DE102021118000A1 - Method for determining aging processes in a battery arrangement and computer program product and computer-readable data carrier - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Simulationsverfahren zum Übertragen des Alterungsverhaltens von einzelnen Batteriezellen auf eine Batterieanordnung, bei der eine oder mehrere Batteriezellen in einer Gehäusevorrichtung angeordnet sind. Dazu wird ein mechanisches Simulationsmodell der Batterieanordnung erstellt (S2). Anschließend wird in dem Simulationsmodell für eine vorbestimmte Anzahl an Ladezyklen der jeweiligen Batteriezelle iterativ eine Lebensdauerberechnungsroutine (S4) durchgeführt. Dabei wird in einem jeweiligen Iterationsschritt ein vorangegangener Alterungszustand und eine vorangegangene Ausdehnkraft, die aufgrund des Swellings der Zellen in der Batterieanordnung wirkt, vorgegeben (S4.1). In Abhängigkeit davon wird aus vorgegebenen Alterungsdaten der jeweiligen Batteriezelle ein aktueller Alterungszustand bestimmt (S4.2). Schließlich wird durch Anwenden des aktuellen Alterungszustands auf das Simulationsmodell eine aktuelle Ausdehnkraft ermittelt (S4.3).The invention relates to a simulation method for transferring the aging behavior of individual battery cells to a battery arrangement in which one or more battery cells are arranged in a housing device. For this purpose, a mechanical simulation model of the battery arrangement is created (S2). A service life calculation routine (S4) is then iteratively carried out in the simulation model for a predetermined number of charging cycles of the respective battery cell. In a respective iteration step, a previous aging state and a previous expansion force, which acts due to the swelling of the cells in the battery arrangement, are specified (S4.1). Depending on this, a current state of aging is determined from predetermined aging data of the respective battery cell (S4.2). Finally, a current extension force is determined by applying the current aging condition to the simulation model (S4.3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung mit wenigstens einer Batteriezelle, die in einer Gehäusevorrichtung angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt mit Befehlen, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein entsprechendes Verfahren auszuführen. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen computerlesbaren Datenträger, auf dem das entsprechende Computerprogrammprodukt gespeichert ist.The invention relates to a method for determining aging processes in a battery arrangement having at least one battery cell which is arranged in a housing device. The invention also relates to a computer program product with instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to execute a corresponding method. Furthermore, the invention also relates to a computer-readable data carrier on which the corresponding computer program product is stored.
In modernen Kraftfahrzeugen, zum Beispiel Hybrid- oder Elektrofahrzeugen können sogenannte Hochvolt-Batterien als Antriebsmittel eingesetzt werden. Eine Hochvolt-Batterie kann dazu eine oder mehrere Batteriezellen umfassen. Mit einer Batteriezelle ist vorliegend insbesondere ein Akkumulator oder elektrochemischer Energiespeicher gemeint. Diese kann durch elektrochemische Energiewandlung elektrische Energie bereitstellen, zum Beispiel zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs. Bei solchen Batteriezellen sind verschiedene Technologien für die Energiewandlung und Packungsformen bekannt. Als Packungsformen kommt zum Beispiel die Ausgestaltung als Rundzelle, prismatische Zelle (CANs) oder als Pouch-Zelle in Frage. Die Batteriezell-Technologie für die reaktiven Materialien (Anode, Kathode, Elektrolyt) kann zum Beispiel auf Lithium-Verbindungen basieren, wie es zum Beispiel von Lithium-Ion- oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien bekannt ist. Alternativ kann eine sogenannte Feststoffbatterie (Festkörperakkumulator) eingesetzt werden. So-called high-voltage batteries can be used as drive means in modern motor vehicles, for example hybrid or electric vehicles. A high-voltage battery can include one or more battery cells. In the present case, a battery cell means in particular an accumulator or an electrochemical energy store. This can provide electrical energy by electrochemical energy conversion, for example to operate an electric drive of a motor vehicle. Various technologies for energy conversion and packaging forms are known for such battery cells. Possible packaging forms include, for example, round cells, prismatic cells (CANs) or pouch cells. The battery cell technology for the reactive materials (anode, cathode, electrolyte) can be based on lithium compounds, for example, as is known from lithium-ion or lithium-iron phosphate batteries, for example. Alternatively, a so-called solid-state battery (solid-state accumulator) can be used.
Zum Bilden der Hochvolt-Batterie können die Batteriezelle(n) in bekannter und geeigneter Weise elektrisch miteinander verschaltet und in einer gemeinsamen Gehäusevorrichtung angeordnet oder eingebaut sein. Je nach Ausgestaltung der Gehäusevorrichtung und Verschaltung der Batteriezellen sind für die Hochvolt-Batterie als Batterieanordnung verschiedene Konfigurationen bekannt. Zum Beispiel kann die Hochvolt-Batterie aus einem oder mehreren sogenannten Batteriemodulen zusammengebaut sein oder in einer sogenannten Cell-to-Pack (Zelle-zu-Gehäuse) oder Cell-to-Car (Zelle-zu-Fahrzeug) Konfiguration vorliegen.To form the high-voltage battery, the battery cell(s) can be electrically connected to one another in a known and suitable manner and can be arranged or installed in a common housing device. Depending on the design of the housing device and the interconnection of the battery cells, various configurations are known for the high-voltage battery as a battery arrangement. For example, the high-voltage battery can be assembled from one or more so-called battery modules or can be present in a so-called cell-to-pack (cell-to-housing) or cell-to-car (cell-to-vehicle) configuration.
In ihrer Funktion und Nutzung als Antriebsmittel durchlaufen die Batteriezellen in ihrer Lebensspanne in der Regel mehrere Tausend Lade(und Entlade-)zyklen. Dabei kommt es insbesondere bei den vorgenannten Batterietechnologien aufgrund der chemischen Prozesse für die elektrische Energieerzeugung und Speicherung zu irreversiblen Alterungsprozessen, die die Lebensdauer der Zellen begrenzen. Dazu zählt zum Beispiel das sogenannte Swelling. Unter Swelling wird eine Volumenänderung der Batteriezelle beim Laden und Entladen über die Lebensdauer verstanden. Diese macht sich in der Regel insbesondere durch eine Längenänderung der Zelle oder das Entstehen von Kräften in Längsrichtung bemerkbar. Es wird zwischen kurzfristigen Volumenänderungen, dem sogenannten Zellatmen, das beim isolierten Betrachten von einzelnen Lade- oder Entladevorgängen auftritt, und dauerhaften Volumenänderungen, die irreversibel über die Lebensspanne der Batteriezelle aufgrund der Alterung der chemischen und elektrischen Komponenten der Batteriezelle auftreten, unterschieden. Über die Lebensdauer der Batteriezelle kommt es dabei insgesamt zu einem Aufblähen oder einer Volumenvergrößerung der einzelnen Zelle. Dadurch treten zwischen den Batteriezellen untereinander beziehungsweise der Batteriezellen und der Gehäusevorrichtung mechanische Verspannungen und Krafteinwirkungen auf die Zellen auf. Mit fortschreitendem Alter wird eine Batteriezelle in einer Batterieanordnung aufgrund des Swellings durch andere Zellen oder das Gehäuse eingedrückt oder eingequetscht. Solche Krafteinwirkungen haben bekanntermaßen den Effekt, die Alterung und somit die Lebensdauer der Zelle abhängig von der Größe der Kraft negativ oder positiv zu beeinflussen.In their function and use as a means of propulsion, the battery cells usually go through several thousand charging (and discharging) cycles during their lifespan. In the case of the above-mentioned battery technologies in particular, irreversible aging processes occur due to the chemical processes for generating and storing electrical energy, which limit the service life of the cells. This includes, for example, the so-called swelling. Swelling is a change in the volume of the battery cell during charging and discharging over the service life. As a rule, this becomes noticeable in particular through a change in the length of the cell or the creation of forces in the longitudinal direction. A distinction is made between short-term volume changes, the so-called cell breathing, which occurs when viewing individual charging or discharging processes in isolation, and permanent volume changes, which occur irreversibly over the lifespan of the battery cell due to the aging of the chemical and electrical components of the battery cell. Over the service life of the battery cell, the individual cell swells up or increases in volume overall. As a result, mechanical stresses and forces act on the cells between the battery cells themselves or between the battery cells and the housing device. As a battery cell in a battery assembly ages, it becomes dented or crushed due to swelling by other cells or the case. As is known, such force effects have the effect of negatively or positively influencing the aging and thus the service life of the cell, depending on the magnitude of the force.
Deshalb kann es von Vorteil sein, bei der Entwicklung von Hochvolt-Batterie-Systemen die Kraftverhältnisse in der Batterieanordnung zu kennen, um so auf die Lebensdauer der eingesetzten Batteriezelle rückzuschließen. Dazu werden vor Einsatz der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug Lebensdauertests durchgeführt. Diese sollen Alterungserscheinungen der Zellchemie absichern und die mechanische Festigkeit aller Einzelteile der Batterieanordnung über die Lebensdauer nachweisen. Als Ergebnis solcher Tests kann zum Erhöhen der Lebensdauer der Batteriezellen zum Beispiel eine Steifigkeit der Gehäusevorrichtung angepasst werden.It can therefore be advantageous to know the power ratios in the battery arrangement when developing high-voltage battery systems in order to be able to draw conclusions about the service life of the battery cells used. For this purpose, service life tests are carried out before the battery arrangement is used in a motor vehicle. These are intended to protect against signs of aging in the cell chemistry and to demonstrate the mechanical strength of all individual parts of the battery assembly over the service life. As a result of such tests, for example, a rigidity of the housing device can be adjusted in order to increase the service life of the battery cells.
Ein Verfahren zum Durchführen eines solchen Lebensdauertests ist zum Beispiel aus der Veröffentlichung „Effects of module stiffness and initial compression of lithium-ion-cell-aging“ von T. Deich et al. („Effects of module stiffness and initial compression on lithium-ion cell aging“, T. Deich, M. Storch, K. Steiner, A. Bund, Journal of Power Sources 506 (2021) 230163) bekannt. Dabei wurden mehrere Batteriezellen in einem Testaufbau zu einem Zellstapel zusammengefügt und mit einer externen Kraft, die eine Vorspannung eines Batteriegehäuses nachbilden soll, beaufschlagt. Dann wurden die Zellen zum Nachbilden des Fahrzeugbetriebs zyklisch geladen und entladen und deren Swellingverhalten und Gesundheitszustand (State of Health - SOH) beobachtet.A method for performing such a lifetime test is known, for example, from the publication "Effects of module stiffness and initial compression of lithium-ion cell aging" by T. Deich et al. (“Effects of module stiffness and initial compression on lithium-ion cell aging”, T. Deich, M. Storch, K. Steiner, A. Bund, Journal of Power Sources 506 (2021) 230163). Several battery cells were assembled into a cell stack in a test setup and subjected to an external force intended to simulate the pre-tension of a battery housing. The cells were then cyclically charged and discharged to mimic vehicle operation, and their swelling behavior and state of health (SOH) observed.
Nachteilig an bekannten Lebensdauertests ist, dass diese lange Testzeiten, in der Regel von mehreren Wochen oder Monaten, erfordern. Denn beim Erkennen einer Schwachstelle in der Konstruktion der Batterieanordnung, ist ein weiterer Lebensdauertest mit einer verbesserten Konstruktion durchzuführen. Zudem sind solche Test aufwändig, denn es müssen eine Vielzahl an Materialkonstanten berücksichtigt werden.A disadvantage of known endurance tests is that they require long test times, generally several weeks or months. Because if a weak point in the construction of the battery arrangement is identified, a further service life test must be carried out with an improved construction. In addition, such tests are time-consuming because a large number of material constants have to be taken into account.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um das Bestimmen von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung im Vergleich zu bekannten Lebensdauertests effizienter zu gestalten.It is the object of the present invention to provide a method for making the determination of aging processes in a battery arrangement more efficient compared to known lifetime tests.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are disclosed by the dependent patent claims, the following description and the figures.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das gemessene mechanisch-elektrische Alterungsverhalten einer einzelnen Batteriezelle durch Simulationen auf Modul- oder Fahrzeugebene, also auf die Batterieanordnung als gesamte Antriebsbatterie, übertragen werden können. Dazu können auf Zellebene, also auf Basis einer einzelnen Batteriezelle, reale Messungen durchgeführt werden, die die Abhängigkeiten von Swellingkräften und Swellingwegen, also Volumenänderungen der Zelle, und der elektrischen Alterung, also insgesamt einen Alterungszustand der Batteriezelle, abbilden. Diese Daten können als Grundlage für ein iteratives Verfahren genutzt werden, in welchem die wechselseitige Beeinflussung zwischen Zelle und umgebender Konstruktion, also den Komponenten der Batterieanordnung, berechnet wird. Das Ergebnis des Verfahrens kann eine Vorhersage von Materialstress, Deformation und elektrischer Alterung für die Zelle oder Zellen in der jeweiligen Umgebung, also der Batterieanordnung, sein.The invention is based on the knowledge that the measured mechanical-electrical aging behavior of an individual battery cell can be transferred through simulations at the module or vehicle level, ie to the battery arrangement as the entire drive battery. For this purpose, real measurements can be carried out at cell level, i.e. on the basis of a single battery cell, which map the dependencies of swelling forces and swelling paths, i.e. volume changes of the cell, and electrical aging, i.e. an overall aging state of the battery cell. This data can be used as the basis for an iterative process in which the mutual influence between the cell and the surrounding structure, i.e. the components of the battery assembly, is calculated. The result of the method can be a prediction of material stress, deformation and electrical aging for the cell or cells in the respective environment, i.e. the battery arrangement.
Es geht also insbesondere darum, die Wechselwirkung zwischen dem Alterungsverhalten der Batteriezellen und den Kraftverhältnissen innerhalb der Batterieanordnung ausgehend von der Ausdehnkraft durch Simulation zu erkennen und dadurch auf die Lebensdauer der Batterieanordnung beziehungsweise der Batteriezellen rückschließen zu können. Es ist nämlich bekannt, dass die Alterungsgeschwindigkeit von Batteriezellen davon abhängt, wie stark ein Druck oder eine Kraft ist, die von außen auf den Batteriezellenkörper einwirkt. In einer Batterieanordnung ist diese Kraft insbesondere durch die vorgenannte Ausdehnkraft, die durch das sogenannte Swelling der jeweiligen Batteriezelle hervorgerufen wird, bedingt.It is therefore particularly important to use simulation to identify the interaction between the aging behavior of the battery cells and the force conditions within the battery arrangement, based on the expansion force, and thus to be able to draw conclusions about the service life of the battery arrangement or battery cells. This is because it is known that the aging rate of battery cells depends on how strong a pressure or force is that acts on the battery cell body from the outside. In a battery arrangement, this force is caused in particular by the aforementioned expansion force, which is caused by the so-called swelling of the respective battery cell.
Dazu ist in der Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Batteriezelle, die in einer Gehäusevorrichtung angeordnet ist, offenbart. In dem Verfahren wird zunächst ein Simulationsmodell der Batterieanordnung bereitgestellt oder erstellt. Das Simulationsmodell kann eine Modellierung, wie beispielsweise ein 3D-Modell, der Batterieanordnung sein, in welchem durch Anpassen von entsprechenden externen Eingangsparametern beispielsweise mechanische, aber insbesondere auch elektrische, Vorgänge oder Veränderungen der Batterieanordnung beziehungsweise der Batteriezellen simuliert oder nachgebildet werden können.For this purpose, the invention discloses a method for determining aging processes in a battery arrangement, in particular for a motor vehicle, having at least one battery cell which is arranged in a housing device. In the method, a simulation model of the battery arrangement is first provided or created. The simulation model can be a model, such as a 3D model, of the battery arrangement, in which, by adjusting corresponding external input parameters, for example mechanical, but in particular also electrical, processes or changes in the battery arrangement or the battery cells can be simulated or reproduced.
In diesem Simulationsmodell wird für eine vorbestimmte Anzahl an Ladezyklen der wenigstens einen Batteriezelle iterativ eine Lebensdauerberechnungsroutine durchgeführt. Ein Ladezyklus entspricht vorliegend insbesondere einem Zyklus oder einer Abfolge eines Ladevorgangs und eines Entladevorgangs (Laden und Entladen). Das Laden und Entladen kann in dem Zyklus vollständig oder teilweise erfolgen. Das heißt, die jeweilige Batteriezelle kann in einem Ladezyklus in beliebigen Ladeschritten zwischen 0 % SOC und 100 % SOC (SOC: State of Charge, Ladezustand) geladen und umgekehrt entladen werden.In this simulation model, a service life calculation routine is carried out iteratively for a predetermined number of charging cycles of the at least one battery cell. In the present case, a charging cycle corresponds in particular to a cycle or a sequence of a charging process and a discharging process (charging and discharging). The charging and discharging can occur fully or partially in the cycle. This means that the respective battery cell can be charged in a charging cycle in any charging steps between 0% SOC and 100% SOC (SOC: State of Charge, state of charge) and vice versa discharged.
Zum iterativen Durchführen der Lebensdauerberechnungsroutine wird die Ladezyklengesamtzahl in Iterationsschritte unterteilt. Die Iterationsschritte stellen somit eine Auflösung für die Simulation dar. Sie geben an, wie oft ein Alterungszustand der jeweiligen Zelle über die Anzahl der Ladezyklen gemessen wird. Eine Messung kann zum Beispiel in jedem Zyklus oder alle 10 oder alle 100 Ladezyklen oder nach einem Zehntel Ladezyklus erfolgen.To perform the life calculation routine iteratively, the total charge cycle count is divided into iteration steps. The iteration steps thus represent a resolution for the simulation. They indicate how often an aging state of the respective cell is measured over the number of charging cycles. For example, a measurement can be made every cycle, or every 10 or every 100 charge cycles, or after a tenth charge cycle.
In der Lebensdauerberechnungsroutine wird in einem jeweiligen Iterationsschritt zuerst ein vorangegangener Alterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle und eine vorangegangene Ausdehnkraftvorgegeben. Die Ausdehnkraft wirkt dabei abhängig von dem Alterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle zwischen der Gehäusevorrichtung und der wenigstens einen Batteriezelle und/oder zwischen mehreren in der Gehäusevorrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen. Die Ausdehnkraft wird zum Beispiel durch die Alterung der jeweiligen Zelle aufgrund des eingangs beschriebenen Swellings und eine Vorspannung die von der Gehäusevorrichtung bereitgestellt wird, hervorgerufen. Sie kann deshalb auch als Swelling-Kraft bezeichnet werden.In the service life calculation routine, a previous aging state of the at least one battery cell and a previous expansion force are first specified in a respective iteration step. Depending on the aging state of the at least one battery cell, the expansion force acts between the housing device and the at least one battery cell and/or between a plurality of battery cells arranged adjacently in the housing device. The expansion force is caused, for example, by the aging of the respective cell due to the swelling described above and a prestress provided by the housing device. It can therefore also be referred to as the swelling force.
In Abhängigkeit von dem vorangegangenen Alterungszustand und der vorangegangenen Ausdehnkraft wird anschließend aus vorgegebenen Alterungsdaten, die der wenigstens einen Batteriezelle zugeordnet sind, ein aktueller Alterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle bestimmt. Die Alterungsdaten repräsentieren insbesondere ein Alterungsverhalten für einen jeweiligen Typ oder eine jeweilige Art der eingesetzten Batteriezelle, also der Zellchemie und/oder der Zelltechnologie. Diese Alterungsdaten können zum Beispiel in einer vorangegangenen Messroutine ermittelt werden und beispielsweise in Form einer Look-up-Table (Umsetzungstabelle) oder als Kennlinie oder als vorgegebene Art von Datensatz hinterlegt sein.Depending on the previous aging condition and the previous off extension force, a current state of aging of the at least one battery cell is then determined from predetermined aging data, which are assigned to the at least one battery cell. The aging data represent, in particular, aging behavior for a particular type or type of battery cell used, ie the cell chemistry and/or the cell technology. This aging data can be determined, for example, in a previous measurement routine and stored, for example, in the form of a look-up table (conversion table) or as a characteristic curve or as a specified type of data set.
Schließlich wird in dem Simulationsmodell der ermittelte aktuelle Alterungszustand angewendet und daraus eine aktuelle Ausdehnkraft, die zwischen der Gehäusevorrichtung und der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise zwischen den jeweiligen Batteriezellen wirkt, bestimmt. Das heißt, die durch die Alterung der Zellen hervorgerufenen Strukturveränderungen und Änderungen ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden auf das Modell übertragen und in darin nachgebildet oder durchgeführt. Anschließend werden die daraus resultierenden Kräfteverhältnisse in der Batterieanordnung aus dem Simulationsmodell ausgelesen. In dem Simulationsmodell kann somit die Auswirkung einer Änderung des Alterungszustands der jeweiligen Batteriezelle auf die Kraftverhältnisse in der Batterieanordnung abgebildet werden.Finally, the determined current aging state is applied in the simulation model and from this a current expansion force that acts between the housing device and the respective battery cell or between the respective battery cells is determined. This means that the structural changes and changes in their electrical and mechanical properties caused by the aging of the cells are transferred to the model and reproduced or implemented in it. The resulting power relationships in the battery arrangement are then read from the simulation model. In the simulation model, the effect of a change in the state of aging of the respective battery cell on the power ratios in the battery arrangement can thus be mapped.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das bekannte mechanisch-elektrische Alterungsverhalten von einzelnen Batteriezellen durch Simulation auf eine gesamte Batterieanordnung zum Beispiel in Modul- oder Fahrzeugebene übertragen werden kann. Somit können die Änderungen im Alterungszustand der Batteriezelle auf die Gehäusevorrichtung besonders einfach vorhergesagt werden. Zudem können auch umgekehrt die Ausübungen von Änderungen der Gehäusevorrichtung auf die Lebensdauer der jeweiligen Batteriezelle vorhergesagt werden. Weiterhin brauchen aufwendige Lebensdauertests von Batterieanordnungen bei Fehlern oder Schwachstellen in der Konstruktion nicht mehrfach in realen Messungen wiederholt werden. Stattdessen können die Ergebnisse aus Lebensdauertests für einen Batteriezelletyp auf beliebige Gehäusekonstruktionen oder beliebige Fahrzeugtypen übertragen werden. Somit können Änderungen im System der Batterieanordnung kostengünstiger und mit weniger Zeitaufwand abgesichert werden.This results in the advantage that the known mechanical-electrical aging behavior of individual battery cells can be transferred to an entire battery arrangement, for example at the module or vehicle level, by means of simulation. The changes in the aging state of the battery cell on the housing device can thus be predicted in a particularly simple manner. In addition, the effects of changes in the housing device on the service life of the respective battery cell can also be predicted vice versa. Furthermore, time-consuming life tests of battery assemblies do not have to be repeated several times in real measurements in the event of errors or weak points in the design. Instead, the results from life tests for one type of battery cell can be transferred to any housing design or any vehicle type. Changes in the system of the battery arrangement can thus be secured more cost-effectively and with less expenditure of time.
Die vorliegende Batterieanordnung ist insbesondere als Hochvolt-Batterie oder als Teil der Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Dementsprechend kann die Batterieanordnung zum Beispiel als Batteriemodul vorliegen oder in einer Cell-to-Pack- oder Cell-to-Car-Konfiguration realisiert sein. Die Batterieanordnung umfasst dabei wenigstens eine, das heißt, eine oder mehrere Batteriezellen. Zum Beispiel können zwei Zellen gestapelt oder nebeneinander angeordnet sein. Alternativ können zum Beispiel drei Zellen oder mehr nebeneinander angeordnet sein und somit einen sogenannten Zellstapel bilden. Dabei ist somit immer eine Batteriezelle zwischen zwei weiteren Zellen angeordnet. Dadurch kann zum Beispiel die Auswirkung von Entwärmungsmechanismen in der Batterieanordnung für die Lebensdauerbestimmung der Batteriezellen berücksichtigt werden.The present battery arrangement is designed in particular as a high-voltage battery or as part of the high-voltage battery for a motor vehicle. Accordingly, the battery arrangement can be in the form of a battery module, for example, or can be implemented in a cell-to-pack or cell-to-car configuration. In this case, the battery arrangement comprises at least one, that is to say one or more battery cells. For example, two cells may be stacked or placed side-by-side. Alternatively, for example, three cells or more can be arranged next to one another and thus form a so-called cell stack. In this case, one battery cell is always arranged between two other cells. As a result, for example, the effect of cooling mechanisms in the battery arrangement can be taken into account when determining the service life of the battery cells.
Wie eingangs erwähnt, sind die Batteriezellen zum Bilden der Batterieanordnung in einer geeigneten Gehäusevorrichtung angeordnet. Mit der Gehäusevorrichtung ist insbesondere eine umgebende Konstruktion oder Halterung für die Batteriezellen gemeint. Darunter kann zum Beispiel ein Gehäuse, insbesondere inklusive Klebeelemente, Schraubelemente, eine Schweißnaht oder sonstige vorgegebene Verbindungsteile verstanden werden. Zusätzlich oder alternativ können von der Gehäusevorrichtung sogenannte Batterietrennelemente, also mechanische Trennelemente, die jeweils zwischen zwei benachbarten Batteriezellen oder Batterien angebracht sind, umfasst sein. Ein Trennelement kann beispielsweise aus einem Elastomer gebildet sein. In dem Simulationsmodell kann die Gehäusevorrichtung somit durch eine Vielzahl an vorgegebenen Federelementen mit einer vorgegebenen Federsteifigkeit nachgebildet werden, wobei sich die Steifigkeit insbesondere auf den Alterungszustand der Batteriezellen auswirken kann.As mentioned at the outset, the battery cells are arranged in a suitable housing device to form the battery arrangement. The housing device means in particular a surrounding structure or holder for the battery cells. This can be understood to mean, for example, a housing, in particular including adhesive elements, screw elements, a weld seam or other predetermined connecting parts. In addition or as an alternative, the housing device can include what are known as battery separators, ie mechanical separators that are each fitted between two adjacent battery cells or batteries. A separating element can be formed from an elastomer, for example. In the simulation model, the housing device can thus be simulated by a large number of predetermined spring elements with a predetermined spring stiffness, with the stiffness being able to affect the aging condition of the battery cells in particular.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird als der Alterungszustand eine Gesundheitszustandsänderung (Delta-SOH: State of Health) und/oder eine Volumenänderung der jeweiligen Batteriezelle bestimmt. Der State of Health beschreibt insbesondere eine elektrische Leistung oder Energie, die die jeweilige Batteriezelle vom unaufgeladenen bis zum voll aufgeladenen Zustand (0 % SOC bis 100 % SOC) noch aufnehmen oder speichern beziehungsweise umgekehrt noch abgeben kann. Die Volumenänderung betrifft insbesondere das sogenannte Swelling, also eine Zunahme des Volumens der jeweiligen Batteriezelle, die aufgrund von chemischen Prozessen abhängig vom Ladezustand und der Anzahl an durchlaufenen Ladezyklen, die ein Alter der jeweiligen Batteriezelle charakterisieren, auftreten. Dabei tritt das Swelling in der Regel nur in einer Ebene, also zum Beispiel in eine x-y-Richtung auf. In einem Zellstapel entspricht das zum Beispiel einer Ausdehnung in Stapelrichtung. Das Swelling geht somit mit einer Längenänderung der jeweiligen Zelle einher.According to one embodiment of the invention, a change in the state of health (Delta-SOH: State of Health) and/or a change in volume of the respective battery cell is determined as the aging state. The state of health describes in particular an electrical power or energy that the respective battery cell can still absorb or store or vice versa from the uncharged to the fully charged state (0% SOC to 100% SOC). The change in volume relates in particular to so-called swelling, i.e. an increase in the volume of the respective battery cell, which occurs due to chemical processes depending on the state of charge and the number of charging cycles completed, which characterize the age of the respective battery cell. The swelling usually only occurs in one plane, for example in an x-y direction. In a cell stack, for example, this corresponds to an expansion in the stacking direction. The swelling is therefore accompanied by a change in the length of the respective cell.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird vor dem Durchführen der Lebensdauerberechnungsroutine eine Initialisierungsroutine durchgeführt. In dieser wird zunächst aus vorgegebenen Vorspanndaten, die der zu simulierenden Gehäusevorrichtung zugeordnet sind, eine mechanische Vorspannung der Gehäusevorrichtung bestimmt. Die Vorspanndaten können zum Beispiel als Look-up-Table oder als Kennlinie oder als sonstiger vorgegebener Datensatz vorliegen und zum Beispiel durch reale Messungen ermittelt worden sein. Danach wird in einer Initialisierungsroutine aus den Alterungsdaten für die ermittelte Vorspannung ein zugeordneter Vorspannalterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle in dem angeordneten oder eingebauten Zustand in der Gehäusevorrichtung bestimmt. Die ermittelte Vorspannung entspricht somit einer Kraft, die beim Einbauen der jeweiligen Batteriezelle aufgrund der Vorspannung auf die Batteriezelle wirkt.According to a further embodiment, before performing the lifetime calculation rou tine performed an initialization routine. In this, a mechanical prestressing of the housing device is first determined from predetermined prestressing data, which are assigned to the housing device to be simulated. The preamble data can be present, for example, as a look-up table or as a characteristic curve or as another specified data set and can have been determined, for example, by real measurements. Then, in an initialization routine, an assigned prestress aging state of the at least one battery cell in the arranged or installed state in the housing device is determined from the aging data for the determined prestress. The determined preload thus corresponds to a force that acts on the battery cell when installing the respective battery cell due to the preload.
Als nächstes wird ein initialer Alterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle als Startwert für das Durchführen der Lebensdauerberechnungsroutine festgelegt. Der initiale Alterungszustand kann zum Beispiel der aus den Alterungsdaten abgelesene Vorspannalterungszustand sein. Alternativ kann beispielsweise ein frei wählbarer Alterungszustand als Startwert gewählt werden. Insbesondere kann der Alterungszustand in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOC) gewählt werden. Zum Beispiel kann als Alterungszustand ein Zustand zum Lebensdauerbeginn (BOL: Begin of Life), also bei 100% SOH und einem initialen Ladezustand von beispielsweise 50 % oder 85 % SOC gewählt werden.Next, an initial aging state of the at least one battery cell is defined as the starting value for carrying out the service life calculation routine. The initial aging state can be, for example, the preload aging state read from the aging data. Alternatively, for example, a freely selectable aging state can be selected as the starting value. In particular, the state of health can be selected as a function of a state of charge (SOC). For example, a state at the beginning of the service life (BOL: Begin of Life), ie at 100% SOH and an initial state of charge of, for example, 50% or 85% SOC, can be selected as the aging state.
Abschließend wird (für den Fall, dass als initialer Alterungszustand nicht der Vorspannalterungszustand gewählt wird) ausgehend von dem Vorspannalterungszustand und der ermittelten Vorspannung bis zum Erreichen des initialen Alterungszustands in vorgegebenen Iterationsschritten aus den vorgegebenen Alterungsdaten ein jeweiliger Alterungszustand der wenigstens einen Batteriezelle bestimmt. Durch Anwenden des jeweils bestimmten Alterungszustands auf das Simulationsmodell wird ausgehend davon eine jeweilige Ausdehnkraft für den jeweiligen Iterationsschritt bestimmt.Finally (in the event that the initial aging state is not selected as the initial aging state) a respective aging state of the at least one battery cell is determined based on the initial aging state and the determined bias voltage until the initial aging state is reached in predetermined iteration steps from the predetermined aging data. By applying the respectively determined aging state to the simulation model, a respective expansion force for the respective iteration step is determined based thereon.
In der Initialisierungsroutine können der Vorspannalterungszustand und der initiale Alterungszustand ein Iterationsfenster für die iterative Bestimmung der initialen Ausdehnkraft, die beim Erreichen des initialen Alterungszustands in der Batterieanordnung vorherrscht, dienen. Der initiale Alterungszustand und die initiale Ausdehnkraft können dann als Startwerte für den ersten Durchlauf der Lebensdauerberechnungsroutine verwendet werden.In the initialization routine, the preload aging condition and the initial aging condition may serve as an iteration window for iteratively determining the initial extension force that will exist in the battery assembly upon reaching the initial aging condition. The initial aging condition and the initial extension force can then be used as starting values for the first pass of the life calculation routine.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Startwerte für die Lebensdauerberechnungsroutine frei gewählt werden können. Somit kann die Lebensdauerberechnungsroutine zum Beispiel erst dann begonnen werden, wenn die Batteriezelle einen Ladezustand aufweist, der für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs tatsächlich geeignet ist.This has the advantage that the starting values for the service life calculation routine can be freely selected. Thus, the service life calculation routine can only be started, for example, when the battery cell has a state of charge that is actually suitable for driving the motor vehicle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zum Vorgeben der vorgenannten Alterungsdaten für einen jeweiligen Typ von Batteriezelle eine Messroutine durchgeführt. Dazu wird mittels einer Messvorrichtung für eine bestimmte Anzahl an Ladezyklen in vorgegebenen Iterationsschritten eine vorgegebene Gegenkraft an die Batteriezelle bereitgestellt. Anschließend wird für den jeweiligen Iterationsschritt der Alterungszustand, also insbesondere das Swelling und/oder der Gesundheitszustand, der Batteriezelle erfasst oder gemessen. In der Messroutine geht es somit nicht mehr um eine Simulation der gesamten Batterieanordnung, sondern um ein reales zyklisiertes Vermessen des Alterungszustand einer einzelnen Batteriezelle in Abhängigkeit von der Gegenkraft. Als Ergebnis kann die Messroutine einen Datensatz des Alterungszustands, zum Beispiel mit Swellingdaten und Gestundheitszustandsdaten, des jeweiligen Zelltyps pro Iterationsschritt in Abhängigkeit von der Ladezyklenzahl und der Ausdehnkraft liefern.In a further embodiment of the invention, a measurement routine is carried out to specify the aforementioned aging data for a respective type of battery cell. For this purpose, a predetermined counterforce is provided to the battery cell by means of a measuring device for a certain number of charging cycles in predetermined iteration steps. The state of aging, ie in particular the swelling and/or the state of health, of the battery cell is then recorded or measured for the respective iteration step. The measurement routine is therefore no longer about a simulation of the entire battery arrangement, but about a real cycled measurement of the aging status of an individual battery cell as a function of the counterforce. As a result, the measurement routine can provide a data set of the aging status, for example with swelling data and health status data, of the respective cell type per iteration step depending on the number of loading cycles and the expansion force.
Die Messvorrichtung kann als Testaufbau mit Sensoren und Aktoren zum Bestimmen und Einstellen der mechanischen und elektrischen Parameter der auszumessenden Batteriezelle realisiert sein. Zum Nachbilden der Eigenschaften der Gehäusevorrichtung kann die Messvorrichtung zum Beispiel eine mechanische Zellpresse umfassen. In diese kann die Zelle eingespannt werden, und zum Beispiel durch hydraulisch oder pneumatisch betriebene Druckflächen eine Gegenkraft, wie beispielsweise die vorgenannte Vorspannung, von einer oder mehreren Seiten auf die Batteriezelle auszuüben. Die ausgeübte Gegenkraft kann dabei über die Anzahl an Ladezyklen konstant gehalten oder variiert werden. Somit kann die Zelle zum Beispiel mit aufsteigenden und absteigenden Gegenkräften vermessen werden.The measuring device can be implemented as a test setup with sensors and actuators for determining and setting the mechanical and electrical parameters of the battery cell to be measured. In order to simulate the properties of the housing device, the measuring device can comprise, for example, a mechanical cell press. The cell can be clamped into this and a counterforce, such as the aforementioned prestressing, can be exerted on the battery cell from one or more sides, for example by means of hydraulically or pneumatically operated pressure surfaces. The counterforce exerted can be kept constant or varied over the number of charging cycles. Thus, the cell can be measured with increasing and decreasing opposing forces, for example.
Die Ausdehnkraft zwischen Zelle und Zellpresse ergibt sich zum Beispiel in Abhängigkeit von der angewendeten Gegenkraft und dem daraus resultierenden Zell-Swelling. Zum Bestimmen der Ausdehnkraft kann die Messvorrichtung zum Beispiel eine Kraftsensoreinheit umfassen. Über die Ausdehnkraft kann indirekt zum Beispiel auf einen Swellingweg, also die Volumenänderung der Zelle pro Iterationsschritt rückgeschlossen werden. Alternativ kann die Messvorrichtung dazu eine geeignete Längenmesssensoreinheit aufweisen.The expansion force between the cell and the cell press results, for example, as a function of the counterforce applied and the resulting cell swelling. For determining the extension force, the measuring device can comprise a force sensor unit, for example. The expansion force can be used indirectly, for example, to draw conclusions about a swelling path, i.e. the change in volume of the cell per iteration step. Alternatively, the measuring device can have a suitable length measuring sensor unit for this purpose.
Zum Nachbilden der Nutzung der Batteriezelle als Antriebsmittel in einem Fahrzeug, kann die Messvorrichtung eine Ladeelektronik umfassen. Diese kann eine Strom- und Spannungsquelleneinheit aufweisen, die auch als Senke wirken kann, um Lade- und Entladevorgänge der Zelle zu realisieren und somit die Ladezyklen umzusetzen. Weiterhin kann die Ladeelektronik eine Strom- und Spannungssensoreinheit aufweisen, um einen Zellstrom und eine Zellspannung zu überwachen und beispielsweise Aufschluss über den SOH der Zelle zu erhalten.To simulate the use of the battery cell as a drive means in a vehicle, the measuring device can include charging electronics. This can be a current and voltage source have unit, which can also act as a sink to realize charging and discharging of the cell and thus implement the charging cycles. Furthermore, the charging electronics can have a current and voltage sensor unit in order to monitor a cell current and a cell voltage and, for example, to obtain information about the SOH of the cell.
Zum Auswerten der Messdaten und Erstellen der Alterungsdaten kann die Messvorrichtung insbesondere eine Auswerteelektronik und zum Steuern der Komponenten eine Steuerelektronik umfassen.In order to evaluate the measurement data and create the aging data, the measuring device can in particular comprise evaluation electronics and control electronics for controlling the components.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Alterungszustand in der Messroutine unter Berücksichtigung eines Gasinnendrucks der Batteriezelle bestimmt. Dazu kann die Messvorrichtung zusätzlich eine Innendruckmessvorrichtung für die Batteriezelle umfassen. Insbesondere kann der Gasinnendruck in dem jeweiligen Iterationsschritt bestimmt oder alternativ am Ende der Messroutine vermessen werden.According to a further embodiment, the aging state is determined in the measurement routine, taking into account an internal gas pressure of the battery cell. For this purpose, the measuring device can additionally include an internal pressure measuring device for the battery cell. In particular, the internal gas pressure can be determined in the respective iteration step or, alternatively, measured at the end of the measurement routine.
Durch die Berücksichtigung des Gasinnendrucks ergibt sich der Vorteil, dass ein exakteres Modell und so exaktere Alterungsdaten der Batteriezelle gebildet werden können. Denn der Gasinnendruck einer Batteriezelle steigt mit fortschreitender Alterung aufgrund der chemischen Reaktion des aktiven Materials an. Zu dem aktiven Material zählt zum Beispiel das Elektrolyt und/oder die Kathode und/oder Anode, die zum Beispiel als Folienstapel oder Wickel (jelly role) in dem Zellgehäuse angeordnet sein können. Dadurch kann es zu einer Veränderung des Zellverhaltens kommen, da sich zum Beispiel die Zellwände, also das Gehäuse der Zelle, aufblähen kann. Eine Kraft von außen auf die Batteriezelle, wie zum Beispiel die Ausdehnkraft, wirkt somit nicht mehr unmittelbar, insbesondere in verringerter Größenordnung, auf die aktiven Elemente, also das aktive Material.By taking the internal gas pressure into account, there is the advantage that a more exact model and thus more exact aging data of the battery cell can be formed. This is because the internal gas pressure in a battery cell increases as it ages due to the chemical reaction of the active material. The active material includes, for example, the electrolyte and/or the cathode and/or anode, which can be arranged in the cell housing, for example, as a foil stack or jelly role. This can lead to a change in cell behavior, since the cell walls, i.e. the housing of the cell, can inflate, for example. An external force on the battery cell, such as the expansion force, therefore no longer acts directly, in particular on a reduced scale, on the active elements, ie the active material.
Gemäß einer ersten Variante einer weiteren Ausführungsform wird in der Messroutine der Alterungszustand unter Berücksichtigung einer Temperatur der Batteriezelle bestimmt. Dazu kann die Messvorrichtung zum Beispiel eine Temperatursteuerung mit steuerbaren Heiz- oder Kühlelement und einer entsprechenden Temperatursensorik umfassen. Somit können Veränderungen in den Temperaturverhältnissen in der Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs zum Beispiel aufgrund von Außentemperaturen überwacht und nachgebildet werden.According to a first variant of a further embodiment, the aging state is determined in the measurement routine, taking into account a temperature of the battery cell. For this purpose, the measuring device can include, for example, a temperature controller with a controllable heating or cooling element and a corresponding temperature sensor system. In this way, changes in the temperature conditions in the drive battery of the motor vehicle, for example due to outside temperatures, can be monitored and simulated.
Gemäß einer zweiten Variante der weiteren Ausführungsform wird in der Messroutine der Alterungszustand unter Berücksichtigung einer Laderate der Batteriezelle bestimmt. Mit Laderate ist beispielsweise eine Ladegeschwindigkeit und/oder Stromstärke gemeint. Zum Bestimmen oder Festlegen der Laderate kann die Messvorrichtung eine Ladesteuerung für die Strom- und/oder Spannungsquelle umfassen. Somit können beispielsweise unterschiedliche Lade- beziehungsweise Entladegeschwindigkeiten im Fahr- oder Ladebetrieb des Kraftfahrzeugs mittels der Messvorrichtung nachgebildet werden.According to a second variant of the further embodiment, the aging state is determined in the measurement routine, taking into account a charging rate of the battery cell. The charging rate means, for example, a charging speed and/or current intensity. In order to determine or establish the charging rate, the measuring device can include a charging controller for the current and/or voltage source. Thus, for example, different charging or discharging speeds in the driving or charging mode of the motor vehicle can be simulated by means of the measuring device.
In einer dritten Variante der Ausführungsform werden in der Messroutine Pausenzeiten zwischen den Iterationsschritten berücksichtigt. Die Pausenzeiten können zum Beispiel als definierte Zeitintervalle mittels der Steuerelektronik konstant und variabel eingestellt werden. Somit können Standzeiten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise beim Parken oder Halten, nachgebildet werden.In a third variant of the embodiment, pause times between the iteration steps are taken into account in the measurement routine. The pause times can, for example, be set to be constant and variable as defined time intervals using the control electronics. In this way, idle times of the motor vehicle, for example when parking or stopping, can be simulated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die wenigstens eine Batteriezelle und/oder die Gehäusevorrichtung und/oder Gehäuseelemente der Gehäusevorrichtung in dem Simulationsmodell jeweils als singuläres Element dargestellt oder jeweils in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt. Mit den Gehäuseelementen sind vorliegend insbesondere die vorgenannten Komponenten gemeint, aus der die Gehäusevorrichtung zusammengesetzt ist.According to a further embodiment of the invention, the at least one battery cell and/or the housing device and/or housing elements of the housing device are each represented in the simulation model as a singular element or are each divided into a plurality of segments. In the present case, the housing elements mean in particular the aforementioned components from which the housing device is composed.
Durch die Darstellung als singuläres Element ergibt sich der Vorteil, dass die Berechnung der Lebensdauer besonders einfach und schnell erfolgen kann. Durch die Unterteilung der Komponenten der Batterieanordnung in einzelne Segmente ergibt sich der Vorteil, dass das Alterungsverhalten jedes Teilsegments einzeln berücksichtigt werden kann. Somit kann zum Beispiel eine Inhomogenität im Swellingverhalten und des Gesundheitszustands exakter repräsentiert werden. Denn es kann beispielsweise eine Inhomogenität innerhalb des aktiven Materials der Batteriezelle erfasst werden. Zudem können auch von den Gehäuseelementen bereitgestellte Verspannungen und Federsteifigkeiten genauer berücksichtigt werden. Dabei kann das Simulationsmodell zum Beispiel als FEM-Modell (FEM: Finite Elemente Methode) realisiert sein.The representation as a singular element has the advantage that the service life can be calculated particularly easily and quickly. The subdivision of the components of the battery arrangement into individual segments results in the advantage that the aging behavior of each sub-segment can be taken into account individually. Thus, for example, an inhomogeneity in the swelling behavior and the state of health can be represented more precisely. For example, an inhomogeneity within the active material of the battery cell can be detected. In addition, tension and spring stiffness provided by the housing elements can also be taken into account more precisely. The simulation model can be implemented as an FEM model (FEM: Finite Element Method), for example.
Gemäß einer ersten Variante einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lebensdauerberechnungsroutine beendet, wenn die vorgegebene Anzahl an Ladezyklen erreicht ist. Die Ladezyklenanzahl kann zum Beispiel aus der bekannten Lebensdauer, die in der Messroutine ermittelt wurde, festgelegt werden. Alternativ kann die Ladezyklenanzahl frei gewählt oder von einem Hersteller vorgegeben sein. Zum Beispiel kann die Ladezyklenanzahl mit einem Wert von 1000 oder 1600 festgelegt werden.According to a first variant of a further embodiment of the invention, the service life calculation routine is ended when the predetermined number of charging cycles has been reached. For example, the number of charging cycles can be determined from the known service life that was determined in the measurement routine. Alternatively, the number of charging cycles can be chosen freely or specified by a manufacturer. For example, the number of charge cycles can be set to a value of 1000 or 1600.
In einer zweiten Variante der weiteren Ausführungsform wird die Lebensdauerberechnungsroutine beendet, wenn ein vorgegebener Materialgrenzwert der Batterieanordnung erreicht ist. Der Materialgrenzwert kann zum Beispiel durch eine maximale Volumenänderung oder Längenänderung der Batteriezelle oder des Zellstapels vorgegeben sein. Alternativ kann der Materialgrenzwert zum Beispiel an eine maximale Federsteifigkeit oder Reißfestigkeit eines jeweiligen Gehäuseelements der Gehäusevorrichtung angepasst sein. So kann zum Beispiel für eine Schweißnaht als Gehäuseelement für den Materialgrenzwert eine maximale mechanische Spannung von 370 N/mm2 angegeben sein.In a second variant of the further embodiment, the service life calculation routine is ended when a predefined material limit of the battery arrangement is reached. The material limit can be specified, for example, by a maximum change in volume or change in length of the battery cell or the cell stack. Alternatively, the material limit can be adapted, for example, to a maximum spring stiffness or tear strength of a respective housing element of the housing device. For example, a maximum mechanical stress of 370 N/mm 2 can be specified for a weld seam as a housing element for the material limit value.
Gemäß einer dritten Variante der weiteren Ausführungsform wird die Lebensdauerberechnungsroutine beendet, wenn ein vorgegebener Alterungszustand erreicht oder unterschritten ist. Der vorgegebene Alterungszustand kann zum Beispiel das Lebensende (EOL: End of Life) der Batteriezelle repräsentieren. Zum Beispiel kann der EOL bei 50 % oder 85 % SOH liegen.According to a third variant of the further embodiment, the service life calculation routine is terminated when a predetermined aging state is reached or fallen below. The specified aging state can represent, for example, the end of life (EOL: End of Life) of the battery cell. For example, the EOL can be 50% or 85% SOH.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, auszuführen. Durch das Computerprogrammprodukt kann somit das Simulationsmodell realisiert sein.The invention also relates to a computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to execute the method as described above. The simulation model can thus be implemented by the computer program product.
Die Erfindung betrifft zudem einen computerlesbaren Datenträger, auf dem das vorgenannte Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Der Datenträger kann zum Beispiel als Datenspeicher, wie zum Beispiel als Halbleiterspeicher, des Computers vorliegen und zum Beispiel als Festplatte ausgebildet sein.The invention also relates to a computer-readable data carrier on which the aforementioned computer program product is stored. The data carrier can be present, for example, as a data memory, such as a semiconductor memory, of the computer and can be embodied, for example, as a hard disk.
Insbesondere kann von der Erfindung noch die Messvorrichtung zum Durchführen der vorgenannten Messroutine umfasst sein. Dabei können auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung von der Erfindung umfasst sein, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.In particular, the measuring device for carrying out the aforementioned measuring routine can also be included in the invention. The invention can also include developments of the measuring device according to the invention which have features as have already been described in connection with the developments of the method according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the measuring device according to the invention are not described again here.
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.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments were described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur ein schematisches Verfahrensablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten, die beispielhaft ein Verfahren zum Bestimmen oder Simulieren von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug darstellen.Exemplary embodiments of the invention are described below. For this purpose, the single FIGURE shows a schematic process flow diagram with individual process steps which represent, by way of example, a process for determining or simulating aging processes in a battery arrangement for a motor vehicle.
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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.
Die einzige Figur zeigt beispielhaft ein Verfahrensablaufdiagramm für ein Verfahren zum Simulieren von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung. Die Batterieanordnung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Batteriemodul mit 15 Batteriezellen, die in einem Modulgehäuse angeordnet sind, ausgebildet. Die Batteriezellen können zum Beispiel als sogenannte Pouchzellen mit einer Graphitanode und einer NMC 622- oder NMC 891-Kathode (NMC: Nickel-Mangan-Kobalt) bereitgestellt sein. Das Modulgehäuse bildet eine Gehäusevorrichtung für die Batteriezellen. Es umfasst als Gehäuseelemente zum Beispiel mehrere Trennelemente, die jeweils zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet sind, und Wandelemente, die in geeigneter Weise ein Gehäuse oder einen Rahmen für die Batteriezellen bilden. Zum mechanischen Verbinden sind die Wandelemente zum Beispiel verschraubt oder verschweißt. In bekannter Weise sind die Batteriezellen in dem Modulgehäuse als Zellstapel nebeneinander oder benachbart angeordnet, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Batteriezellen ein Trennelement eingebracht ist.The only figure shows an example of a method flowchart for a method for simulating aging processes in a battery arrangement. In the present exemplary embodiment, the battery arrangement is designed as a battery module with 15 battery cells, which are arranged in a module housing. The battery cells can be provided, for example, as so-called pouch cells with a graphite anode and an NMC 622 or NMC 891 cathode (NMC: nickel manganese cobalt). The module housing forms a housing device for the battery cells. As housing elements, it comprises, for example, a plurality of separating elements which are each arranged between the individual battery cells, and wall elements which form a housing or a frame for the battery cells in a suitable manner. For mechanical connection, the wall elements are screwed or welded, for example. In a known manner, the battery cells are arranged in the module housing as a cell stack next to one another or adjacent to one another, with a separating element being introduced between two adjacent battery cells in each case.
Alternativ zu der in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Konfiguration der Batterieanordnung sind natürlich auch eine andere Konfiguration, zum Beispiel als Cell-to-Car oder Cell-to-Pack Batterie denkbar.As an alternative to the configuration of the battery arrangement described in the exemplary embodiment, a different configuration is of course also conceivable, for example as a cell-to-car or cell-to-pack battery.
Gemäß dem Verfahren in der Figur soll nun der Alterungszustand der Batteriezellen in Abhängigkeit von einer Ladezyklenzahl und einer Ausdehnkraft, die zwischen Modulgehäuse und Zellen beziehungsweise zwischen den Zellen untereinander wirkt, bestimmt werden. Somit wird die Wechselwirkung zwischen der Alterung der Zellen, also ihrer Lebensdauer, und dem Kräfteverhältnis im Inneren der Batterieanordnung, also der Ausdehnkraft, durch Simulation untersucht. Die Ausdehnkraft ergibt sich dabei aus dem sogenannten Swelling, also einer üblichen Volumenvergrößerung, die die Zellen beim Laden und Entladen mit fortschreitender Alterung erfahren, sowie einer Steifigkeit des Modulgehäuses, welches die Batteriezellen hält.According to the method in the figure, the aging condition of the battery cells as a function of a number of charging cycles and an expansion force, which relates between the module housing and the cells ments between the cells among themselves can be determined. Thus, the interaction between the aging of the cells, i.e. their service life, and the balance of forces inside the battery arrangement, i.e. the expansion force, is examined by simulation. The expansion force results from the so-called swelling, i.e. a normal increase in volume that the cells experience during charging and discharging with progressive aging, as well as a rigidity of the module housing that holds the battery cells.
Anstatt nun das Batteriemodul als gesamte Einheit auf Alterungsprozesse hin zu untersuchen, wird in dem Verfahren zunächst das mechanisch-elektrische Alterungsverhalten von einer einzelnen Batteriezelle gleichen Typs, die in dem Modul eingesetzt werden soll, vermessen werden. Die dadurch ermittelten Alterungsdaten werden dann verwendet und auf die Modulebene übertragen. Dazu wird in einem Schritt S1 zum Vorgeben der Alterungsdaten für den jeweiligen Typ von Batteriezelle mittels einer Messvorrichtung eine Messroutine durchgeführt. Mittels der Messvorrichtung wird dabei zunächst eine vorbestimmte Anzahl an Ladezyklen in vorgegebenen Iterationsschritten eine vorgegebene Gegenkraft an die Batteriezelle bereitgestellt. Danach werden für den jeweiligen Iterationsschritt der Alterungszustand der Batteriezelle und eine Ausdehnkraft, die auf die Batteriezelle wirkt, erfasst. Als Ergebnis liefert die Messroutine einen Datensatz aus den Alterungsdaten, die den Alterungszustand des Zelltyps pro Iterationsschritt in Abhängigkeit von der Ladezyklenzahl und der Ausdehnkraft darstellen. Mittels der Messvorrichtung sollen dabei unter anderem die Eigenschaften eines Modulgehäuses, wie eine Steifigkeit oder Vorspannung, und die Eigenschaften von anderen Zellen im Zellstapel, wie ein Swellingverhalten, und der elektrische Betrieb der Zelle nachgebildet werden.Instead of examining the battery module as an entire unit for aging processes, the method first measures the mechanical-electrical aging behavior of an individual battery cell of the same type that is to be used in the module. The aging data determined in this way are then used and transferred to the module level. For this purpose, a measuring routine is carried out in a step S1 for specifying the aging data for the respective type of battery cell using a measuring device. By means of the measuring device, a predetermined counterforce is initially provided to the battery cell for a predetermined number of charging cycles in predetermined iteration steps. After that, the aging condition of the battery cell and an expansion force acting on the battery cell are recorded for the respective iteration step. As a result, the measurement routine delivers a data set from the aging data that shows the aging state of the cell type per iteration step as a function of the number of charging cycles and the expansion force. Among other things, the measuring device is intended to simulate the properties of a module housing, such as stiffness or prestress, and the properties of other cells in the cell stack, such as swelling behavior, and the electrical operation of the cell.
Dazu weist die Messvorrichtung zum Beispiel eine pneumatisch betriebene Druckpresse auf, in die die Batteriezelle eingespannt werden kann. Mittels der Druckpresse kann an die Batteriezelle von allen Seiten die Gegenkraft bereitgestellt werden. Die Gegenkraft kann über die gesamte Messdauer konstant gehalten werden und zum Beispiel auf einen Wert zwischen 5 kN und 25 kN eingestellt sein. Alternativ kann die Gegenkraft über die vorbestimmte Anzahl an Ladezyklen auf- oder absteigende Gegenkraft, also variabel eingestellt sein. Zum Beispiel kann die Gegenkraft zum Beginn der Messung 5 kN betragen und in vorgegebenen Schritten pro Iterationsschritt bis zum Ende der Messung auf 25 kN erhöht werden. Durch die Druckpresse können somit die Kraftverhältnisse oder Druckverhältnisse für die Batteriezelle im Gehäuse oder im angeordneten Zustand zwischen anderen Batteriezellen nachgebildet werden.For this purpose, the measuring device has, for example, a pneumatically operated pressure press, into which the battery cell can be clamped. The counterforce can be provided to the battery cell from all sides by means of the pressure press. The counterforce can be kept constant over the entire measurement period and can be set to a value between 5 kN and 25 kN, for example. Alternatively, the counterforce can be set to increase or decrease over the predetermined number of charging cycles, that is to say variably. For example, the counterforce can be 5 kN at the start of the measurement and increased in specified steps per iteration step to 25 kN by the end of the measurement. The force conditions or pressure conditions for the battery cell in the housing or in the arranged state between other battery cells can thus be simulated by the printing press.
Zusätzlich kann die Messvorrichtung eine Steuerelektronik aufweisen mit der die Ladezyklen, also das Laden und Entladen der Batteriezelle, realisiert werden kann. Ein Ladezyklus entspricht dabei einem vollständigen oder teilweise Lade- und Entladevorgang zwischen 0 % SOC und 100 % SOC der Batteriezelle. Dabei kann mittels der Steuerelektronik eine Laderate für das Laden und Entladen eingestellt werden. Das heißt, es kann festgelegt werden, wie schnell die Zelle geladen oder entladen wird. Mittels der Steuerelektronik kann somit der Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs nachgebildet werden.In addition, the measuring device can have control electronics with which the charging cycles, ie the charging and discharging of the battery cell, can be implemented. A charging cycle corresponds to a complete or partial charging and discharging process between 0% SOC and 100% SOC of the battery cell. A charging rate for charging and discharging can be set by means of the control electronics. That is, it can be specified how fast the cell is charged or discharged. The driving operation of a motor vehicle can thus be simulated by means of the control electronics.
Um den Alterungszustand und die Ausdehnkraft zu erfassen, kann die Messvorrichtung noch eine Messelektronik aufweisen. Als Alterungszustand wird vorliegend insbesondere ein Swellingweg, also eine Volumenänderung aufgrund des Swellings der Batteriezelle, und der Gesundheitszustand (SOH), der durch eine durch die Zelle speicherbare Leistung wiedergegeben ist, erfasst. Zum Messen der Ausdehnkraft können zum Beispiel eine oder mehrere Kraftsensoren bereitgestellt sein. Die Ermittlung des Swellingwegs kann zum Beispiel indirekt über die Kraftmessung erfolgen. Zum Erfassen des Gesundheitszustands kann die Messelektronik einen oder mehrere Strom- beziehungsweise Spannungssensoren umfassen. Mit diesen kann eine Leistung gemessen werden, die die Zelle pro Iterationsschritt noch aufnehmen oder abgeben kann, was den Gesundheitszustand der Zelle repräsentiert.In order to record the aging condition and the expansion force, the measuring device can also have measuring electronics. In the present case, in particular a swelling path, ie a change in volume due to the swelling of the battery cell, and the state of health (SOH), which is represented by a power that can be stored by the cell, are recorded as the aging state. For example, one or more force sensors may be provided to measure extension force. The determination of the swelling path can, for example, take place indirectly via the force measurement. To record the state of health, the measurement electronics can include one or more current or voltage sensors. With these, a power can be measured that the cell can still absorb or deliver per iteration step, which represents the state of health of the cell.
Die Messung erfolgt dabei in den vorgegebenen Iterationsschritten. Diese legen eine Auflösung der Messung fest. Das heißt, die Anzahl der Iterationsschritte bestimmt, nach wie vielen Ladezyklen oder Teilzyklen die nächste Messung vorgenommen wird.The measurement is carried out in the specified iteration steps. These determine a resolution of the measurement. This means that the number of iteration steps determines after how many loading cycles or sub-cycles the next measurement is made.
Insgesamt können die Alterungsdaten zum Beispiel in zwei Alterungsdatensätzen vorliegen. In einem ersten Datensatz kann zum Beispiel die Gesundheitszustandsänderung (Delta-SOH) in Abhängigkeit von der Anzahl der Ladezyklen und der Swellingkraft im jeweiligen Ladezyklus für jeden Iterationsschritt dargestellt sein. In einem zweiten Datensatz kann die Volumenänderung, also der Swellingweg, in Abhängigkeit der Zyklenzahl und der Ausdehnkraft im jeweiligen Zyklus pro Iterationsschritt dargestellt sein. Die Datensätze, also die Alterungsdaten, können zum Beispiel in Form einer Look-up-Tabelle oder als 3D-Kennlinien vorliegen. Insgesamt kann somit für jeden Ladezyklus aus den Kennlinien ermittelt werden, welche Gesundheitszustandsänderung oder Volumenänderung die Zelle mit fortschreitender Alterung, also mit fortschreitender Ladezyklenzahl, erfährt.Overall, the aging data can be present in two sets of aging data, for example. For example, the change in health (Delta-SOH) depending on the number of charging cycles and the swelling force in the respective charging cycle for each iteration step can be shown in a first data set. The change in volume, ie the swelling path, can be shown in a second data set as a function of the number of cycles and the expansion force in the respective cycle per iteration step. The data records, ie the aging data, can be in the form of a look-up table or as 3D characteristic curves, for example. Overall, it can therefore be determined for each charging cycle from the characteristics what change in health or volume the cell experiences with progressive aging, ie with an increasing number of charging cycles.
Zum Auswerten der mittels der Messelektronik gemessenen Messdaten kann die Messvorrichtung eine Auswerteelektronik umfassen. Somit können aus den Messdaten, also den einzelnen Messergebnissen, die Alterungsdaten erzeugt werden.To evaluate the measurement data measured by means of the measurement electronics, the measurement device device include evaluation electronics. The aging data can thus be generated from the measurement data, i.e. the individual measurement results.
Zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Mess- oder Steuerparametern kann mittels der Messvorrichtung in der Messroutine auch die Temperatur eingestellt und überwacht und Pausenzeiten zwischen den jeweiligen Iterationsschritten berücksichtigt werden. Somit können zum Beispiel eine Umgebungstemperatur oder Standzeiten des Kraftfahrzeugs in der Messroutine berücksichtigt werden. Um die Genauigkeit der Messung noch zu verbessern, kann auch ein Gasinnendruck der Batteriezelle in der Messroutine berücksichtigt werden. Dazu kann die Messelektronik um einen Drucksensor zum Bestimmen des Gasinnendrucks erweitert sein. Der Gasinnendruck kann entweder für jeden Iterationsschritt oder nach Abschluss der Messroutine bestimmt werden.In addition or as an alternative to the aforementioned measurement or control parameters, the temperature can also be set and monitored in the measurement routine by means of the measurement device and pause times between the respective iteration steps can be taken into account. Thus, for example, an ambient temperature or idle times of the motor vehicle can be taken into account in the measurement routine. In order to further improve the accuracy of the measurement, the internal gas pressure of the battery cell can also be taken into account in the measurement routine. For this purpose, the measurement electronics can be expanded to include a pressure sensor for determining the internal gas pressure. The internal gas pressure can be determined either for each iteration step or after the measurement routine has been completed.
Der Vorteil am Durchführen der Messroutine auf Basis der Zellebene besteht darin, dass die Messung für jeden Zelltyp, also für jede Packungsform und Technologie von Zelle, nur einmal durchgeführt werden braucht. Am nde der Messroutine liegen dann die konkreten Alterungsdaten für den jeweiligen Zelltyp vor. Aus diesen kann das Alterungsverhalten auf Zellebene durch das Simulationsverfahren zum Beispiel auf die Modulebene hochgerechnet werden.The advantage of carrying out the measurement routine on the basis of the cell level is that the measurement only needs to be carried out once for each cell type, i.e. for each packaging shape and cell technology. At the end of the measurement routine, the concrete aging data for the respective cell type are available. From these, the aging behavior at the cell level can be extrapolated to the module level, for example, using the simulation process.
Dazu wird in dem Verfahren in einem Schritt S2 ein Simulationsmodell des Batteriemoduls mit den Batteriezellen erstellt. Das Simulationsmodell liegt insbesondere als FEM-Modell (FEM: Finite Elemente Methode) vor, sodass das Batteriemodul in eine Vielzahl von einzelnen Segmenten unterteilt ist. Somit können Inhomogenitäten im Alterungsverhalten der einzelnen Elemente des Batteriemoduls überwacht werden.For this purpose, a simulation model of the battery module with the battery cells is created in a step S2 of the method. The simulation model is available in particular as an FEM model (FEM: Finite Element Method), so that the battery module is divided into a large number of individual segments. In this way, inhomogeneities in the aging behavior of the individual elements of the battery module can be monitored.
Um nun die Lebensdauerberechnung des Batteriemoduls in der Simulation zu beginnen, wird in einem Schritt S3 in dem Verfahren eine Initialisierungsroutine durchgeführt. In der Initialisierungsroutine werden zunächst Startbedingungen für die Modulkonstruktion definiert. Das heißt, es werden die Kräfteverhältnisse in dem Batteriemodul zum Begin of Life (BOL, Lebensbeginn) der Batteriezellen, also einem vorgegebenen Gesundheitszustand, zum Beispiel von 100 % SOH, und einem vorgegebenen Ladezustand, zum Beispiel bei 0 % SOC, festgelegt. Dazu zählen zum Beispiel eine mechanische Vorspannung des Modulgehäuses sowie eine Fixierung des Moduls und eine Vorspannung auf die Zelltrennelemente. Anschließend wird aus den Alterungsdaten, die zuvor in der Messroutine bestimmt wurden, für die ermittelte Vorspannung ein zugeordneter Vorspann-Alterungszustand der Batteriezellen, wenn diese in dem Modulgehäuse angeordnet ist, bestimmt. Das heißt, es wird in dem FEM-Modell eine Kraft auf die jeweilige Zelle beziehungsweise die Zellsegmente bestimmt. Daraufhin wird aus den Alterungsdaten der zugeordnete Alterungszustand abgelesen. Anschließend wird ein initialer Alterungszustand für die Batteriezellen als Startwerte für das Durchführen der Lebensdauerberechnung festgelegt. Zum Beispiel kann der initiale Alterungszustand als BOL der Batteriezellen bei 50 % SOC oder 85 % SOC oder einem anderen frei wählbaren Ladezustand gewählt sein. Danach wird ausgehend von dem Vorspannalterungszustand und der vorgegebenen Vorspannung bis zum Erreichen des initialen Alterungszustands in vorgegebenen Iterationsschritten aus den vorgegebenen Alterungsdaten ein jeweiliger Alterungszustand für die Batteriezellen beziehungsweise Batteriezellensegmente bestimmt. Der für die einzelnen Zellsegmente ermittelte Alterungszustands wird auf das Simulationsmodell angewendet. Das heißt, das aus dem Alterungszustand resultierende Swelling der Zellen wird in dem Simulationsmodell nachgebildet. Dadurch kann in dem Modell die jeweils resultierende Ausdehnkraft für den einzelnen Iterationsschritt bestimmt werden. Wenn der initiale Alterungszustand erreicht ist, wird die Initialisierungsroutine beendet. Der initiale Alterungszustand und die bei dem initialen Alterungszustand ermittelte zugeordnete Ausdehnkraft (initiale Ausdehnkraft) werden dann als Startwerte die nachfolgende Lebensdauerberechnung verwendet.In order to start the service life calculation of the battery module in the simulation, an initialization routine is carried out in a step S3 in the method. In the initialization routine, starting conditions for the module construction are first defined. This means that the balance of power in the battery module at the beginning of life (BOL, beginning of life) of the battery cells, i.e. a specified state of health, for example 100% SOH, and a specified state of charge, for example at 0% SOC, are specified. These include, for example, mechanical prestressing of the module housing as well as fixing the module and prestressing on the cell separators. Then, from the aging data that was previously determined in the measurement routine, an assigned prestress aging state of the battery cells is determined for the determined prestress when it is arranged in the module housing. This means that a force on the respective cell or cell segments is determined in the FEM model. The associated aging condition is then read from the aging data. An initial aging state for the battery cells is then defined as starting values for carrying out the service life calculation. For example, the initial state of health can be selected as the BOL of the battery cells at 50% SOC or 85% SOC or another freely selectable state of charge. Then, starting from the prestress aging state and the predetermined prestress, until the initial aging state is reached, a respective aging state for the battery cells or battery cell segments is determined in predetermined iteration steps from the predetermined aging data. The aging status determined for the individual cell segments is applied to the simulation model. This means that the swelling of the cells resulting from the aging state is reproduced in the simulation model. As a result, the resulting expansion force for each iteration step can be determined in the model. When the initial aging state is reached, the initialization routine is terminated. The initial aging condition and the associated extension force (initial extension force) determined at the initial aging condition are then used as starting values for the subsequent service life calculation.
In dem Verfahren gemäß der Fig. wird die Lebensdauerberechnung in einem Schritt S4 als eine Lebensdauerberechnungsroutine durchgeführt. Dabei handelt es sich um ein iteratives Verfahren, in dem die wechselseitige Beeinflussung von der jeweiligen Batteriezelle mit der umgebenden Konstruktion ermittelt wird. Ziel des Verfahrens ist es, in jedem Ladezyklus vom BOL bis zum Beispiel zum EOL (End of Life, Lebensende) die mechanische Belastung sowie den Gesundheitszustand des Batteriemoduls darzustellen. Dazu werden in der Simulationsroutine für eine vorbestimmte Anzahl an Ladezyklen iterativ, also in einem jeweiligen Iterationsschritt, die folgenden Schritte durchgeführt: In einem Schritt S4.1 wird ein vorangegangener Alterungszustand des jeweiligen Batteriezellensegments und eine vorangegangene Ausdehnkraft als eine Swellingkraft für das jeweilige Segment vorgegeben. Dabei ist mit der Ausdehnkraft diejenige Kraft gemeint, die abhängig von dem Alterungszustand zwischen dem Modulgehäuse und der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise zwischen zwei in dem Modulgehäuse benachbart angeordneten Batteriezellen wirkt. Im Zusammenhang mit der Betrachtung von Batteriezellensegmenten kann die Swellingkraft als ein lokaler Druck pro Segment verstanden werden. Dabei geht es insbesondere um eine Ausdehnkraft oder Swellingkraft in Längsrichtung beziehungsweise Stapelrichtung der Zellen. Also einer Kraft, die aufgrund des Swellings der Zellen zwischen in Richtung zweier benachbart angrenzender Zellen in dem Zellstapel beziehungsweise in dieser Richtung zwischen Zelle und Modulgehäuse wirkt. Der vorangegangene Alterungszustand und die vorangegangene Ausdehnkraft sind dabei durch den vorangegangenen Zyklus beziehungsweise Iterationsschritt oder im ersten Durchlauf der Routine durch die in der Initialisierungsroutine ermittelten Startwerte bekannt.In the method of the figure, the lifetime calculation is performed in a step S4 as a lifetime calculation routine. This is an iterative process in which the mutual influence of the respective battery cell with the surrounding structure is determined. The aim of the procedure is to show the mechanical load and the state of health of the battery module in each charging cycle from BOL to EOL (End of Life, for example). For this purpose, the following steps are carried out iteratively in the simulation routine for a predetermined number of charging cycles, i.e. in a respective iteration step: In a step S4.1, a previous aging state of the respective battery cell segment and a previous expansion force are specified as a swelling force for the respective segment. The expansion force means that force which, depending on the aging condition, acts between the module housing and the respective battery cell or between two battery cells arranged adjacently in the module housing. In connection with the consideration of battery cell segments, the swelling force can be understood as a local pressure per segment. In particular, this involves an expansion force or swelling force in the longitudinal direction or stack direction of the cells. In other words, a force that acts due to the swelling of the cells between in the direction of two adjacent cells in the cell stack or in this direction between the cell and the module housing. The previous aging state and the previous expansion force are known from the previous cycle or iteration step or in the first run of the routine from the start values determined in the initialization routine.
In einem Schritt S4.2 wird in Abhängigkeit von der vorangegangenen Ausdehnkraft und dem vorangegangenen Alterungszustand als nächstes aus den vorgegebenen Alterungsdaten, die dem Zelltyp der Batteriezelle zugeordnet sind, ein aktueller Alterungszustand der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise des Zellsegments bestimmt. Das heißt, es werden zum Beispiel aus der Kennlinie zu der bekannten Ausdehnkraft die Volumenänderung, also der Swellingweg, und die Gesundheitszustandsänderung abgelesen werden.In a step S4.2, depending on the previous expansion force and the previous aging state, a current aging state of the respective battery cell or cell segment is determined from the predetermined aging data that are assigned to the cell type of the battery cell. This means that, for example, the change in volume, i.e. the swelling path, and the change in the state of health can be read from the characteristic curve for the known expansion force.
Die Volumenänderung pro Zyklus und die Gesundheitszustandsänderung der Zelle werden somit für den aktuellen Ladezyklus oder Iterationsschritt aus der Kennlinie ermittelt. Zum Beispiel kann in der Kennlinie hinterlegt sein, dass bei einer Gegenkraft beziehungsweise Ausdehnkraft von 5 kN die Zelle nach Vollendung eines Ladezyklus um 0,02 % gealtert ist und um 0,002 Millimeter dicker wird.The change in volume per cycle and the change in the state of health of the cell are thus determined from the characteristic curve for the current charging cycle or iteration step. For example, the characteristic curve can store the fact that with a counterforce or expansion force of 5 kN, the cell has aged by 0.02% after completion of a charging cycle and is 0.002 millimeters thicker.
In einem Schritt S4.3 wird diese Volumenerhöhung und die Gesundheitsveränderung der Zelle beziehungsweise des Segments werden dann in dem Simulationsmodell nachgebildet. Das heißt, der aktuelle Alterungszustand wird auf das Simulationsmodell angewendet und das Simulationsmodell entsprechend angepasst. Ausgehend davon kann dann in dem Simulationsmodell die daraus resultierende Ausdehnkraft berechnet werden und die die Auswirkung des Swellings auf die Kraftverhältnisse im Batteriemodul bestimmt werden. Im Schritt S4.3 erfolgt somit die FEM-Berechnung. Das heißt, die resultierten Kräfte im Batteriemodul auf die mechanischen Bauteile und die Zelle nach der jeweiligen Ladezykluszahl gemäß der Iterationsschritte werden berechnet.In a step S4.3, this increase in volume and the change in health of the cell or segment are then simulated in the simulation model. That is, the current aging condition is applied to the simulation model and the simulation model is adjusted accordingly. Based on this, the resulting expansion force can then be calculated in the simulation model and the effect of the swelling on the force conditions in the battery module can be determined. The FEM calculation is thus carried out in step S4.3. This means that the resulting forces in the battery module on the mechanical components and the cell after the respective number of charging cycles are calculated according to the iteration steps.
Diese Lebensdauerberechnungsroutine gemäß Schritt S4 wird bis zum Erreichen einer vorgegebenen Endbedingung für jeden Iterationsschritt wiederholt. Ob die vorgegebene Endbedingung eingetreten ist, wird in einem Schritt S5 in dem Verfahren nach jedem Durchlauf (Iterationsschritt) der Lebensdauerberechnungsroutine überprüft. Ist die Endbedingung erreicht (J), wird das Verfahren nach dem Schritt S5 in einem Endschritt E beendet. Tritt die Endbedingung hingegen nicht ein (N), wird das Verfahren erneut mit dem Schritt S4.1 fortgeführt.This service life calculation routine according to step S4 is repeated for each iteration step until a predetermined end condition is reached. Whether the specified end condition has occurred is checked in a step S5 in the method after each run (iteration step) of the service life calculation routine. If the end condition is reached (Y), the method is terminated in an end step E after step S5. If, on the other hand, the end condition does not occur (N), the method is continued again with step S4.1.
Als Endbedingung zum Beenden der Lebensdauerberechnungsroutine kann zum Beispiel eine Anzahl an Ladezyklen, zum Beispiel 1000 oder 1600, vorgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann in dem Simulationsmodell ein Materialgrenzwert des Batteriemoduls als Endbedingung für die Lebensdauerberechnungsroutine vorgegeben sein. Der Materialgrenzwert kann sich zum Beispiel auf einen vorgegebenen Swellingweg der Zellen oder eine Reißfestigkeit des Modulgehäuses oder der Gehäuseelemente beziehen. Alternativ kann als Endbedingung zum Beispiel ein vorgegebener Alterungszustand vorgegeben sein. Zum Beispiel kann der Alterungszustand einem Gesundheitszustand von 85 % SOH entsprechen, der das Lebensende der Batteriezelle repräsentiert.For example, a number of charging cycles, for example 1000 or 1600, can be specified as the end condition for ending the service life calculation routine. Additionally or alternatively, a material limit value of the battery module can be specified in the simulation model as an end condition for the service life calculation routine. The material limit value can relate, for example, to a predetermined swelling path of the cells or to a tear strength of the module housing or the housing elements. Alternatively, a specified aging state, for example, can be specified as the end condition. For example, the state of health can correspond to a state of health of 85% SOH, which represents the end of life of the battery cell.
Je nach Anzahl der durchlaufenen Ladezyklen kann somit eine Zeit bestimmt werden, in der die Batterieanordnung sich für den Fahrzeugbetrieb eignet, und somit eine Lebensdauer angegeben werden.Depending on the number of charging cycles run through, a time can thus be determined in which the battery arrangement is suitable for vehicle operation, and a service life can thus be specified.
Die Anzahl der Ladezyklen und/oder die Iterationsschritte in der Initialisierungsroutine und/oder der Lebensdauerberechnungsroutine kann zum Beispiel an die der Messroutine angepasst sein. Alternativ können die Ladenzyklenzahl und/oder die Iterationsschritte beispielsweise frei gewählt werden.The number of charging cycles and/or the iteration steps in the initialization routine and/or the service life calculation routine can be adapted to that of the measurement routine, for example. Alternatively, the number of charging cycles and/or the iteration steps can be chosen freely, for example.
Insgesamt kann mit dem vorgestellten Verfahren das Batteriemodul somit über alle Ladezyklen zum Beispiel vom Lebensbeginn bis zum Lebensende ausgewertet werden. Dabei können durch das Simulationsmodell folgende Informationen gewonnen werden:
- - Materialbelastung aller Einzelteile und Verbindungselemente des Batteriemoduls,
- - Swelling der Batteriezellen und die daraus resultierende Deformation der umgebenden Konstruktion,
- - Verschiebung in Befestigungspunkten und Entwärmungsflächen, wie zum Beispiel elektrischen oder thermischen Kontakten, mit dem die jeweilige Batteriezelle an dem Modulgehäuse befestigt ist,
- - Gesundheitszustand des Batteriemoduls und der jeweiligen Zelle,
- - Homogenität des Gesundheitszustands der einzelnen Zellen innerhalb des Moduls, und
- - Homogenität des Gesundheitszustands innerhalb der jeweiligen Batteriezelle.
- - Material stress of all individual parts and connecting elements of the battery module,
- - Swelling of the battery cells and the resulting deformation of the surrounding structure,
- - Shift in attachment points and heat dissipation areas, such as electrical or thermal contacts, with which the respective battery cell is attached to the module housing,
- - Health status of the battery module and the respective cell,
- - Homogeneity of the state of health of the individual cells within the module, and
- - Homogeneity of the state of health within the respective battery cell.
Als Vorteil des Verfahrens ergibt sich insbesondere, dass beim Einsatz von bereits in der Messroutine vermessenen Batteriezellentypen auch für unterschiedliche Fahrzeugprojekte oder Fahrzeugtypen eine optimale Ausrichtung der Konstruktion auf die Zelllebensdauer, ein Gewicht, einen Bauraum und somit auch Kosten erfolgen kann. Zudem können zeitaufwendige Iterationsschleifen in der Komponentenerprobung, wie es bei den üblichen Tests mit ganzen Zellmodulen der Fall ist, vermieden werden. Durch das Verfahren können zudem die Auswirkungen von Änderungen der einzelnen Zelle auf die gesamte Modulkonstruktion vorhergesagt werden. Schließlich können auch die Auswirkungen von Änderungen des Batteriemoduls auf die Lebensdauer der einzelnen Zelle im Modul vorhergesagt werden.The particular advantage of the method is that when using battery cell types that have already been measured in the measurement routine, they can also be used for different vehicle projects or vehicle types pen, the design can be optimally aligned with the cell service life, weight, installation space and thus also costs. In addition, time-consuming iteration loops in component testing, as is the case with conventional tests with entire cell modules, can be avoided. The method can also be used to predict the effects of changes in the individual cell on the entire module design. Finally, the impact of changes in the battery module on the lifetime of each cell in the module can also be predicted.
Schließlich ergibt sich auch der Vorteil, dass bei der Entwicklung von neuen Zelltechnologien die neue Zelle als Einzelteil in der Regel einige Monate vor der Entwicklung von neuen Modulkonstruktionen für die neue Zelltechnologie vorliegt. Das heißt, das Zellgehäuse wird in der Regel erst zeitlich nach der neuen Zelltechnologie entwickelt, wobei bis zur Fertigstellung eines entsprechenden Prototyps mit eingebauten Batteriezellen, der sich zum Testen eignet, nochmal mehrere Monate vergehen. Mit dem neuen Verfahren zur Simulation können nun Alterungsprozesse in der Modulkonstruktion sehr viel früher überprüft und nachgewiesen werden als bisher. Zudem ist das Testen von Einzelzellen sehr viel einfacher als das Testen oder Vermessen von ganzen Modulen, da hierbei weniger unbekannte Materialkonstante in die Berechnung mit einfließen. Insgesamt zeigt das vorliegende Ausführungsbeispiel somit ein Verfahren zur Simulation des Swellingverhaltens und der Alterung in Batteriezellen und Zellmodulen.Finally, there is also the advantage that in the development of new cell technologies, the new cell is generally available as an individual part a few months before the development of new module constructions for the new cell technology. This means that the cell housing is usually only developed after the new cell technology has been developed, with several months elapsing before the completion of a corresponding prototype with built-in battery cells that is suitable for testing. With the new simulation method, aging processes in the module construction can now be checked and verified much earlier than before. In addition, testing individual cells is much easier than testing or measuring entire modules, since fewer unknown material constants are included in the calculation. Overall, the present exemplary embodiment thus shows a method for simulating the swelling behavior and aging in battery cells and cell modules.
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