AT528504B1 - Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstands einer Batteriezelle und hierdurch optimierte Simulation der Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle beinhaltend ein Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle, bei dem eine elektrochemische Impedanzspektroskopie an der Batteriezelle gemessen und ein Innenwiderstand der Batteriezelle aus einer Differenz zwischen einem Wert der Ortskurve zu einem Hochfrequenzmesspunkt und einem Wert der Ortskurve zu einem Niederfrequenzmesspunkts auf der Realwertachse des Nyquist-Diagramms bestimmt wird. In den weiteren Schritten wird eine Charakteristik der Batteriezelle simuliert, umfassend wenigstens einen Ausgabeparameter aus einer simulierten Spannung, einer simulierten Temperatur, einem simulierten Ladezustand und einer Leistungsgrenze, basierend auf einem Batteriezellenmodell in Abhängigkeit von Eingangsparametern, umfassend wenigstens den zuvor gemessenen Strom und die zuvor gemessene Temperatur. Der simulierte Ausgabeparameter des Ladezustands wird basierend auf einem prädiktiven Filteralgorithmus in Abhängigkeit der gemessenen Spannung und der simulierten Spannung korrigiert. Schließlich wird das Batteriezellenmodell mittels Aktualisierens eines hinterlegten Modellparameters des Innenwiderstands durch einen Wert, der durch das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle bestimmt wurde, optimiert.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR OPTIMIERTEN SIMULATION EINER CHARAKTERISTIK EINER BATTERIEZELLE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle, die einen mit einem Verfahren zur Bestimmung eines varlierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle bestimmten Innenwiderstand der Batteriezelle berücksichtigen.

[0002] Modellbasierte Batteriezellensimulationen finden beispielsweise Verwendung in einem Batteriemanagementsystem (BMS) an Bord von Fahrzeugen, um während des Betriebs einen Ladezustand (SOC) eines Batteriespeichers zu bestimmen. In den heutigen Batteriespeichersystemen wird der Ladezustand der Batteriezellen stets überwacht. Dieser Uberwachungsprozess sowie eine Bestimmung und Kontrolle verschiedener weiterer Parameter werden mittels eines Batteriemanagementsystems realisiert, an das die Batteriezellen des Batteriespeichers über eine Sensorik angeschlossen sind. Zur Bestimmung des Ladezustands dient eine modellbasierte Simulation der spezifischen, im Batteriespeicher verwendeten Batteriezellen.

[0003] Ein entsprechendes Batteriezellensimulationsmodell, das die Eigenschaften und ein Verhalten von Batteriezellen in einem realen Betrieb des Batteriespeichers unter einer Datenverarbeitung von Eingangsparameter zu Ausgangsparametern möglichst realitätsnah abbildet, muss zunächst anhand von Charakterisierungstests entwickelt, verifiziert und in der Produktentwicklung implementiert werden. In dem entwickelten Batteriezellensimulationsmodell werden u.a. Widerstandswerte zu einer elektrochemischen Charakteristik der Batteriezelle, wie ein Innenwiderstand, d.h. ein Gleichstromwiderstand hinterlegt, die als Modellparameter zur Simulation der Zellenspannung, einer Zellentemperatur, des Ladezustands, und ggf. einer Leistungsgrenze usw. verwendet werden. Dabei wird insbesondere die aus dem Batteriezellensimulationsmodell simulierte Zellenspannung von einem weiteren Algorithmus zur Abschätzung des Ladezustands verwendet.

[0004] Im Stand der Technik werden die für das Batteriezellensimulationsmodell benötigten Widerstandsparameter einer Batteriezelle zunächst in einer Laborumgebung mittels aufwendiger Messungen zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie ermittelt, um das Batteriezellensimulationsmodell zu entwickeln. Zu einem späteren Zeitpunkt kann eine Korrelation des Batteriezellensimulationsmodells und des realen Betriebs durch Vergleiche zwischen simulierten Spannungen und gemessenen Spannungen verifiziert werden. Falls erforderlich, werden Modellparameter wie Widerstandsparameter in der Laborumgebung bis auf eine vorgegebene Fehlertoleranz angepasst oder optimiert. Danach wird das unter Laborbedingungen etablierte Batteriezellensimulationsmodell dem Batteriemanagementsystem eines Anwendungssystems hinzugefügt und beispielsweise während des gesamten Lebenszyklus eines Batteriespeichers verwendet.

[0005] Allerdings variieren die zu den Batteriezellen gehörenden Widerstandsparameter in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter, wie dem Ladezustand, Temperaturveränderungen sowie in Abhängigkeit einer fortlaufenden Alterung der Batteriezellen. Somit ändern sich die Widerstandsparameter, die ursprünglich im Labor ermittelt wurden, sowohl im Laufe des Lebenszyklus der Batteriezellen als auch unter schwankenden Betriebszuständen und Betriebsbedingungen der Batteriezellen. Demnach sind Bestimmungen von Ladezuständen, die auf konstanten Modellparametern beruhen, mit einer erhöhten Fehlerquote verbunden.

[0006] Mit Blick auf einen weiteren Anwendungsfall, finden modellbasierte Batteriezellensimulationen beispielsweise ebenso Verwendung in einem Zellencharakterisierungsprozess von Batteriezellen mit neuen Spezifikationen in einer Entwicklungs- und Integrationsphase für eine individuelle Produktanwendung. Dabei sind nutzungsbezogene Leistungsgrenzen zu bestimmen, die sich auf thermisch zulässige Auswirkungen einer Lade- oder Entladeleistung mit einem Gleichstrom infolge des Innenwiderstandes der Batteriezelle beziehen. Auch hier stehen die Leistungsgrenzwerte in Abhängigkeit zu weiteren Parametern und können mit dem Ladezustand oder einer

Temperatur variieren.

[0007] In einem weiteren Anwendungsbeispiel sind seitens eines Batterieherstellers testbezogene Leistungsgrenzen zur Feststellung und Vermeidung von Beschädigungen an neuartigen Batteriezellen mit unbekannten Eigenschaften im Rahmen von Charakterisierungstests zu bestimmen. Batteriezellenhersteller verwenden heutzutage verschiedene Charakterisierungstestmethoden, um die erforderlichen Parameter von Batteriezellen für ein Batteriezellensimulationsmodell zu ermitteln. Eine davon ist der Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC)-Test. Vor der Anwendung des HPPC- Tests sollte der Hersteller verschiedene Stromstärken festlegen, die unter verschiedenen Temperatur- und Ladezustandsbedingungen angewendet werden. Eine Leistungsgrenze im Sinne eines Stromgrenzwertes für neu entwickelte Batteriezellen kann jedoch nur nach zeitaufwändigen Tests bestimmt werden. Wenn der HPPC-Test auf eine Batteriezelle angewandt werden soll, deren Stromgrenzen nicht bekannt sind, kann die Batteriezelle infolge eines zu hohen Stroms beschädigt werden, oder der Test kann infolge eines zu niedrigen Stroms möglicherweise nicht zeiteffizient oder nicht signifikant messbar ablaufen.

[0008] WO 2024130355 A1 zeigt ein Verfahren zur Schätzung des Ladezustands mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie in Batterien während des Betriebs und ein entsprechendes Batterieüberwachungssystem.

[0009] Eine Simulation einer Batterie ist aus DE 102019121461 B3 bekannt.

[0010] DE 102019210212 A1 zeigt ein Verfahren zum Schätzen eines jeweiligen Parameterwerts mehrerer Modellparameter eines Modells eines Geräts, sowie Batteriesystem und Kraftfahrzeug.

[0011] In DE 102019127384 A1 wird ein Verfahren zur Parameterschätzung in einem ImpedanzModell einer Lithiumionenzelle beschrieben.

[0012] DE 102023130150 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Charakterisierung der Leistung von elektrischen Speichersystemen.

[0013] DE 102015103561 A1 beschreibt eine frequenzbasierte Schätzung von Batteriemodellparametern.

[0014] Im Stand der Technik ist aus der US 10 338 146 B2 bekannt, zwischen einer simulierten Spannung und einer gemessenen Spannung einen Filteralgorithmus, wie einen Kalman Filter einzusetzen, der eine Genauigkeit von Schätzwerten verbessert. Diese Technik setzt jedoch nicht an der Ursache von Abweichungen einer modellbasierten Simulation an und ermöglicht somit keine Modifizierung oder fortlaufende Anpassung des zugrundeliegenden Parametermodells. Demnach müssen veränderliche Eigenschaften von Batteriezellen durch eine Alterung im Rahmen weiterer Einschätzungen durch Algorithmen einbezogen werden.

[0015] Die US 10 386 422 B?2 offenbart eine Echtzeitmessung für eine elektrochemische Impedanzspektroskopie im Betrieb eines Systems mit Batteriezellen. Eine Parametrisierung eines Modells der Batteriezellen erfolgt basierend auf den Echtzeitmessungen, wobei eine basierend auf dem Modell simulierte Impedanzantwort an Messdaten eines Bode-Diagramms der Echtzeitmessungen angepasst wird. Wie und anhand welcher Parameter eine Anpassung des Modells an die Echtzeitmessung konkret erfolgt, geht nicht bis ins Detail hervor. Da Echtzeitmessungen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie im Betrieb eines Systems prinzipiell mit einem erheblichen Messrauschen einhergehen, ist davon auszugehen, dass diese Technik Ungenauigkeiten in den Modellparametern hervorruft sowie einen hohen Datenverarbeitungsaufwand für deine Durchführung in Echtzeit erfordert.

[0016] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise zu beheben. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung eine Technik zu schaffen, die eine schnelle oder vereinfachte Bestimmung des in der realen Batteriezelle variierenden Innenwiderstands ermöglicht. Eine weitergehende Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Berücksichtigung des variierenden Innenwiderstands in Modellparametern zur Simulation von Batterieeigenschaften bei einem begrenzten technischen Aufwand zu ermöglichen, der mit begrenzten Ressourcen in einer mobilen Anwendung realisierbar ist. Eine alternative Aufgabe der Erfindung

besteht darin, einen Ressourcenaufwand für eine erstmalige oder eine aktualisierte Parametrisierung eines Simulationsmodells in Bezug auf den Innenwiderstand einer Batteriezelle zu verringern.

[0017] Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle beinhaltend ein Verfahren zur Bestimmung eines varlierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle mit den Schritten des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

[0018] Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit Schritten oder Vorrichtungsmerkmalen des Verfahrens oder Systems zur optimierten Simulation einer Eigenschaft der Batteriezelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.

[0019] Hierzu umfasst das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle die Schritte:

- Messen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie an der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Anlegen von Messimpulsen eines Wechselstroms an Potenzialpolen der Batteriezelle für einen Hochfrequenzmesspunkt und für einen Niederfrequenzmesspunkt, die sich bezüglich einer Frequenz des jeweiligen Wechselstroms unterscheiden, mittels Messelektroden; und

- Erfassen von aus den Messimpulsen resultierenden Impulsantworten an den Potenzialpolen der Batteriezelle zu dem Hochfrequenzmesspunkt und zu dem Niederfrequenzmesspunkt mittels Messsensoren;

- Bestimmen des Innenwiderstands der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Bestimmen von Werten einer Ortskurve in einem Nyquist-Diagramm, das eine Realwertachse und eine Imaginärwertachse umfasst, aus einem Frequenzgang der erfassten Impulsantworten zu dem Hochfrequenzmesspunkt und zu dem Niederfrequenzmesspunkt; und

- Bestimmen des Innenwiderstands der Batteriezelle aus einer Differenz zwischen einem Wert der Ortskurve zu dem Hochfrequenzmesspunkt und einem Wert der Ortskurve zu dem Niederfrequenzmesspunkt auf der Realwertachse des Nyquist-Diagramms.

[0020] Darauf aufbauend dient das erfindungsgemäße Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle mit den Schritten: Bereitstellen eines parametrisierten Batteriezellenmodells, das mehrere Modellparameter, umfassend wenigstens einen Widerstandsparameter, in Bezug auf Eigenschaften einer durch das Batteriezellenmodell abgebildeten Batteriezelle aufweist; Messen eines Stroms und einer Temperatur in Bezug zu der Batteriezelle; Simulieren der Charakteristik der Batteriezelle, umfassend wenigstens einen Ausgabeparameter aus einer simulierten Spannung, einer simulierten Temperatur, einem simulierten Ladezustand und einer Leistungsgrenze, basierend auf dem Batteriezellenmodell in Abhängigkeit von Eingangsparametern, umfassend wenigstens den zuvor gemessenen Strom und die zuvor gemessene Temperatur; Messen einer Spannung der Batteriezelle; und ein Korrigieren des simulierten Ausgabeparameters des Ladezustands basierend auf einem prädiktiven Filteralgorithmus in Abhängigkeit der gemessenen Spannung und der simulierten Spannung umfassen und Optimieren des Batteriezellenmodells mittels Aktualisieren eines hinterlegten Modellparameters des Innenwiderstands durch einen Wert, der bestimmt wurde durch das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle. Somit werden die aktualisierten Modellparameter einer hierdurch optimierte Simulation zugeführt, die genauere Ergebnisse erzielt.

[0021] Durch die Schritte Messen einer Spannung der Batteriezelle; und ein Korrigieren des simulierten Ausgabeparameters des Ladezustands basierend auf einem prädiktiven Filteralgorithmus in Abhängigkeit der gemessenen Spannung und der simulierten Spannung umfassen, wird

eine Genauigkeit des simulierten Ladezustands verbessert.

[0022] Die Erfindung sieht somit erstmals ein analytisch vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung der variierenden Eigenschaft des Innenwiderstands in einer realen Batteriezelle vor.

[0023] Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind die nachfolgenden Begriffe im Kontext der Erfindung wie folgt definiert:

- Der Innenwiderstand ist ein interner Ohm’scher Widerstand, also ein Gleichstromwiderstand, der eine kinetische Hemmung einer Elektronenmobilität wiedergibt und eine Ausgangsspannung der Batteriezelle direkt beeinflusst, sowie bei einem Elektronenfluss aus dem Aktivmaterial über die Potenzialpole wie einem Entladungsstrom aus der Batteriezelle, oder in umgekehrter Richtung bei einem Ladestrom, Ursache zur Entstehung von Abwärme ist.

- Die Impedanz ist ein Widerstandsparameter, der einen internen Wechselstromwiderstand wiedergibt, und der in einem Verhältnis zu einer Kapazität steht, also einer Ladung oder Menge an beweglichen Elektronen, die zur Versorgung einer Last zu Verfügung stehen.

- Der Ladungsverschiebungswiderstand ist ein Widerstandsparameter, der eine kinetische Hemmung der lonenmobilität in dem Elektrolyt und einem Ladungsdurchtritt an einer Phasengrenze zwischen Elektrolyt und Elektrode wiedergibt.

- Der Diffusionswiderstand ist ein Widerstandsparameter, der eine Verteilung von frei verfügbaren Ladungsträgern wie Lithium-Ionen in dem Elektrolyt wiedergibt, also einem Zustand, der durch beispielsweise durch eine immobilisierende Agglomeration von lonen beeinträchtigt werden kann.

- Die Widerstandsparameter der Impedanz, des Ladungsverschiebungswiderstands und des Diffusionswiderstands beeinflussen den Innenwiderstand der Batteriezelle, wie sich aus einem bekannten äquivalenten Schaltungsmodell herleiten lässt.

- Eine Ortskurve, welche einen Frequenzgang einer gemessenen Impulsantwort aus einer Elektrochemischen Impedanzspektroskopie in einem Nyquist-Diagramm abbildet, lässt sich in grob in drei Abschnitte zu unterschiedlichen Frequenzbereichen einteilen, wobei die entsprechenden drei Ortskurvenabschnitte für eine Bemessung der drei genannten Widerstandsparameter der Impedanz, des Ladungsverschiebungswiderstands und des Diffusionswiderstands charakteristisch sind. So stehen Werte eines Ortskurvenabschnitts, der einem Frequenzbereich von 500 Hz und mehr, vorzugsweise 1kHz oder mehr zugeordnet ist, in einem Verhältnis zu dem realen Wert der inneren Impedanz der Batteriezelle. Werte eines weiteren Ortskurvenabschnitts, der einem Frequenzbereich von 5 Hz bis 500 Hz, vorzugsweise 10 Hz bis 100 Hz zugeordnet ist, stehen in einem Verhältnis zu dem realen Wert des Ladungsverschiebungswiderstands der Batteriezelle. Wiederum Werte eines weiteren Ortskurvenabschnitts, der einem Frequenzbereich von höchstens 5 Hz oder weniger, vorzugsweise etwa 1 Hz oder weniger zugeordnet ist, stehen in einem Verhältnis zu dem realen Wert des Diffusionswiderstands der Batteriezelle.

- Der erfindungsgemäß gemessene Hochfrequenzmesspunkt der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie liegt in einem Frequenzbereich von 10 mHz bis 10 Hz, und der Niederfrequenzmesspunkt in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 MHz.

[0024] Darauf aufbauend ist eine technische Anwendungen einer Simulation der Batteriezelle mittels eines Batteriezellenmodell vorgesehen, die von der Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens profitiert. Insbesondere in mobilen Anwendungen mit begrenzten Ressourcen hinsichtlich einer Messtechnik und Rechenleistung kann nunmehr eine Optimierung des Simulationsergebnisses anhand einer Berücksichtigung von Anderungen des realen Innenwiderstands im Rahmen von Aktualisierungen des dem Batteriezellenmodell zugrundeliegenden Eingangsparameters des Innenwiderstands erfolgen, die überhaupt erst durch das erfindungsgemäß analytisch vereinfachte Verfahren im autarken Betrieb ermöglicht wird. Dadurch werden mobile Systeme wie z.B. elektrische Fahrzeuge mit bereits vorhandenen Mitteln der Messtechnik und Datenverarbeitung an Bord in die Lage versetzt, eine verbesserte simulationsbasierte Ladezustandsbestimmung der Batteriezelle auch über fortgeschrittene Abschnitte eines Lebenszyklus der Batteriezelle vorzunehmen, was beispielsweise eine genauere Reichweitenbestimmung des

Fahrzeugs ermöglicht.

[0025] Der variierende reale Innenwiderstand wird erstmals aus einer erfindungsgemäß vereinfachten messtechnischen und analytischen Umsetzung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) ermittelt. Eine Berücksichtigung des variierenden realen Innenwiderstands als Eingangsparameter in dem Batteriezellenmodell für eine realistische Simulation einer Charakteristik der Batteriezelle, wie insbesondere eine simulierte Spannung oder ein Ladezustand (SOC) erfolgt durch fortlaufende derartige vereinfachte Bestimmung des Innenwiderstands zur Aktualisierung von Modellparametern, die vorzugsweise in zeitlichen Intervallen oder in Abhängigkeit von Parameterverhältnissen wiederholt abläuft.

[0026] Die erfindungsgemäße, vereinfachte Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezelle ermöglicht demnach eine Parameteroptimierung des Innenwiderstands unter den Eingangsparametern einer Simulation autark innerhalb eines Anwendungssystems. Somit entfällt für selbiges Anwendungssystem eine Notwendigkeit, die Auswirkungen der Alterung auf die Parameter durch einen weiteren Algorithmus abzuschätzen, beispielsweise in einer externen Einrichtung. Ferner wird eine Genauigkeit der simulierten Spannung und des simulierten Ladezustands in einem Batteriemanagementsystem während der gesamten Batterielebensdauer verbessert. Eine genaue Einschätzung des Ladezustands eines Batteriespeichers ist für viele Betriebssituationen von essenzieller Bedeutung, wie bei Ladevorgängen oder der bereits genannten Reichweitenschätzung in einem Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie.

[0027] Messtechnisch erfolgt die elektrochemische Impedanzspektroskopie über ein Sensornetzwerk von Messelektroden und Spannungssensoren an Batteriezellen, das bereits in einem herkömmlichen Batteriemanagementsystem eines Batteriespeichers vorhanden ist. Anstelle einer herkömmlichen Messung über ein umfassendes Frequenzspektrum, wie es üblicherweise in einer Laborumgebung durchgeführt wird, werden nur wenige, werden lediglich zwei Messpunkte zur elektrochemischen Impedanz Messung bei einer hohen Frequenz und einer niedrigen Frequenz benötigt. Nach Erkenntnissen und einem analytischen Ansatz, die der Erfindung zugrunde liegen, erfolgt eine Bestimmung von Innenwiderstandswerten der Batteriezellen basierend auf einer Abbildung oder eines Frequenzgangs der Messpunkte in einem Nyquist-Diagramm, genauer genommen anhand einer Differenz zwischen Werten einer Ortskurve oder Funktion auf der Realwertachse des Nyquist-Diagramms an den Messpunkten.

[0028] Als ein Vorteil der Erfindung kann die für diese vereinfachte Messung und Analyse erforderliche Technik in einem autarken System, wie mit vorhandenen Mitteln eines Bordnetz eines Fahrzeugs bzw. von einem BMS durchgeführt werden. Somit können die Messung und die Aktualisierung der Modellparameter im System oder Bordnetz während einer Ruhephase, also einer Zeitdauer, in der keine Last an einer Batteriezelle anliegt, durchgeführt werden. Dadurch entfällt ein Erfordernis zu einer externen Aktualisierung bzw. einer externen Ressource oder einer erneuten Charakterisierung in einer Laborumgebung zur aktualisierten Parametrisierung des Batteriezellenmodells.

[0029] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die erfindungsgemäß vereinfachte und wiederholt ausgeführte Innenwiderstandsbestimmung eine individuelle und autarke Parametererfassung des Innenwiderstands im Anwendungsprodukt, prinzipiell eine Gelegenheit für ein Datenpooling aus der Vielzahl an verwendeten Produkten und Nutzern über den gesamten Lebenszyklus der Batteriezellen in einem realen Umfeld geschaffen wird. Das Datenpooling bedarf technisch gesehen lediglich einer Rückführung durch Übertragung oder Auslesung der individuellen Messdaten oder eines Verlaufs der optimierten Modellparameter in einen zentralen Datenspeicher. Die so gesammelten Daten stellen einen großen Nutzen für mögliche Analysen und Erkenntnisse für Hersteller bereit.

[0030] In anderen Anwendungen von Herstellern von Batteriezellen oder Herstellern von Anwendungssystemen, in denen ein Batteriemanagement von neuen Batteriezellen zu implementieren ist, verringert die erfindungsgemäße Parameteroptimierung mit aufwandsreduzierter Messung und Analytik erheblich den Testaufwand von Charakterisierungstests an Batteriezellen mit unbestimmter Charakteristik zur Parametergenerierung. Bei der Erstellung eines entsprechenden Bat-

teriezellenmodells, das die Charakteristik der Batteriezelle über umfassende oder anwendungsspezifische Bereiche abdeckt, können messtechnische und analytische Ressourcen sowie ein Zeitaufwand und Kosten für Testreihen an realen Batteriezellen im Vergleich zu herkömmlichen Testabläufen erheblich verringert werden.

[0031] Die Leistungsgrenzen, die Batteriezellen auf der Grundlage ihres Innenwiderstands unter verschiedenen Lastbedingungen bereitstellen können, hängen von dynamischen Parametern wie dem Innenwiderstand, der Zellentemperatur, der Last und/oder dem Ladezustand ab. Abhängig von der dynamischen Natur dieser Parameter kann das erfindungsgemäße Verfahren in Testläufen in Echtzeit und als Softwaremodul, d.h. ein Parameteroptimierungsmodul realisiert werden, oder auch in ein Batteriemanagementsystem als simulationsbasiertes Ladezustandsschätzmodul integriert werden, das den zunehmenden Innenwiderstand der alternden Batteriezelle kompensiert.

[0032] Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle den zusätzlichen Schritt umfassen: Bestimmen von wenigstens einem strukturspezifischen Widerstandsparameter, umfassend eine Impedanz, einen Ladungsverschiebungswiderstand und einen Diffusionswiderstand der Batteriezelle, aus wenigstens einem der folgenden Unterschritte: Bestimmen der Impedanz der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von wenigstens 500 Hz oder mehr, vorzugsweise etwa 1kHz bezieht; Bestimmen des Ladungsverschiebungswiderstands der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von wenigstens 5 Hz bis 500 Hz, vorzugsweise etwa 100 Hz bezieht; und/oder Bestimmen des Diffusionswiderstands der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von höchstens 5 Hz oder weniger, vorzugsweise etwa 1 Hz oder weniger bezieht.

[0033] Durch diesen vereinfachten Bestimmungsansatz können weitere strukturbezogene Widerstandsparameter der Batteriezelle in Echtzeit durch einen Algorithmus bestimmt werden und als hinterlegte Eingangsparameter eines Simulationsmodells aktualisiert werden. Wenn die Messung in einem Ruhezustand eines Anwendungssystems der Batteriezelle durchgeführt wird, können Störeinflüsse auf die Messung minimiert werden.

[0034] Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle in einem vorbestimmten Zeitinterwall wiederholt werden. Somit kann alternativ eine einfache Lösung für eine Aktualisierung und Optimierung der Modellparameter bereitgestellt werden, deren reduzierter Aufwand für Messung und Aktualisierung der langsamen Entwicklung der Alterung der Batteriezelle Rechnung trägt.

[0035] Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren zur Bestimmung eines varlierenden Innenwiderstands einer Batteriezelle auch ein Übertragen von wenigstens einem zuvor bestimmten Widerstandsparameter aus dem Innenwiderstand, der Impedanz, dem Ladungsverschiebungswiderstand und dem Diffusionswiderstand über eine Datenschnittstelle an eine externe Datenbank umfassen. Somit werden ausgewertete Messdaten und Erkenntnisse aus individuellen Anwendungen für ein Datenpooling bereitgestellt.

[0036] Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle ein Uberwachen einer Anderung der gemessenen Temperatur und einer Anderung des simulierten oder korrigierten Ladezustands; und ein Ausgeben einer Messanforderung zur Optimierung des Batteriezellenmodells umfassen, in Abhängigkeit einer Bedingung, dass die überwachte Anderung der gemessenen Temperatur einen Temperaturänderungsschwellenwert überschreitet, oder die überwachte Anderung des simulierten oder korrigierten Ladezustands einen Ladungsänderungsschwellenwert überschreitet. Somit kann auf parameterbasierter Entscheidung eine Notwendigkeit für eine neue Bestimmung der Modellparameter gefällt werden, welche die Gesamtanzahl und den kumulierten Aufwand für Messung und Aktualisierung des Innenwiderstands über den Lebenszyklus weiter verringert.

[0037] Darauf aufbauend kann ein System zur optimierten Simulation einer Batteriezelle aufge-

teilt sein in: ein Simulationsmodul, in dem das parametrisierte Batteriezellenmodell bereitgestellt ist; wenigstens eine Dateneingangsschnittstelle für Eingangsparameter aus einer Spannung, einem Strom und einer Temperatur, die zuvor in Bezug zu wenigstens einer Batteriezelle gemessen wurden; wenigstens eine Datenausgangsschnittstelle für Ausgangsparameter eines simulierten Ladezustands, einer simulierten Spannung, einer Temperatur; und ein Parameteroptimierungsmodul zur Optimierung des parametrisierten Batteriezellenmodells durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezelle und durch Aktualisierung eines hinterlegten Modellparameters zu dem Innenwiderstand; wobei die Datenausgangsschnittstelle des Parameteroptimierungsmoduls mit einer Dateneingangsschnittstelle des Simulationsmoduls verbunden ist.

[0038] Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das genannte System zur optimierten Simulation einer Batteriezelle in einem Batteriemanagementsystem eines Batteriespeichers mit mehreren Batteriezellen implementiert sein und ein Netzwerk von Sensoren desselben nutzen.

[0039] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale und Ausführungsformen jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

[0040] Fig. 1 ein Nyquist-Diagramm, in dem eine Analyse von zwei Messpunkten einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezelle abgebildet ist;

[0041] Fig. 2 eine Darstellung von eingehenden und ausgehenden Parametern an einem softwarebasierten System zur optimierten Simulation einer Batteriezelle als eine Anwendungsumgebung der Erfindung; und

[0042] Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Aufbaus des Systems aus Fig. 2.

[0043] Fig.1 zeigt ein Nyquist-Diagramm mit einer Realwertachse RE und einer Imaginärwertachse IM, in dem Messdaten einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie aufgetragen sind. Die beiden eingekreist dargestellten Messungen bilden einen Hochfrequenzmesspunkt MPH und einen Niederfrequenzpunkt MPN ab, die zuvor an der Batteriezelle ermittelt wurden. Dazu wurden Messimpulse eines Wechselstroms bei einer höheren und einer niedrigeren Frequenz mittels Messelektroden an den Potenzialpolen der Batteriezelle angelegt. Ferner wurden hierzu über Spannungssensoren und Stromsensoren eine Impulsantwort zu dem Hochfrequenzmesspunkt MPH und dem Niederfrequenzpunkt MPN erfasst. Ein Frequenzgang der erfassten Impulsantworten wurde anschließend für eine Bemessung und Auftragung der dargestellten Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm konvertiert. Eine Differenz der Werte auf der Realwertachse RE des Hochfrequenzmesspunkts MPH und des Niederfrequenzpunkts MPN auf der Ortskurve ergibt in analytisch vereinfachter Weise den Innenwiderstand RG der Batteriezelle. Dieser Wert kann von einem Echtzeit-Optimierungsalgorithmus als neuer Innenwiderstand RG der Batteriezelle bestimmt werden, und anschließend als maßgeblicher Widerstandsparameter in einem Batteriezellenmodel BM für eine Simulation einer Eigenschaft in einem Batteriemanagementsystem oder ähnlichen Anwendungen aktualisiert und hinterlegt werden.

[0044] In Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines softwarebasierten Systems 10 zur Simulation einer Charakteristik, d.h. elektrochemischen oder physikalischen Eigenschaften wie z.B. einer Spannung oder eines Ladezustands einer Batteriezelle, oder einer Mehrzahl von Batteriezellen eines Batteriespeichers. Das System 10 kann beispielsweise Bestandteil eines Batteriemanagementsystems (BMS) eines Batteriespeichers, wie z.B. einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug sein, oder Bestandteil eines Testaufbaus in einer Laborumgebung eines Herstellers. Das System 10 umfasst oder hat Zugriff auf nicht weiter dargestellte Mittel zur Datenverarbeitung wie eine CPU, um die erfindungsgemäße Bestimmung des Innenwiderstands und eine nachfolgende Parameteroptimierung an einem Batteriezellenmodell vorzunehmen, sowie eine Dateneingangsschnittstelle und eine Datenausgangsschnittstelle, wobei letztere

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in einer gemeinsamen Dateneingangs- und -ausgangsschnittstelle zusammengefasst sein können.

[0045] Über die Dateneingangsschnittstelle werden Messdaten von Messungen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) eingelesen, die einen Hochfrequenzmesspunkt MPH und einen Niederfrequenzmesspunkt MPN betreffen. Eine Analyse dieser Messdaten wird später ausführlicher beschrieben. Die Messungen werden durch nicht weiter dargestellte Mittel einer Messtechnik durchgeführt, welche das System 10 umfasst oder auf welche das System 10 Zugriff hat. Diese Mittel, die ein bereits vorhandener Bestandteil eines herkömmlichen Batteriemanagementsystems eines Batteriespeichers sein können, umfassen einen Impulsgenerator, der Messimpulse eines Wechselstroms mit unterschiedlicher Frequenz generieren kann, die an einer Batteriezelle aufgebracht werden, und Sensoren wie Spannungssensoren und Stromsensoren für einzelne Batteriezellen, insbesondere geeignete Spannungssensoren für eine hohe zeitliche Auflösung von Messdaten, die eine Impulsantwort an den Polen der Batteriezelle oder einer Vielzahl von Batteriezellen messen. Die gemessene Impulsantwort ist eine Reaktion des chemischen und physikalischen Aufbaus jeder Batteriezelle auf den Messimpuls.

[0046] Darüber hinaus bezieht das System 10 zur Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle über die Dateneingangsschnittstelle eine gemessene Spannung UM an den Polen der realen Batteriezelle, d.h. eine Zellenspannung, die durch einen Spannungssensor an der Batteriezelle erfasst wird, einen gemessenen Strom durch die Pole der Batteriezelle I, der durch einen Stromsensor erfasst wird, sowie eine gemessene Temperatur TM, die an der Batteriezelle oder in einem Batteriespeicher mit mehreren Batteriezellen durch einen Temperatursensor gemessen wird.

[0047] Als Ergebnis der Simulation gibt das System 10 je nach Konfiguration für eine Anwendung verschiedene Parameter über die Datenausgangsschnittstelle aus. Dies kann ein durch einen Algorithmus bestimmter, d.h. simulierter und gegebenenfalls durch einen Filter korrigierter Ladezustand SOC der Batteriezelle sein, eine Messanforderung MA, die unter einer später beschriebenen Bedingung für eine erneute Durchführung einer Messung und Aktualisierung von Parametern ausgegeben wird, eine simulierte Spannung US der Batteriezelle, eine simulierte Temperatur TS der Batteriezelle, oder ein aus den wiederholten Messungen bestimmter Innenwiderstand RG, d.h. ein Gleichstromwiderstand der Batteriezelle.

[0048] Das Blockschaltbild in Fig. 3 zeigt einen näher detaillierten Aufbau des softwarebasierten Systems 10 in einer Aufteilung in funktionale Module. So umfasst das System 10 insbesondere ein Parameteroptimierungsmodul 11 zur Optimierung eines parametrisierten Batteriezellenmodells BM, ein Simulationsmodul 12 mit dem parametrisierten Batteriezellenmodell BM zur Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle, ein optionales Filtermodul 13 zur Ausführung eines prädiktiven, korrigierenden Filteralgorithmus, wie insbesondere einen Kalman Filter, und ein Messanforderungsmodul 14 zur Ausführung einer parameterbasierten Entscheidung über das Erfordernis einer erneuten Messung und Aktualisierung von Modellparametern und zur Ausgabe einer Anforderung einer neuen Messung.

[0049] Zunächst werden auf eine ausgegebene Messanforderung MA zwei neue EIS-Messungen, genauer genommen eine Hochfrequenz-Impedanzmessung und eine Niederfrequenz-Impedanzmessung an der Batteriezelle durchgeführt. Die erfassten Messdaten von zwei Messpunkten auf verschiedenen Frequenzen werden hier als Hochfrequenzmesspunkt MPH und als Niederfrequenzpunkt MPN benannt.

[0050] Die erfassten Messdaten werden an das Parameteroptimierungsmodul 11 übergeben, welches insbesondere die Achsenprojektionen der Hochfrequenz-Impedanzmessung und der Niederfrequenz-Impedanzmessung auf der Realwertachse eines Nyquist-Diagramms analysiert. Dieser Vorgang erfolgt in einem Echtzeit-Optimierungsalgorithmus, der auf der Erkenntnis und dem Ansatz beruht, dass ein Wert des Innenwiderstands RG, also der Gleichstromwiderstand der Batteriezelle mit einer Differenz zwischen den Achsenprojektionen des Hochfrequenzmesspunkts MPH und des Niederfrequenzpunkts MPN auf der Realwertachse korreliert. Der EchtzeitOptimierungsalgorithmus umfasst ferner eine Kostenfunktion zwischen dem so gebildeten Wert

des Innenwiderstands RG und Modellparametern, insbesondere weiteren Widerstandsparametern, d.h. der Impedanz RW, einem Ladungsverschiebungswiderstand RV und einem Ladungsdiffusionswiderstand RD. Der Echtzeit-Optimierungsalgorithmus bestimmt die Impedanz RW anhand der Differenz der Achsenprojektion des Hochfrequenzmesspunkts MPH und des Niederfrequenzpunkts MPN auf der Realwertachse RE.

[0051] Die aus den Messdaten bestimmten Widerstandsparameter wie ein Parametersatz aus der Impedanz RW, dem Ladungsverschiebungswiderstand RV und dem Ladungsdiffusionswiderstand RD oder der in diesem Zusammenhang bestimmte Innenwiderstand RG werden an das Simulationsmodul 12 übergeben und als hinterlegte Werte in dem Batteriezellenmodell BM aktualisiert. Somit verfügt das Batteriezellenmodell BM, auf dessen Basis die Simulation der Charakteristik der Batteriezelle durchgeführt wird, über optimierte Modellparameter, die an eine messtechnisch ermittelte Anderung einer Eigenschaft der realen Batteriezelle, wie z.B. eine alterungsbedingte Zunahme des Innenwiderstands, angepasst und aktualisiert sind.

[0052] Das Simulationsmodul 12 nimmt ferner Messwerte des Stroms | durch die Batteriezelle und der Temperatur an der Batteriezelle oder in einem Batteriespeicher mit mehreren Batteriezellen als Eingangsparameter der Simulation auf. Das Batteriezellenmodell BM ist ein Ersatzschaltbildmodell (equivalent circuit model), das mit den erhaltenen Widerstandsparametern RW, RV, RD oder RG fortlaufend aktualisiert wird, wonach als Ergebnis der Simulation ein Ladezustand SOC, eine simulierte Zellenspannung US und eine simulierte Temperatur TS bei jedem Zeitschritt der Simulation reproduziert werden.

[0053] Der Ansatz, die Modellbarameter nach bestimmten Zeitintervallen oder bei Eintritt parameterbasierter Bedingungen in Echtzeit mit Hilfe von erfindungsgemäß vereinfachten elektrochemischen Impedanzmessungen an lediglich zwei Messpunkten zu aktualisieren, begrenzt oder vermeidet die Fehlerquote, die bei einer herkömmlichen Schätzung der Spannungsantwort, die mit der Zeit aufgrund des Anstiegs von Widerstandswerte mit der Alterung der Batteriezellen zunimmt, auftritt, und welche herkömmlicherweise durch einen Algorithmus ohne messtechnische Verifizierung erfolgt. Je mehr die Widerstandswerte aufgrund der Zellalterung zunehmen, desto mehr spiegelt sich das im Wert des Innenwiderstands RG wider. Dieser wird jedoch von dem Parameteroptimierungsmodul 11 durch die beschriebene Analyse von Messdaten der von Zeit zu Zeit wiederholten und vereinfachten elektrochemischen Impedanzmessung bestimmt, im Batteriezellenmodell durch aktualisierte Werte hinterlegt, und somit einer der Erzielung optimierter Simulationsergebnisse zugeführt.

[0054] Das Simulationsergebnis des Simulationsmoduls 12 umfasst unter anderem den Ausgabeparameter der simulierten Zellspannung US, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Systems 10 an einen Eingang des prädiktiven und korrigierenden Filteralgorithmus des Filtermoduls 13 eingegeben wird. An einem weiteren Eingang des Filtermoduls 13 wird der Wert der tatsächlich gemessenen Zellspannung UM eingegeben. Anhand einer Fehlerdifferenz zwischen dem Wert der simulierten Spannung US zu dem Wert der gemessenen Spannung UM, korrigiert das Filtermodul 13 den Wert des simulierten neuen Ladezustands SOC, indem das Filtermodul 13 den vorhergehenden Wert des Ladezustands SOC erhöht oder senkt.

[0055] Die elektrochemische Impedanzspektroskopie, die herkömmlicherweise ein Frequenzspektrum umfasst, ist ein zeitaufwändiges Messverfahren, bei dem es technisch nicht möglich ist, dieses kontinuierlich oder in Echtzeit durchzuführen. Daher führt das Parameteroptimierungsmodul 11 lediglich eine begrenzte Anzahl von Messungen an nur zwei oder wenigen Messpunkten an zellenspezifischen charakteristischen Frequenzen durch, an denen sich relevante Größen bekanntermaßen ändern. So kann eine rasche Abnahme des Ladezustands SOC der Batteriezelle bei der Messung verhindert werden, und ein Datenverarbeitungsaufwand begrenzt werden. Als eine geeignete Bedingung eines Erfordernis zur Überprüfung, also zur Triggerung einer erneuten Durchführung des Messvorgangs, wird die Anderung des Ladezustands SOC um einen bestimmten Prozentsatz oder die Anderung der simulierten Temperatur TS um einen bestimmten Betrag herangezogen.

[0056] Nach diesem Prinzip gibt das Messanforderungsmodul 14 die Messanforderung MA zur

Auslösung neuer Messungen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie aus. Zuvor prüft das Messanforderungsmodul 14 Bedingungen, ob die Anderungen der genannten Werte einen jeweiligen Anderungsschwellenwert überschreiten, und trifft dann die Entscheidung, ob eine erneute Messung als Voraussetzung zur Optimierung und Aktualisierung der Modellparameter durchgeführt werden soll. Auf diese Weise wird die durch den Ladezustand SOC oder die Temperatur TS bedingte Anderung der Impedanz RW stets erfasst und die durch die Alterung bedingte Erhöhung des Innenwiderstands RG in der realen Batteriezelle automatisch über die Parameteroptimierung und Aktualisierung in der Simulation kompensiert.

[0057] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 softwarebasiertes System

11 Parameteroptimierungsmodul 12 Simulationsmodul

13 Filtermodul

14 Messanforderungsmodul

BM Batteriezellenmodell

| Strom

IM Imaginärwertachse

MA Messanforderung

MPN Niederfrequenzmesspunkt

MPH Hochfrequenzmesspunkt

RD Diffusionswiderstand

RE Realwertachse

RG Innenwiderstand

RV Ladungsverschiebungswiderstand

RW Impedanz SOC Ladezustand

TM gemessene Temperatur TS simulierte Temperatur UM gemessene Spannung

US simulierte Spannung

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle beinhaltend ein Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle mit den folgenden Schritten:

- Messen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie an der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Anlegen von Messimpulsen eines Wechselstroms an Potenzialpolen der Batteriezelle für einen Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und für einen Niederfrequenzmesspunkt (MPN), die sich bezüglich einer Frequenz des jeweiligen Wechselstroms unterscheiden, mittels Messelektroden; und

- Erfassen von aus den Messimpulsen resultierenden Impulsantworten an den Potenzialpolen der Batteriezelle zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und zu dem Niederfrequenzmesspunkt (MPN) mittels Messsensoren;

- Bestimmen des Innenwiderstands (RG) der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Bestimmen von Werten einer Ortskurve in einem Nyquist-Diagramm, das eine Realwertachse und eine Imaginärwertachse umfasst, aus einem Frequenzgang der erfassten Impulsantworten zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und zu dem Niederfrequenzmesspunkt (MPN); und

- Bestimmen des Innenwiderstands (RG) der Batteriezelle aus einer Differenz zwischen einem Wert der Ortskurve zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und einem Wert der Ortskurve zu dem Niederfrequenzmesspunkts (MPN) auf der Realwertachse (RE) des Nyquist-Diagramms; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

- Bereitstellen eines parametrisierten Batteriezellenmodells (BM), das mehrere Modellparameter einschließlich den Innenwiderstand (RG) umfasst, zur Simulation von Eigenschaften einer durch das Batteriezellenmodell (BM) abgebildeten Batteriezelle aufweist;

- Messen eines Stroms (I) und einer Temperatur (TM) in Bezug zu der Batteriezelle;

- Simulieren der Charakteristik der Batteriezelle, umfassend wenigstens einen Ausgabeparameter aus einer simulierten Spannung (US), einer simulierten Temperatur (TS), einem simulierten Ladezustand (SOC) und einer Leistungsgrenze, basierend auf dem Batteriezellenmodell (BM) in Abhängigkeit von Eingangsparametern, umfassend wenigstens den zuvor gemessenen Strom (I) und die zuvor gemessene Temperatur (TM);

- Messen einer Spannung (UM) der Batteriezelle;

- Korrigieren des simulierten Ausgabeparameters des Ladezustands (SOC) basierend auf einem prädiktiven Filteralgorithmus in Abhängigkeit der gemessenen Spannung (UM) und der simulierten Spannung (US); und

- Optimieren des Batteriezellenmodells (BM) mittels Aktualisieren eines hinterlegten Modellbarameters des Innenwiderstands (RG) durch einen Wert, der durch das Verfahren zur Bestimmung eines varlierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle bestimmt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle den zusätzlichen Schritt aufweist:

- Bestimmen von wenigstens einem weiteren strukturspezifischen Widerstandsparameter, umfassend eine Impedanz (RW), einen Ladungsverschiebungswiderstand (RV) und einen Diffusionswiderstand (RD) der Batteriezelle, aus wenigstens einem der folgenden Unterschritte:

- Bestimmen der Impedanz (RW) der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von wenigstens 500 Hz oder mehr, vorzugsweise etwa 1kHz bezieht;

- Bestimmen des Ladungsverschiebungswiderstands (RV) der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von wenigstens 5 Hz bis 500 Hz, vorzugsweise etwa 100 Hz bezieht; und/oder

- Bestimmen des Diffusionswiderstands (RD) der Batteriezelle aus einem Wert oder Wertebereich der Ortskurve in dem Nyquist-Diagramm, der sich auf eine Frequenz von höchstens 5 Hz oder weniger, vorzugsweise etwa 1 Hz oder weniger bezieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle die Schritte des Messens und Bestimmens in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zeitintervall wiederholt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle den zusätzlichen Schritt aufweist:

- Übertragen von wenigstens einem zuvor bestimmten Widerstandsparameter aus dem Innenwiderstand (RG), der Impedanz (RW), dem Ladungsverschiebungswiderstand (RV) und dem Diffusionswiderstand (RD) über eine Datenschnittstelle an eine externe Datenbank.

5. Verfahren zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Überwachen einer Änderung der gemessenen Temperatur (TM) und einer Änderung des simulierten oder korrigierten Ladezustands (SOC); und

- Ausgeben einer Messanforderung (MA) zur Optimierung des Batteriezellenmodells (BM) in Abhängigkeit einer Bedingung, dass die überwachte Anderung der gemessenen Temperatur (TM) einen Temperaturänderungsschwellenwert überschreitet, oder die über-

wachte Anderung des simulierten oder korrigierten Ladezustands (SOC) einen Ladungsänderungsschwellenwert überschreitet, und

- Messen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an der Batteriezelle.

6. System (10) zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle durch Ausführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:

ein Simulationsmodul (12), in dem das parametrisierte Batteriezellenmodell (BM) bereitgestellt ist;

wenigstens eine Dateneingangsschnittstelle für Eingangsparameter aus einer Spannung (UM), einem Strom (I) und einer Temperatur (TM), die zuvor in Bezug zu wenigstens einer Batteriezelle gemessen wurden;

wenigstens eine Datenausgangsschnittstelle für Ausgangsparameter eines simulierten Ladezustands (SOC), einer simulierten Spannung (US), einer Temperatur (TS); und

ein Parameteroptimierungsmodul (11) zur Optimierung des parametrisierten Batteriezellenmodells (BM) durch Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines variierenden Innenwiderstands (RG) einer Batteriezelle mit den folgenden Schritten:

- Messen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie an der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Anlegen von Messimpulsen eines Wechselstroms an Potenzialpolen der Batteriezelle für einen Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und für einen Niederfrequenzmesspunkt (MPN), die sich bezüglich einer Frequenz des jeweiligen Wechselstroms unterscheiden, mittels Messelektroden; und

- Erfassen von aus den Messimpulsen resultierenden Impulsantworten an den Potenzialpolen der Batteriezelle zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und zu dem Niederfrequenzmesspunkt (MPN) mittels Messsensoren;

- Bestimmen des Innenwiderstands (RG) der Batteriezelle mit den Zwischenschritten:

- Bestimmen von Werten einer Ortskurve in einem Nyquist-Diagramm, das eine Realwertachse und eine Imaginärwertachse umfasst, aus einem Frequenzgang der erfassten Impulsantworten zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und zu dem Niederfrequenzmesspunkt (MPN); und

- Bestimmen des Innenwiderstands (RG) der Batteriezelle aus einer Differenz zwischen einem Wert der Ortskurve zu dem Hochfrequenzmesspunkt (MPH) und einem Wert der Ortskurve zu dem Niederfrequenzmesspunkts (MPN) auf der Realwertachse (RE) des Nyquist-Diagramms; und durch Aktualisierung eines hinterlegten Modellparameters zu dem Innenwiderstand (RG); wobei

die Datenausgangsschnittstelle des Parameteroptimierungsmoduls (11) mit einer Dateneingangsschnittstelle des Simulationsmoduls (12) verbunden ist.

7. System (10) zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch:

ein Filtermodul (13) mit einem prädiktiven Filteralgorithmus zum Korrigieren eines simulierten Ladezustands (SOC) in Abhängigkeit der gemessenen Spannung (UM) und der simulierten Spannung (US).

8. System (10) zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch:

ein Messanforderungsmodul (14) zur Ausgabe einer Messanforderung (MA) für eine Optimierung des Batteriezellenmodells (BM) in Abhängigkeit einer Bedingung, dass eine Änderung der gemessenen Temperatur (TM) einen Temperaturänderungsschwellenwert überschreitet, oder eine Anderung des simulierten oder korrigierten Ladezustands (SOC) einen Ladungsänderungsschwellenwert überschreitet.

9. System (10) zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch:

Mittel für elektrochemische Impedanzspektroskopie-Messungen, umfassend einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Messimpulsen und wenigstens einem Sensor, der wenigstens einer Batteriezelle zugeordnet ist, zur Messung von Impulsantworten.

10. Batteriemanagementsystem für einen Batteriespeicher mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und mit einem Netzwerk von den Batteriezellen zugeordneten Sensoren, gekennzeichnet durch:

das System (10) zur optimierten Simulation einer Charakteristik einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9.

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