht, ist die Spannungsspreizung zwischen einzelnen Batteriezellen eines Batteriezellenstapels des Energiespeichers. Diese Spannungsspreizung nimmt mit zunehmender Alterung der Lithiumionenzellen zu. Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich aus der Spannungsspreizung jedoch keine Vorhersagen bezüglich des genauen Alterungszustands und der zu erwartenden, weiteren Lebenszeit des Energiespeichers ableiten.
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Ein weiterer Indikator für den Alterungszustand eines Stapels ist die Temperaturverteilung innerhalb des Batteriezellenstapels. Aufgrund der Alterung der Batteriezellen kommt es während des Betriebs zu einer inhomogener Temperaturverteilung innerhalb des Batteriezellenstapels. Diese Inhomogenität in der Temperaturverteilung bildet sich jedoch sehr langsam aus und wird meist in einem Zustand weit fortgeschrittener Alterung erfasst, wenn bereits ein ausgeprägter Kapazitätsverlust und eine ausgeprägte Spannungsspreizung festzustellen sind. Eine Überwachung der Inhomogenität der Temperaturverteilung ist kein geeigneter Indikator für eine rechtzeitige Bestimmung eines Alterungszustands.
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Ein weiterer Indikator für die Alterung ist der in der Batteriezelle auftretende Druck. Mit der Alterung der Batteriezelle kommt es zu einer Volumenzunahme der Batteriezelle. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Alterungsprozessen von Lithiumionenzellen Gas entsteht. Mit zunehmender Alterung nimmt das Gas zu und das Volumen der Zelle wächst an. Da die Zelle durch ein Gehäuse vorgespannt ist und somit die Volumenzunahme beschränkt ist, führt dieser Prozess zu einem Druckanstieg in der Zelle, der das Batteriegehäuse belastet und gegebenenfalls deformiert.
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Die Zunahme des Drucks hängt von der Alterung der Batteriezellen ab und ist über die gesamte Lebenszeit der Batteriezelle messbar. Der Druck ist somit ein geeigneter Indikator, um den Alterungszustand während der gesamten Lebenszeit der Zelle zu bestimmen.
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Das Verhältnis zwischen dem Druck in der Batteriezelle und dem Alterungszustand der Zelle wird durch Erprobung oder Simulation ermittelt, bei denen untersucht wird, in welchem Umfang der Druck in der Batteriezelle aufgrund des Alterungsprozesses zunimmt.
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Eine Bestimmung des zu erwartenden Druckverlaufs ist insbesondere für die Gestaltung der Gehäuse des Energiespeichers erforderlich. Entsprechend der auftretenden Druckverhältnisse sind Materialien und Geometrien des Gehäuses zu wählen.
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Zur Erfassung des Drucks werden Drucksensoren verwendet. Übliche Energiespeicher, weisen eine Hierarchie aus Batteriezellen, Batteriezellenstapel und Batteriezellenmodule auf. Hier werden die Drucksensoren zwischen den Batteriezellenmodulen und dem Gehäuse des Energiespeichers angeordnet. Neuere Energiespeicher werden jedoch nach der sogenannten Cell-to-Pack-Hierarchie aufgebaut. Hierbei wird auf die Ebene der Batteriezellenmodule verzichtet. Stattdessen werden die Batteriezellenstapel direkt in das Batteriezellengehäuse verbaut. Die Batteriezellenstapel sind hierbei in direktem Kontakt mit dem Außengehäuse des Energiespeichers. Für diese Hierarchie wurde noch keine Lösung zur Anordnung der Drucksensoren entwickelt
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In der
DE 10 2017 220 644 A1 ist eine mögliche Anordnung von Drucksensoren in einem Energiespeichermoduls mit der bekannten Hierarchie beschrieben. Diese offenbart ein Energiespeichermodul sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichermoduls. Das Energiespeichermodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle, die zwischen zwei Endplatten eines Modulgehäuses angeordnet ist. Das Energiespeichermodul umfasst eine Sensoreinrichtung, die wenigstens einen Drucksensor aufweist, der zwischen der Batteriezelle und einer der Endplatten angeordnet ist.
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In der
DE 10 2013 015 700 A1 sind ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle und eine Batteriezelle beschrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass an einer Stelle innerhalb eines Gehäuses der Batteriezelle, an welcher in Abhängigkeit von der Bauform eine mittels wenigstens eines Sensors erfassbare Größe in einem Betrieb der Batteriezelle einen höheren Wert aufweist als an anderen Stellen innerhalb des Gehäuses, wenigstens Sensor angebracht wird. Bei diesem wenigstens einen Sensor kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln.
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In der
DE 10 2020 002 514 A1 ist ein Batteriesystem mit zumindest einer Batteriezelle offenbart. Das Batteriesystem umfasst einen Drucksensor und ist dazu eingerichtet, einen Messwert in Bezug auf eine Verformung der Batteriezelle zu bestimmen und diesen Messwert zur Erzeugung einer Warn- und/oder Abschaltmeldung zu verwenden. Dabei ist ein Federelement derart angeordnet, dass bei kleineren Verformungen die Messwerte stärker kompensiert werden als bei größeren Verformungen.
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Die
DE 10 2017 219 687 A1 offenbart ein Gehäuseteil für ein Gehäuse einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Gehäuseteil weist zumindest eine aus Kunststoff gefertigte Wandung auf, wobei in der Wandung wenigstens eine insbesondere geschlossene Kammer zur Aufnahme eines oder mehrerer Einsetzteile ausgebildet ist. Es wird beschrieben, dass in der Kammer beispielsweise zumindest ein Drucksensor eingelegt wird.
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Eine Umsetzung der Druckmessung für Cell-to-Pack Batteriekonzepte ist derzeit nicht bekannt.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, welche eine Erfassung eines Alterungszustands in Energiespeichern nach dem Cell-to-Pack-Batteriekonzept ermöglicht.
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Die Erfindung umfasst eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie. Die Energiespeichervorrichtung weist ein Energiespeichergehäuse zur Aufnahme zumindest eines Batteriezellenstapels und einer Steuereinrichtung auf. Bei der Energiespeichervorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln, welche beispielsweise als Lithiumionenakkumulator ausgebildet ist. Die Energiespeichervorrichtung kann nach der sogenannten Cell-to-Pack-Konzeption aufgebaut sein. Dies bedeutet, dass anstatt der gewöhnlichen Hierarchie bestehend aus mehreren Batteriezellen, welche in einem Batteriezellenmodul angeordnet sind, welche wiederum in dem Batteriegehäuse angeordnet sind, eine Anordnung der Batteriezellen in zumindest einem Batteriezellenstapel vorliegt, welcher zusammen mit der Steuereinrichtung durch das Energiespeichergehäuse umschlossen ist. Das Energiespeichergehäuse kann dazu vorgesehen sein, die Batteriezellen vor mechanischer Belastung, beispielsweise aufgrund eines Unfalls zu schützen. Der zumindest eine Batteriezellenstapel weist zumindest zwei Batteriezellen auf, wobei es sich um Lithium-Ionen-Batteriezellen handeln kann. Dieser zumindest eine Batteriezellenstapel ist zwischen zumindest zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden des Energiespeichergehäuses angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Energiespeichervorrichtung zumindest eine Sensoreinrichtung aufweist, die zwischen dem zumindest einen Batteriezellenstapel und einer der Gehäusewände des Energiespeichergehäuses angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich die Sensoreinrichtung in einem Bereich zwischen einer der Gehäusewände und dem Batteriezellenstapel. Die Sensoreinrichtung ist dazu eingerichtet, einen von dem Batteriezellenstapel und der Gehäusewand aufeinander ausgeübten mechanischen Druck zu erfassen und als Messdaten der Steuereinrichtung bereitzustellen. Mit anderen Worten ist die Sensoreinrichtung dazu vorgesehen, den Druck zwischen der Gehäusewand und dem Batteriezellenstapel zu erfassen. Die erfassten Werte des Drucks werden durch die Sensoreinrichtung der Steuereinrichtung bereitgestellt. Die Sensoreinrichtung kann hierfür mit einem Kabel mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, bei einem Empfang eines Anfragesignals der Steuereinrichtung, einen aktuellen Druck zwischen dem Batteriezellenstapel und der Gehäusewand zu erfassen und diesen als Messdaten der Steuereinrichtung bereitzustellen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, fortlaufend, beispielsweise in einem vorbestimmten Intervall den Druck zu erfassen und die Messdaten der Steuereinrichtung bereitzustellen, sodass diese in einer Messreihe in der Steuereinrichtung protokolliert werden können. Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung den Druck kontinuierlich erfasst, die Messdaten jedoch nur bei einem Über- unterschreiten vorbestimmte Schwellenwerte als Messdaten an die Steuereinrichtung übermittelt.
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Die Erfindung umfasst auch Weiterbildung, durch die sich weitere Vorteile ergeben
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zumindest eine Sensoreinrichtung zumindest zwei Drucksensoren aufweist, die sich in ihrem Messbereich voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, zumindest zwei Drucksensoren zu verwenden, wobei die Drucksensoren zur Erfassung jeweiliger, unterschiedlicher Druckbereiche eingerichtet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Sensoreinrichtung auf die Erfassung unterschiedlicher Wertebereiche optimiert werden kann. Es kann beispielsweise sein, dass der Druck im Lauf des Alterungsprozesses des Batteriezellenstapels mit unterschiedlichen Steigungsraten ansteigt. Dies kann es erforderlich machen, dass ein Drucksensor zur Erfassung eines Wertebereichs mit einer geringeren Steigerungsrate eine höhere Messgenauigkeit aufweist als ein Drucksensor zur Erfassung eines Wertebereichs mit höherer Steigerungsrate. Letzterer kann dafür für höhere Druckwerte oder einen größeren Wertebereich ausgelegt sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung den Druck mittels eines ersten Drucksensors erfasst und nach einer Überschreitung eines vorbestimmten Schwellenwerts durch den Druck, diesen mittels eines zweiten Drucksensors erfasst, welcher für höhere Werte des Drucks ausgelegt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest einer der Drucksensoren als Dehnungsband ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Druck zwischen der Gehäusewand und dem Batteriezellenstapel durch die Änderung einer Länge eines Dehnungsbandes erfasst wird, welches beispielsweise auf der Gehäusewand oder einer Wand des Batteriezellenstapels angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Druck über eine Veränderung der Biegung der Gehäusewand oder der Wand des Batteriezellenstapels bestimmt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Gehäusewand eine Wölbung aufweist um als Blattfeder auf den Batteriezellenstapel einen Druck auszuüben. Mit einem zunehmenden Druck des Batteriezellenstapels auf die Gehäusewand kann deren Wölbung abnehmen. Diese Änderung der Wölbung kann über eine Erfassung einer Längenänderung eines auf der Gehäusewand angeordneten Dehnungsbands bestimmt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest einer der Drucksensoren ein piezoelektrischer Drucksensor ist. Mit anderen Worten erfolgt die Erfassung des Drucks bei zumindest einem der Sensoreinheiten mittels des piezoelektrischen Effekts. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein relativ robuster Drucksensor verwendet wird.
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Eine Weiterbildung der sieht vor, dass die Energiespeichervorrichtung zumindest zwei Sensoreinrichtungen aufweist, wobei die zumindest zwei Sensoreinrichtungen an entgegengesetzten Enden des Batteriezellenstapels angeordnet sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der zwischen zwei Wänden angeordnete Batteriezellenstapel an zwei gegenüberliegenden Enden über eine jeweilige Sensoreinrichtung mit einer Wand verbunden ist. Dehnt sich der Batteriezellenstapel aufgrund des Alterungsprozesses aus, wird der Druck in einem gleichen Ausmaß durch den Batteriezellenstapel auf die beiden Sensoreinrichtungen ausgeübt. Dadurch ist es möglich eine redundante Messung durchzuführen und somit sicherzustellen, dass die Werte zuverlässig sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Messdaten zu speichern und oder über eine Schnittstelle bereitzustellen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Messdaten durch die Steuereinrichtung dauerhaft gespeichert werden. Dadurch kann die Steuereinrichtung beispielsweise eine Messreihe der Messdaten erstellen, wodurch der Verlauf des Drucks protokolliert werden kann. Die Steuereinrichtung kann auch eine Schnittstelle umfassen, wodurch es möglich ist, die von der Sensoreinrichtung empfangenen und/oder gespeicherten Messdaten einem externen Gerät bereitzustellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Öffnung des Energiespeichers nicht erforderlich ist, um den inneren Druck zu bestimmen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Steuereinrichtung ein Alterungsprofil gespeichert ist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels des Alterungsprofils aus den Messdaten einen Alterungszustand des Batteriezellenstapels zu bestimmen. Mit anderen Worten ist in der Steuereinrichtung ein Faktor, eine Tabelle oder eine Kurve gespeichert, welche einen erwarteten Verlauf der Messdaten in Abhängigkeit des Alterungszustands der Batteriezellen beschreibt. Dadurch ist es möglich, dass durch die Steuereinrichtung bestimmt werden kann, in welchem Alterungszustand sich die Batteriezellen befinden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Alterungszustand durch die Steuereinrichtung abgeschätzt werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der bestimmte Alterungszustand des Batteriezellenstapels über eine Schnittstelle von der Steuereinrichtung an ein Netzwerk eines Kraftfahrzeugs übertragen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels des Alterungsprofils aus den Messdaten einen Funktionsfehler des Batteriezellenstapels zu erkennen. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, durch eine Auswertung der Messdaten mittels des Alterungsprofils zu erfassen, ob ein Funktionsfehler in dem Batteriezellenstapel vorliegt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Funktionsfehler frühzeitig durch die Energiespeichervorrichtung erfasst werden kann. Es kann beispielsweise ein zulässiger Wertebereich für die erfassten Druckwerte durch das Alterungsprofil vorgegeben sein. Die Steuereinrichtung kann überprüfen, ob die erfassten Druckwert innerhalb der zulässigen Wertebereiche liegen. Ist dies nicht der Fall, kann die Steuereinrichtung ein Vorliegen des Funktionsfehlers feststellen und beispielsweise ein Warnsignal ausgeben.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach einem der vorhergehenden Ansprüche. In dem Verfahren ist es vorgesehen, dass die Energiespeichervorrichtung ein Energiespeichergehäuse zur Aufnahme zumindest eines Batteriezellenstapels und einer Steuereinrichtung aufweist, und der zumindest eine Batteriezellenstapel, zumindest zwei Batteriezellen aufweist und zwischen zumindest zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden des Energiespeichergehäuses angeordnet ist. Die Energiespeichervorrichtung weist zumindest eine Sensoreinrichtung auf, die zwischen dem zumindest einen Batteriezellenstapel und einer der Gehäusewände des Energiespeichergehäuses angeordnet ist, und durch die ein von dem Batteriezellenstapel und der Gehäusewand aufeinander ausgeübter mechanischen Druck erfasst, und als Messdaten der Steuereinrichtung bereitgestellt wird.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für die Energiespeichervorrichtung. 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.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 einen möglichen Aufbau eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie;
- 2 zeigt einen möglichen Verlauf eines Drucks.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen möglichen Aufbau eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend eine Energiespeichervorrichtung 2 zur Speicherung elektrischer Energie. Es kann vorgesehen sein, dass in dem Kraftfahrzeug 1, welches als vollelektrisch betriebenes Fahrzeug oder als Hybridkraftfahrzeug ausgelegt sein kann, die Energiespeichervorrichtung 2 zur Speicherung der für den Antrieb erforderlichen elektrischer Energie eingebaut sein kann. Bei der Energiespeichervorrichtung 2 kann es sich somit um eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 1 handeln. Um die wirksamen funktionalen Komponenten der Energiespeichervorrichtung 2 vor Umwelteinflüssen oder mechanischer Deformationen zu schützen, kann die Energiespeichervorrichtung 2 ein Energiespeichergehäuse 3 aufweisen. Dieses auch als Batterierahmen bezeichnete Energiespeichergehäuse 3 kann Stahl aufweisen. In diesem Energiespeichergehäuses 3 kann zumindest ein Batteriezellenstapel 4 angeordnet sein, welcher mehrere prismatische Batteriezellen 5 umfassen kann, zwischen denen Trennwände 6 angeordnet sein können. Die Energiespeichervorrichtung 2 kann nach dem sogenannten Cell-to-Pack-Prinzip aufgebaut sein. Die Energiespeichervorrichtung 2 kann auch eine Steuereinrichtung 7 aufweisen, welche ebenfalls von dem Energiespeichergehäuse 3 umschlossen sein kann. Bei den Batteriezellen 5 kann es sich um Lithiumionenzellen handeln. Diese haben die Eigenschaft, dass sie sich mit zunehmender Alterung verformen und an Volumen zunehmen. Aufgrund der Zunahme des Volumens der einzelnen Batteriezellen 5 wird durch den Batteriezellenstapel 4 ein Druck P auf eine Gehäusewand 10 des Energiespeichergehäuses 3 ausgeübt. Je stärker die Alterung fortgeschritten ist, desto größer ist der Druck P, der durch den Batteriezellenstapel 4 auf das Energiespeichergehäuse 3 ausgeübt wird. Es besteht somit ein Zusammenhang zwischen den von dem Batteriezellenstapel 4 auf das Energiespeichergehäuse 3 ausgeübten Druck P und dem Alterungszustand der Batteriezellen 5 des Batteriezellenstapels 4. Um den Druckverlauf erfassen zu können, kann zwischen zumindest einer Gehäusewand 10 des Energiespeichergehäuses 3 und dem Batteriezellenstapel 4 ein Sensoreinrichtung 8 angeordnet sein. Die Sensoreinrichtung 8 kann einen oder mehrere Drucksensoren 9 aufweisen, welche den Druck zwischen der Gehäusewand 10 und dem Batteriezellenstapel 4 erfassen können. Die Drucksensoren 9 können beispielsweise als piezoelektrische Drucksensoren ausgebildet sein. Es kann auch möglich sein, dass die Drucksensoren 9 als Dehnungsbänder gestaltet sind, welche auf der Gehäusewand 10 angeordnet sind. Die Drucksensoren 9 können an einer äußeren Batteriezelle 5 des Batteriezellenstapels 4 anliegen. Es kann vorgesehen sein, dass einer der Drucksensoren 9 in der Mitte einer der Gehäusewand 10 gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, weil dort ein maximaler Druck durch den Batteriezellenstapel 4 an die Gehäusewand 10 übertragen werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Drucksensoren 9 an unterschiedlichen Stellen der Außenfläche des Batteriezellenstapels 4 angeordnet sind. Die Drucksensoren 9 können sich in ihrem Messbereich voneinander unterscheiden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein jeweiliger Drucksensor 9 für einen vorbestimmten Druckbereich vorgesehen ist. Die Drucksensoren 9 können den Druck erfassen und als Messdaten 11 beispielsweise über eine Verkabelung 12 an die Steuereinrichtung 7 versenden. Die Steuereinrichtung 7 kann die Messdaten 11 empfangen und in einem Speicher der Steuereinrichtung 7 speichern. Die Erfassung des Drucks P kann beispielsweise mehrmals über einen Zeitraum erfolgen oder auf Anfrage durch die Steuereinrichtung 7. Bei einer regelmäßigen Erfassung des Drucks P können die von der Steuereinrichtung 7 empfangenen Messdaten 11 in einer Messreihe gespeichert werden. In der Steuereinrichtung 7 kann ein Profil 13 gespeichert sein welches den Druck in Verbindung mit den Alterungszustand der Batteriezellen 5 des Batteriezellenstapels 4 setzt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kurvenverlauf handeln. Die Steuereinrichtung 7 kann dazu eingerichtet sein, aus den Messdaten 11 mittels des gespeicherten Profils 13 einen Alterungszustand der Batteriezellen 5 zu bestimmen. Die Steuereinrichtung 7 kann eine Schnittstelle 14 aufweisen, an welcher beispielsweise die Messdaten 11 oder der bestimmte Zustand der Batteriezellen 5 bereitgestellt wird. Die Schnittstelle 14 kann beispielsweise in einer Werkstatt ausgelesen werden oder an einem Netzwerk, beispielsweise einem Ethernetnetzwerk oder einem CAN-Bus-Netzwerk des Kraftfahrzeugs 1 angeschlossen sein.
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2 zeigt einen möglichen Verlauf eines Drucks P zwischen einer Gehäusewand 10 und einem Batteriezellenstapel 4 über eine Ladezyklenzahl N der Energiespeichervorrichtung 2. Der dargestellte Bereich zeigt einen oberen Verlauf P1 und einen unteren Verlauf P2. Der obere Verlauf P1 zeigt den Maximalwert des Drucks P während eines Ladezyklus, der untere Verlauf P2 einen Minimalwert des Drucks P während eines Ladezyklus. Die Breite dP zwischen den Kurven P1, P2 zeigt eine Änderung des Drucks P während eines Ladezyklus. Es ist zu erkennen, dass in einem Anfangsbereich I der Ladezyklenzahl ein starker Anstieg der Kurven erfolgt, welcher in einem Zentralbereich II der Ladezyklenzahl nur leicht ansteigt. In einer Endbereich III der Ladezyklenzahl erfolgt ein stärkerer Anstieg der Kurven. Dies bedeutet, dass insbesondere zu Beginn I und gegen Ende III der Lebenszeit der Energiespeichervorrichtung 2 ein stärkerer Anstieg des Drucks P in einer Batteriezelle 5 in Abhängigkeit von der Ladezyklenzahl N erfolgt, als in der mittleren Lebensphase II. Es kann vorgesehen sein, dass für die unterschiedlichen Druckbereiche I, II, III ein jeweiliger Drucksensor 9 vorgesehen ist. Der jeweilige Drucksensor 9 kann für die unterschiedlich hohen Druckbereiche der jeweiligen Phase I, II, III ausgelegt sein. Der Verlauf der Kurven P1, P2 kann als Profil 13 in der Steuereinrichtung 7 gespeichert sein. Durch einen Vergleich der gespeicherten Messdaten 11 mit dem Profil 13 kann die Steuereinrichtung 7 die Zellalterung bestimmen.
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Die Erfindung beschreibt, wie ein Drucksensor im einem Cell-to-Pack-Konzept verwendet werden kann.
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Aktuell gibt es keinen Drucksensor in einem Cell-to-Pack-Konzept, der gezielt den Druckanstieg der ersten Zelle im Batteriezellenstapel (eine Reihe von verschalteten Zelle im Batteriegehäuse) misst.
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Durch die Verwendung von Li-lon im Zellmodul entsteht Gas in der Zelle. Mit der Zeit wird dieses Gas immer mehr und es entsteht ein Druck in der Zelle, der das Batteriegehäuse belastet und gegebenenfalls deformiert. Dieses Wachstum und die Druckentwicklung - also Alterung - hängen davon ab, wie stark die Zelle belastet wird (C-Rate*, Fahrprofil und auch die Verschaltung des Zellmoduls).
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Es sind drei Indikatoren, die den Alterungszustand eines Batteriezellenstapels beschreiben können:
- 1. Spannungsspreizung zwischen den Batteriezellen
- 2. Hohe Inhomogenität der Temperaturverteilung im Batteriezellenstapel
- 3. Druck (oder Kraft) im Batteriezellenstapel oder in der Zelle
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Die Spannungsspreizung zwischen den Batteriezellen wird überwacht, man kann aber aus dem Ablauf der Spannungskurven derzeit keine Vorhersage bezüglich des Alterungszustands aufstellen.
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Eine Inhomogenität in der Temperaturverteilung tritt sehr langsam auf und wenn die Inhomogenität festgestellt wird, ist es meistens zu spät, es wird auch ein rapider Kapazitätsverlust und eine Spannungsspreizung festgestellt.
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Also bleibt als Indikator der Druck in der Zelle, der für die Bestimmung des Alterungszustands des Batteriezellenstapels verwenden werden kann.
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Während der Entwicklung der Zelle wird es durch Erprobung ermittelt, wie sich die Zelle verhält, also wie groß wird der Druck in der Zelle, der bei einem bestimmten Fahrprofil oder Testprofil entsteht.
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Diese Messwerte werden während der Entwicklung ermittelt. Dieser Druck - oder diese Kraft - wird vor allem für die Bestimmung der Gehäusekonstruktion, beispielsweise bei der Auswahl von Materialien oder der Bestimmung der Geometrie von Wänden, und als Informationsrückfluss in der Batteriezellentwicklung verwendet.
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Es gibt aktuell in den Cell-to-Pack Konstruktionen keinen Drucksensor, somit wird der Druckanstieg in der Zelle über die Lebenszeit nicht überwacht. Der Batteriezellenstapel ist meistens im direkten Kontakt mit dem Gehäuse.
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Die Erfindung beschreibt, wie der von der Zelle aufgebaute Druck im Betrieb, in der Batterie gemessen werden kann. Zwischen dem Batteriegehäuse und der ersten Zelle werden Piezoelektrische Drucksensoren eingebaut. Der Drucksensor misst den Druck, der durch die Zyklisierung der Zelle entsteht. Dieses Signal wird über Kabel an den Batteriezellenstapelkontroller weitergeleitet und dort verarbeitet und gespeichert.
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Diese Messwerte werden über die Lebenszeit der Batterie gespeichert, also die Messdaten können ausgelesen werden, ohne dass man die Batterie öffnet. Die Messwerte können mit der Kurve aus der Entwicklung verglichen werden und so die Alterung der Batterie bestimmt werden. Die Drucksensoren sind auf beiden Seiten des Batteriezellenstapels verbaut, um eine Redundanz sicherzustellen.
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Ein Drucksensor ist in der Mitte der Zelle verbaut, dieser Drucksensor ist ein großflächiger, weil das Wachstum der Zelle in der Mitte am größten ist. Es ist empfehlenswert weitere und kleinere Drucksensoren zu verbauen, um das Wachstum auf der gesamten Fläche der Zelle zu kennen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Drucksensor statt zwischen dem Batteriegehäuse und einer Zelle einzubauen, diesen auf oder in eine Federplatte anzuordnen, durch welche der Batteriezellenstapel vorgespannt wird.
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Wenn der Druck fortlaufend registriert wird - und mit der Kurve, die während der Entwicklung ermittelt wurde, verglichen wird - kann vorherbestimmt werden, ob ein rapider Kapazitätsverlust entstehen wird (zum Beispiel durch eine Fehlfunktion der Zelle).
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Wenn ein möglicher Kapazitätsverlust erkannt wird, könnte mit der Werkstatt automatisch ein Termin für eine Reparatur oder Austausch des Batteriezellenstapels vereinbart werden.
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Der Entwickler könnte Information darüber bekommen, wie eine Cell-to-Pack Batterie im Alltag verwendet wird, und daraus ableiten, ob die Konstruktion ausreichend robust ausgelegt ist, oder ob Material gegebenenfalls eingespart werden kann, weil im echten Betrieb die Batterie und das Fahrzeug anders verwendet werden, als es während der Entwicklung angenommen wurde.
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Des Weiteren kann nicht nur der Batterieentwickler aus dieser Information profitieren, sondern auch der Simulationsbereich, der die Fahrprofile für die Auslegung der Zelle bestimmt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Druckerfassung in einer Energiespeichervorrichtung nach dem Cell-to-Pack-Konzept bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017220644 A1 [0010]
- DE 102013015700 A1 [0011]
- DE 102020002514 A1 [0012]
- DE 102017219687 A1 [0013]