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 leistungselektronisches Bauteil 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.

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. 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 An- steuerung des leistungselektronischen Bauteils berücksichtigt beziehungsweise eingehalten werden können.

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 erfolgt die Ansteuerung des leistungselektronischen Bau- teils 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. Zweckmäßigerweise wird ein Vergleich der ermittelten ersten mechanischen Zu- standsgröße mit einem vordefinierten mechanischen Zustandsgrößenschwellen- wert durchgeführt. Anschließend wird bei Überschreiten des mechanischen Zu- standsgrößenschwellenwertes ein Signal erzeugt, um das Vergleichsergebnis anzuzeigen. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise einem Nutzer der elektri- sehen 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 in- standsetzen zu lassen. Somit wird der sichere Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit gewährleistet.

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 An- steuerung 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.

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.

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.

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 Energiespeicherein- heit, 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 Energiespeicheranlagen, 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 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 Energiespeicher- einheiten 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 Tempe- ratursensoren 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 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 werden. 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 elektrischen 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 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.

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 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 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 Ladeoder Entladestrom der elektrischen Energiespeichereinheit ändert.

Figur 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 Randbedin- gungen 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. Gegebenenfalls werden im ersten Schritt S41 ermittelte Größen in der Berechnung im zweiten Schritt S42 verwendet. 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 Energiespeicher- einheit 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 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.

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.

Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S41 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 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, beispiels- weise einem Drucksensor, ermittelt werden.

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 einem vierten Schritt S44 wird anschließend ein leistungselektronisches Bau- teil 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 Energiespei- chereinheit 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.

Figur 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.