DE102013002340A1

DE102013002340A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102013002340A1
Application number: DE201310002340
Authority: DE
Inventors: Thorsten Kroker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-02-09
Filing date: 2013-02-09
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Dabei wird in einem ersten Ladungszustand ein erster Klemmenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Anschließend wird der Ladungszustand des Energiespeichers verändert. Anschließend wird in einem zweiten Ladungszustand ein zweiter Klemmenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt und unter Verwendung einer Referenz und einer aufgrund des ersten Klemmenwiderstandes und des zweiten Klemmenwiderstandes ermittelten Innenwiderstandsgröße der Alterungszustand des Energiespeichers überprüft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die on-board-Gütebewertung von Batteriesystemen, Batteriemodulen und Batteriezellen sowie die Unterscheidung eines Einflusses einer Alterung des elektrochemischen Energiespeichers von einem Einfluss von Kontaktwiderständen.
Batteriesysteme mit Lithium(Li)-Ionen-Zellen für die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen stellen eine elektrische Quelle dar, die sich aus einer Reihen-/Parallelschaltung vieler einzelner Zellen zusammensetzt. Über sogenannte ”cell controller (CC)” können Spannungen bzw. Spannungsabfälle gemessen und bei bekannten Strömen über die Formel R = U/I bzw. R = dU/dI zugehörige Widerstände berechnet werden. Diese Widerstände setzen sich aus einem Innenwiderstand der Batteriezelle selbst und zwei Kontaktwiderständen (z. B. an den +/–-Elektroden) zusammen. Dies wird durch die in 1 dargestellte Anordnung verdeutlicht. Darin ist ein Akkumulator 1 als elektrochemischer Energiespeicher dargestellt, dessen elektrische Anschlüsse (”Elektroden”) 13, 23 über jeweilige Stromschienen 12, 22 kontaktiert werden, mit welchen sie elektrische Kontaktanordnungen 11, 21 bilden. Für eine externe Messung eines Innenwiderstandes des Akkumulators 1 ist zumindest eine Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse 13, 23, einfacher jedoch eine elektrische Kontaktierung der Stromschienen 12, 22 herzustellen.
2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Anordnung. Zwischen den Stromschienen 12, 22 befinden sich in Reihe geschaltet ein erster Kontaktwiderstand R_K11, der Innenwiderstand des Akkumulators 1 R_IZ und ein zweiter Kontaktwiderstand R_K21, welcher ”von außen”, also über die Stromschienen 12, 22 betrachtet, als Klemmenwiderstand R_KL messbar ist. Mit anderen Worten ergibt sich der Klemmenwiderstand R_KL = R_K11 + R_K21 + R_IZ. Der Klemmenwiderstand R_KL (”Gesamtwiderstand”) wird im Laufe der Zeit durch Alterungserscheinungen ansteigen. Dies kann zum einen aufgrund einer Alterung des Akkumulators 1 bzw. der Batteriezelle und zum anderen aufgrund einer Alterung der elektrischen Kontaktanordnungen 11, 21 erfolgen. Mit anderen Worten führt sowohl eine fehlerhafte Zelle bzw. Zellanordnung als auch eine gealterte Kontaktierung zu einem erhöhten Klemmenwiderstand R_KL.
DE 101 61 640 A1 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes einer Speicherbatterie unter Verwendung einer Temperaturmessung, einer Ermittlung des Ladezustandes der Speicherbatterie sowie Bestimmen einer prognostizierten Zustandsgröße als Maß für den Betriebszustand für eine angenommene Temperatur und einen angenommenen Ladezustand. In diesem Zusammenhang wird eine Veränderung eines Innenwiderstandes eines elektrochemischen Energiespeichers über dessen Ladezustand in Abhängigkeit von dessen Alterungszustand offenbart.
DE 10 2009 050 572 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, bei welchem zeitliche Verläufe von Anregungssignalen zu Beginn eines Betriebsmodus der Batterie erfasst werden. Bei diesem Verfahren ist der Einfluss des Ladezustandes sowie der Einfluss der Temperatur problematisch, so dass vorgeschlagen wird, die Auswertung nur in einem Betriebsbereich durchzuführen, bei der dieser zusätzliche Einfluss vernachlässigt werden kann.
Die bekannten Verfahren berücksichtigen jedoch keinen Einfluss eines Kontaktwiderstandes bei der Messung elektrischer Größen des elektrischen Energiespeichers.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ermittlung eines Alterungszustandes eines elektrischen Energiespeichers robust gegenüber einem Einfluss durch Kontaktwiderstände zu machen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9. Entsprechend wird vorgeschlagen, bei der Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers zunächst einen ersten Klemmenwiderstand des Energiespeichers in einem ersten Ladungszustand zu ermitteln. Unter dem ”Alterungszustand” des elektrochemischen Energiespeichers werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Alterung der chemischen Zusammensetzung und ihr Einfluss auf das Betriebsverhalten des elektrochemischen Energiespeichers verstanden. Als ”Klemmenwiderstand” wird ein ”von außen” messbarer Widerstand über einen Energiespeicher verstanden, der sowohl den Innenwiderstand der eigentlichen Zelle sowie etwaige Kontaktwiderstände umfasst. Dabei können die Kontaktwiderstände sowohl zellintern als auch durch zum Zwecke der Messung erfolgte Kontaktierungen zustande kommen. Weiter wird erfindungsgemäß der Ladungszustand des Energiespeichers verändert. Mit anderen Worten wird dem elektrochemischen Energiespeicher entweder Energie hinzugefügt, so dass die enthaltene Ladung vermehrt wird, oder Energie entzogen, so dass seine Ladung verringert wird. Weiter wird ein zweiter Klemmenwiderstand des Energiespeichers in einem zweiten Ladungszustand (nach der Veränderung des Ladungszustandes) ermittelt. Dabei wird die Anordnung, wie sie bei der Ermittlung des ersten Klemmenwiderstandes verwendet wurde, vorzugsweise beibehalten. Schließlich wird unter Verwendung einer Referenz und einer aufgrund des ersten Klemmenwiderstandes und des zweiten Klemmenwiderstandes ermittelten Innenwiderstandsgröße des Energiespeichers der Alterungszustand des Energiespeichers überprüft. Dies beruht erfindungsgemäß auf der Erkenntnis, dass eine Alterung eines elektrochemischen Energiespeichers zu einer Veränderung der Funktion seines Innenwiderstandes über dem Ladungszustand (SOC) führt, so dass bei geeigneter Wahl des ersten Ladungszustandes und des zweiten Ladungszustandes ein Parameter dieses Innenwiderstandes mit einer vordefinierten Referenz verglichen werden kann. Beispielsweise kann eine Steigung, eine Differenz oder ein Widerstandswert als Innenwiderstandsgröße ermittelt und mit der Referenz verglichen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Kontaktwiderstände zwischen der Ermittlung des ersten Klemmenwiderstandes und der Ermittlung des zweiten Klemmenwiderstandes im Wesentlichen keine Veränderung durch eine Ladungszustandsänderung erfahren, kann der Einfluss der Kontaktwiderstände bei geeigneter Auswertung des ersten Klemmenwiderstandes und des zweiten Klemmenwiderstandes in ihrer Relation zueinander eliminiert werden. Dabei ist die Referenz ihrer Natur nach lediglich dahingehend begrenzt, dass sie einen Aufschluss über den Alterungszustand des Energiespeichers in Abhängigkeit von dessen Ladungszustand erlaubt, ohne dass Absolutwerte der Klemmenwiderstände bei der Ermittlung des Alterungszustandes Einfluss nehmen. Beispielsweise könnte ein erster Klemmenwiderstand X₁ bei einem ersten Ladungszustand Y₁ und ein zweiter Klemmenwiderstand X₂ bei einem zweiten Ladungszustand Y₂ zu einer Überprüfung des Alterungszustandes verwendet werden, indem die Referenz eine Differenz der Klemmenwiderstände (z. B. X₁ – X₂) als Funktion der zwei Ladungszustände Y₁, Y₂ einem bekannten Alterungszustand für den betrachteten Energiespeicher zuordnet. Beispielsweise kann die Referenz also Widerstandswerte oder Widerstandsdifferenzwerte für vordefinierte Ladungszustände Y₁, Y₂ vorhalten oder als Kurve bzw. Funktion gespeichert sein, deren Gestalt einem jeweiligen Alterungszustand zugeordnet ist. Da sich die Kontaktwiderstände bei der Ermittlung des Innenwiderstandes durch einen (unbekannten) Versatz einer Klemmenwiderstandskurve über dem Ladungszustand äußern, kann durch mindestens zwei Messungen an unterschiedlichen Ladungszuständen bzw. Ermittlung einer Steigung in einem geeigneten Ladungszustand eine eineindeutige Zuordnung zwischen einer Referenz und einem ermittelten Klemmenwiderstand in einem gemeinsamen Ladungszustand erfolgen. Erfindungsgemäß wird somit eine Ermittlung eines Alterungszustandes für einen elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht, die unabhängig von einem (permanenten oder temporär hergestellten) Kontakt und dessen Kontaktwiderstand ist. Naturgemäß kann im Umkehrschluss ein ermittelter Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers bei der Ermittlung eines Kontaktwiderstandes aus einem Klemmenwiderstand berücksichtigt bzw. isoliert und entfernt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt bildet die Referenz eine Zuordnung zwischen Innenwiderstandsgrößen des Energiespeichers und Alterungszuständen des Energiespeichers in Abhängigkeit von Ladungszustandsgrößen des Energiespeichers. Mit anderen Worten stellt die Referenz einen rechnerisch verwendbaren Zusammenhang zwischen einem Innenwiderstand bzw. aus Innenwiderständen ermittelbaren Größen des Energiespeichers und Alterungszuständen (z. B. Güte bzw. Brauchbarkeit und/oder Lebensalter) des Energiespeichers über einem Ladungszustand (SOC) des Energiespeichers her. In Abhängigkeit des verwendeten Algorithmus' bzw. Ausgestaltung des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Referenz somit in Form von Funktionen, Kennlinie, Kennlinienfeldern, Wertescharen o. Ä. bestehen. Die Referenz kann einheitenbehaftet ebenso wie einheitenlos gespeichert und abrufbereit vorgehalten werden. Auf diese Weise kann die Ermittlung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers auf eine Steigungsmessung eines Klemmenwiderstandes bzw. zwei Klemmenwiderstandsmessungen in unterschiedlichen Ladungszuständen reduziert werden.
Dabei kann die Innenwiderstandsgröße bevorzugt eine Beziehung, insbesondere eine Differenz, zwischen dem ersten Klemmenwiderstand und dem zweiten Klemmenwiderstand in Bezug auf eine vordefinierte Ladungszustandsgröße (z. B. eine Differenz oder einen Absolutwert) beschreiben. Die vordefinierte Ladungszustandsgröße kann dabei beispielsweise einem festen Ladungszustand (z. B. 75%, 80%, 85% oder 95%) zugeordnet sein. Von diesem Bezugswert aus kann ein weiterer Ladungszustand definiert werden, mit Hilfe dessen eine vordefinierte Charakteristik des Innenwiderstandes in Abhängigkeit eines Alterungszustandes beschrieben werden kann. In einem einfachen Beispiel beschreibt die Ladungszustandsgröße einen SOC-Bereich mit einer Breite von ca. 1 bis 10%, bevorzugt 3 bis 6%, beispielsweise in einem Bereich zwischen 60 und 90% geladenem elektrischen Energiespeicher (SOC = 60% bis 90%). Die Referenz ordnet nun einer oberen und einer unteren Grenze der Ladungszustandsgröße einen jeweiligen Innenwiderstand zu. Dieser kann beispielsweise unter kontrollierten Bedingungen für einen elektrochemischen Energiespeicher vordefinierter Bauart ermittelt worden sein. Werden bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem konkreten elektrochemischen Energiespeicher entsprechende Zustände hergestellt und dabei ein Klemmenwiderstand erfasst, kann anhand der Referenz auch auf einen Alterungszustand des vorliegenden elektrochemischen Energiespeichers geschlossen werden und/oder unter Ermittlung eines Klemmenwiderstandes ein vorliegender Kontaktwiderstand (”Kontaktsummenwiderstand”) ermittelt werden. Dabei stellt die Innenwiderstandsgröße eine Beziehung zwischen Klemmenwiderständen bei unterschiedlichen Ladungszuständen her, wodurch eine für den Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers charakteristische Größe unabhängig von den absolut gemessenen Klemmenwiderständen bereitgestellt wird.
Weiter bevorzugt wird bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sichergestellt, dass der erste Ladungszustand und der zweite Ladungszustand vordefinierten Ladungszuständen entsprechen. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit der Referenz festgelegt werden, dass die Messung des ersten Klemmenwiderstandes und des zweiten Klemmenwiderstandes bei Ladungszuständen stattfinden, welche den in der Referenz abgelegten Ladungszuständen entsprechen. Alternativ oder zusätzlich können die Ladungszustände in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen und ihre absolute Lage bei der Auswertung durch Verwendung entsprechender Referenzwerte berücksichtigt werden. Auf diese Weise verringert sich der Speicherbedarf zum Vorhalten der Referenz. Dabei kann insbesondere sichergestellt werden, dass der erste Ladungszustand und der zweite Ladungszustand in einem vordefinierten gemeinsamen Ladungszustandsbereich (z. B. > 70%) liegen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Einfluss des Alterungszustandes auf den Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers in dem gemeinsamen Ladungszustandsbereich einen nicht zu vernachlässigenden bzw. aussagekräftigen Einfluss hat.
Beispielsweise kann der vordefinierte gemeinsame Ladungszustandsbereich für beide Ladungszustände eine Steigung eines Innenwiderstandes über dem Ladungszustand mit gleichen Vorzeichen aufweisen. Insbesondere kann dabei sichergestellt werden, zwischen dem ersten Ladungszustand und dem zweiten Ladungszustand einen ausschließlich stetigen Verlauf des Innenwiderstandes über dem Ladungszustand zu wahren. Wird beispielsweise für einen typischen Verlauf des Innenwiderstandes über dem Ladungszustand eine Parabelform des Innenwiderstandes angenommen, so kann sichergestellt werden, dass beide Teilungszustände auf derselben Seite hinsichtlich eines mittleren Extremwertes der Parabel angeordnet sind. Einerseits verringert sich hierdurch die erforderliche Zeitdauer zur vordefinierten Veränderung des Ladungszustandes zwischen der ersten und der zweiten Ermittlung des Klemmenwiderstandes, andererseits ist sichergestellt, dass die Steigung des Innenwiderstandes über dem betrachteten Ladungszustandsbereich eine für den Alterungszustand charakteristische Größe darstellt.
Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren ein Erfassen einer Temperaturgröße des Energiespeichers. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Einfluss der Temperatur auf den Innenwiderstand grundsätzlich berücksichtigt werden kann. Dazu kann beispielsweise ein Temperatursensor innerhalb oder im Bereich der Zelle, der Zellanordnung oder der Baueinheit des Energiespeichers Verwendung finden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Referenz eine Abhängigkeit von der Temperatur des Energiespeichers aufweisen. Auch diese Abhängigkeit kann in Form eines Kennlinienfeldes oder eines mathematischen Modells für einen im Betrieb möglichen Temperaturverlauf berücksichtigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Prüfung des Alterungszustandes kann somit aufgrund der ermittelten bzw. erfassten Temperaturgröße des Energiespeichers eine entsprechende Referenz ausgewählt und verwendet werden, wobei die temperaturbedingten Abweichungen des Innenwiderstandes bestmöglich reduziert werden.
Indem das wie oben beschriebene Verfahren eine Prüfung eines Alterungszustandes durch Ermittlung entsprechender Innenwiderstandsgrößen unabhängig von Kontaktwiderständen ermöglicht, kann durch die vorgeschlagene Ermittlung des Klemmenwiderstandes per Differenzbildung auf einen aktuellen Kontaktwiderstand des Energiespeichers geschlossen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Kontaktwiderstand des Energiespeichers zu bewerten und im Falle eines unangemessenen Kontaktwiderstandes eine Meldung auszugeben. Beispielsweise kann ein Werkstattmitarbeiter die Kontaktierung eines Energiespeichers in Reaktion auf die Meldung korrigieren oder Maßnahmen zur Reparatur interner Kontaktwiderstände des Energiespeichers einleiten. Dabei beruht die vorliegende Erfindung auf der Tatsache, dass Kontaktwiderstände unabhängig vom Ladungszustand des Energiespeichers sind, während eine Änderung des Innenwiderstandes über den Ladungszustand vom Alterungszustand abhängig ist.
Weiter bevorzugt kann eine Bewertung des Klemmenwiderstandes unter Verwendung einer zweiten Referenz erfolgen. Insbesondere kann in Abhängigkeit des ermittelten Alterungszustandes ein Anteil der zellbedingten Alterung des Energiespeichers am absoluten Klemmenwiderstand ermittelt werden und der hieraus ermittelte Kontaktwiderstand durch eine Einzahlreferenz dahingehend beurteilt werden, ob der Kontaktwiderstand in Ordnung oder verbesserungsbedürftig ist. Auf diese Weise ergibt sich eine effiziente Möglichkeit, eine adäquate Anbringung eines Ladegerätes und/oder eine korrekte Kontaktierung in einem elektrochemischen Energiespeicher befindlicher Zellen durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinheit, mittels welcher zumindest ein Ladezustand sowie eine Innenwiderstandsgröße des elektrochemischen Energiespeichers erfasst werden kann. Optional kann auch ein aktueller Temperaturwert im Bereich des elektrochemischen Energiespeichers erfasst werden. Zusätzlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswerteeinheit, welche beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen kann, mittels welchem die gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt diskutierten Verfahrensschritte durchgeführt werden können. Weiter umfasst die Vorrichtung Speichermittel zum Speichern einer Referenz, wobei die Referenz Kenngrößen für einen Innenwiderstand und insbesondere für Temperatur- und Kontaktwiderstandsbereiche aufweisen kann. Durch diese Elemente ist die Vorrichtung im Stande und eingerichtet, ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt diskutiert worden ist, auszuführen.
Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem elektrochemischen Energiespeicher integriert sein, so dass der Energiespeicher selbst über den Alterungsstand seiner Zellen sowie deren elektrische Kontaktierung miteinander Aussagen treffen und Bewertungen abgeben kann. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ladeeinrichtung zur Ladung des elektrochemischen Energiespeichers umfassen. Mit anderen Worten ist eine elektrische Energiequelle in die Vorrichtung integriert, mittels welcher ein elektrochemischer Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden kann. In dieser Ausgestaltung muss die Vorrichtung keinen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen. Bevorzugt kann die Vorrichtung eine Signalisierungseinheit umfassen, welche eingerichtet ist, eine Signalisierung bezüglich des Alterungszustandes des elektrochemischen Energiespeichers und/oder eines aktuellen Kontaktwiderstandes auszugeben. Die Signalisierung kann dabei einer Peripherie der Vorrichtung oder einem Anwender der Vorrichtung ergehen, so dass auf einen ermittelten Alterungszustand und/oder einen ermittelten Kontaktwiderstand angemessen reagiert werden kann. Auf diese Weise kann ein sicherer und effizienter Betrieb eines elektrischen Energiespeichers bzw. einer Ladeeinrichtung in Verbindung mit einem elektrochemischen Energiespeicher gewährleistet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Ansicht eines Systems aus einem elektrochemischen Energiespeicher und diesen kontaktierenden Stromschienen;
2 eine Prinzipskizze, veranschaulichend ein mögliches elektrisches Ersatzschaltbild des in 1 gezeigten Systems;
3a ein Diagramm, veranschaulichend den Einfluss einer Alterung eines elektrochemischen Widerstandes auf dessen Innenwiderstand in Abhängigkeit eines Ladungszustandes;
3b ein Diagramm eines gegenüber 4a gealterten Innenwiderstandes über dem Ladungszustand;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher Einflüsse auf den elektrischen Klemmenwiderstand eines elektrochemischen Energiespeichers über dem Ladungszustand;
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher Einflüsse auf den elektrischen Innenwiderstand eines elektrochemischen Energiespeichers über dem Ladungszustand;
6a ein dreidimensionales Diagramm, veranschaulichend den Einfluss der Temperatur auf den Innenwiderstand;
6b ein dreidimensionales Diagramm, veranschaulichend den Einfluss der Temperatur auf den Innenwiderstand bei einem gegenüber 6a gealterten elektrochemischen Energiespeicher;
7 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
8 ein Prinzipschaltbild eines Verbundes zur Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
3a zeigt ein Diagramm eines elektrischen Innenwiderstandes R_IZ über dem Ladungszustand SOC eines elektrochemischen Energiespeichers 1 eines ersten Alterungszustandes. Der Graph 111 widerspiegelt einen neuen Speicher, welcher eine gute bzw. spezifikationsgemäße Kontaktierung an seinen Klemmen aufweist, so dass der Kontaktwiderstand als ”in Ordnung” (i. O.) einzustufen ist. Der Graph 111 weist eine parabelartige, nach oben geöffnete Form auf, so dass ein mittlerer Extremwert Min etwa in der Mitte der Parabel der Abszisse (SOC) am nächsten kommt. Der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass die im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung verwendeten Graphen lediglich der Veranschaulichung dienen und andere Ausführungsformen des Energiespeichers 1 (je nach chemischer Zusammensetzung) ein Minimum an einem anderen Ort beispielsweise bei 60–80% Füllstand (SOC) aufweisen können. Beispielhaft sind zwei Widerstandswerte 5, 6 bei einem jeweiligen Ladungszustand 3, 4 eingezeichnet. In einem ersten (höheren) Ladungszustand 4 weist die Kurve einen ersten Widerstandswert 6 auf. In einem zweiten (niedrigeren) Ladungszustand 3 weist die Kurve einen zweiten Widerstandswert 5 auf. Beide Ladungszustände 3, 4 liegen in einem vordefinierten Ladungszustandsbereich 2, welcher sich zwischen dem mit Min bezeichneten Extremwert der Kurve und einem maximalen Ladungszustand (100%) erstreckt. In diesem Bereich 2 weist der Innenwiderstand eine stetige Steigung auf, welche mit zunehmender Ladung steigt. Durch Pfeile ist eine zu erwartende Veränderung des Graphen 111 eingezeichnet, wie sie mit zunehmender Alterung des zugehörigen elektrochemischen Energiespeichers 1 einhergeht. Entsprechend wird der Graph 111 einerseits in Richtung höherer Innenwiderstände R_IZ verschoben, andererseits nimmt die Steigung der Parabel zu.
3b zeigt ein Diagramm eines Innenwiderstandes R_IZ über einem Ladungszustand (SOC), wie es durch die in 3a eingezeichneten Pfeile bei Alterung des elektrochemischen Energiespeichers entstehen kann. Indem die Parabel 111 in Richtung höherer Innenwiderstände verschoben worden ist und die Steigung der Parabel zugenommen hat, sind bei beibehaltenem ersten Ladungszustand 4 und zweiten Ladungszustand 3 die zugehörigen Innenwiderstandswerte 6, 5 ebenfalls gestiegen, wobei der erste Innenwiderstandswert 6 stärker angestiegen ist als der zweite Innenwiderstandswert 5. Daher kann bereits aus der Veränderung der Steigung des Graphen 111 bei einem gegebenen Ladungszustand ein Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers 1 bestimmt werden.
4 zeigt ein Diagramm, in welchem unterschiedliche Anteile des Klemmenwiderstandes über den Ladungszustand SOC für unterschiedliche elektrochemische Energiespeicher aufgetragen sind. Der Klemmenwiderstand R_KL setzt sich aus einem vom Ladungszustand SOC abhängigen Innenwiderstandswert R_IZ und einem vom Ladungszustand SOC unabhängigen Kontaktwiderstand R_K zusammen. Im Minimum Min der dargestellten Kurven ist daher stellvertretend für den gesamten Bereich möglicher Ladungszustände SOC ein zu erwartender Kontaktwiderstand R_KEX für einen spezifikationsgemäßen Kontakt eingetragen. Zudem ist der in Verbindung mit den Figuren 3a und 3b diskutierte Innenwiderstand 111 eines neuen elektrochemischen Energiespeichers 1 eingetragen. Für den Fall einer schlechten (z. B. gealterten) Kontaktierung der Anschlüsse 13, 23 des elektrochemischen Energiespeichers 1 ergibt sich ein aktueller Kontaktwiderstand R_KAK, der deutlich größer als der zu erwartende Kontaktwiderstand R_KEX ist. Es ergibt sich also für die Reihenschaltung aus einem gealterten Kontaktwiderstand R_KAK und einer neuen Zelle eines elektrochemischen Energiespeichers 1 der Graph 110. Ersichtlich weist dieser die gleiche Form und daher auch die gleiche Steigung an entsprechenden Punkten wie der Graph 111 auf, jedoch ist er in Richtung höherer Klemmenwiderstände R_KL verschoben. Auf diese Weise kann die Ermittlung eines Verlaufes eines Innenwiderstandes R_IZ über den Ladungszustand einem Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers zugeordnet werden. Dem Alterungszustand wiederum kann anhand einer Referenz ein zu erwartender Klemmenwiderstand (Absolutwert) R_KL zugeordnet werden. Sofern ein gemessener Klemmenwiderstand R_KL von dem erwarteten Klemmenwiderstand R_KL abweicht, insbesondere größer als der zu erwartende Klemmenwiderstand R_KL ist, kann die Erhöhung des Klemmenwiderstandes R_KL einer Verschlechterung eines Kontaktwiderstandes R_K zugeordnet werden. Der Graph 112 zeigt dabei die Auswirkung einer zusätzlichen Alterung des elektrochemischen Energiespeichers, welche über eine Veränderung der Parabelgestalt (Steigung) erkennbar und einem vordefinierten Alterungszustand zuordenbar ist. Auf diese Weise kann über die Messung eines Klemmenwiderstandes R_KL einerseits ein Alterungszustand eines elektrochemischen Energiespeichers 1 und, unabhängig von diesem, ein aktueller Kontaktwiderstand R_KAK ermittelt werden.
5 zeigt ein Diagramm eines Innenwiderstandes R_IZ eines elektrochemischen Energiespeichers 1 über dessen Ladungszustand SOC. Der Graph 110 zeigt einen gemessenen Klemmenwiderstand R_KL. Zur Untersuchung des entsprechenden elektrochemischen Energiespeichers wurde eine Referenzkurve 111 mit identischer Gestalt für einen spezifikationskonformen Kontakt in Richtung höherer Innenwiderstände R_IZ verschoben, um Übereinstimmung mit dem gemessenen Graphen 110 zu verifizieren. Aus der erforderlichen Verschiebung der Referenzkurve 111 (für welche von einer spezifikationsgemäßen Kontaktierung ausgegangen wird) kann somit auf den Anteil eines aktuellen Kontaktwiderstandes R_KAK im Messaufbau geschlossen werden.
6a zeigt den Einfluss einer Zelltemperatur θ auf den Innenwiderstand R_IZ eines elektrochemischen Energiespeichers 1 in Abhängigkeit des Ladungszustandes SOC. Bei einer niedrigen Temperatur a verläuft die Kurve auf einem insgesamt höheren Innenwiderstandsniveau. Mit zunehmender Temperatur b sinkt der Innenwiderstand R_IZ in im Wesentlichen linearer Funktion. Gleiches gilt für eine entsprechend stärker erhöhte Zelltemperatur θ, welche im Graphen c resultiert.
6b zeigt die in Verbindung mit 6a diskutierten Graphen, wie sie einem gegenüber dem in 6a zugrunde gelegten Energiespeicher gealterten Energiespeicher zuzuordnen sind. Dabei sind die Graphen a, b, c den in 6a zugrunde gelegten entsprechenden Temperaturen zugeordnet. Es zeigt sich jedoch eine stärkere Temperaturabhängigkeit für einen gealterten elektrochemischen Energiespeicher. Mit anderen Worten sind die Unterschiede zwischen den Graphen a, b, c stärker; der lineare Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand R_IZ und der Temperatur hat eine erhöhte Steilheit. Der Innenwiderstand einer Lithium(Li)-Ionen-Batterie wird auch durch die Temperatur stark beeinflusst und kann erfindungsgemäß wie folgt berücksichtigt werden: Der SOC einer Lithium(Li)-Ionen-Zelle ist ebenfalls temperaturabhängig. Sinkt die Temperatur der Umgebung, wird der Verlauf zum einen zu größeren Widerständen (nach oben) verschoben und zum anderen wird auch die Form der Kurve über dem Ladungszustand geändert. Insbesondere wird die in Verbindung mit den 6a und 6b gezeigte V-Form stärker ausgeprägt; die Kurve wird steiler. Steigt die Temperatur, sinkt der Innenwiderstand der Zelle und die V-Form wird abgeflacht. Demgegenüber ist der Kontaktwiderstand eines Mess-Aufbaus nur minimal von der Temperatur abhängig und fällt gegenüber der Temperaturabhängigkeit der Zelle nicht ins Gewicht. Über aktuell verwendete Zellcontroller (CC) werden auch die aktuellen Temperaturen der Zellen bzw. elektrochemischen Energiespeicher überwacht. Auf diese Weise kann die Zelltemperatur bei der Beurteilung berücksichtigt bzw. ausgekontert werden. Zur Bestimmung des Gesamtwiderstandes kann erfindungsgemäß daher sichergestellt werden, dass konstante Temperaturen der Zelle für die erfindungsgemäßen Messungen herrschen. Beispielsweise kann der Algorithmus für die Bestimmung des Widerstandes immer bei vordefinierten Temperaturen ausgelöst werden, so dass im Laufe der Zeit hinreichend Daten zur Bestimmung des Alterungszustandes und/oder des Kontaktwiderstandes vorliegen. Alternativ kann die Zelltemperatur, insbesondere bei End-of-Line(EoL)-Prüfungen oder in Servicefällen, derart gesteuert werden, dass die erfindungsgemäßen Verfahren erzwungenermaßen bei konstanten Temperaturen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur ermittelt und eine temperaturabhängige Referenz vorgehalten werden, so dass in Abhängigkeit einer aktuellen Zelltemperatur eine entsprechende Referenz zur Bestimmung des Alterungszustandes herangezogen wird.
7 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte, wie sie gemäß einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden. In Schritt 100 wird ein Ladegerät an einen zu überprüfenden elektrochemischen Energiespeicher angeschlossen. Dies kann im Rahmen der Fertigung (z. B. stoffschlüssig durch Löten), im Rahmen einer end-of-line(EoL)-Prüfung oder in einer Werkstatt zur (temporären) Prüfung des Zellzustandes erfolgen, indem mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbundene Stromschienen temporär kontaktiert werden. In Schritt 200 wird anschließend der Klemmenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers gemessen. Ein den Klemmenwiderstand repräsentierender Wert kann dabei abgespeichert und zur späteren Verwendung vorgehalten werden. In Schritt 300 wird der Ladungszustand des elektrochemischen Energiespeichers verändert. Hierzu kann dem elektrochemischen Energiespeicher Energie zugefügt (der elektrochemische Energiespeicher geladen) werden, oder dem elektrochemischen Energiespeicher Energie entzogen (der elektrochemische Energiespeicher entladen) werden. Die Veränderung des Ladungszustandes hat dabei im Wesentlichen den Effekt, dass eine Aussage über eine Gestalt des Innenwiderstandes des betrachteten Energiespeichers erfolgen kann. Der Ladungszustand sollte daher zumindest derart verändert werden, dass eine Veränderung des Innenwiderstandes in einem messtechnisch erfassbaren Maß stattfindet. Jedoch sollte der Ladungszustand nicht zu stark verändert werden, um ein Mindestmaß an Verwandtschaft des ersten Ladungszustandes und des zweiten Ladungszustandes sicherzustellen. Es versteht sich von selbst, dass mehr als zwei Ladungszustände erfindungsgemäß verwendet werden können. Selbstverständlich können zur genaueren Betrachtung der Form des Innenwiderstandes über dem Ladungszustand eine Vielzahl von Punkten oder gar ein kontinuierlicher Graph aufgenommen und mit der Referenz verglichen werden. Entsprechend wird in Schritt 400 ein zweiter Klemmenwiderstand gemessen, was analog der Ermittlung des ersten Klemmenwiderstandes in Schritt 200 erfolgen kann. Entsprechend wird auch ein Messwert bzw. ein den zweiten Klemmenwiderstand repräsentierender Wert abgespeichert. In Schritt 500 wird nachfolgend versucht, anhand einer abgespeicherten Referenz einen Alterungszustand für den betrachteten elektrochemischen Energiespeicher zuzuordnen. Dies kann als mathematische Abhängigkeit, als Kennlinie, als Kennfeld oder in anderer geeigneter Weise erfolgen. Sobald der Alterungszustand zugeordnet ist, kann anhand zumindest eines Messwertes (z. B. absoluter Klemmenwiderstand R_KL) ein Kontaktwiderstand R_KAK bestimmt und mit einer Referenz verglichen werden. Liegt der aktuelle Kontaktwiderstand R_KAK in einem vordefinierten Bereich um eine Referenz R_KEX, kann die Kontaktierung als ”i. O.” kategorisiert werden. Sofern der Kontaktwiderstand R_KAK außerhalb des spezifikationskonformen Bereiches R_KEX liegt, kann eine Signalisierung ausgegeben werden, welche einen Austausch bzw. eine Reparatur der Kontaktanordnung veranlasst.
8 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung, wie sie dem in Verbindung mit 7 diskutierten Verfahren zugrunde liegen könnte. Ein elektrochemischer Energiespeicher 1 ist über elektrische Kontaktanordnungen 11, 21 mit Stromschienen 12, 22 verbunden. Zwischen den Stromschienen 12, 22 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 40 geschaltet. Diese umfasst Messmittel 30 als Erfassungseinheit, einen Mikroprozessor 31 als Auswerteeinheit und einen Speicherbaustein 32 als Speichermittel zum Speichern einer Referenz. Die Messmittel 30 können elektrische Kenngrößen (z. B. einen elektrischen Widerstand bzw. eine elektrische Impedanz) und insbesondere auch eine Kenngröße für eine aktuelle Zelltemperatur ermitteln. Eine Spannungsquelle 33 ist als Ladeeinrichtung zur Ladung des elektrochemischen Energiespeichers 1 zwischen den Stromschienen 12, 22 angeschlossen. Diese dient einer gezielten Veränderung des Ladungszustandes des elektrochemischen Energiespeichers 1. Eine Antenne 34 an der Vorrichtung 40 symbolisiert eine Signalisierungseinheit, mittels welcher ein ermittelter bzw. kategorisierter Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers 1 gemeldet werden kann.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, einen Alterungszustand einer elektrochemischen Speichervorrichtung unabhängig von einer Kontaktierung derselben dadurch zu ermitteln, dass die vom Alterungszustand abhängige Gestalt des Graphen eines Innenwiderstandes über dem Ladungszustand des Energiespeichers herangezogen wird, um auf den Alterungszustand zu schließen. Eine geeignete Auswertung kann dabei die absolute Höhe des jeweils erfassten Klemmenwiderstandes vernachlässigen und somit auch den Einfluss einer (schlechten) Kontaktierung ausräumen. Optional kann nach der Bestimmung des Alterungszustandes auch ein Kontaktwiderstand an den Anschlüssen des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt werden, indem der (nun bekannte) Zellinnenwiderstand im Klemmenwiderstand eliminiert wird.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10161640 A1 [0004]
DE 102009050572 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers (1) umfassend: – Ermitteln (200) eines ersten Klemmenwiderstandes des Energiespeichers (1) in einem ersten Ladungszustand (3), – Verändern (300) eines Ladungszustandes des Energiespeichers (1), – Ermitteln (400) eines zweiten Klemmenwiderstandes des Energiespeichers (1) in einem zweiten Ladungszustand (4), und – Prüfen (500) des Alterungszustandes des Energiespeichers (1) unter Verwendung einer Referenz (111) und einer aufgrund des ersten Klemmenwiderstandes und des zweiten Klemmenwiderstandes ermittelten Innenwiderstandsgröße (5, 6) des Energiespeichers (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Referenz (111) Innenwiderstandsgrößen (5, 6) des Energiespeichers (1) Alterungszuständen des Energiespeichers (1) in Abhängigkeit von Ladungszustandsgrößen (3, 4) des Energiespeichers (1) zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenwiderstandsgröße (5, 6) eine Beziehung, insbesondere eine Differenz, zwischen dem ersten Klemmenwiderstand und dem zweiten Klemmenwiderstand in Bezug auf eine vordefinierte Ladungszustandsgröße (3, 4) beschreibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sichergestellt wird, dass der erste Ladungszustand (3) und der zweite Ladungszustand (4) vordefinierten Ladungszuständen entsprechen, oder in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen, und insbesondere in einem vordefinierten gemeinsamen Ladungszustandsbereich (2) liegen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein vordefinierter gemeinsamer Ladungszustandsbereich (2) für beide Ladungszustände (3, 4) eine Steigung eines Innenwiderstands (R_IZ) über dem Ladungszustand (SOC) mit gleichem Vorzeichen aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – das Verfahren ein Erfassen einer Temperaturgröße des Energiespeichers (1) umfasst und/oder – die Referenz (111) eine Abhängigkeit der Temperatur (ϑ) des Energiespeichers (1) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiter anhand eines ermittelten Klemmenwiderstandes (R_KL) und einer einem Alterungszustand zugeordneten Innenwiderstandsgröße (5, 6) ein Kontaktwiderstand (R_K) des Energiespeichers (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Bewertung des Kontaktwiderstandes (R_K) an Klemmen (11, 21) des Energiespeichers (1) anhand eines vordefinierten Schwellwertes erfolgt.
Vorrichtung zur Prüfung eines Alterungszustandes eines elektrochemischen Energiespeichers (1) umfassend – eine Erfassungseinheit (30), – eine Auswerteeinheit (31), und – Speichermittel (32) zum Speichern einer Referenz (111), wobei die Vorrichtung (40) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 weiter umfassend – den elektrochemischen Energiespeicher (1), und/oder – eine Ladeeinrichtung (33) zur Ladung des elektrochemischen Energiespeichers (1), wobei die Vorrichtung insbesondere weiter eine Signalisierungseinheit (34) umfasst, welche eingerichtet ist, eine Signalisierung bezüglich des Alterungszustandes des elektrochemischen Energiespeichers (1) und/oder eines Kontaktwiderstandes (R_KAK) auszugeben.