Verfahren zum Betreiben einer Sekundärbatterie Stand der Technik

In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, Hybridelektrofahrzeugen, Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen und dergleichen, werden Sekundärbatterien eingesetzt, um mit ihnen über ein fahrzeugseitiges elektrisches Stromnetz elektrische Antriebseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.

Entsprechende Sekundärbatterien weisen in der Regel elektrisch miteinander zu einem Batteriestrang verschaltete Batteriemodule auf, welche wiederum mehrere elektrisch miteinander verschaltete Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Batteriezellen oder als Eisen- Metallhybrid-Batteriezellen ausgebildet sein.

Bei einer Nutzung von Batteriezellen einer Sekundärbatterie als Energiespeicher befinden sich die Batteriezellen nicht in einem stabilen Gleichgewichtszustand, da sich die Batteriezellen einerseits mit einem elektrischem Strom,

typischerweise im Mikroampere- bis Milliamperebereich, entladen und es andererseits irreversible Zersetzungsreaktionen der Batteriezellen gibt, bei denen Strukturen der Batteriezellen hin zu einer chemischen Zusammensetzung reagieren, welche den Nutzungsbereich der Batteriezellen einschränkt. Die irreversiblen Zersetzungsreaktionen werden auch als„Zellalterung" bezeichnet.

Die Zellalterung hängt von vielen Faktoren, sogenannten Alterungs- bzw.

Beschleunigungsfaktoren, ab, wozu als wichtigster Faktor die Temperatur einer Batteriezelle, aber auch der Ladezustand („State of Charge", SOC) gehört. Diese beiden Faktoren bestimmen maßgeblich die kalendarische Alterung einer Batteriezelle, das heißt diejenige Alterung, die unabhängig von der Nutzung einer Batteriezelle ist. Nutzungsabhängige Alterungsfaktoren der sogenannten zyklischen Alterung sind beispielsweise die jeweilig fließenden Lade- und Entlad eströme, der jeweilige Lade- und Entladehub, die Temperatur und dergleichen. Die Alterung einer Batteriezelle kann zum Beispiel in Bezug auf die nutzbare Kapazität C ausgedrückt werden. Zum Zeitpunkt TO ist die Kapazität C (TO) = CO, wohingegen zu späteren Zeitpunkten die nutzbare Kapazität C(T>T0) < CO ist.

Die Alterung einer Batteriezelle kann modellmäßig (abstrakt) als

zustandsabhängige Funktion beschrieben werden. Beispielsweise kann die nutzbare Kapazität C(t) = f(Zl, Z2, Zn, CO, t) sein. Dabei sind ZI, Z2, Zn Zustandsparameter zu Zuständen, wie beispielsweise Lagerung, Lade- /Entladeraten, SOC oder dergleichen, einer Batteriezelle und t ist die Zeit. Eine analoge Beschreibung lässt sich auch für eine Veränderung des

Innenwiderstands einer Batteriezelle angeben R(t) = f(Zl, Z2, Zn, RO, t).

Eine genaue Alterungsfunktion über alle Zustände einer Batteriezelle ist bislang nicht bekannt. Es gibt Versuche, diese Alterungsfunktion durch Superposition der einzelnen Alterungsfaktoren darzustellen. Jedoch sind weder alle

Alterungsfaktoren bekannt, noch lassen sich Korrelationen der einzelnen

Zustände einer Batteriezelle darstellen. Darüber hinaus können sich zum Aufbau einer Sekundärbatterie verwendete Batteriezellen in ihren Alterungsfaktoren voneinander unterscheiden. Zudem können sich die Alterungsfaktoren einer Batteriezelle im zeitlichen Verlauf verändern, so dass es bisher nicht möglich war, eine verlässliche Aussage über die Zellalterung von Batteriezellen einer Sekundärbatterie zu tätigen.

Eine Betriebsstrategie, nach der eine Sekundärbatterie betrieben wird, kann die Zustände der einzelnen Batteriezellen beeinflussen und somit direkt Einfluss auf die Zellalterung der Batteriezellen nehmen. US 2005/0001627 AI betrifft ein Modell einer Lebensdauer einer

Sekundärbatterie in Form einer Funktion eines SOHCstate of health")-lndikators, die in Reaktion auf intermittierende Kapazitätstests einer Batterie, beispielsweise auf in Reaktion auf die Kapazitätstests erzeugte Schätzungen der restlichen Lebensdauer, adaptiv geändert wird. Der SOH-Indikator für die Batterie wird überwacht, um SOH-Indikatorwerte zu erzeugen. Schätzungen der restlichen Lebensdauer werden aus den erzeugten SOH-Indikatorwerten entsprechend dem adaptiv modifizierten Modell der restlichen Lebensdauer erzeugt. Zum Beispiel kann ein Kapazitätstest bei Erfassung einer Änderung der restlichen Lebensdauer durchgeführt werden. Das Modell der restlichen Lebensdauer kann in Reaktion auf den Kapazitätstest geändert werden. Das Model der restlichen Lebensdauer der Batterie kann beispielsweise die restliche Lebensdauer als Funktion einer Schwebespannung, eines Stroms, einer Temperatur, eines Lade- Entlade-Zyklus, einer Impedanz, einer Leitfähigkeit, eines Widerstands und/oder eines weiteren Parameters darstellen.

US 2013/0085696 AI offenbart ein Verfahren zum Erfassen der Alterung einer Batterie, ein System zum Erfassen der Alterung der Batterie basierend auf dem Verfahren und ein Verfahren zum Steuern einer Anwendung der Batterie durch Verwendung des Systems und der erfassten Alterungsinformation. Das

Verfahren zum Erfassen der Alterung der Batterie beinhaltet die Schritte:

Sammeln von Daten der Batterie und Daten zur Alterung der Batterie;

Verarbeiten der gesammelten Daten, um Alterungsparameter der Batterie zu erhalten; Speichern der Alterungsparameter der Batterie, um einen

Alterungszustand der Batterie festzulegen; Aufbau eines Modells der

Batteriealterung durch Verwendung der Alterungsparameter der Batterie;

Aktualisierung des Modells der Batteriealterung gemäß den erhaltenen

Alterungsparametern der Batterie; und Berechnen der Alterung der Batterie durch Verwendung des Modells der Batteriealterung, der Alterungsparameter und des gespeicherten Alterungszustands der Batterie.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer wenigstens zwei Batteriezellen aufweisenden Sekundärbatterie, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, unter Verwendung einer auf hinterlegten, den einzelnen Batteriezellen zugeordneten zellspezifischen Alterungsmodellen basierenden Betriebsstrategie, aufweisend wenigstens die Schritte:

- Erfassen von wenigstens zwei verschiedenen zellspezifischen

Zustandsparametern von jeder Batteriezelle;

- Ermitteln eines zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle auf Basis der von der jeweiligen Batteriezelle erfassten zellspezifischen

Zustandsparameter, wobei Zellalterungszustandsgrößen können beispielsweise die jeweilige Kapazität, den Innenwiderstand und/oder die Selbstentladung bestimmbar sein; und Zustandsparameter der Zellen können über den jeweiligen

Ladungszustand, den Strom, die Spannung und/oder die Temperatur, gemessen an verschiedenen Stellen, bestimmbar sein;

- Ermitteln der Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle; - Vergleichen der ermittelten Abhängigkeiten mit entsprechenden in dem zellspezifischen Alterungsmodell der jeweiligen Batteriezelle enthaltenen, vorab festgelegten Abhängigkeiten;

- Anpassen des zellspezifischen Alterungsmodells einer Batteriezelle bei Abweichung der ermittelten Abhängigkeiten von den vorab festgelegten entsprechenden Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle an die ermittelten Abhängigkeiten;

- Ermitteln der Lebensdauer einer Batteriezelle auf Basis des an die ermittelten Abhängigkeiten angepassten zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle;

- Vergleichen der ermittelten Lebensdauer einer Batteriezelle mit einem vorgegebenen Schwellwert; und

- Anpassen der Betriebsstrategie, wenn die ermittelte Lebensdauer einer Batteriezelle den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Betriebsstrategie zum

Betreiben einer Sekundärbatterie von einer zum Betreiben der Sekundärbatterie nach der Betriebsstrategie eingerichteten Batterie-Management- Einheit selbsttätig, das heißt autonom, so angepasst werden, dass eine möglichst geringe Zellalterung der Batteriezellen der Sekundärbatterie und somit der gesamten Sekundärbatterie erreicht wird, wodurch eine maximale Lebensdauer der Batteriezellen der Sekundärbatterie bzw. der Sekundärbatterie insgesamt gewährleistet werden kann. Somit kann die Zellalterung der Batteriezellen der Sekundärbatterie entsprechend den jeweils aktuellen Alterungsmodellen der Batteriezellen verringert werden.

Eine Anpassung der Betriebsstrategie kann beispielsweise derart erfolgen, dass einzelne Batteriezellen der Sekundärbatterie aktiv entladen werden, wenn das jeweilige zellspezifische Alterungsmodell dieser Batteriezellen bei einem SOC von 100 % eine hohe kalendarische Alterung aufzeigt.

Die in einem Alterungsmodell einer Batteriezelle enthaltenen, vorab festgelegten Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands der Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der Batteriezelle können aus einem Datenpool stammen, in dem Abhängigkeiten aller Batteriezellen durch Einzelmessungen an Batteriezellen gespeichert sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die wenigstens zwei erfassten verschiedenen zellspezifischen Zustandsparameter von jeder Batteriezelle klassifiziert. Die Klassifizierung der zellspezifischen Zustandsparameter wird vorzugsweise vor einer weiteren Verarbeitung der Zustandsparameter vorgenommen. Eine solche Klassifizierung kann beispielsweise dahingehend erfolgen, dass bei den erfassten zellspezifischen Zustandsparametern zwischen Zustandsparametern betreffend die Temperatur einer Batteriezelle, Lade- und Entladeströme, Lade- und Entladehub, SOC und dergleichen unterschieden wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zum Ermitteln der Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle eine

Korrelationsanalyse durchgeführt. Hierzu kann beispielsweise ein zur

Durchführung der Korrelationsanalyse eingerichteter Algorithmus verwendet werden, der von der Batterie- Management- Einheit ausgeführt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zum Ermitteln der Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle ein künstliches neuronales Netz verwendet wird. Diese Ausgestaltung kann alternativ zu der zuletzt genannten Ausgestaltung vorgesehen sein.

Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn die Lebensdauer einer Batteriezelle durch Extrapolieren des an die ermittelten Abhängigkeiten angepassten zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle ermittelt wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass zum Anpassen der Betriebsstrategie, wenn die ermittelte Lebensdauer einer Batteriezelle den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, vordefinierte Funktionen oder selbstlernende Algorithmen verwendet werden. Die vordefinierten Funktionen können als Wenn-Dann- Bedingungen formuliert sein.

Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Batteriesystem, insbesondere für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug. Mit diesem Batteriesystem sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Batterie- Management- Einheit kann Teil eines herkömmlichen Batterie- Managementsystems sein. Zur Durchführung der zuvor genannten Schritte weist die Batterie- Management- Einheit eine geeignete Software- und eine geeignete Hardware-Schaltung auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Batterie- Management- Einheit eingerichtet ist, die wenigstens zwei erfassten verschiedenen zellspezifischen Zustandsparameter von jeder Batteriezelle zu klassifizieren. Mit dieser

Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens genannten Ausführungsformen entsprechend verbunden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Batterie- Management- Einheit eingerichtet ist, zum Ermitteln der Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen

Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle eine Korrelationsanalyse durchzuführen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Batterie- Management- Einheit eingerichtet ist, zum Ermitteln der Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle ein künstliches neuronales Netz zu verwenden. Es wird des Weiteren als vorteilhaft erachtet, wenn die Batterie- Management-

Einheit eingerichtet ist, die Lebendauer einer Batteriezelle durch Extrapolieren des an die ermittelten Abhängigkeiten angepassten zellspezifischen

Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle zu ermitteln. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Batterie- Management- Einheit eingerichtet ist, zum Anpassen der Betriebsstrategie, wenn die ermittelte Lebensdauer einer Batteriezelle den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, vordefinierte Funktionen oder selbstlernende Algorithmen zu verwenden Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt

Figur 1: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Sekundärbatterie.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer wenigstens zwei

Batteriezellen aufweisenden, nicht gezeigten Sekundärbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs unter Verwendung einer auf hinterlegten, den einzelnen Batteriezellen zugeordneten zellspezifischen Alterungsmodellen basierenden Betriebsstrategie.

In Schritt 10 werden wenigstens zwei verschiedene zellspezifische

Zustandsparameter von jeder Batteriezelle erfasst, was mittels geeigneter Messungen erfolgt. In Schritt 12 wird ein zellspezifischer Alterungszustand von jeder Batteriezelle auf Basis der von der jeweiligen Batteriezelle erfassten zellspezifischen Zustandsparameter ermittelt. In Schritt 14 werden die Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungszustands von jeder Batteriezelle von den einzelnen Zustandsparametern der jeweiligen Batteriezelle ermittelt, was durch eine geeignete Korrelationsanalyse erfolgt. In Schritt 16 werden die ermittelten Abhängigkeiten mit entsprechenden in dem spezifischen

Alterungsmodell der jeweiligen Batteriezelle enthaltenen, vorab festgelegten Abhängigkeiten verglichen, wobei die vorab festgelegten Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle aus einem

Datenpool 18 bezogen werden. In Schritt 16 wird zudem das zellspezifische Alterungsmodell einer Batteriezelle bei Abweichung der ermittelten

Abhängigkeiten von den entsprechenden vorab festgelegten Abhängigkeiten des zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle an die ermittelten Abhängigkeiten angepasst. In Schritt 20 wird die Lebensdauer einer Batteriezelle auf Basis des an die ermittelten Abhängigkeiten angepassten zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle ermittelt, was durch Extrapolation des angepassten zellspezifischen Alterungsmodells der jeweiligen Batteriezelle erfolgt. In Schritt 22 wird die ermittelte Lebensdauer einer Batteriezelle mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und die Betriebsstrategie angepasst, wenn die ermittelte Lebensdauer einer Batteriezelle den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.