DE102012206893A1

DE102012206893A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie und Batterie

Info

Publication number: DE102012206893A1
Application number: DE102012206893A
Authority: DE
Inventors: Martin Tenzer; Joerg Poehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Also published as: WO2013159979A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie (100), die zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer zweiten Spannungskennlinie aufweist. Das Verfahren weist einen Schritt des Ermittelns des Ladezustands der Batterie (100) unter Verwendung einer Spannung (U) der zweiten Batteriezelle (106) auf.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, weiterhin auf eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie sowie auf eine Batterie.
Bei einer herkömmlichen Batterie ist ein großer messtechnischer Aufwand nötig, um einen Ladezustand der Batterie zu bestimmen, da die Batterie über weite Strecken eine nahezu konstante Spannung bereitstellt, während eine Kapazität der Batterie abnimmt.
Die DE 10 2009 046 964 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Zuständen einer Vielzahl von Energiezellenelementen einer Energiezellenvorrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie sowie eine Batterie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Batterie kann aus zwei verschiedenen Zelltypen kombiniert werden. Während ein Großteil der Zellen zu einem ersten Zelltyp gehören kann und in einem großen Kapazitätsbereich einen sehr geringen Spannungsabfall aufweist, kann ein kleiner Teil der Zellen zu einem zweiten Zelltyp gehören und einen gut messbaren Spannungsabfall über den gleichen Kapazitätsbereich aufweisen. Bei passend miteinander kombinierten Dimensionen der Zelltypen werden alle Zellen näherungsweise gleich entladen. Von dem Spannungsabfall und damit dem Ladezustand der gut erfassbaren Zellen kann auf den Ladezustand der gesamten Batterie geschlossen werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, die zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie aufweist, weist den folgenden Schritt auf:
Ermitteln des Ladezustands der Batterie unter Verwendung einer Spannung der zweiten Batteriezelle.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, die zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie aufweist, weist das folgende Merkmal auf:
eine Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie unter Verwendung einer Spannung der zweiten Batteriezelle.
Eine Batterie weist das folgende Merkmal auf:
einen Strang aus einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie.
Unter einer Batterie kann ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden werden, in dem elektrische Energie chemisch gespeichert werden kann und chemische Energie als elektrische Energie abgegeben werden kann. Unter einem Ladezustand der Batterie kann eine Restkapazität der Batterie verstanden werden, elektrische Energie bereitzustellen. Die Batterie kann eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, die je eine Zellenspannung bereitstellen können. Ein Strang kann eine elektrische Schaltungsanordnung mehrerer Batteriezellen sein, deren Zellenspannungen zu einer Gesamtspannung der Batterie aufaddiert werden. Die Zellenspannung ist abhängig von einer Materialkombination der chemischen Energiespeicher in der Batteriezelle. Bei vollgeladener Batteriezelle kann die Zellenspannung einer Nennspannung der Batteriezelle entsprechen. Bei fortschreitender Entladung kann die Batteriezelle als Zellenspannung eine Restspannung bereitstellen. Die Restspannung kann in Bezug zu dem Ladezustand dargestellt werden und eine Spannungskennlinie der Batteriezelle ergeben. Eine erste Spannungskennlinie kann beispielsweise einen annähernd waagerechten Verlauf über einen großen Kapazitätsbereich aufweisen und/oder eine sehr geringe Änderung der Zellspannung über den großen Kapazitätsbereich repräsentieren. Eine zweite Spannungskennlinie kann beispielsweise eine näherungsweise konstante Steigung über einen großen Kapazitätsbereich aufweisen und/oder eine sinkende Zellspannung bei fallender Restkapazität repräsentieren. Die zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie verwendete Spannung kann die Zellspannung der Batteriezelle mit fallender Kennlinie repräsentieren. Die Spannung kann zwischen den Polen der Batteriezelle abgegriffen werden. Der Ladezustand der Batterie kann unter Verwendung der Spannung und einer hinterlegten Verarbeitungsvorschrift ermittelt werden. Die Verarbeitungsvorschrift kann einen Zusammenhang der Zellspannung der zweiten Batteriezelle mit dem Ladezustand der ersten Batteriezelle abbilden. Parallel zu dem Strang kann zumindest ein weiterer Strang geschaltet sein. Die Stränge können die gleiche Kapazität aufweisen. In einem Strang können mehrere zweite Batteriezellen angeordnet sein.
Eine Kapazität der ersten Batteriezelle kann an eine Kapazität der zweiten Batteriezelle angepasst sein. Unter einer Kapazität kann eine maximale Energiemenge verstanden werden, die von der Batteriezelle gespeichert werden kann. Wenn die Batteriezellen gleiche Kapazitäten aufweisen und gleichmäßig geladen bzw. entladen werden, weisen die Batteriezellen im Betrieb weitgehend übereinstimmende Ladezustände auf. Beispielsweise können die Kapazitäten der Batteriezellen im Betrieb innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise zehn Prozent, fünf Prozent oder zwei Prozent übereinstimmen.
Die erste Batteriezelle kann eine erste Zellchemie und die zweite Batteriezelle kann eine zweite Zellchemie aufweisen, wobei sich die erste Zellchemie von der zweiten Zellchemie unterscheidet. Die Batteriezellen können die elektrische Energie in unterschiedlichen chemischen Verbindungen speichern. In den Batteriezellen können unterschiedliche Prozesse ablaufen, um die elektrische Energie bereitzustellen.
Die erste Batteriezelle kann eine erste Nennspannung aufweisen. Die zweite Batteriezelle kann eine zweite Nennspannung aufweisen. Die erste Nennspannung kann sich von der zweiten Nennspannung unterscheiden. Eine Nennspannung kann eine Maximalspannung einer Batteriezelle bei voll aufgeladener Batteriezelle sein. Die zweite Nennspannung kann größer sein als die erste Nennspannung. Die Spannungen kurz vor einem Spannungseinbruch bei großteils entleerten Batterien können näherungsweise gleich groß sein.
In dem Strang kann parallel zu der zweiten Batteriezelle eine Zellausgleichselektronik geschaltet sein. Eine Zellausgleichselektronik kann eine Einrichtung zum Ausgleichen von Unterschieden im Innenwiderstand der Batteriezellen sein. Die Zellausgleichselektronik kann einen Ladestrom durch die zweite Batteriezelle an ein Ladeprofil der ersten Batteriezelle anpassen.
Die zweite Batteriezelle kann austauschbar ausgeführt sein. Die zweite Batteriezelle kann einem höheren Verschleiß unterliegen, als die erste Batteriezelle. Um eine Lebensdauer der Batterie insgesamt zu erhöhen, kann die zweite Batteriezelle zum planmäßigen Austausch vorgesehen sein.
Zum Messen einer Spannung der ersten Batteriezelle kann ein erster Pol der zweiten Batteriezelle mit einem ersten Messanschluss zum Anschließen eines ersten Eingangs eines Spannungsmessgeräts verschaltet sein. Ein zweiter Pol der zweiten Batteriezelle kann mit einem zweiten Messanschluss zum Anschließen eines zweiten Eingangs des Spannungsmessgeräts verschaltet sein. Die erste Batteriezelle kann ohne Messanschlüsse ausgeführt sein. Durch Messanschlüsse, die zu einer Schnittstelle führen können, kann die Spannung der zweiten Batteriezelle von außerhalb der Batterie abgegriffen werden, und so beispielsweise mehrere Batterien mit einer Vorrichtung überwacht werden.
Die Batterie kann ein Spannungsmessgerät zum Messen der Spannung und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweisen, wobei ein erster Eingang des Spannungsmessgeräts mit dem ersten Messanschluss verbunden ist und ein zweiter Eingang des Spannungsmessgeräts mit dem zweiten Messanschluss verbunden ist. Ein Ausgang des Spannungsmessgeräts kann zum Ausgeben eines Werts der Spannung mit der Vorrichtung verbunden sein. Die Ladezustandsüberwachung kann innerhalb der Batterie angeordnet sein. Damit kann beispielsweise ein Signal abgegeben werden, das den Ladezustand der Batterie repräsentiert, um eine leichte Überwachung der Batterie von außen zu ermöglichen.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer Batterie und einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Darstellung verschiedener Kennlinien von Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Darstellung einer Batterie 100 und einer Vorrichtung 102 zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 100 weist zwei parallel verschaltete Stränge auf. Die Stränge weisen, jeweils in Reihe geschaltet, eine Vielzahl von ersten Batteriezellen 104 und eine zweite Batteriezelle 106 auf.
Die ersten Batteriezellen 104 weisen eine erste Spannungskennlinie und eine erste Nennspannung auf. Die zweiten Batteriezellen 106 weisen eine zweite Spannungskennlinie und eine zweite Nennspannung auf. Die ersten Batteriezellen 104 und die zweiten Batteriezellen 106 weisen die gleiche Nennkapazität auf. Die Nennspannungen der Batteriezellen 104, 106 eines Stranges addieren sich zu einer Nennspannung der Batterie 100. Die Nennkapazitäten aller Batteriezellen 104, 106 der Batterie 100 addieren sich zu einer Nennkapazität der Batterie 100.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die zweite Batteriezelle 106 eines der Stränge einen ersten Messanschluss auf, der von einem Pluspol der zweiten Batteriezelle 106 zu einer Schnittstelle an einer Hülle der Batterie 100 führt. Von einem Minuspol der zweiten Batteriezelle 106 führt eine zweite Messleitung zu der Schnittstelle. An der Schnittstelle ist parallel zu der zweiten Batteriezelle 106 ein Spannungsmessgerät 108 angeschlossen, um eine Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 abzugreifen und einen Spannungswert der Zellspannung U bereitzustellen. Das Spannungsmessgerät 108 kann auch innerhalb der Batterie 100 angeordnet sein.
Die Vorrichtung 102 ist mit dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Die Vorrichtung 102 weist eine Einrichtung 110 zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie 100 auf. Die Einrichtung 110 kann den Spannungswert empfangen und unter Verwendung der Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 den Ladezustand der Batterie 100 ermitteln.
Die erste Spannungskennlinie der ersten Batteriezellen 104 weist zumindest einen flachen Abschnitt auf, der sich über einen weiten Kapazitätsbereich der ersten Batteriezellen 104 erstreckt. Innerhalb des flachen Abschnitts weist die Zellspannung der ersten Batteriezellen 104 nahezu keine Änderung auf. Deshalb kann aufgrund der Zellspannung kaum ein Rückschluss auf eine verbleibende Restkapazität in den ersten Batteriezellen 104 gezogen werden. Die zweite Spannungskennlinie der zweiten Batteriezellen 106 weist über einen großen Kapazitätsbereich eine ausgeprägte Steigung auf. Damit kann der Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 eine verbleibende Restkapazität der zweiten Batteriezelle 106 zugeordnet werden. Da die ersten Batteriezellen 104 und die zweiten Batteriezellen 106 so ausgelegt sind, dass sie die gleiche Speicherfähigkeit für elektrische Energie aufweisen, also die gleiche Kapazität haben, werden sie gleich entladen oder gleich geladen. Dadurch kann von der ermittelten aktuellen Kapazität der zweiten Batteriezelle 106 auf die aktuelle Gesamtkapazität der Batterie 100 geschlossen werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Ermittelns auf. Das Verfahren kann an einer Batterie, wie sie in 1 gezeigt ist, ausgeführt werden. Die Batterie weist dazu zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer zweiten Spannungskennlinie auf. Im Schritt des Ermittelns 202 wird ein Spannungswert der zweiten Batteriezelle empfangen, der Ladezustand der Batterie unter Verwendung der Spannung der zweiten Batteriezelle ermittelt und ein den Ladezustand repräsentierender Wert bereitgestellt. Dabei kann aus der Spannung der zweiten Batteriezelle eine aktuelle Kapazität der zweiten Batteriezelle ermittelt werden. Basierend auf der Kapazität der zweiten Batteriezelle kann die Kapazität der Batterie ermittelt werden.
Mit anderen Worten zeigt 2 ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes bei Batterien mit flacher Spannungskennlinie durch geeignete Verschaltung von Batteriezellen mit unterschiedlicher Zellchemie. Gezeigt ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, bestehend aus mehreren Batteriezellen, deren Spannungskennlinien flach verlaufen, wodurch die übliche Bestimmung des Ladezustands durch Messen der Ruhespannung nicht sinnvoll bzw. ausschließlich mit hochgenauer und sehr teurer Messtechnik möglich wäre.
Üblicherweise wird der Ladezustand (State of Charge – SOC) einer Batterie durch Messen der Ruhespannung an der gesamten Batterie oder an einzelnen Zellen vorgenommen. Ist eine Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt nur unter Last möglich, so lässt sich die Ruhespannung aus der gemessenen Spannung, dem Stromfluss und dem Widerstand errechnen. Diese Rechnung kann später korrigiert werden, sobald wieder ein Abgleich mit der Messung der Ruhespannung (ohne Last) möglich ist.
Daneben kann der Stromfluss in die Batterie bzw. aus ihr heraus integriert werden, um darüber eine Aussage über den Ladezustand zu gewinnen. Da sich durch die Integration jedoch der Fehler der Strommessung stetig aufsummiert, ist es notwendig, diese Methodik stets mit dem aus der Ruhespannung berechneten Ladezustand abzugleichen.
Die äußerst wichtige Korrelation zwischen Ruhespannung und Ladezustand ist jedoch nur möglich, wenn die Ruhespannungskennlinie (Open Circuit Voltage – OCV) als Funktion des Ladezustand eine hinreichende Steigung aufweist, d. h. d(Uocv)/d(SOC) ≠ 0.
Allerdings weisen einige wichtige elektrochemische Systeme eine sehr flache
Spannungskennlinie auf. z. B. LiFePO₄ und auch Lithium-Schwefel (2 Li + S → Li₂S) wie in 4 dargestellt. Bislang ist eine Verwendung dieser wichtigen elektrochemischen Systeme in Batterien, deren Ladezustand möglichst genau geschätzt werden muss (z. B. Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeug), nur erschwert möglich.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Ladezustandsbestimmung auch dann einfach und zuverlässig, wenn die Zellen der Batterie über eine sehr flache Spanungskennlinie (z. B. LiFePO₄ und auch Lithium-Schwefel) verfügen. Dies geschieht durch eine geeignete Verschaltung von Zellen mit unterschiedlicher Zellchemie. Dabei wird ausgenutzt, dass N Zellen mit flacher Spannungskennlinie unter Beachtung geeigneter Randbedingungen mit einer Zelle unterschiedlicher Zellchemie – deren Spannungskennlinie nicht flach ist – in einer Reihenschaltung kombiniert werden können. Das beschriebene Verfahren 200 eignet sich prinzipiell für jede Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien, bei der eine genaue Bestimmung des Ladezustands wünschenswert ist, was nahezu jede Anwendung mit einschließt. In besonders hohem Maße ist die Erfindung für Plug-in-Hybrid- sowie Elektrofahrzeuge geeignet, da dort eine zuverlässige und belastbare Ermittlung des Batterieladezustands zu jedem Zeitpunkt erforderlich ist.
3 zeigt eine Darstellung einer Batterie 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 100 weist einen Strang 300 auf. Die Batterie weist eine Vielzahl von ersten Batteriezellen 104 auf, die in Reihe geschaltet sind. Zu den ersten Batteriezellen 104 in Reihe ist eine zweite Batteriezelle 106 geschaltet. Die zweite Batteriezelle 106 ist als austauschbare Einheit ausgeführt, um die Batterie 100 servicefreundlich zu gestalten. Eine Anzahl N der ersten Batteriezellen 104 ergibt sich aus einer gewünschten Gesamtspannung der Batterie, da in einer Reihenschaltung die Einzelspannungen zu der Gesamtspannung addiert werden.
In einem ersten Verschaltungsbeispiel können die ersten Batteriezellen 104 als Lithium Schwefel Zellen (Li S) mit einer Nennspannung von 2,1 Volt pro Zelle 104 ausgeführt werden. Die zweite Batteriezelle 106 kann beispielsweise als Lithium Nickel Kobalt Mangan Oxid Zelle (Li(Ni_XCo_YMn_Z)O₂ oder LI NCM) mit einer Nennspannung von 3,7 Volt ausgeführt werden. Dabei weisen die Lithium Schwefel Zellen 104 mit Li-Schwefel-Chemie eine partiell flache Spannungskennlinie auf, während die LI NCM Zelle 106 mit NCM-Chemie eine linear fallende Spannungskennlinie aufweist.
In einem zweiten Verschaltungsbeispiel können die ersten Batteriezellen 104 als Lithium Eisen Phosphor Oxid (LiFePO₄) mit einer Nennspannung von 3,3 Volt pro Zelle ausgeführt werden. Die zweite Batteriezelle 106 kann wie im ersten Verschaltungsbeispiel als Lithium Nickel Kobalt Mangan Oxid Zelle (Li(Ni_XCo_YMn_Z)O₂ oder LI NCM) mit einer Nennspannung von 3,7 Volt ausgeführt werden. Dabei weisen die ersten Zellen 104 mit LiFePO₄-Chemie eine flache Spannungskennlinie auf.
Der Ladezustand einer Batterie 100, bestehend aus Zellen 104 mit flacher Spannungskennlinie, kann dadurch leicht bestimmt werden, dass zumindest eine Zelle 106 mit unterschiedlicher Zellchemie in Reihe dazu geschaltet wird, wie in 3 dargestellt ist. Wichtig ist hierbei, dass die Zellen 106 der unterschiedlichen Zellchemie über die gleiche Kapazität verfügen, wie auch die restlichen N Zellen 104. In der Reihenschaltung der Zellen 104, 106 addieren sich die Spannungen, sodass die unterschiedliche Zellchemie hier bei einem großen Reihenstrang keinerlei Probleme bereitet. Auch unterschiedliche Zellspannungen können so einfach aufsummiert werden. Der Strom ist in der gesamten Reihenschaltung gleich. Bei gleicher Kapazität der ersten Zelle 106 (mit anderer Zellchemie) führt nun der gleiche Strom- und damit auch die gleiche Kapazitäts-Rate dazu, dass sich der Ladezustand der ersten Zelle 106 in genau demselben Maße ändert wie auch der Ladezustand der weiteren N Zellen 104. Wenn nun die erste Zelle 106 so beschaffen ist, dass sie eine mit dem Ladezustand linear abfallende Spannungskennlinie aufweist (vgl. 4), z. B. Li-NCM, so kann der Ladezustand dieser Zelle 106 im Batterie-Management-System leicht bestimmt werden. Aufgrund des gleichen Stroms und der gleichen Kapazität im ganzen Reihenstrang kann nun mit sehr hoher Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass der Ladezustand der restlichen N Zellen 104 genauso groß ist. Auf diese Weise ermöglicht die einfache Ladezustandsmessung an der ersten Zelle 106 automatisch eine sehr genaue Abschätzung des Ladezustands der verbleibenden Zellen 104 und damit auch des gesamten Reihenstrangs. Weiterhin wäre es ideal, wenn die Innenwiderstände der Zellen 104, 106 in einem geeigneten Verhältnis zueinander stehen, damit sich am Ende des für die Lithium-Technik typischen Constant-Current-Constant-Voltage Ladevorgangs die oberen Abschaltspannungen passend zur Zellchemie einstellen. Alternativ kann dies auch über eine geeignete Zellausgleichselektronik realisiert werden.
Um evtl. auftretende Alterungsphänomene, die bei der ersten Zelle 106 in anderem Maße auftreten könnten als bei den restlichen Zellen 104, zu kompensieren, lässt sich diese Zelle 106 als austauschbare Einheit ausführen. Dadurch ist es möglich, diese Zelle 106 bei Bedarf leicht auszutauschen, z. B. im Rahmen eines regelmäßigen Kundendienstes am Fahrzeug. Die Kosten für diesen Austausch sind sehr gering im Vergleich zum hohen Nutzen der hierdurch deutlich genaueren Ladezustandsabschätzung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Batterie 100 eines Elektrofahrzeugs, einer sogenannten EV-Batterie (Electric Vehicle Batterie), die im Allgemeinen aus mehreren parallel verschalteten Reihensträngen 300 besteht, kann eine solche Zelle 106 mit unterschiedlicher Zellchemie in jeden der Reihenstränge 300 integriert werden, um dort eine genaue und verlässliche Ladezustandsabschätzung zu ermöglichen.
Der Aufwand hierfür ist sehr gering, wie folgende Abschätzung für eine EV-Batterie 100 aus Li-Schwefel-Zellen zeigt. Als Annahme wird eine Kapazität der Einzelzelle 104, 106 mit 40 Ah (übliche Größe) zugrunde gelegt. Ein angestrebter Energieinhalt der Batterie 100 ist 24 kWh bei einer mittleren Zellspannung von 2,1 V bei LiS.
Aus den genannten, realistischen Annahmen ergibt sich ein Energieinhalt pro Zelle 104, 106 von 84 Wh. Für die Gesamtenergie der Batterie 100 sind somit 286 Zellen 104, 106 notwendig. Um durch Reihenschaltung auf die im Elektrofahrzeug übliche Spannung von ca. 300 V zu kommen, sind rund 142 Zellen 104, 106 in Reihe nötig. Somit besteht die gesamte Batterie 100 aus nur zwei parallel geschalteten Strängen 300, die wiederum aus 142 Zellen 104, 106 in Reihe aufgebaut sind. In diesem Beispiel sind gerade einmal zwei Zellen 106 mit anderer Zellchemie nötig, um die Ladezustandsbestimmung deutlich zu verbessern.
Der hier vorgestellte Ansatz lässt sich u.a. beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien 100 in Elektrowerkzeugen, Gartengeräten, Computern, PDAs und Mobiltelefonen, in Hybrid- und Plug-in Hybrid- sowie in Elektrofahrzeugen anwenden.
4 zeigt eine Darstellung verschiedener Kennlinien 400a, 400b, 400c von Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Spannungskennlinie 400a einer zweiten Batteriezelle 106 und zwei beispielhafte Spannungskennlinien 400b, 400c von ersten Batteriezellen 104, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben sind.
Die Spannungskennlinie 400a ist einer Batteriezelle vom Typ Li(Ni_xCo_yMn_z)O₂ zugeordnet und weist eine linear fallende Charakteristik auf. Die Spannungskennlinie 400b ist einer Batteriezelle vom Typ LiFePO₄ mit einer weitgehend linearen Charakteristik und die Spannungskennlinie 400c ist einer Batteriezelle vom Typ Lilthium Schwefel mit einer weitgehend linearen Charakteristik auf den Plateaus zugeordnet.
Die Spannungskennlinie 400a, 400b, 400c sind in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse eine Kapazität von 100 bis null Prozent zeigt. Auf der Ordinate ist eine Zellspannung U in Volt aufgetragen. Allen Spannungskennlinie 400a, 400b, 400c gemeinsam ist ein Punkt von null Volt Spannung und null Prozent Kapazität. Die Spannungskennlinie 400a steigt von null Prozent bis ca. 15% Kapazität stark an. Anschließend verläuft die Spannungskennlinie 400a bis ca. 60% Kapazität mit geringer Steigung und zwischen 60% und 100% Kapazität etwas steiler. Annäherungsweise weist die weist die Spannungskennlinie 400a in einem Bereich zwischen 20% und 100% der maximalen Kapazität einen linearen Verlauf auf, wobei sich die Spannung in dem Bereich, ausgehend von 100% Kapazität, um ungefähr ein Drittel verringert.
Die Spannungskennlinie 400b steigt bis ca. fünf Prozent Kapazität sehr steil an und verläuft anschließend bis ca. 95% Kapazität annähernd parallel zur Abszisse. Zwischen 95% und 100% Kapazität steigt die Spannung erneut stark an.
Die Spannungskennlinie 400c steigt bis ca. 10% Kapazität stark an. Zwischen 10% und ca. 70% verläuft die Spannungskennlinie 400c flach. Um 70% Kapazität weist die Spannungskennlinie 400c einen Sprung auf eine höhere Spannung auf. Auf dem höheren Spannungsniveau verläuft die Kennlinie 400c erneut flach bis ca. 95% Kapazität, um bis 100% Kapazität erneut stark anzusteigen. Die Spannungskennlinie 400c weist somit im Bereich zwischen 10% und 95% der Kapazität einen stufenförmigen Verlauf mit zwei Plateaus auf.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009046964 A1 [0003]

Claims

Verfahren (200) zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie (100), die zumindest einen Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie (400a) aufweist, wobei das Verfahren (200) den folgenden Schritt aufweist: Ermitteln (202) des Ladezustands der Batterie (100) unter Verwendung einer Spannung (U) der zweiten Batteriezelle (106).
Vorrichtung (102) zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie (100), die zumindest einen Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie (400a) aufweist, wobei die Vorrichtung (102) das folgende Merkmal aufweist: eine Einrichtung (110) zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie (100) unter Verwendung einer Spannung (U) der zweiten Batteriezelle (106).
Batterie (100) mit folgendem Merkmal: einem Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie (400a).
Batterie (100) gemäß Anspruch 3, bei der eine Kapazität der ersten Batteriezelle (104) an eine Kapazität der zweiten Batteriezelle (106) angepasst ist.
Batterie (100) gemäß Anspruch 4, bei der die erste Batteriezelle (104) eine erste Zellchemie und die zweite Batteriezelle (106) eine zweite Zellchemie aufweisen, wobei sich die erste Zellchemie von der zweiten Zellchemie unterscheidet.
Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der die erste Batteriezelle (104) eine erste Nennspannung aufweist und die zweite Batteriezelle (106) eine zweite Nennspannung aufweist, wobei die sich die erste Nennspannung von der zweiten Nennspannung unterscheidet.
Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der in dem Strang (300) parallel zu der zweiten Batteriezelle (106) eine Zellausgleichselektronik geschaltet ist.
Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die zweite Batteriezelle (106) austauschbar ausgeführt ist.
Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der zum Messen einer Spannung (U) der ersten Batteriezelle (106) ein erster Pol der zweiten Batteriezelle (106) mit einem ersten Messanschluss zum Anschließen eines ersten Eingangs eines Spannungsmessgeräts (108) verschaltet ist und ein zweiter Pol der zweiten Batteriezelle (106) mit einem zweiten Messanschluss zum Anschließen eines zweiten Eingangs des Spannungsmessgeräts (108) verschaltet ist.
Batterie (100) gemäß Anspruch 9 mit dem Spannungsmessgerät (108) zum Messen der Spannung (U) und einer Vorrichtung (102) zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie (100) gemäß Anspruch 2, wobei ein erster Eingang des Spannungsmessgeräts (108) mit dem ersten Messanschluss verbunden ist, ein zweiter Eingang des Spannungsmessgeräts (108) mit dem zweiten Messanschluss verbunden ist und ein Ausgang des Spannungsmessgeräts (108) zum Ausgeben eines Werts der Spannung (U) mit der Vorrichtung (102) verbunden ist.