存储电能的储能器装置、储能器装置运行方法和机动车与流程

1.本发明涉及一种用于存储电能的储能器装置、一种用于运行储能器装置的方法以及一种具有至少一个储能器装置的机动车。


背景技术：

2.用于在电运行的机动车中储存能量的储能器目前包括锂离子电池单体。由于电能存储器中锂离子电池单体的老化过程，随着老化和充电周期次数会导致容量损失以及储能器的更高的故障概率。
3.目前使用三个指标来确定受这些老化过程影响的老化状况。能够推断出储能器的老化状况的第一指标是储能器的电池单体堆的单个电池单体之间的电压差异。这种电压差异随着锂离子电池单体的逐渐老化而增加。然而，根据现有技术，不能从电压差异中推导出关于储能器的确切老化状况和预期的进一步使用寿命的预测。
4.关于电池单体堆的老化状况的另一个指标是电池单体堆内的温度分布。电池单体的老化导致运行期间电池单体堆内的温度分布不均匀。然而，这种温度分布的不均匀性发展非常缓慢，且通常在老化非常严重的状态下被检测到，此时已经可以确定明显的容量损失和明显的电压差异。监测温度分布的不均匀性不是及时确定老化条件的合适指标。
5.关于老化的另一个指标是电池单体中出现的压力。随着电池单体老化，电池单体的体积增加。这是因为锂离子电池单体在老化过程中会产生气体。随着老化加剧，气体增加且电池单体体积增加。因为电池单体通过壳体被预紧，进而体积增加受限，所以该过程导致电池单体中压力增加，该压力增加对电池壳体施加载荷并可能使其变形。
6.压力的增加取决于电池单体的老化程度，并且在电池单体的整个寿命期间都可以进行测量。因此，压力是确定电池整个寿命期间老化状况的合适指标。
7.电池单体内的压力与电池单体的老化状况之间的关系通过测试或模拟来确定，在测试或模拟时研究电池单体内的压力因老化过程而增加的程度。
8.对于储能器的壳体设计来说，确定预期的压力变化是特别必要的。根据出现的压力情况来选择壳体的材料和几何形状。
9.为检测压力而使用压力传感器。常见的储能器具有由电池单体、电池单体堆和电池单体模块组成的层次结构。在此，压力传感器布置在电池单体模块和储能器的壳体之间。然而，较新的储能器是根据所谓的无模组层次结构(cell-to-pack-hierarchie)构建的。在这种情况下，省去了电池单体模块这一层级。而是将电池单体堆直接装入电池单体壳体中。电池单体堆与储能器的外部壳体直接接触。对于这种层次结构，尚未研发出关于布置压力传感器的解决方案。
10.de 10 2017 220 644 a1描述了压力传感器在具有已知层次结构的储能器模块中的可能布置。其公开了一种储能器模块和一种用于操作储能器模块的方法。该储能器模块包括至少一个电池单体，该电池单体布置在模块壳体的两个端板之间。储能器模块包括传感器设备，该传感器设备具有至少一个压力传感器，该压力传感器布置在电池单体和端板
之一之间。
11.de 10 2013 015 700 a1描述了一种用于制造电池单体的方法和一种电池单体。在此规定了将至少一个传感器布置在电池单体的壳体内的如下位置上：在该位置上，借助至少一个传感器在电池单体的运行中基于结构形状所能检测到的数值比在壳体内的其他位置上所能检测到的数值更高。该至少一个传感器例如可以是压力传感器。
12.de 10 2020 002 514 a1公开了一种具有至少一个电池单体的电池系统。该电池系统包括压力传感器且被设置用于确定关于电池单体变形的测量值并且使用该测量值来生成警报消息和/或断开消息。在此，弹簧元件如此布置，使得测量值在较小的变形时比在较大的变形时得到更强的补偿。
13.de 10 2017 219 687 a1公开了一种用于电动机动车的动力电池的壳体的壳体部件。该壳体部件具有至少一个由塑料制成的壁部，其中，在壁部中形成至少一个、特别是用于容纳一个或多个插入件的封闭腔室。其描述了例如将至少一个压力传感器插入到腔室中。
14.关于无模组电池设计的压力测量方案目前尚未已知。


技术实现要素：

15.因此，本发明的目的是提供一种解决方案，该解决方案能够按照无模组电池设计方案实现对储能器中的老化状况的检测。
16.本发明包括用于储存电能的储能器装置。该储能器装置具有用于容纳至少一个电池单体堆/电池单体组和控制设备的储能器壳体。储能器装置例如可以是机动车的动力电池，其例如被设计为锂离子蓄电池。储能器装置可以根据所谓的无模组设计来构造。这意味着，取代于通常的由多个电池单体(这些电池单体布置在电池单体模块中，而电池单体模块又布置在电池壳体中)组成的层次结构，将电池单体布置成至少一个电池单体堆，该电池单体堆与控制设备一起被储能器壳体包围。储能器壳体可以设置用于，保护电池单体免受例如由于事故产生的机械应力。至少一个电池单体堆具有至少两个电池单体，它们可以是锂离子电池单体。该至少一个电池单体堆布置在储能器壳体的至少两个彼此对置的壳体壁之间。在此规定，储能器装置具有至少一个传感器设备，该传感器设备布置在至少一个电池单体堆与储能器壳体的壳体壁之一之间。换言之，传感器设备位于在壳体壁之一与电池单体堆之间的区域中。传感器设备设置用于检测由电池单体堆和壳体壁对彼此施加的机械压力并且将其作为测量数据提供给控制设备。换言之，传感器设备设置用于检测在壳体壁和电池单体堆之间的压力。检测到的压力值由传感器设备提供给控制设备。为此，传感器设备可以通过缆线连接到控制设备。传感器设备例如可以设置成，在接收到来自控制设备的请求信号时检测电池单体堆和壳体壁之间的当前压力并且将其作为测量数据提供给控制设备。还可以规定，传感器设备设置用于，例如定期不断地检测压力，并将测量数据提供给控制设备，从而测量数据可以按测量序列记录在控制设备中。替代地也可以规定，传感器设备持续地检测压力，但仅当高于或低于预定阈值时才将其作为测量数据传输给控制设备。
17.本发明还包括得出进一步优点的改进方案。
18.本发明的改进方案规定，至少一个传感器设备具有至少两个压力传感器，它们在测量范围方面彼此不同。换句话说，在此规定，使用至少两个压力传感器，其中，这些压力传
感器被设置用于检测各自不同的压力范围。由此得到的优点是：可以对于检测不同的值范围来优化传感器设备。例如可能的是，在电池单体堆的老化过程中，压力以不同的增加率增加。从而需要的是，用于检测具有较小增长率的值范围的压力传感器相比于用于检测具有较大增长率的值范围的压力传感器具有更大的测量精度。后者可以针对更高的压力值或更大的值范围来设计。在此可以规定，传感器设备借助于第一压力传感器检测压力，并且在压力超过预定阈值之后则通过针对更高的压力值而设计的第二压力传感器检测压力。
19.本发明的改进方案规定，压力传感器中的至少一个被设计为膨胀带。即在此规定，通过例如布置在壳体壁上或电池单体堆的壁上的膨胀带的长度的改变来检测在壳体壁与电池单体堆之间的压力。由此得到以下优点：可以通过壳体壁或电池单体堆的壁的弯度变化来确定压力。可以规定，壳体壁具有拱形部，以便作为板簧将压力施加到电池单体堆上。随着电池单体堆对壳体壁的压力增加，其拱形部会减小。拱形部的这种变化可以通过检测布置在壳体壁上的膨胀带的长度变化来确定。
20.本发明的改进方案规定，压力传感器中的至少一个是压电式的压力传感器。换言之，在至少一个传感器单元中通过压电效应检测压力。由此得到的优点是，使用相对鲁棒的压力传感器。
21.一改进方案规定，储能器装置具有至少两个传感器设备，其中，所述至少两个传感器设备布置在电池单体堆的彼此对置的端部处。换言之规定了，布置在两个壁之间的电池单体堆在两个彼此对置的端部处经由相应的传感器设备连接到壁。如果电池单体堆由于老化过程而膨胀，则电池单体堆在相同程度上对两个传感器设备施加压力。由此能够执行冗余测量，从而确保数值可靠。
22.本发明的改进方案规定，控制设备被设置用于存储测量数据和/或通过接口提供测量数据。换言之规定了，测量数据由控制设备长期存储。由此，控制设备例如可以创建一测量序列的测量数据，由此可以记录压力变化过程。控制设备还可以包括接口，由此能够将传感器设备接收和/或存储的测量数据提供给外部设备。这具有以下优点，即不必为了确定内部压力而打开储能器。
23.本发明的改进方案规定了，在控制设备中存储老化档案，以及控制设备被设置用于借助老化档案由测量数据中确定电池单体堆的老化状况。换言之，在控制设备中存储了因子、表格或曲线，其根据电池单体的老化状况描述测量数据的预期走向。由此可以通过控制设备确定，电池单体处于何种老化状况中。由此得到了可以由控制设备估计老化状况的优点。例如可以规定，电池单体堆的所确定的老化状况从控制设备经由接口传输到机动车的网络。
24.本发明的改进方案规定，控制设备被设置用于借助于老化档案由测量数据中识别电池单体堆的功能故障。换言之，控制设备设置为通过借助老化档案评估测量数据来检测，电池单体堆中是否存在功能故障。由此得到以下优点：储能器设备可以及早检测到功能故障。例如，可以通过老化档案预先给定关于检测到的压力值的允许值范围。控制设备可以检查，检测到的压力值是否在允许值范围内。如果不在允许值范围内，则控制设备可以确定功能故障的存在并且例如输出警告信号。
25.本发明还包括一种用于运行根据前述权利要求之一所述的、用于存储电能的储能器装置的方法。在该方法中规定，储能器装置具有用于容纳至少一个电池单体堆和控制设
备的储能器壳体，所述至少一个电池单体堆具有至少两个电池单体并且布置在储能器壳体的至少两个彼此对置的壳体壁之间。储能器装置具有至少一个传感器设备，该至少一个传感器设备布置在所述至少一个电池单体堆与储能器壳体的壳体壁之一之间，通过传感器设备检测电池单体堆和壳体壁向彼此施加的机械压力并将其作为测量数据提供给控制设备。
26.本发明还包括具有用于存储电能的储能器装置的机动车。
27.根据本发明的机动车优选设计为汽车，特别是轿车或卡车，或者客车或摩托车。
28.本发明还包括根据本发明的方法和根据本发明的机动车的改进方案，这些改进方案具有已经结合根据本发明的储能器装置的改进方案描述的特征。为此，这里不再再次描述根据本发明的方法和根据本发明的机动车的相应的改进方案。
29.本发明还涉及储能器装置的控制设备。控制设备可以具有数据处理装置或被设置用于执行根据本发明的方法的实施方案的处理器设备。为此，处理器设备可以具有至少一个微处理器和/或至少一个微控制器和/或至少一个fpga(现场可编程门阵列field programmable gate array)和/或至少一个dsp(数字信号处理器digital signal processor)。此外，处理器设备可以具有程序代码，该程序代码被设计成，在由处理器设备运行时实施根据本发明的方法的实施方案。程序代码可以存储在处理器设备的数据存储器中。
30.本发明还包括所述实施方案的特征的组合。因此，本发明还包括将所述实施方案中的多个实施方案的未被描述为互斥的特征相组合的各实现方案。
附图说明
31.下面描述本发明的实施例。附图示出：
32.图1示出了机动车的可能构造，包括用于存储电能的储能器装置；
33.图2示出了可能的压力曲线。
34.下面解释的实施例是本发明的优选实施例。在实施例中，各实施方案的所描述的部件分别构成本发明的各单独特征、被彼此独立看待的特征，这些特征也分别彼此独立地改进本发明。因此，本公开还旨在包括与各实施方案的特征的所示组合不同的组合。此外，所描述的实施方案还可以由本发明的已经描述的其他特征来补充。
35.在图中，相同的附图标记分别表示具有相同功能的元件。
具体实施方式
36.图1示出了机动车1的可能构造，包括用于存储电能的储能器装置2。可以规定，用于存储驱动所需电能的储能器装置2可以安装在机动车1中，该机动车可以设计为纯电动车辆或混合动力车辆。因此，储能器装置2可以是机动车1的动力电池。为了保护储能器装置2的起作用的功能部件免受环境因素或机械变形的影响，储能器装置2可以具有储能器壳体3。也被称为电池框架的该储能器壳体3可以由钢制成。在该储能器壳体3中可以布置至少一个电池单体堆4，该电池单体堆4可以包括多个棱柱形电池单体5，在电池单体之间可以布置分隔壁6。储能器装置2可以根据所谓的无模组(cell-to-pack)原理来构造。储能器装置2还可以具有控制设备7，该控制设备同样可以被储能器壳体3包围。电池单体5可以是锂离子电池单体。它们具有随着老化的加剧而变形和体积增加的特性。由于单个电池单体5的体积增
加，由电池单体堆4把压力p施加在储能器壳体3的壳体壁10上。老化进展程度越大，则由电池单体堆4施加在储能器壳体3上的压力p就越大。因此，电池单体堆4施加在储能器壳体3上的压力p与电池单体堆4的电池单体5的老化状况之间存在关联性。为了能够检测压力曲线，可以在储能器壳体3的至少一个壳体壁10与电池单体堆4之间布置传感器设备8。传感器设备8可以具有一个或多个压力传感器9，其可以检测壳体壁10与电池单体堆4之间的压力。压力传感器9例如可以设计为压电式的压力传感器。还可以将压力传感器9设计为布置在壳体壁10上的膨胀带。压力传感器9可以贴靠在电池单体堆4的靠外的电池单体5上。可以规定，压力传感器9之一布置在与壳体壁10相对的表面的中间，因为最大压力可以在那里通过电池单体堆4传递到壳体壁10。还可以规定，压力传感器9布置在电池单体堆4的外表面上的不同位置处。压力传感器9的测量范围可以彼此不同。例如可以规定，为预定的压力范围设置相应的压力传感器9。压力传感器9可以检测压力并将其作为测量数据11例如通过缆线12发送到控制设备7。控制设备7可以接收测量数据11并将其存储在控制设备7的存储器中。例如可以在一段时间内多次检测压力p，或者应控制设备7的要求。当定期检测压力p时，控制设备7接收的测量数据11能够按测量序列来存储。在控制设备7中可以存储将压力与电池单体堆4的电池单体5的老化状况建立关联的档案13。例如，这可以是曲线图。控制设备7可以设置为通过存储的档案13从测量数据11中确定电池单体5的老化状况。控制设备7可以具有接口14，在该接口处例如提供测量数据11或电池单体5的特定状态。接口14可以例如在车间中被读取或连接到网络，例如机动车1的以太网网络或can总线网络。
37.图2示出了在壳体壁10与电池单体堆4之间的压力p关于储能器装置2的充电周期次数n的可能曲线。所示的区域示出了上部曲线p1和下部曲线p2。上部曲线p1示出一个充电周期内压力p的最大值，下部曲线p2示出一个充电周期内的压力p的最小值。曲线p1、p2之间的宽度dp表示一个充电周期内的压力p的变化。可以看出，在该充电周期次数的初始范围i中，曲线急剧上升，在该充电周期次数的中间范围ii中仅略微上升。在该充电周期次数的末端范围iii中，曲线上升得更急剧。这意味着，与中间寿命阶段ii相比，尤其在储能器装置2的寿命的开始i和接近结束iii时，电池单体5中的压力p随着充电周期次数n更剧烈地上升。可以规定，针对不同的压力范围i、ii、iii设置相应的压力传感器9。相应的压力传感器9可以针对相应阶段i、ii、iii的不同程度的压力范围而设计。曲线p1、p2的走向可以作为档案13存储在控制设备7中。通过将存储的测量数据11与档案13进行比较，控制设备7可以确定电池老化。
38.本发明描述了如何能在无模组设计方案中使用压力传感器。
39.目前在无模组设计方案中没有压力传感器来专门测量电池单体堆(电池壳体中的一系列互连电池单体)中第一个电池单体的压力增加。
40.在电池模块中使用锂离子会在电池单体中产生气体。随着时间的推移，这种气体会变得越来越多，并且电池单体中会产生压力，从而对电池壳体施加压力，并有可能使其变形。这种膨胀和压力增长——即老化——取决于电池受到的负荷程度(c率(c-rate*，充放电率)、驾驶情况(fahrprofil)以及电池模块的连接方案)。
41.三个指标能够用来描述电池单体堆的老化状况：
42.1.电池单体之间的电压差异(spannungsspreizung)
43.2.电池单体堆中的温度分布的高度不均匀性
44.3.电池单体堆或电池单体中的压力(或力)
45.监控电池单体之间的电压差异，但目前人们无法根据电压曲线的变化建立对老化状况的预测。
46.温度分布的不均匀性发生得非常缓慢，且如果确定了不均匀性，通常为时已晚，会要确定快速容量损失和电压差异。
47.因此电池单体内的压力仍作为可以用于判断电池单体堆的老化状况的指标。
48.在电池单体的开发过程中，通过测试来确定电池行为，即在特定的驾驶情况或测试情况(testprofil)下在电池单体中产生压力的大小。
49.在开发过程中确定这些测量值。这些压力——或力——主要用于在电池开发过程中确定壳体结构(例如在选择材料或确定壁的几何形状时)，以及用作在电池开发过程中的信息反馈。
50.目前，无模组结构中没有压力传感器，因此电池单体中的压力增加在其整个生命周期内不被监控。电池单体堆大多与壳体直接接触。
51.本发明描述了如何在电池中测量电池单体在运行期间建立的压力。压电式的压力传感器安装在电池壳体与第一个电池单体之间。压力传感器测量由电池单体周期过程产生的压力。该信号通过电缆传递到电池单体堆控制器，并在那里进行处理和存储。
52.在电池的整个使用寿命期间都会存储这些测量值，因此无需打开电池即可读取测量数据。可以将测量值与基于开发过程的曲线进行比较，从而确定电池的老化程度。压力传感器安装在电池单体堆的两侧，以确保冗余。
53.在所述电池单体的中间安装有压力传感器，该压力传感器是非常大面积的，因为所述电池单体在中间的膨胀是最大的。值得推荐的是，还安装有其他的更小的压力传感器，以便了解在所述电池单体的整个面上的膨胀情况。
54.取代于将压力传感器安装在电池壳体与一个电池单体之间，另一可行方案是，将其布置在弹簧板上或弹簧板中，通过弹簧板使电池单体堆被预紧。
55.如果连续记录压力，并与在开发过程中确定的曲线进行比较，则可以提前确定是否会发生快速容量损失(例如由于电池单体的功能故障)。
56.如果检测到可能的容量损失，则可以自动与车间预约时间来维修或更换电池单体堆。
57.开发人员可以获得关于在日常生活中如何使用无模组电池情况的信息，并由此推断该结构设计是否足够坚固或是否可能节省材料，因为在实际运行中对电池和车辆的使用并不同于在开发过程中的假定情况。
58.此外，不仅电池开发人员可以从这些信息中受益，模拟范围也可以从中受益，该模拟范围决定了用于设计电池的驾驶情况。
59.总体而言，这些示例展示了如何根据无模组设计在储能器装置中提供压力检测。

技术特征：
1.用于储存电能的储能器装置(2)，其中，该储能器装置(2)-具有用于容纳至少一个电池单体堆(4)和控制设备(7)的储能器壳体(3)，以及-至少一个电池单体堆(4)具有至少两个电池单体(5)并且布置在储能器壳体(3)的至少两个彼此对置的壳体壁(10)之间，其特征在于，-储能器装置(2)具有至少一个传感器设备(8)，该至少一个传感器设备布置在所述至少一个电池单体堆(4)与储能器壳体(3)的壳体壁(10)之一之间，该至少一个传感器设备被设计用于检测由电池单体堆(4)和壳体壁(10)向彼此施加的压力(p)并将其作为测量数据(11)提供给控制设备(7)。2.根据权利要求1所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述至少一个传感器设备(8)具有至少两个压力传感器(9)，它们在压力(p)的测量范围方面彼此不同。3.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述至少一个传感器设备(8)具有至少一个被设计为膨胀带的压力传感器(9)。4.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述至少一个传感器设备(8)具有至少一个被设计为压电式的压力传感器的压力传感器(9)。5.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，-储能器装置(2)具有至少两个传感器设备(8)，其中，所述至少两个传感器设备(8)布置在电池单体堆(4)的彼此对置的端部处。6.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，控制设备(7)被设置用于存储测量数据(11)和/或通过接口(14)提供测量数据(11)。7.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，在控制设备(7)中存储老化档案(13)，以及控制设备(7)被设置用于根据老化档案(13)结合测量数据(11)确定电池单体堆(4)的老化状况。8.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，控制设备(7)被设置用于，根据老化档案(13)利用测量数据(11)识别出电池单体堆(4)的功能故障。9.一种用于运行储能器装置(2)的方法，其中，该储能器装置(2)-具有用于容纳至少一个电池单体堆(4)和控制设备(7)的储能器壳体(3)，以及-所述至少一个电池单体组(4)具有至少两个电池单体(5)并且布置在储能器壳体(3)的至少两个彼此对置的壳体壁(10)之间，其特征在于，-该储能器装置(2)具有至少一个传感器设备(8)，该至少一个传感器设备布置在所述至少一个电池单体堆(4)与储能器壳体(3)的壳体壁(10)之一之间，-通过所述至少一个传感器设备(8)检测电池单体堆(4)和壳体壁(10)向彼此施加的压力(p)，并且把检测到压力(p)作为测量数据(11)提供给控制设备(7)。10.机动车(1)，包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的储能器装置(2)。

技术总结
本发明涉及一种用于储存电能的储能器装置(2)。该储能器装置(2)具有用于容纳至少一个电池单体堆(4)和控制设备(7)的储能器壳体(3)。所述至少一个电池单体堆(4)具有至少两个电池单体(5)并且布置在储能器壳体(3)的至少两个彼此对置的壳体壁(10)之间。在此规定了，储能器装置(2)具有至少一个传感器设备(8)，该至少一个传感器设备布置在所述至少一个电池单体堆(4)与储能器壳体(3)的壳体壁(10)之一之间，该至少一个传感器设备被设计用于检测由电池单体堆(4)和壳体壁(10)向彼此施加的机械压力(P)并将其作为测量数据(11)提供给控制设备(7)。备(7)。备(7)。


技术研发人员：T
受保护的技术使用者：奥迪股份公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/5/25