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DE102017216223A1 - Method for operating an electrical energy storage unit - Google Patents

Method for operating an electrical energy storage unit Download PDF

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DE102017216223A1
DE102017216223A1 DE102017216223.6A DE102017216223A DE102017216223A1 DE 102017216223 A1 DE102017216223 A1 DE 102017216223A1 DE 102017216223 A DE102017216223 A DE 102017216223A DE 102017216223 A1 DE102017216223 A1 DE 102017216223A1
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DE
Germany
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energy storage
electrical energy
storage unit
mathematical model
determined
Prior art date
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Pending
Application number
DE102017216223.6A
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German (de)
Inventor
Holger Reinshagen
Daniel Sauerteig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to CN201880059205.3A priority patent/CN111052491A/en
Priority to PCT/EP2018/074309 priority patent/WO2019052946A1/en
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Abstract

Es wird Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit beschrieben. Dabei wird eine erste mechanische Zustandsgröße, insbesondere ein mechanischer Druck oder eine Verschiebung unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells ermittelt. Weiterhin wird eine elektrochemische Zustandsgröße, insbesondere eine Stoffkonzentration in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells ermittelt. Das erste mathematische Modell und das zweite mathematische Modell sind gekoppelt. Weiterhin wird ein leistungselektronisches Bauteil angesteuert, wobei die Ansteuerung in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße erfolgt. Das leistungselektronische Bauteil ist so eingerichtet, dass es auf das Ansteuern hin einen Lade- oder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit verändert. Es wird weiterhin eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium, eine entsprechende elektrische Energiespeichereinheit mit der entsprechenden Vorrichtung sowie deren Verwendung beschrieben.A method for operating an electrical energy storage unit is described. In this case, a first mechanical state variable, in particular a mechanical pressure or a displacement is determined using a first mathematical model. Furthermore, an electrochemical state variable, in particular a substance concentration in the electrical energy storage unit, is determined using a second mathematical model. The first mathematical model and the second mathematical model are coupled. Furthermore, a power electronic component is controlled, wherein the control takes place as a function of the determined first mechanical state variable and / or the determined electrochemical state variable. The power electronic component is set up such that it changes a charging or discharging current of the electrical energy storage unit in response to the driving. Furthermore, a corresponding device, a corresponding computer program, a corresponding machine-readable storage medium, a corresponding electrical energy storage unit with the corresponding device and their use are described.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren, einer Vorrichtung, einem Computerprogramm sowie einem maschinenlesbaren Speichermedium zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß den unabhängigen Patentansprüchen, wobei eine erste mechanische Zustandsgröße und eine elektrochemische Zustandsgröße der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden und basierend auf den so ermittelten Größen ein leistungselektronisches Bauteil angesteuert wird. Ebenso werden eine elektrische Energiespeichereinheit sowie deren Verwendung beschrieben.The present invention is based on a method, a device, a computer program and a machine-readable storage medium for operating an electrical energy storage unit according to the independent patent claims, wherein a first mechanical state variable and an electrochemical state variable of the electrical energy storage unit are determined and based on the variables thus determined power electronic component is driven. Likewise, an electrical energy storage unit and its use are described.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energiespeichereinheiten, insbesondere basierend auf der Lithiumionentechnologie, finden gerade im Automobilbereich zunehmende Verbreitung als wichtige Komponente im Antriebsstrang. Dabei sind die Elektroden einer elektrischen Energiespeichereinheit aufgrund der Einspeicherungs- und Ausspeicherungsvorgänge der Lithiumionen volumetrischen Änderungen unterworfen. Abhängig von einem Ladezustand, aber auch einer Alterung der Elektroden, ändert sich die entsprechende Ausdehnung der Elektroden, insbesondere orthogonal zu einer Lagenanordnung der Elektroden. Diese mechanischen Änderungen können demzufolge zusätzlich zu den bereits bisher verwendeten Messgrößen Temperatur, elektrische Spannung einer elektrischen Energiespeichereinheit oder einem elektrischen Strom verwendet werden, um die Bestimmungsgenauigkeit der Alterung oder des Ladezustandes einer Elektrode zu erhöhen beziehungsweise um Ungenauigkeiten, welche auf der alleinigen Erfassung von elektrischen Größen beruhen, zu minimieren.Electric energy storage units, in particular based on the lithium-ion technology, find increasing popularity in the automotive sector in particular as an important component in the drive train. In this case, the electrodes of an electric energy storage unit are subject to volumetric changes due to the storage and withdrawal processes of the lithium ions. Depending on a state of charge, but also an aging of the electrodes, the corresponding extent of the electrodes changes, in particular orthogonal to a layer arrangement of the electrodes. These mechanical changes can therefore be used in addition to the previously used variables temperature, electrical voltage of an electrical energy storage unit or an electric current to increase the accuracy of determination of the aging or state of charge of an electrode or inaccuracies due to the sole detection of electrical quantities are based, minimize.

Insbesondere eine modellbasierte Überwachung und Bestimmung des Alterungs- und Ladezustandes eine Elektrode beziehungsweise einer elektrischen Energiespeichereinheit sind hilfreich, um die Einhaltung eines sicheren Betriebes der elektrischen Energiespeichereinheit zu gewährleisten. Beispielsweise weisen Lithiumionenzellen bei zu hohem mechanischem Druck auf die Elektrode erhöhte Alterungsraten auf. Durch eine interkalationsbedingte Ausdehnung der Elektroden innerhalb der Lithiumionenzellen und eine Bildung von Passivierungsschichten entstehen mechanische Drücke auf den Elektroden durch eine Limitierung des mechanischen Bauraums.In particular, a model-based monitoring and determination of the aging and charge state of an electrode or an electrical energy storage unit are helpful to ensure compliance with safe operation of the electrical energy storage unit. For example, lithium ion cells exhibit increased rates of aging when the mechanical pressure on the electrode is too high. Due to an intercalation-related expansion of the electrodes within the lithium-ion cells and formation of passivation layers, mechanical pressures are generated on the electrodes by limiting the mechanical installation space.

Weiterhin weisen beispielsweise neue Aktivmaterialien für die Elektroden, beispielsweise basierend auf Silizium, eine Potenzialhysterese auf, was eine Ermittlung des Ladezustandes auf Basis des Elektrodenpotenzials erschwert.Furthermore, for example, new active materials for the electrodes, for example based on silicon, have a potential hysteresis, which makes it difficult to determine the state of charge on the basis of the electrode potential.

In diesem Zusammenhang bieten sich physikalische beziehungsweise elektrochemische Modelle zur Beschreibung der elektrochemischen Prozesse, beispielsweise das bekannte Newman-Modell, an, um elektrochemische Prozesse in einer Elektrode zu beschreiben. Dies liefert allerdings noch keine Informationen über den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit, beispielsweise eine Ausdehnung der Elektroden oder eine von ihnen auf ein die Elektroden umgebendes Gehäuse ausgeübte Kraft.In this context, physical or electrochemical models are suitable for describing the electrochemical processes, for example the well-known Newman model, in order to describe electrochemical processes in an electrode. However, this does not yet provide any information about the mechanical state of the electrical energy storage unit, for example an expansion of the electrodes or one of them exerted on a housing surrounding the electrodes force.

In der Druckschrift DE 10 2012 209 271 A1 wird ein Batteriemanagementsystem einer Batterie beschrieben, wobei innerhalb einer Batteriezelle auf einem Elektrodenwickel ein drucksensitiver Foliensensor angebracht ist, dessen Messwerte von einer Batteriezustandserkennung ausgewertet und zur Batteriezustandserkennung verwendet werden.In the publication DE 10 2012 209 271 A1 a battery management system of a battery is described, wherein a pressure-sensitive film sensor is mounted within a battery cell on an electrode winding, the measured values of which are evaluated by a battery state detection and used for battery state detection.

In der Druckschrift US 2015/0188198 A1 wird ein Batteriemodul beschrieben, das eine Batteriezelle sowie einen Kraftmesser und ein Steuerungsmodul aufweist, wobei der Kraftmesser eine Kraft aufgrund des Anschwellen der Batteriezelle misst und das Steuerungsmodul eingerichtet ist, basierend auf den empfangenen Kraftmessdaten die verbleibende Lebensdauer des Batteriemoduls zu schätzen.In the publication US 2015/0188198 A1 a battery module is described that includes a battery cell and a dynamometer and control module, wherein the dynamometer measures a force due to the swelling of the battery cell and the control module is configured to estimate the remaining life of the battery module based on the received force measurement data.

In der Druckschrift US 2014/0107949 A1 wird ein Batteriemanagementsteuergerät beschrieben, welches auf Basis empirisch ermittelter mechanischer Kenngrößen eine Ladezustands- beziehungsweise Alterungszustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit durchführt.In the publication US 2014/0107949 A1 a battery management control unit is described, which carries out a state of charge or aging state determination of an electrical energy storage unit on the basis of empirically determined mechanical parameters.

In dem Artikel „A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estimation“ von Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014) , wird die Kraft, welche eine Lithiumionenzelle während des Ladens beziehungsweise Entladens entwickelt, mittels eines mathematischen Modells beschrieben. Dabei wird ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kraftmesseinheiten außerhalb einer Batteriezelle vorsieht.In the article Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014) "A Phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and Its Application to State of Charge Estimation" , the force that develops a lithium-ion cell during charging or discharging is described by means of a mathematical model. An experimental setup is described, which provides force measuring units outside of a battery cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.Disclosed is a method for operating an electrical energy storage unit having the features of the independent claims.

Dabei wird eine erste mechanische Zustandsgröße, die einen mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere einen mechanischen Druck oder eine Verschiebung, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Diese erste mechanische Zustandsgröße kann beispielsweise den von dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinheit ausgeübten mechanischen Druck oder auch den von einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit ausgeübten Druck umfassen. Das erste mathematische Modell kann beispielsweise in einem Speicherbaustein eines Batteriemanagementsteuergerätes hinterlegt sein. Das erste mathematische Modell kann beispielsweise Differenzialgleichungen, insbesondere partielle Differenzialgleichungen, und/oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des ersten mathematischen Modells sein.In this case, a first mechanical state variable, which represents a mechanical state of the electrical energy storage unit, in particular a mechanical pressure or a displacement, using a first mathematical model of the electrical energy storage unit determined. This first mechanical state variable may include, for example, the mechanical pressure exerted by the housing of the electrical energy storage unit or also the pressure exerted by an electrode of the electrical energy storage unit. The first mathematical model can for example be stored in a memory module of a battery management control unit. The first mathematical model may include, for example, differential equations, in particular partial differential equations, and / or algebraic equations. Furthermore, a data-based map can also be part of the first mathematical model.

Weiterhin wird eine elektrochemische Zustandsgröße, die einen elektrochemischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere eine Konzentration eines Stoffes in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei das erste mathematische Modell und das zweite mathematische Modell gekoppelt sind. Diese Kopplung bewirkt, dass die mechanische Zustandsgröße die elektrische Zustandsgröße beeinflusst und umgekehrt. Beipielsweise kann die Porigkeit einer Elektrode beziehungsweise eines Separators und/oder allgemeiner das Fließverhalten eines Elektrolyts in der elektrischen Energiespeichereinheit durch den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit beeinflußt werden. Die Kopplung der Modelle bildet dies entsprechend mathematisch ab. Das zweite mathematische Modell kann beispielsweise in einem Speicherbaustein eines Batteriemanagementsteuergerätes hinterlegt sein und beispielsweise Differenzialgleichungen, insbesondere partielle Differenzialgleichungen, und/oder algebraische Gleichungen umfassen. Ein bekanntes Modell dieser Art ist das von Newman vorgestellte elektrochemische Modell einer elektrischen Energiespeichereinheit, welches auf den Theorien der konzentrierten Lösung und der porösen Elektrode basiert.Furthermore, an electrochemical state quantity, which represents an electrochemical state of the electrical energy storage unit, in particular a concentration of a substance in the electrical energy storage unit, is determined using a second mathematical model of the electrical energy storage unit, wherein the first mathematical model and the second mathematical model are coupled. This coupling causes the mechanical state variable to influence the electrical state variable and vice versa. For example, the porosity of an electrode or a separator and / or more generally the flow behavior of an electrolyte in the electrical energy storage unit can be influenced by the mechanical state of the electrical energy storage unit. The coupling of the models reflects this mathematically. The second mathematical model may for example be stored in a memory module of a battery management control unit and include, for example, differential equations, in particular partial differential equations, and / or algebraic equations. One known model of this type is Newman's proposed electrochemical model of an electrical energy storage unit based on the concentrated solution and porous electrode theories.

Generell kann gesagt werden, dass für die Ermittlungen mit den vorgestellten Modellen gegebenenfalls geeignete Startwerte zu wählen sind. Dies gilt insbesondere für mathematische Modelle, welche auf Differenzialgleichungen basieren. Diese Startwerte können beispielsweise vor dem eigentlichen Betrieb ermittelt und in einem Datenspeicher abgelegt werden. Bei Bedarf werden sie dann zur Modellinitialisierung, gegebenenfalls abhängig von Randbedingungen, eingesetzt.In general, it can be said that suitable starting values should be chosen for the investigations with the presented models. This applies in particular to mathematical models based on differential equations. These start values can be determined, for example, before the actual operation and stored in a data memory. If necessary, they are then used for model initialization, possibly depending on boundary conditions.

Anschließend wird ein leistungselektronisches Bauteil in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße angesteuert, wobei das leistungselektronische Bauteil eingerichtet ist, auf das Ansteuern hin einen Lade- oder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern. Beispielsweise kann das leistungselektronische Bauteil einen Wechselrichter umfassen und in einem Kennfeld entsprechende Zusammenhänge zwischen mechanischer Zustandsgröße, elektrochemischer Zustandsgröße und einem entsprechenden Lade- oder Entladestrom für die elektrische Energiespeichereinheit hinterlegt sein. Dabei ist das Kennfeld beispielsweise in einem Datenspeicher abgelegt. Auch ist es möglich, ein entsprechendes Ansteuersignal des leistungselektronischen Bauteils aus dem ersten und/oder dem zweiten mathematischen Modell zu generieren, beispielsweise über eine entsprechende Modellinvertierung bezüglich des elektrischen Stroms. Subsequently, a power electronic component is controlled as a function of the determined first mechanical state variable and / or the determined electrochemical state variable, wherein the power electronic component is arranged to change the charging towards a charge or discharge current of the electrical energy storage unit. For example, the electronic power component may comprise an inverter and be stored in a map corresponding relationships between mechanical state variable, electrochemical state variable and a corresponding charging or discharging for the electrical energy storage unit. The map is stored for example in a data memory. It is also possible to generate a corresponding drive signal of the power electronic component from the first and / or the second mathematical model, for example via a corresponding model inversion with respect to the electrical current.

Dass Betriebsverfahren erlaubt somit in vorteilhafter Weise den Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit unter optimalen Stromflussbedingungen, da über das leistungselektronische Bauteil jederzeit in Abhängigkeit des aktuellen Zustandes der elektrischen Energiespeichereinheit eine Anpassung des Lade- oder Entladestromes möglich ist. Dies erlaubt einen Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit ohne eine erhöhte Alterungsrate. Vorzeitige Ausfälle der elektrischen Energiespeichereinheit können somit vermieden und eine längere Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit erreicht werden. Darüber hinaus ist ein schnelleres Laden der elektrischen Energiespeichereinheit möglich, da durch das modellbasierte Verfahren die physikalischen und elektrochemischen Grenzen, die eine elektrische Energiespeichereinheit aufweist - bspw. 2,8 V Entladeschlussspannung, 4,2 V Ladeschlussspannung, eine Änderungen des mechanischen Drucks um beispielsweise maximal 100 N pro Minute - in der Ansteuerung des leistungselektronischen Bauteils berücksichtigt beziehungsweise eingehalten werden können.The operating method thus advantageously permits the operation of the electrical energy storage unit under optimum current flow conditions, since an adaptation of the charging or discharging current is possible at any time as a function of the current state of the electrical energy storage unit via the power electronic component. This allows operation of the electrical energy storage unit without an increased rate of aging. Premature failures of the electrical energy storage unit can thus be avoided and a longer life of the electrical energy storage unit can be achieved. In addition, a faster charging of the electrical energy storage unit is possible, because by the model-based method, the physical and electrochemical limits, having an electrical energy storage unit - for example 2.8 V discharge voltage, 4.2 V charge voltage, a change in mechanical pressure by, for example, maximum 100 N per minute - can be taken into account or maintained in the control of the power electronic component.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Ermittlung eines Wertes eines elektrochemischen Parameters der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere eines Porigkeitskennwertes einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit, in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Zustandsgröße, wobei die Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße anschließend in Abhängigkeit des ermittelten Parameterwertes, insbesondere des Porigkeitskennwertes, erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass auf die elektrische Energiespeichereinheit einwirkende mechanische Kräfte, welche sich auf elektrochemische Eigenschaften der elektrischen Energiespeichereinheit auswirken, bei der Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße berücksichtigt werden. Somit wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ermittlungsschritte und somit des Betriebs der elektrischen Energiespeichereinheit erhöht. Dies trägt insbesondere zu einer erhöhten Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit bei.Expediently, the determination of a value of an electrochemical parameter of the electrical energy storage unit, in particular a Porigkeitskennwertes an electrode of the electrical energy storage unit, in dependence of the determined mechanical state variable, wherein the determination of the electrochemical state variable then takes place in dependence of the determined parameter value, in particular the Porigkeitskennwertes. This has the advantage that acting on the electrical energy storage unit mechanical forces, which affect the electrochemical properties of the electrical energy storage unit, in determining the electrochemical state quantity are taken into account. Thus, the accuracy and reliability of the detection steps and thus the operation of the electrical energy storage unit is increased. This contributes in particular to an increased service life of the electrical energy storage unit.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Ansteuerung des leistungselektronischen Bauteils in Abhängigkeit der Stoffkonzentration an einer Übergangsstelle zwischen einer Elektrode, insbesondere der Anode, und einem Separator innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit, d.h. in Abhängigkeit der Stoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Separator. Da an dieser Stelle in der Elektrode die Wahrscheinlichkeit einer Ablagerung von metallischem Lithium besonders hoch ist, trägt diese Art der Ansteuerung somit in vorteilhafter Weise dazu bei, die Lithiumablagerung zu verhindern und somit die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit zu erhöhen. Die Gefahr von eines internen Kurzschlusses innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit wird in vorteilhafter Weise stark verringert.Appropriately, the activation of the power electronic component takes place as a function of the substance concentration at a transition point between an electrode, in particular the anode, and a separator within the electrical energy storage unit, i. depending on the concentration of the substance at the interface between the electrode and the separator. Since the probability of a deposition of metallic lithium is particularly high at this point in the electrode, this type of control thus advantageously contributes to preventing lithium deposition and thus increasing the life of the electrical energy storage unit. The risk of an internal short circuit within the electrical energy storage unit is advantageously greatly reduced.

Zweckmäßigerweise wird ein Vergleich der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße mit einem vordefinierten mechanischen Zustandsgrößenschwellenwert durchgeführt. Anschließend wird bei Überschreiten des mechanischen Zustandsgrößenschwellenwertes ein Signal erzeugt, um das Vergleichsergebnis anzuzeigen. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise einem Nutzer der elektrischen Energiespeichereinheit durch die Anzeige die Möglichkeit gegeben wird, sein Verhalten zu ändern, um beispielsweise die mechanische Belastung der elektrischen Energiespeichereinheit zu reduzieren. Auch kann durch die Anzeige ein Hinweis gegeben werden, beispielsweise eine Fachwerkstatt aufzusuchen, um die elektrische Energiespeichereinheit überprüfen und gegebenenfalls instandsetzen zu lassen. Somit wird der sichere Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit gewährleistet.It is expedient to carry out a comparison of the determined first mechanical state variable with a predefined mechanical state variable threshold value. Subsequently, when the mechanical state variable threshold value is exceeded, a signal is generated in order to indicate the result of the comparison. This has the advantage that, for example, a user of the electrical energy storage unit is given the opportunity by the display to change his behavior in order, for example, to reduce the mechanical load on the electrical energy storage unit. Also can be given by the display an indication, for example, visit a specialist workshop to check the electrical energy storage unit and repair if necessary. Thus, the safe operation of the electrical energy storage unit is ensured.

Zweckmäßigerweise wird unter Verwendung des ersten mathematischen Modells, des zweiten mathematischen Modells und eines dritten mathematischen Modells, welches eine Wärmeentwicklung der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet, eine Stromtrajektorie für eine vordefinierte, in der Zukunft liegende Zeitspanne berechnet. Bei der Berechnung fließt mindestens ein Temperaturmesswert der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder ein Messwert einer elektrischen Größe, insbesondere einer elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit, in die Berechnung ein. Dies kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines auf der Oberfläche der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Temperatursensors erfolgen, beispielsweise eines Thermoelementes. Anschließend wird das leistungselektronische Bauteil derart angesteuert, dass zumindest ein Teil der berechneten Stromtrajektorie auf die elektrische Energiespeichereinheit appliziert wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass für einen gewissen Zeitraum ein entsprechender, mittels des leistungselektronischen Bauteils geregelter Strom in die elektrische Energiespeichereinheit fließt. Die Ansteuerung erfolgt dabei, durch die modellbasierte Berechnung, in Abhängigkeit der bei der Verwendung des ersten mathematischen Modells ermittelten mechanischen Zustandsgröße, der bei der Verwendung des zweiten mathematischen Modells ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße und der bei der Verwendung des dritten mathematischen Modells ermittelten Wärmeentwicklung. Da die Berechnung meist in diskreten Zeitschritten stattfindet und somit mit einem Zeitschritt ein bestimmter Stromwert verbunden ist, wird zumindest der Stromwert eines diskreten Zeitschrittes der berechneten Stromtrajektorie auf die elektrische Energiespeichereinheit appliziert, wodurch ein entsprechender Strom in die oder aus der elektrischen Energiespeichereinheit fließt. Beispielsweise kann das Verfahren im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt werden.Expediently, using the first mathematical model, the second mathematical model and a third mathematical model, which maps a heat development of the electrical energy storage unit, a current trajectory is calculated for a predefined, future time span. In the calculation, at least one temperature measured value of the electrical energy storage unit and / or a measured value of an electrical variable, in particular an electrical voltage of the electrical energy storage unit, flows into the calculation. This can be done for example with the aid of a mounted on the surface of the electrical energy storage unit temperature sensor, such as a thermocouple. Subsequently, the power electronic component is driven such that at least a portion of the calculated current trajectory is applied to the electrical energy storage unit. This means, for example, that for a certain period of time a corresponding current regulated by means of the power electronic component flows into the electrical energy storage unit. The control is carried out by the model-based calculation, depending on the mechanical state variable determined using the first mathematical model, the determined during use of the second mathematical model electrochemical state variable and the determined during use of the third mathematical model heat development. Since the calculation usually takes place in discrete time steps and thus a certain current value is connected to a time step, at least the current value of a discrete time step of the calculated current trajectory is applied to the electrical energy storage unit, whereby a corresponding current flows into or out of the electrical energy storage unit. For example, the method can be used as part of a model-predictive control of the electrical energy storage unit.

Diese modellbasierte Ermittlung einer Stromtrajektorie hat den großen Vorteil, dass hierbei Grenzwerte für einzelne oder alle Größe berücksichtigt werden können. Somit ist gewährleistet, dass beispielsweise keine zu starke Erhitzung der elektrischen Energiespeichereinheit erfolgt, wenn sie in Abhängigkeit der ermittelten Stromtrajektorie geladen wird.This model-based determination of a current trajectory has the great advantage that limit values for individual or all sizes can be taken into account. This ensures that, for example, no excessive heating of the electrical energy storage unit takes place when it is charged as a function of the determined current trajectory.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, welche ein leistungselektronisches Bauteil sowie mindestens ein Mittel, beispielsweise ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, umfasst, welche eingerichtet sind, dass offenbarte Verfahren durchzuführen. Mit dieser Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise die Lebensdauer und Sicherheit der elektrischen Energiespeichereinheit, welche von der Vorrichtung betrieben wird, erhöht.Furthermore, the subject matter of the disclosure is an apparatus for operating an electrical energy storage unit, which comprises a power electronic component and at least one means, for example an electronic battery management control unit, which are set up to carry out the disclosed methods. With this device, the life and safety of the electrical energy storage unit, which is operated by the device is increased in an advantageous manner.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die offenbarte Vorrichtung die Verfahrensschritte des offenbarten Verfahrens ausführt. Somit werden in vorteilhafter Weise die Vorteile des Verfahrens realisiert.Furthermore, the subject matter of the disclosure is a computer program comprising instructions which cause the disclosed apparatus to carry out the method steps of the disclosed method. Thus, the advantages of the method are realized in an advantageous manner.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Somit ist in vorteilhafter Weise eine einfache Möglichkeit gegeben, das Computerprogramm zu verbreiten. Furthermore, the subject matter of the disclosure is a machine-readable storage medium on which the disclosed computer program is stored. Thus, an easy way is given to spread the computer program in an advantageous manner.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine elektrische Energiespeichereinheit, welche die offenbarte Vorrichtung zum Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit umfasst. Dies ist vorteilhaft, da die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängert und ihre Sicherheit erhöht wird.Furthermore, the subject matter of the disclosure is an electrical energy storage unit which comprises the disclosed device for operating the electrical energy storage unit. This is advantageous because the life of the electrical energy storage unit is extended and its safety is increased.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung die Verwendung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.Furthermore, the subject matter of the disclosure is the use of the disclosed electrical energy storage unit in electrically driven vehicles including hybrid vehicles, in stationary electrical energy storage systems, in electrically operated hand tools, in portable telecommunications or data processing equipment and in household appliances.

Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich. Dabei können beispielsweise poröse Elektroden im Aufbau der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt werden. Entsprechende Elektrolyten für den Einsatz in derartigen elektrischen Energiespeichereinheiten können beispielsweise gelartig oder flüssig sein.An electrical energy storage unit may in particular be understood as meaning an electrochemical battery cell and / or a battery module having at least one electrochemical battery cell and / or a battery pack having at least one battery module. For example, the electric energy storage unit may be a lithium-based battery cell or a lithium-based battery module or a lithium-based battery pack. In particular, the electrical energy storage unit may be a lithium-ion battery cell or a lithium-ion battery module or a lithium-ion battery pack. Furthermore, the battery cell may be of the type lithium polymer accumulator, nickel metal hydride accumulator, lead acid accumulator, lithium air accumulator or lithium sulfur accumulator or more generally an accumulator of any electrochemical composition. A capacitor is possible as an electrical energy storage unit. In this case, for example, porous electrodes can be used in the construction of the electrical energy storage unit. Corresponding electrolytes for use in such electrical energy storage units may be, for example, gel-like or liquid.

Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.The at least one means may include, for example, a battery management control unit and corresponding power electronics, for example an inverter, as well as current sensors and / or voltage sensors and / or temperature sensors. An electronic control unit, in particular in the form of a battery management control unit, can also be such a means. An electronic control unit may, in particular, comprise an electronic control unit which, for example, has a microcontroller and / or an application-specific hardware component, e.g. an ASIC may be understood, but may also include a personal computer or a programmable logic controller.

Figurenlistelist of figures

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the figures and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
  • 4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;
  • 5 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung, welche eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen.
Show it:
  • 1 a flowchart of the disclosed method according to a first embodiment;
  • 2 a flowchart of the disclosed method according to a second embodiment;
  • 3 a flowchart of the disclosed method according to a third embodiment;
  • 4 a flowchart of the disclosed method according to a fourth embodiment;
  • 5 a schematic representation of the disclosed device, which is adapted to carry out the disclosed method.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.Identical reference signs denote the same device components or the same method steps in all figures.

1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S11 wird eine mechanische Kraft, welche auf eine elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Kraftsensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden. Somit ist die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft bekannt, wobei sich diese Kraft auf die Leistungsfähigkeit der elektrischen Energiespeichereinheit auswirkt. 1 shows a flowchart of the disclosed method according to a first embodiment. In a first step S11 For example, a mechanical force acting on an electrical energy storage unit is determined using a first mathematical model of the electrical energy storage unit. The use of a force sensor can thus be omitted if necessary. Thus, the force acting on the electrical energy storage unit is known, this force having an effect on the performance of the electrical energy storage unit.

In einem zweiten Schritt S12 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines auf Differenzialgleichungen beruhenden zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem ersten Schritt S11 ermittelten mechanischen Kraft ermittelt. Das zweite mathematische Modell und das erste mathematische Modell sind somit gekoppelt.In a second step S12 For example, a lithium concentration within the electrical energy storage unit is determined using a second mathematical model of the electrical energy storage unit based on differential equations. The lithium concentration becomes dependent on that in the first step S11 determined mechanical force determined. The second mathematical model and the first mathematical model are thus coupled.

In einem dritten Schritt S13 wird anschließend ein Stromrichter in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Kraft und der ermittelten Lithiumkonzentration angesteuert, wobei der Stromrichter eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Steuerbefehlen einen Ladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern. Dabei werden die Steuerbefehle des Stromrichters in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Kraft und der ermittelten Lithiumkonzentration erzeugt.In a third step S13 Subsequently, a power converter in dependence of the determined controlled mechanical force and the determined lithium concentration, wherein the power converter is arranged to change in response to control commands a charging current of the electrical energy storage unit. The control commands of the power converter are generated as a function of the determined mechanical force and the determined lithium concentration.

2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird ein mechanischer Druck, welcher auf eine elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Drucksensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden, wobei dennoch durch die modellbasierte Ermittlung der auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Druck bekannt ist. 2 shows a flowchart of the disclosed method according to a second embodiment. In a first step S21 For example, a mechanical pressure acting on an electrical energy storage unit is determined using a first mathematical model of the electrical energy storage unit. The use of a pressure sensor can thus be dispensed with if necessary, while still being known by the model-based determination of the pressure acting on the electrical energy storage unit.

In einem zweiten Schritt S22 wird als ein elektrochemischer Parameterwert der elektrischen Energiespeichereinheit eine Porigkeit beziehungsweise ein Porigkeitskennwert eine Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit des in dem ersten Schritt S21 ermittelten mechanischen Drucks ermittelt. In a second step S22 is an electrochemical parameter value of the electrical energy storage unit a porosity or a Porigkeitskennwert an electrode of the electric energy storage unit in dependence on in the first step S21 determined mechanical pressure determined.

Dabei wird der so ermittelte elektrochemische Parameter in einem zweiten mathematischen Modell verwendet. Alternativ kann auch die Porigkeit des Separators und/oder beider Elektroden ermittelt werden.In this case, the thus determined electrochemical parameter is used in a second mathematical model. Alternatively, the porosity of the separator and / or both electrodes can be determined.

In einem dritten Schritt S23 erfolgt anschließend eine Ermittlung eines elektrischen Potenzials einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung des zweiten mathematischen Modells, wobei der in dem zweiten Schritt S22 ermittelte Parameterwert innerhalb dieser modellbasierten Ermittlung mittels des zweiten mathematischen Modells eingesetzt wird, wodurch das Ermittlungsergebnis verbessert wird.In a third step S23 Then, a determination of an electrical potential of an electrode of the electrical energy storage unit using the second mathematical model, wherein in the second step S22 determined parameter value is used within this model-based determination by means of the second mathematical model, whereby the determination result is improved.

In einem vierten Schritt S24 wird anschließend ein Wechselrichter in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und gegebenenfalls des ermittelten elektrischen Potenzials angesteuert. Dabei ist der Wechselrichter so eingerichtet, dass er auf das Ansteuern mit entsprechenden Ansteuerbefehlen hin einen Lade- oder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit ändert.In a fourth step S24 Subsequently, an inverter is controlled as a function of the determined mechanical pressure and optionally the determined electrical potential. In this case, the inverter is set up in such a way that it changes a charging or discharging current of the electrical energy storage unit in response to the activation with corresponding activation commands.

3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S41 erfolgt eine Ermittlung eines elektrischen Potenzials einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells, welches mit einem ersten mathematischen Modell gekoppelt ist. Diese Kopplung bedingt gegebenenfalls, dass im Rahmen der modellbasierten Ermittlung geeignete Randbedingungen beziehungsweise Startwerte für die entsprechenden Modelle zu wählen sind. 3 shows a flowchart of the disclosed method according to a third embodiment. In a first step S41 a determination is made of an electrical potential of an electrode of the electrical energy storage unit using a second mathematical model, which is coupled to a first mathematical model. If necessary, this coupling necessitates that suitable boundary conditions or starting values for the corresponding models be selected within the framework of the model-based determination.

In einem zweiten Schritt S42 wird ein mechanischer Druck, welcher auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung des ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Drucksensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden, wobei dennoch durch die modellbasierte Ermittlung der auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Druck bekannt ist. Gegebenenfalls werden im ersten Schritt S41 ermittelte Größen in der Berechnung im zweiten Schritt S42 verwendet.In a second step S42 For example, a mechanical pressure acting on the electrical energy storage unit is determined using the first mathematical model of the electrical energy storage unit. The use of a pressure sensor can thus be dispensed with if necessary, while still being known by the model-based determination of the pressure acting on the electrical energy storage unit. If necessary, in the first step S41 determined quantities in the calculation in the second step S42 used.

In einem dritten Schritt S43 wird der ermittelte mechanische Druck mit einem vordefinierten mechanischen Druckschwellenwert verglichen. Dieser Druckschwellenwert kann beispielsweise so gewählt werden, dass ein Überschreiten dieses Schwellenwertes eine irreversible Schädigung der elektrischen Energiespeichereinheit anzeigt, wodurch beispielsweise ein Besuch in einer Fachwerkstatt notwendig wird.In a third step S43 the determined mechanical pressure is compared with a predefined mechanical pressure threshold value. This pressure threshold value can be selected, for example, such that exceeding this threshold value indicates irreversible damage to the electrical energy storage unit, as a result of which, for example, a visit to a specialist workshop becomes necessary.

In einem vierten Schritt S44 wird deswegen bei Überschreiten des Druckschwellenwertes ein Signal erzeugt, um das Ergebnis des Vergleichs anzuzeigen. Dies kann beispielsweise ein graphisches Signal auf einem Bildschirm als auch ein Aufleuchten einer Signalleuchte sein, welche beispielsweise einen notwendigen Werkstattbesuch anzeigen.In a fourth step S44 Therefore, when the pressure threshold is exceeded, a signal is generated to indicate the result of the comparison. This may be, for example, a graphic signal on a screen as well as a flashing of a signal light, which indicate, for example, a necessary workshop visit.

In einem fünften Schritt S35 wird anschließend ein Stromrichter in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und des ermittelten Elektrodenpotenzials angesteuert. Dabei ist der Stromrichter so eingerichtet, dass er auf das Ansteuern hin den elektrischen Strom, welcher in die oder aus der elektrischen Energiespeicher fließt, ändert. Bei Überschreiten des Druckschwellenwertes ist beispielsweise eine betragsmäßige Verringerung des elektrischen Stromes vorgesehen. Dies hilft insbesondere, eine ungewollte Lithiumabscheidung an den Elektroden, insbesondere an der Grenzfläche zwischen negativer Elektrode und Separator, zu verhindern.In a fifth step S35 Subsequently, a power converter is controlled in dependence of the determined mechanical pressure and the determined electrode potential. In this case, the power converter is set up in such a way that it changes the electrical current which flows into or out of the electrical energy store in response to the activation. When the pressure threshold value is exceeded, a reduction in the magnitude of the electric current is provided, for example. This helps in particular to prevent unwanted lithium deposition at the electrodes, in particular at the interface between negative electrode and separator.

Wird der mechanische Druckschwellenwert nicht überschritten, wird nach dem dritten Schritt S33 der fünfte Schritt S35 ausgeführt. Da sich der mechanische Druck der elektrischen Energiespeichereinheit demzufolge in einem normalen Bereich befindet, erfolgt die Ansteuerung des Stromrichters beispielsweise mit geänderten Ansteuerparametern, wodurch die elektrische Energiespeichereinheit beispielsweise einer erhöhten Stromdynamik ausgesetzt ist, welche wiederum erhöhte Druckschwankungen bedingen. Dies ist allerdings unproblematisch, da der mechanische Druck im Normalbereich liegt.If the mechanical pressure threshold is not exceeded, after the third step S33 the fifth step S35 executed. Since the mechanical pressure of the electrical energy storage unit is therefore in a normal range, the control of the power converter, for example, with changed control parameters, whereby the electrical energy storage unit is exposed, for example, an increased current dynamics, which in turn cause increased pressure fluctuations. However, this is not a problem since the mechanical pressure is within the normal range.

4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S41 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines auf Differenzialgleichungen beruhenden zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. 4 shows a flowchart of the disclosed method according to a fourth embodiment. In a first step S41 becomes one Lithium concentration within the electrical energy storage unit using a differential equations based second mathematical model of the electrical energy storage unit determined.

In einem zweiten Schritt S42 wird eine mechanische Kraft, welche auf eine elektrische Energiespeichereinheit wirkt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Auf den Einsatz eines Kraftsensors kann somit gegebenenfalls verzichtet werden. Somit ist die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft bekannt. Das zweite mathematische Modell und das erste mathematische Modell sind dabei somit gekoppelt, wodurch gegebenenfalls geeignete Startwerte und Randbedingungen für das erste und oder das zweite mathematische Modell zu wählen sind. Diese Startwerte können beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt sein, welches in einem Datenspeicher abgelegt ist, oder mittels geeigneter Sensoren, beispielsweise einem Drucksensor, ermittelt werden.In a second step S42 For example, a mechanical force acting on an electrical energy storage unit is determined using a first mathematical model of the electrical energy storage unit. The use of a force sensor can thus be omitted if necessary. Thus, the force acting on the electrical energy storage unit is known. The second mathematical model and the first mathematical model are thus coupled, whereby, if appropriate, suitable starting values and boundary conditions for the first and / or the second mathematical model are to be selected. These starting values can be stored, for example, in a map which is stored in a data memory, or determined by means of suitable sensors, for example a pressure sensor.

In einem dritten Schritt S43 wird eine Stromtrajektorie für eine vordefinierte, in der Zukunft liegende Zeitspanne unter Verwendung des ersten mathematischen Modells, des zweiten mathematischen Modells und eines dritten mathematischen Modells, welches eine Wärmeentwicklung der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet, berechnet. Dabei fließen die in dem ersten Schritt S41 und dem zweiten Schritt S42 ermittelten Größen in die Berechnung ein. Das dritte mathematische Modell bildet die Wärmeentwicklung der elektrischen Energiespeichereinheit beziehungsweise in der elektrischen Energiespeichereinheit ab. Weiterhin werden in der Berechnung der Stromtrajektorie ein Temperaturmesswert der elektrischen Energiespeichereinheit und ein Spannungsmesswert der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt.In a third step S43 For example, a current trajectory for a predefined, future time period is calculated using the first mathematical model, the second mathematical model, and a third mathematical model that maps heat generation of the electrical energy storage unit. They flow in the first step S41 and the second step S42 determined variables in the calculation. The third mathematical model depicts the heat development of the electrical energy storage unit or in the electrical energy storage unit. Furthermore, a temperature measurement value of the electrical energy storage unit and a voltage measurement value of the electrical energy storage unit are used in the calculation of the current trajectory.

In einem vierten Schritt S44 wird anschließend ein leistungselektronisches Bauteil derart angesteuert, dass zumindest ein Teil der berechneten Stromtrajektorie auf die elektrische Energiespeichereinheit appliziert wird. Da die Berechnung meist in diskreten Zeitschritten stattfindet und somit mit einem Zeitschritt ein bestimmter Stromwert verbunden ist, wird zumindest der Stromwert eines diskreten Zeitschrittes der berechneten Stromtrajektorie auf die elektrische Energiespeichereinheit appliziert, wodurch ein entsprechender Strom in die oder aus der elektrischen Energiespeichereinheit fließt. Beispielsweise wird das Verfahren im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung der elektrischen Energiespeichereinheit eingesetzt.In a fourth step S44 Subsequently, a power electronic component is driven such that at least a portion of the calculated current trajectory is applied to the electrical energy storage unit. Since the calculation usually takes place in discrete time steps and thus a specific current value is connected to a time step, at least the current value of a discrete time step of the calculated current trajectory is applied to the electrical energy storage unit, whereby a corresponding current flows into or out of the electrical energy storage unit. For example, the method is used in the context of a model-predictive control of the electrical energy storage unit.

5 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 70, die eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dabei wird mittels eines in einem ersten Datenspeicher abgelegten ersten mathematischen Modells 71 eine mechanische Zustandsgröße einer elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Die ermittelte mechanische Zustandsgröße wird anschließend in einem zweiten mathematischen Modell 72, welches in einem zweiten Datenspeicher abgelegt ist, bei der Ermittlung einer elektrochemischen Zustandsgröße eingesetzt. Aus den ermittelten Zustandsgrößen bestimmt das Batteriemanagementsteuergerät 74 geeignete Ansteuerbefehle für das leistungselektronische Bauteil 73, welches eingerichtet ist, auf das Ansteuern hin einen Lade- oder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern. Somit wird die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängert beziehungsweise ein schonenderer Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit sowie eine schnelleres Laden beziehungsweise gegebenenfalls auch Entladen ermöglicht. 5 shows a schematic representation of the disclosed device 70 which is arranged to carry out the disclosed method. This is done by means of a stored in a first data store first mathematical model 71 a mechanical state variable of an electrical energy storage unit determined. The determined mechanical state quantity is then in a second mathematical model 72 , which is stored in a second data memory, used in the determination of an electrochemical state variable. The battery management control unit determines from the determined state variables 74 suitable control commands for the power electronic component 73 which is set up to change the charging or discharging current of the electrical energy storage unit in response to the driving. Thus, the life of the electrical energy storage unit is extended or a gentler operation of the electrical energy storage unit as well as a faster charging or possibly also unloading possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estimation“ von Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014) [0009]Shankar Mohan et al., Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) A2222-A2231 (2014) [0009] A Phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and Its Application to State of Charge Estimation

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend die Schritte: a) Ermitteln einer ersten mechanischen Zustandsgröße, die einen mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere einen mechanischen Druck oder eine mechanische Dehnung eines Gehäuses der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells (71) der elektrischen Energiespeichereinheit; b) Ermitteln einer elektrochemischen Zustandsgröße, die einen elektrochemischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, insbesondere eine Stoffkonzentration in der elektrischen Energiespeichereinheit, unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells (72) der elektrischen Energiespeichereinheit, wobei das erste mathematische Modell (71) und das zweite mathematische Modell (72) gekoppelt sind; c) Ansteuern eines leistungselektronischen Bauteils (73) in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße, wobei das leistungselektronische Bauteil (73) eingerichtet ist, auf das Ansteuern hin einen Lade- oder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern.A method of operating an electrical energy storage unit comprising the steps of: a) determining a first mechanical state variable representing a mechanical state of the electrical energy storage unit, in particular a mechanical pressure or a mechanical expansion of a housing of the electrical energy storage unit, using a first mathematical model (71) of the electrical energy storage unit; b) determining an electrochemical state quantity representing an electrochemical state of the electrical energy storage unit, in particular a substance concentration in the electrical energy storage unit, using a second mathematical model (72) of the electrical energy storage unit, wherein the first mathematical model (71) and the second mathematical model (72) are coupled; c) driving a power electronic component (73) as a function of the determined first mechanical state variable and / or the determined electrochemical state variable, wherein the power electronic component (73) is arranged to change the drive towards a charge or discharge current of the electrical energy storage unit. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: d) Ermitteln eines Wertes eines elektrochemischen Parameters der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere einer Porigkeit, welcher in dem zweiten mathematischen Modell (72) verwendet wird, in Abhängigkeit der in Schritt a) ermittelten mechanischen Zustandsgröße, wobei die Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße in Schritt b) anschließend in Abhängigkeit des in Schritt d) ermittelten elektrochemischen Parameterwertes erfolgt.Method according to Claim 1 , further comprising: d) determining a value of an electrochemical parameter of the electrical energy storage unit, in particular a porosity, which is used in the second mathematical model (72) as a function of the mechanical state variable determined in step a), wherein the determination of the electrochemical state variable in Step b) is then carried out as a function of the determined in step d) electrochemical parameter value. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung in Schritt c) in Abhängigkeit der Stoffkonzentration an einer Elektroden-Separator-Übergangsstelle erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the activation in step c) takes place as a function of the substance concentration at an electrode-separator interface. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: e) Durchführen eines Vergleichs der in Schritt a) ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße mit einem vordefinierten mechanischen Zustan dsgrößenschwellenwert; f) Bei Überschreiten des mechanischen Zustandsgrößenschwellenwertes Erzeugen eines Signals zur Anzeige des Vergleichsergebnisses.Method according to one of the preceding claims, further comprising: e) carrying out a comparison of the first mechanical state variable determined in step a) with a predefined mechanical state threshold value; f) If the mechanical state variable threshold value is exceeded, generating a signal for displaying the comparison result. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: g) Berechnen einer Stromtrajektorie für eine vordefinierte, in der Zukunft liegende Zeitspanne unter Verwendung des ersten mathematischen Modells (71), des zweiten mathematischen Modells (72) und eines dritten mathematischen Modells, welches eine Wärmeentwicklung der elektrischen Energiespeichereinheit abbildet, wobei mindestens ein Temperaturmesswert der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder ein Messwert einer elektrischen Größe, insbesondere einer elektrischen Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit, in die Berechnung einfließen; h) Ansteuern des leistungselektronischen Bauteils (73) derart, dass zumindest ein Teil der berechneten Stromtrajektorie auf die elektrische Energiespeichereinheit appliziert wird.Method according to one of the preceding claims, further comprising: g) calculating a current trajectory for a predefined, future time period using the first mathematical model (71), the second mathematical model (72) and a third mathematical model, which maps a heat development of the electrical energy storage unit, wherein at least one temperature measurement of the electrical energy storage unit and / or a measured value of an electrical variable, in particular an electrical voltage of the electrical energy storage unit, are included in the calculation; h) driving the electronic power component (73) such that at least a part of the calculated current trajectory is applied to the electrical energy storage unit. Vorrichtung (70) zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend ein leistungselektronisches Bauteil (73) sowie mindestens ein Mittel (74), insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät (74), welche eingerichtet sind, die Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Device (70) for operating an electrical energy storage unit, comprising a power electronic component (73) and at least one means (74), in particular an electronic battery management control device (74), which are set up, the step of the method according to one of Claims 1 to 5 perform. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung (70) nach Anspruch 6 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.A computer program comprising instructions for causing the device (70) to Claim 6 the method steps according to one of Claims 1 to 5 performs. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program is based Claim 7 is stored. Elektrische Energiespeichereinheit, umfassend eine Vorrichtung (70) nach Anspruch 6.An electrical energy storage unit comprising a device (70) Claim 6 , Verwendung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 9 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.Use of an electrical energy storage unit according to Claim 9 in electrically driven vehicles including hybrid vehicles, in stationary electrical energy storage systems, in electrically powered hand tools, in portable telecommunication or data processing equipment, and in home appliances.
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