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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines charakteristischen Zustands eines Lithium-Ionen-Energiespeichers.
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Nach dem Stand der Technik, z. B. Takeno et al. in Journal of Power Sources 128 (2004) 67–75, weisen Lithium-Ionen-Zellen einen charakteristischen Wechselstromwiderstand auf, der als Impedanz bezeichnet wird. Die Impedanz ist eine komplexe Größe. Nach Takeno et al. zeigt die Impedanz einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batterien in einem Experiment von statistischer Relevanz bei einer Frequenz von 1 kHz in erster Näherung eine lineare Abhängigkeit von der aktuellen Kapazität. Auf diese Weise kann die Bestimmung der Impedanz einer Lithium-Ionen-Batterie genutzt werden, um die aktuelle Kapazität und damit den Kapazitätsverlust der Lithium-Ionen-Batterie zu bestimmen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines charakteristischen Zustands eines Lithium-Ionen-Energiespeicher zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß besteht das Verfahren aus den Schritten Bestimmung eines Referenzinnenwiderstandes in Abhängigkeit einer Referenzkapazität für zumindest einen neuwertigen Referenzenergiespeicher, der die gleiche Bauart wie der Lithium-Ionen-Energiespeicher aufweist, Bildung eines Referenzkennfeldes, das den Referenzinnenwiderstand in Abhängigkeit von der Referenzkapazität umfasst, Bildung einer Referenzgeraden durch Linearisierung der Werte des Referenzkennfeldes in Form einer linearen Regression, und Verwendung der Referenzgeraden zur Bestimmung des charakteristischen Zustands.
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Nach dem Verfahren wird zumindest für einen Lithium-Ionen-Energiespeicher, idealerweise jedoch für eine Vielzahl von gleichartigen Lithium-Ionen-Energiespeichern, ein Referenzinnenwiderstand in Abhängigkeit von der tatsächlichen Kapazität des Lithium-Ionen-Energiespeichers als Referenzkapazität bestimmt.
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Die tatsächliche Kapazität ist dabei auf die Nennkapazität des Lithium-Ionen-Energiespeichers bezogen. Unter tatsächlicher Kapazität wird die maximal aufnehmbare Ladungsmenge relativ zur Nennkapazität verstanden, welche die maximale aufnehmbare Ladungsmenge im Neuzustand des Lithium-Ionen-Energiespeichers bezeichnet. Die relative Differenz zwischen der tatsächlichen Kapazität und der Nennkapazität wird als Kapazitätsverlust bezeichnet.
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Der Referenzinnenwiderstand wird als ohmscher Widerstand zu einem bestimmten Messzeitpunkt ermittelt. Damit entspricht der Referenzinnenwiderstand nicht der Impedanz, sondern ist der Realteil der Impedanz zu dem bestimmten Messzeitpunkt.
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Der Messzeitpunkt bemisst sich als Zeitpunkt nach dem Beginn einer Entladung des Lithium-Ionen-Energiespeichers und ist derart gewählt, dass der Zeitraum zwischen dem Beginn einer Entladung und dem Zeitpunkt einer Frequenz << 1 kHz entspricht. Es zeigt sich, dass der Referenzinnenwiderstand ein annähernd lineares Verhalten mit der Nennkapazität zeigt. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Kapazitätsverlust durch eine zyklische Alterung bei bestimmungsgemäßer Normalbelastung des Lithium-Ionen-Energiespeichers bedingt ist.
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Die Werte der Referenzinnenwiderstände des zumindest einen Lithium-Ionen-Energiespeichers wird in Abhängigkeit von den Werten der Referenzkapazität in ein Kennfeld eingetragen und anhand des Kennfeldes eine lineare Regression durchgeführt. Ergebnis dieser Regression ist eine Referenzgerade.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Bestimmung eines Werts der aktuellen Kapazität des Lithium-Ionen-Energiespeichers, eine Bestimmung eines Wertes des aktuellen Innenwiderstandes des Lithium-Ionen-Energiespeichers, und eine Ermittlung eines Referenzinnenwiderstandswertes aus der Referenzgeraden bei einem Wert der Referenzkapazität, der dem Wert der aktuellen Kapazität entspricht, erfolgt.
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Dabei entspricht die Ermittlung der aktuellen Kapazität der Ermittlung der tatsächlichen Kapazität und die Ermittlung des aktuellen Innenwiderstandes der Ermittlung des Referenzinnenwiderstandes.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Referenzinnenwiderstandswert mit dem Wert des aktuellen Innenwiderstands verglichen wird und dem Lithium-Ionen-Energiespeicher ein charakteristischer Zustand zugeordnet wird.
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Einen besonderen Vorteil bedeutet es, wenn der charakteristische Zustand des Lithium-Ionen-Energiespeichers den Lithium-Ionen-Energiespeicher als überbeansprucht charakterisiert, falls der Wert des aktuellen Innenwiderstands den Referenzinnenwiderstandswert um einen ersten Grenzwert übersteigt.
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Weiterhin ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in oder an einem Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie, welche aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in dem Fahrzeug für jede einzelne Lithium-Ionen-Zelle durchführbar, wobei die Lithium-Ionen-Zelle der Lithium-Ionen-Energiespeicher ist.
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Alternativ ist in oder an einem Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie, welche aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis für die Lithium-Ionen-Batterie durchführbar, wobei die Lithium-Ionen-Batterie der Lithium-Ionen-Energiespeicher ist.
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Dies bedeutet, dass in oder an einem Fahrzeug das Verfahren durchführbar ist, um die Lithium-Ionen-Batterie und/oder einzelne Lithium-Ionen-Zelle als überbeansprucht zu identifizieren. Überbeanspruchung ist ein charakteristischer Zustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers.
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Das Verfahren ist dazu geeignet, eine Überbeanspruchung des Lithium-Ionen-Energiespeichers festzustellen und von einer Normalbeanspruchung des Lithium-Ionen-Energiespeichers zu unterscheiden. Verschiedene Maßnahmen sind davon ableitbar. Es könnte beispielsweise die Betriebsstrategie des Energiespeichers im Fahrzeug geändert werden. Falls von einer weiteren Beanspruchung des Energiespeichers auszugehen ist, könnte auch die Überwachung des Speichers intensiviert werden oder auch der Speicher getauscht werden.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Gegenwärtig existiert kein geeignetes Verfahren, mit welchem überbeanspruchte Lithium-Ionen-Zellen von normal beanspruchten Lithium-Ionen-Zellen unterschieden werden können. Die aktuellen Verfahren sammeln Felddaten und bilden das Nutzungsverhalten in Histogrammen ab. Hieraus kann zwar ermittelt werden, ob die Zelle bzw. Batterie innerhalb der Spezifikation genutzt wurde, eine Überbeanspruchung ist daraus jedoch nicht ableitbar. Es können also möglicherweise unerwartet Batterieausfälle auftreten.
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Es wird eine Softwaremaßnahme vorgeschlagen, die während der Batterienutzungsdauer in regelmäßigen Intervallen das Verhältnis des Innenwiderstands zur Kapazität überprüft. Das Verhältnis wird protokolliert und analysiert. In umfangreichen Messreihen konnte nachgewiesen werden, dass bei normaler Benutzung einer Lithium-Ionen-Batterie ein linearer Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Kapazität besteht. Eine abnormale Batteriebenutzung, d. h. eine Überbeanspruchung, kann also dadurch erkannt werden, dass ein superlinearer Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Kapazität besteht.
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Auf diese Weise ist eine überbeanspruchte Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug im Laufe des Fahrzeugbetriebs erkennbar. Einem unerwarteten Ausfall der Batterie durch vorschnelle Alterung kann damit vorgebeugt werden, z. B. durch Benachrichtigung des Fahrzeugnutzers.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
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1 Regressionsgerade und eine Lithium-Ionen-Zelle unter Überbeanspruchung
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Anhand 1 wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Diagramm zeigt an der Querachse die Größe X, die als tatsächliche Kapazität von Lithium-Ionen-Zellen gegeben ist. Die tatsächliche Kapazität bezieht sich relativ auf eine Nennkapazität, die eine Vielzahl von gleichartigen Lithium-Ionen-Zellen in einem definierten neuwertigen Zustand bauartbedingt nominal aufweist. Der Nennkapazität ist der Wert 1 auf der X-Achse zugewiesen. Die Differenz zwischen der tatsächlichen Kapazität und der Nennkapazität wird als Kapazitätsverlust bezeichnet.
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An der Hochwertachse ist die Größe Y gezeigt, die einen Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Zellen darstellt. Auch der Innenwiderstand ist relativ auf einen Wert bezogen, den eine Vielzahl von gleichartigen Lithium-Ionen-Zellen in einem definierten neuwertigen Zustand bauartbedingt nominal aufweist. Diesem Wert ist der Wert 1 auf der Y-Achse zugewiesen.
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Im Diagramm in 1 ist für eine Vielzahl von gleichartigen Lithium-Ionen-Zellen, die als Referenzzellen bezeichnet werden, der Innenwiderstand gegen die tatsächliche Kapazität gezeigt.
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Die Ermittlung des Innenwiderstands erfolgt durch eine ohmsche Bestimmung des Innenwiderstandes bei einem Ladezustand von 50% der tatsächlichen Kapazität und bei einer vorgegebenen Temperatur. Es wird eine Spannungsdifferenz an der Lithium-Ionen-Zelle vor und nach Entladung mit einem vorgegebenen Entladestrom über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelt. Dieser Zeitraum beträgt 10 s und entspricht damit einer Frequenz von 100 mHz.
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Die Ermittlung der tatsächlichen Kapazität erfolgt durch eine aus der Elektrochemie bekannte Kapazitätsbestimmung.
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Der Verlauf in Diagramm in 1 besteht aus einer Schar (1) von annähernd 500 Messpunkten und zeigt einen annähernd linearen Verlauf. Die Gerade (1a) ist eine lineare Regressionsgerade.
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In Ausführungsbeispiel nach 1 handelt es ich um Lithium-Ionen-Zellen mit einer Nominalspannung von 3,6 V und einer Nominalkapazität von 7 Ah. Das positive Elektrodenmaterial ist LiNi0,85Coc,1Al0,05O2.
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Der den einzelnen Messpunkten der Schar in 1 zugrunde liegende Kapazitätsverlust ist bedingt durch eine gewöhnliche, bestimmungsgemäße Beanspruchung der Lithium-Ionen-Zellen. Diese Beanspruchung wird als Normalbeanspruchung bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Normalbeanspruchung durch eine zyklische Belastung der Zellen bei regelmäßigen Ruhezeiten mit einer mittleren C-Rate < 10 und einer mittleren Entladetiefe < 15% der Nennkapazität gegeben.
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Das Diagramm in 1 dient als Referenzkennfeld und die Gerade (1) als Referenzgerade.
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In 1 zeigt eine zweite Schar (2) von Messpunkten für zur Referenzzelle gleichartigen Lithium-Ionen-Zellen einen in Richtung höherer Innenwiderstände nichtlinearen Verlauf. Dieser Verlauf zeigt sich insbesondere dann, wenn eine Zelle nicht der Normalbeanspruchung unterliegt, sondern einer Überbeanspruchung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Überbeanspruchung durch eine zyklische Belastung, welche im Mittel länger wie regelmäßige Ruhezeiten dauert, mit einer mittleren C-Rate > 10 und mit einer mittleren Entladetiefe > 15% der Nennkapazität.
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Die weiteren Schritte des Verfahrens beruhen auf 1.
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So kann zum Beispiel ein Fahrzeug eine Lithium-Ionen-Batterie aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen umfassen. In dem Fahrzeug ist die Regressionsgerade für den Zelltyp hinterlegt.
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Es kann beispielsweise im Service oder in einer Fahrzeugwerkstatt für eine ausgewählte Lithium-Ionen-Zelle die aktuelle Kapazität und der aktuelle Innenwiderstand gemessen werden. Dies ist der Messpunkt (3).
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Die Ermittlung des aktuellen Innenwiderstands erfolgt analog zur Ermittlung des Innenwiderstandes der Referenzzellen durch eine ohmsche Bestimmung des Innenwiderstandes bei einem Ladezustand von 50% der aktuellen Kapazität und bei einer vorgegebenen Temperatur. Es wird eine Spannungsdifferenz an der Lithium-Ionen-Zelle vor und nach Entladung mit einem vorgegebenen Entladestrom über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelt. Dieser Zeitraum beträgt 10 s und entspricht damit einer Frequenz von 100 mHz.
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Die Ermittlung der aktuellen Kapazität erfolgt durch eine aus der Elektrochemie bekannten Kapazitätsbestimmung und ist auf die Nennkapazität des Zelltyps bezogen.
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Falls der Messpunkt (3) bei der aktuellen Kapazität einen aktuellen Innenwiderstandswert zeigt, der den Referenzinnenwiderstandswert der Regressionsgeraden bei der aktuellen Kapazität um mehr als einen Grenzwert übersteigt, ist die Zelle als überbeanspruchte Zelle identifizierbar. Der Grenzwert kann etwa bei circa 10% des Referenzinnenwiderstandswertes liegen. Der Grenzwert kann auch von der aktuellen Kapazität abhängen.
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Alternativ kann auch eine Regressionsgerade für die gesamte Lithium-Ionen-Batterie hinterlegt sein. Dann ist das Verfahren auf eine Lithium-Ionen-Batterie und Referenzbatterien analog dem beschriebenen Verfahren für eine Lithium-Ionen-Zelle und Referenzzellen anwendbar.
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Falls eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Batterie als überbeansprucht identifiziert wird, können im Service oder in der Fahrzeugwerkstatt verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Es kann beispielsweise die Betriebsstrategie der Zelle oder der Lithium-Ionen-Batterie verändert werden, Betriebsgrenzen für den Betrieb der Zelle oder der Batterie im Fahrzeug per Software angepasst werden. Alternativ kann die betreffende Zelle oder Batterie vorsorglich getauscht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Takeno et al. in Journal of Power Sources 128 (2004) 67–75 [0002]
