Titel

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit

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 Aktor angesteuert wird. Ebenso werden eine elektrische Energiespeichereinheit sowie deren Verwendung beschrieben.

Stand der Technik

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 Ausspeiche- rungsvorgänge 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.

Insbesondere eine modellbasierte Überwachung und Bestimmung des Alterungsund Ladezustandes eine Elektrode beziehungsweise einer elektrischen Energiespeichereinheit sind hilfreich, um die Einhaltung eines sicheren Betriebes der elektrischen Energiespeichereinheit zu gewährleisten. Beispielsweise weisen Li- thiumionenzellen bei zu hohem mechanischem Druck auf die Elektrode erhöhte Alterungsraten auf. Durch eine interkalationsbedingte Ausdehnung der Elektroden innerhalb der Lithiumionenzellen und eine Bildung von Passivierungsschich- ten entstehen mechanische Drücke auf den Elektroden durch eine Limitierung des mechanischen Bauraums.

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.

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 der Druckschrift DE 10 2012 209 271 AI 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 Batteriezustandser- kennung verwendet werden.

In der Druckschrift US 2015/0188198 AI 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 der Druckschrift US 2014/0107949 AI wird ein Batteriemanagementsteuergerät beschrieben, welches auf Basis empirisch ermittelter mechanischer Kenngrößen eine Ladezustands- beziehungsweise Alterungszustandsbestimmung einer elektrischen Energiespeichereinheit durchführt. In dem Artikel„A phenomenological Model of Bulk Force in a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estinnation" 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 Ent- ladens entwickelt, mittels eines mathematischen Modells beschrieben. Dabei wird ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kraftmesseinheiten außerhalb einer Batteriezelle vorsieht.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeicherein- heit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

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 Differenzialgleichun- gen, insbesondere partielle Differenzialgleichungen, und/oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des ersten mathematischen Modells sein.

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 Ener- giespeichereinheit 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.

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.

Weiterhin wird ein Aktor in Abhängigkeit der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße und/oder der ermittelten elektrochemischen Zustandsgröße angesteuert, wobei der Aktor so eingerichtet ist, dass er auf das Ansteuern hin den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit verändert. Beispielsweise kann hierzu ein piezoelektrischer Aktor oder ein fluidtechnisches Aktorelement eingesetzt werden. Dazu können beispielsweise in einem Kennfeld entsprechende Zusammenhänge zwischen mechanischer Zustandsgröße, elektrochemischer Zustandsgröße und dem durch den Aktor ausgeübten Druck hinterlegt sein, wobei das Kennfeld wiederum in einem Datenspeicher abgelegt ist. Auch ist es möglich, ein entsprechendes Ansteuersignal des Aktors aus dem ersten mathematischen Modell zu ermitteln, beispielsweise über eine Invertierung des ersten mathematischen Modells. Das Betriebsverfahren erlaubt somit in vorteilhafter Weise den Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit unter optimalen mechanischen Bedingungen, da über den Aktor jederzeit in Abhängigkeit des aktuellen Zustandes der elektrischen Energiespeichereinheit eine Anpassung mechanischer Kenngrößen möglich ist. Dies erlaubt einen Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit ohne eine erhöhte Alterungsrate. Vorzeitige Ausfälle der elektrischen Energiespeicher- einheit können somit vermieden und eine längere Lebensdauer erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Zweckmäßigerweise erfolgt die Ermittlung eines Wertes eines elektrochemischen

Parameters der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere eines Porig- keitskennwertes einer Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit, in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Zustandsgröße, wobei die Ermittlung der elektrochemischen Zustandsgröße anschließend in Abhängigkeit des ermit- telten 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 Zu- verlässigkeit der Ermittlungsschritte und somit des Betriebs der elektrischen

Energiespeichereinheit erhöht. Dies trägt insbesondere zu einer erhöhten Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit bei.

Zweckmäßigerweise wird eine zweite mechanische Zustandsgröße, die den me- chanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, mittels eines innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten und/oder in physischem Kontakt mit der elektrischen Energiespeichereinheit stehenden Sensors erfasst. Der Sensor kann beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen oder Piezoelement umfassen. Anschließend erfolgt ein erster Vergleich der ermittelten ersten Zustandsgröße mit der erfassten zweiten Zustandsgröße und daraufhin in Abhängigkeit des Vergleichs ein Ändern mindestens eines Parameters des ersten mathematischen Modells und/oder von mittels des ersten mathematischen Modells ermittelten Größen. Dies hat den Vorteil, dass mittels der erfassten zweiten mechanischen Zustandsgröße eine Art Modellnachführung, d.h. eine Art Modellupdate, durchgeführt wird. Beispielsweise kann dies mittels einer regelungstechnischen Beobachterstruktur oder innerhalb eines Optimierungsver- fahrens erfolgen. Somit wird die Genauigkeit des Betriebsverfahrens erhöht, da das erste mathematische Modell auch bei sich ändernden Bedingungen beziehungsweise mechanischen Randbedingungen durch die Modellnachführung korrekte Ergebnisse bei der Ermittlung der ersten mechanischen Zustandsgröße liefert.

Zweckmäßigerweise wird ein zweiter Vergleich der ermittelten ersten mechanischen Zustandsgröße mit einem vordefinierten mechanischen Zustandsgrößen- schwellenwert 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.

Zweckmäßigerweise wird die elektrische Energiespeichereinheit mit einem vordefinierten Strom, beispielsweise einer vordefinierten Stromtrajektorie oder einem vordefinierten Stromprofil oder mit einem vordefinierten Ladeverfahren, geladen oder entladen, wobei die Ansteuerung des Aktors in Abhängigkeit des vordefinierten Stromes erfolgt. Beispielsweise wird ein von dem Aktor ausgeübter Druck auf die elektrische Energiespeichereinheit bei einem Stromfluss über einer ersten vordefinierten Schwelle verringert und bei einem Stromfluss unter einer zweiten vordefinierten Schwelle erhöht. Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine mögliche Abscheidung von Lithium, insbesondere an den Schnittstellen zwischen Separator und Elektrode, verringert beziehungsweise verhindert werden kann. Somit reduziert sich in vorteilhafter Weise das Risiko eines internen Kurzschlusses der elektrischen Energiespeichereinheit und weiterhin erhöht sich deren Lebensdauer.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, welche einen Aktor sowie mindestens ein Mittel, beispielsweise ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, um- fasst, 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.

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.

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.

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.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung die Verwendung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranla- gen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur

Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.

Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektro- chemischen 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 Bat- teriezelle 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.

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.

Es zeigen: Figur 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform; Figur 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;

Figur 4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;

Figur 5 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform; und Figur 6 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung, welche eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.

Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten

Ausführungsform. In einem ersten Schritt Sil 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 wer- den. Somit ist die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft bekannt, wobei sich diese Kraft auf die Leistungsfähigkeit der elektrischen Energiespeichereinheit auswirkt.

In einem zweiten Schritt S12 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektri- sehen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines auf Differenzialgleichun- gen beruhenden zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem ersten Schritt Sil ermittelten mechanischen Kraft ermittelt. Das zweite mathematische Modell und das erste mathematische Modell sind somit gekoppelt. In einem dritten Schritt S13 wird anschließend ein Piezoelement, welches sich auf oder gegebenenfalls in der elektrischen Energiespeichereinheit befindet, angesteuert, wobei die Ansteuerung in Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Kraft und der ermittelten Lithiumkonzentration erfolgt. Dabei ist das Piezoele- ments so eingerichtet, dass es auf das Ansteuern hin den mechanischen Zustand, beispielsweise die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft, verändert. Somit ändert sich die auf die elektrische Energiespeichereinheit wirkende Kraft, was insbesondere ihre langsamere Alterung begünstigt.

Figur 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.

In einem zweiten Schritt S22 wird als ein elektrochemischer Parameterwert der elektrischen Energiespeichereinheit eine Porigkeit beziehungsweise ein Porig- keitskennwert eine Elektrode der elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit des in dem ersten Schritt S21 ermittelten mechanischen Drucks ermittelt. Dabei wird der so ermittelte elektrochemische Parameter in einem zweiten mathematischen Modell verwendet. Alternativ kann auch die Porigkeit beziehungsweise Porosität des Separators und/oder beider Elektroden ermittelt werden.

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 einem vierten Schritt S24 wird anschließend ein Aktor in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und gegebenenfalls des ermittelten elektrischen Potenzials angesteuert. Dabei ist der Aktor so eingerichtet, dass er auf das Ansteuern hin den mechanischen Druck auf die elektrische Energiespeichereinheit verändert, beispielsweise bei einem erhöhten Stromfluss den ausgeübten Druck verringert und bei einem verringerten Stromfluss den ausgeübten Druck erhöht. Dies hilft insbesondere, eine ungewollte Lithiumabscheidung in den Elektroden, insbesondere an der Grenzfläche zwischen negativer Elektrode und Separator, zu verhindern

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 wird eine mechanische Ausdehnung, die eine elektrische Energiespeichereinheit beziehungsweise eine ihrer Elektroden erfährt, unter Verwendung eines ersten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit beziehungsweise der Elektrode ermittelt.

In einem zweiten Schritt S32 wird eine Lithiumkonzentration innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dabei wird die Lithiumkonzentration in Abhängigkeit der in dem ersten Schritt S31 ermittelten mechanischen Ausdehnung ermittelt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass ein geänderter mechanischer Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit eine Veränderung elektrochemischer Zustandsgrößen zur Folge hat.

In einem dritten Schritt S33 wird die mechanische Ausdehnung mittels eines auf einem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Dehnungssensors erfasst. Es liegen demzufolge sowohl ein mittels des ersten mathematischen Modells ermittelter Ausdehnungswert als auch ein mittels eines Dehnungssensors erfasster Ausdehnungswert vor.

In einem vierten Schritt S34 wird anschließend der ermittelte Dehnungswert mit dem erfassten Dehnungswert verglichen.

Überschreitet die Differenz des ermittelten Dehnungswertes und des erfassten Dehnungswertes einen vordefinierten Schwellenwert, wird in einem fünften Schritt S35 mindestens ein Parameter des ersten mathematischen Modells, wel- ches zur modellbasierten Ermittlung der mechanischen Ausdehnung in dem ersten Schritt S31 eingesetzt wurde, geändert. Diese Änderung kann beispielsweise unter Verwendung eines mathematischen Optimierungsverfahrens stattfinden.

In einem sechsten Schritt S36 wird anschließend ein mechanischer Aktor in Abhängigkeit der mechanischen Ausdehnung und der Lithium Konzentration angesteuert, wobei der Aktor in Abhängigkeit der Ansteuerung den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit ändert, insbesondere den Druck auf die Energiespeichereinheit erhöht oder verringert.

Wird in dem Vergleich des vierten Schritts S34 der vordefinierte Schwellenwert für die Differenz nicht überschritten, so bedeutet dies, dass auf eine Modellanpassung verzichtet werden kann und es wird direkt der sechste Schritt S36 durchgeführt.

Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten 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.

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.

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 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 einem fünften Schritt S45 wird anschließend ein Aktor in Abhängigkeit des ermittelten mechanischen Drucks und des ermittelten Elektrodenpotenzials angesteuert. Dabei ist der Aktor so eingerichtet, dass er auf das Ansteuern hin den mechanischen Druck auf die elektrische Energiespeichereinheit verändert, bei- spielsweise bei einem erhöhten Stromfluss den ausgeübten Druck verringert und bei einem verringerten Stromfluss den ausgeübten Druck erhöht. Dies hilft insbesondere, eine ungewollte Lithiumabscheidung in den Elektroden, insbesondere an der Grenzfläche zwischen negativer Elektrode und Separator, zu verhindern. Sofern der ermittelte mechanische Druck den vordefinierten mechanischen Druckschwellenwert überschreitet, kann dies in der Ansteuerung des Aktors dahingehend berücksichtigt werden, dass der Aktor den mechanischen Druck auf die elektrische Energiespeichereinheit derart verringert, dass der Druckschwellenwert wieder unterschritten wird. Wird der mechanische Druckschwellenwert nicht überschritten, wird nach dem dritten Schritt S43 der fünfte Schritt S45 ausgeführt. Da sich der mechanische Druck der elektrischen Energiespeichereinheit demzufolge in einem normalen Bereich befindet, erfolgt die Ansteuerung des Aktors beispielsweise mit geänderten Ansteuerparametern, wodurch die elektrische Energiespeichereinheit bei- spielsweise erhöhten Druckschwankungen ausgesetzt ist. Dies ist allerdings unproblematisch, da ihr mechanischer Druck im Normalbereich liegt.

Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform. In einem ersten Schritt S51 wird eine Lithiumkonzentration in- nerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit unter Verwendung eines auf Dif- ferenzialgleichungen beruhenden zweiten mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt.

In einem zweiten Schritt S52 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 einem dritten Schritt S53 wird die elektrische Energiespeichereinheit anschließend geladen, wobei gleichzeitig eine Ansteuerung eines Aktors, welcher eingerichtet ist, auf das Ansteuern hin den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern, erfolgt. Somit kann je nach in die elektrische Energiespeichereinheit fließendem Strom der optimale und für eine lange Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit geeignete mechanische Druckzustand der elektrischen Energiespeichereinheit eingestellt werden. Entsprechende Ansteuerungswerte für den Aktor können entweder modellbasiert o- der aus einem Kennfeld, in dem Stromwerte mit einem Kraftzustand der elektrischen Energiespeichereinheit verknüpft sind, erhalten werden.

Figur 6 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 den Aktor 73, welcher eingerichtet ist, auf das Ansteuern hin den mechanischen Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit zu verändern. Somit wird die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit verlängert beziehungsweise ein schonenderer Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit ermöglicht.