DE102013203809B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit (10) mit den Schritten:
- Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine erste Lademenge in einem ersten Verfahrensschritt (1);
- Messen einer ersten Zellspannung (200) zwischen Polen der Energiespeichereinheit (10) in einem zweiten Verfahrensschritt (2);
- Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine zweite Ladungsmenge in einem dritten Verfahrensschritt (3);
- Messen einer zweiten Zellspannung (300) zwischen den Polen der Energiespeichereinheit (10) in einem vierten Verfahrensschritt (4);
- Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine dritte Ladungsmenge in einem fünften Verfahrensschritt (5);
- Messen einer dritten Zellspannung (400) zwischen den Polen in einem sechsten Verfahrensschritt (6);
- Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine vierte Ladungsmenge in einem siebten Verfahrensschritt (7);
- Messen einer vierten Zellspannung (500) zwischen den Polen in einem achten Verfahrensschritt (8);
- Bestimmen der elektrischen Kapazität in Abhängigkeit der ersten, zweiten, dritten und vierten Zellspannung (200, 300, 400, 500) in einem neunten Verfahrensschritt (9), wobei in einem zweiten Teilschritt eine Hysteresespannung (16) der Energiespeichereinheit (10) in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung (300) und der vierten Zellspannung (500) berechnet wird und ein Gradient einer Ruhespannungskurve (19) der Energiespeichereinheit (10) in Abhängigkeit der ersten Zellspannung (200) und der dritten Zellspannung (400) sowie in Abhängigkeit der Hysteresespannung (16) bestimmt wird und wobei im abschließenden Teilschritt die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Gradienten bestimmt wird.

Description

• Stand der Technik
• Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Energiespeichersysteme aus einer Mehrzahl von separaten Energiespeichereinheiten, welche miteinander in Serie und/oder parallel verschaltet sind, aufzubauen. Fertigungsbedingt variieren jedoch die elektrischen Kapazitäten der Energiespeichereinheit, so dass die nutzbare Gesamtkapazität des aus mehreren Energiespeichereinheiten aufgebauten Energiespeichersystems stark unterschiedlich sein kann. Ferner besteht die Gefahr, dass je nach Verschaltung der Energiespeichereinheiten die Gesamtkapazität des Energiespeichersystems aufgrund nur einzelner Energiespeichereinheiten mit deutlich niedrigeren elektrischen Kapazitäten deutlich reduziert ist. Aus diesem Grund werden Energiespeichereinheiten am Ende ihres Fertigungsprozesses üblicherweise dahingehend überprüft, ob die elektrische Kapazität der jeweiligen Energiespeichereinheit in einem zulässigen Bereich liegt. Bei der Massenproduktion von Energiespeichersystemen müssen daher in kurzer Zeit eine Vielzahl von Energiespeichereinheiten überprüft werden.
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Bestimmung einer Batteriekapazität bekannt, bei welchen die Kapazität entweder mittels regelungstechnischer Beobachter im Betrieb adaptiv erfasst werden oder die Kapazität durch Auswertung der Batteriespannung an zwei verschiedenen Ladungszustandspunkten und Analyse der Steigung der Ruhespannungskurve bestimmt wird. Nachteilig an beiden Ansätzen ist, dass adaptive Ansätze stets die Strom- und Spannungsinformationen der Batterie über längere Betriebsintervalle benötigen, um zuverlässige Rückschlüsse auf die Batteriekapazität zu geben, während bei der Spannungsauswertung nach einer Lade- bzw. Entladephase die speziellen Eigenschaften der jeweiligen Batterie, wie Hystereseeffekte und Batterieimpedanz (beeinflusst durch Temperatur, Ladezustand und Stromrichtung), nicht berücksichtigt werden können.
• Als weiterer Stand der Technik werden die DE 10 2012 205 009 A1 und die DE 601 22 170 T2 angeführt.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches sowohl eine schnelle, als auch zuverlässige Bestimmung der elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit erlaubt und somit eine kostengünstige Qualitätsprüfung, insbesondere am Bandende einer Batterieherstellungsstraße zur Massenproduktion von Batterien, ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit mit den Schritten: Laden der Energiespeichereinheit um eine erste Lademenge in einem ersten Verfahrensschritt; Messen einer ersten Zellspannung zwischen Polen der Energiespeichereinheit in einem zweiten Verfahrensschritt; Entladen der Energiespeichereinheit um eine zweite Ladungsmenge in einem dritten Verfahrensschritt; Messen einer zweiten Zellspannung zwischen den Polen der Energiespeichereinheit in einem vierten Verfahrensschritt; Entladen der Energiespeichereinheit um eine dritte Ladungsmenge in einem fünften Verfahrensschritt; Messen einer dritten Zellspannung zwischen den Polen in einem sechsten Verfahrensschritt; Laden der Energiespeichereinheit um eine vierte Ladungsmenge in einem siebten Verfahrensschritt; Messen einer vierten Zellspannung zwischen den Polen in einem achten Verfahrensschritt; und Bestimmen der elektrischen Kapazität in Abhängigkeit der ersten, zweiten, dritten und vierten Zellspannung in einem neunten Verfahrensschritt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine zeitsparende und gleichzeitig zuverlässige Bestimmung der elektrischen Kapazität unter Berücksichtigung der individuellen Eigenschaften der jeweils zu überprüfenden Energiespeichereinheit ermöglicht wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die wenigstens vier Zellspannungen in der definierten Weise aufgenommen werden, wobei die erste und die vierte Zellspannung jeweils nach einem Ladevorgang und die zweite und die dritte Zellspannung jeweils nach einem Entladevorgang aufgenommen werden. Die zweite und vierte Zellspannung werden zudem in einem vergleichbaren Ausgangsladungszustand der Energiespeichereinheit gemessen. Es hat sich in einer für den Fachmann überraschenden und nicht zu erwartenden Weise gezeigt, dass nur anhand dieser vier Zellspannungswerte eine präzise Bestimmung der elektrischen Kapazität der Energiespeichereinheit ermöglicht wird. Diese Bestimmung ist zudem vergleichsweise zeitsparend durchführbar, da die Energiespeichereinheit zur Aufnahme der vier Zellspannungswerte nicht über einen ganzen Ladungszyklus bzw. mehrere Ladungszyklen geladen und entladen werden muss. Das Verfahren kann vorzugsweise in einen Herstellungs- und/oder Formierungsprozess der Energiespeichereinheit integriert werden. Denkbar ist, dass das Verfahren zur Qualitätsprüfung der Energiespeichereinheit am Bandende einer Herstellungsstraße zur Massenproduktion von Energiespeichern durchgeführt wird. Eine Energiespeichereinheit umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine einzelne Energiespeicherzelle einer wiederaufladbaren Batterie, welche aus wenigstens zwei voneinander separierten Flächenelektroden besteht. Denkbar ist aber auch, dass die Energiespeichereinheit eine Mehrzahl solcher Energiespeicherzellen umfasst, die bereits parallel und/oder in Serie miteinander geschaltet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann von nahezu jedem Ausgangsladungszustand der Energiespeichereinheit aus gestartet werden, solange die Energiespeichereinheit einen definierten Ladungszustand aufweist. Vorzugsweise liegt der Ausgangsladungszustand zwischen 30 und 70 Prozent, bevorzugt zwischen 40 und 60 Prozent und besonders bevorzugt bei ca. 50 Prozent der Gesamtladungskapazität der Energiespeichereinheit. Vorzugsweise entspricht der Ladungszustand der Energiespeichereinheit nach dem siebten Verfahrensschritt (auch als Endladungszustand bezeichnet) wieder dem Ausgangsladungszustand. Im Sinne der vorliegenden Erfindung dient die Nummerierung der einzelnen Verfahrensschritte lediglich zur Kennzeichnung der einzelnen Verfahrensschritte und nicht zwangsläufig dazu, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte zu definieren. Vorzugsweise werden nacheinander zuerst der erste Verfahrensschritt, dann der zweite Verfahrensschritt, dann der dritte Verfahrensschritt, dann der vierte Verfahrensschritt, dann der fünfte Verfahrensschritt, dann der sechste Verfahrensschritt, dann der siebte Verfahrensschritt, dann der achte Verfahrensschritt und dann der neunte Verfahrensschritt durchgeführt. Alternativ wäre aber genauso denkbar, dass zunächst der fünfte Verfahrensschritt, dann der sechste Verfahrensschritt, dann der siebte Verfahrensschritt, dann der achte Verfahrensschritt, dann der erste Verfahrensschritt, dann der zweite Verfahrensschritt, dann der dritte Verfahrensschritt, dann der vierte Verfahrensschritt und dann der neunte Verfahrensschritt durchgeführt werden.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem zehnten Verfahrensschritt die Temperatur der Energiespeichereinheit gemessen wird. Die speziellen Eigenschaften der Energiespeichereinheit, wie Ladungszustand, Hystereseeffekte oder Steigung der Ruhespannungskurve, hängen zumindest teilweise von der aktuellen Temperatur der Energiespeichereinheit ab. Vorteilhafterweise wird durch eine temperaturabhängige Bestimmung der Kenngrößen der Energiespeichereinheit somit eine Verbesserung der Genauigkeit erzielt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem ersten Teilschritt des neunten Verfahrensschrittes ein aktueller Ladungszustand der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung und der vierten Zellspannung bestimmt wird und wobei in einem abschließenden Teilschritt des neunten Verfahrensschritte die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Ladungszustands bestimmt wird. In vorteilhafter Weise kann somit der Ausgangsladungszustand der Energiespeichereinheit vergleichsweise genau bestimmt werden. Hierfür wird die Energiespeichereinheit im dritten Verfahrensschritt vorzugsweise um eine zweite Ladungsmenge entladen, welche dem Betrag nach der ersten Ladungsmenge entspricht. Gleichzeitig wird die Energiespeichereinheit im fünften Verfahrensschritt vorzugsweise um eine dritte Ladungsmenge entladen, welche dem Betrag nach der vierten Ladungsmenge entspricht, um welche die Energiespeichereinheit im siebten Verfahrensschritt wieder aufgeladen wird. Der Ladungszustand während des vierten Verfahrensschrittes sollte demnach ungefähr dem Ausgangsladungszustand, sowie dem Endladungszustand (Ladungszustand im achten Verfahrensschritt) entsprechen. Die zweite Zellspannung wird nach einem Entladevorgang abgegriffen, während die vierte Zellspannung nach einem Ladevorgang abgegriffen wird. Aus der zweiten und vierten Zellspannung kann somit eine zuverlässige Aussage über den Ausgangs- bzw. Endladungszustand gemacht werden.
• Vorzugsweise wird im ersten Teilschritt ferner eine Ruhespannung in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung und der vierten Zellspannung berechnet, wobei im ersten Teilschritt der Ladungszustand in Abhängigkeit der Ruhespannung bestimmt wird. Vorzugsweise kann die Ruhespannung näherungsweise durch Mittelwertbildung und insbesondere durch Addieren der zweiten Zellspannung mit der vierten Zellspannung, sowie Teilen der Summe durch zwei bestimmt werden. Der Ladungszustand wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Ruhespannung und der Temperatur bestimmt. Denkbar ist, dass der Ladungszustand im ersten Teilschritt mit Hilfe einer Lookup-Tabelle, welche Ladungszustand-Referenzwerte für die Energiespeichereinheit aufweist, bestimmt wird. Alternativ wäre aber auch der Einsatz eines Filteralgorithmus, wie beispielsweise eines Kalman-Filters oder dergleichen, zur Bestimmung des aktuellen Ladungszustands der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der berechneten Ruhespannung und der berechneten Temperatur denkbar. In vorteilhafter Weise werden bei der Bestimmung der elektrischen Kapazität somit das Ruhespannungsniveau, sowie der Anteil der Ruhespannungshysterese an der Zellspannung berücksichtigt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem zweiten Teilschritt des neunten Verfahrensschrittes ein Gradient einer Ruhespannungskurve der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der ersten Zellspannung und der dritten Zellspannung bestimmt wird und wobei im abschließenden Teilschritt die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Gradienten bestimmt wird. In vorteilhafter Weise kann aus den Werten der ersten und dritten Zellspannung die Steigung bzw. der Gradient der Ruhespannungskurve der Energiespeichereinheit berechnet und bei der Bestimmung der elektrischen Kapazität berechnet werden. Vorzugsweise wird im zweiten Teilschritt ferner eine Hysteresespannung der Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung und der vierten Zellspannung berechnet, wobei im zweiten Teilschritt der Gradient in Abhängigkeit der ersten Zellspannung und der dritten Zellspannung, sowie in Abhängigkeit der Hysteresespannung berechnet wird. In vorteilhafter Weise wird bei der Berechnung des Gradienten der Ruhespanungskurve der durch den Hystereseanteil hervorgerufenen Fehler berücksichtigt. Vorzugsweise werden die dritte Zellspannung, sowie die Hysteresespannung jeweils von der ersten Zellspannung subtrahiert und die Differenz durch zwei, sowie durch die Ladungsmenge (entspricht der ersten, zweiten, dritte oder vierten Ladungsmenge) geteilt.
• Vorzugsweise werden im abschließenden Teilschritt die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Ladungszustands, in Abhängigkeit des Gradienten und in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt wird. In vorteilhafter Weise wird bei der Bestimmung der elektrischen Kapazität somit der Anteil der Ruhespannungshysterese, das Ruhespannungsniveau, sowie der Gradient der Ruhespannungskurve der jeweiligen er Energiespeichereinheit berücksichtigt. Hierdurch wird in einfacher Weise eine im Vergleich zum Stand der Technik vergleichsweise präzise Vorhersage der elektrischen Kapazität ermöglicht, wobei gleichzeitig keine zeitintensiven Lade- bzw. Entladezyklen der Energiespeichereinheit durchlaufen werden müssen. Ferner wird durch die einfache Implementierung der gerätetechnische Aufwand zur Durchführung der Kapazitätsbestimmung reduziert.
• Denkbar ist, dass die elektrische Kapazität im abschließenden Teilschritt mit Hilfe einer Lookup-Tabelle, welche Kapazitäts-Referenzwerte für die Energiespeichereinheit aufweist, oder mit Hilfe eines digitalen Filteralgorithmus, wie einem Kalman-Filter, einem LMS-Filter (Least-Mean-Square), einem RLS-Filter (Recursive Least Square), einem adaptiven Filter oder dergleichen, bestimmt wird.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt und/oder zwischen dem dritten und dem vierten Verfahrensschritt und/oder zwischen dem fünften und dem sechsten Verfahrensschritt und/oder zwischen dem siebten und dem achten Verfahrensschritt eine Wartezeit gewartet wird. Nach dem Abstellen des Lade- oder Entladestroms driftet die Spannung zwischen den Polen der Energiespeichereinheit noch für eine kurze Zeit, bis sich eine stabile Spannung einstellt. Durch Verstreichenlassen der Wartezeit wird die Zeit der driftenden Spannung abgewartet bevor die Spannung zwischen den Polen gemessen wird. Die Genauigkeit der Spannungsmessung wird somit vorteilhafterweise gesteigert.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Betrag der ersten und zweiten Ladungsmenge im Wesentlichen gleich ist und/oder wobei der Betrag der dritten und vierten Ladungsmenge im Wesentlichen gleich ist. Vorzugsweise wird die erste, zweite, dritte und vierte Ladungsmenge während des jeweiligen Lade- bzw. Entladevorgangs gemessen. Die erste, zweite, dritte und vierte Ladungsmenge sind dem Betrage nach insbesondere nahezu gleich (definierte Ladungsmenge Q), wobei das Vorzeichen der ersten und vierten Ladungsmenge positiv (Ladevorgang) und das Vorzeichen der zweiten und dritten Ladungsmenge negativ (Entladevorgang) ist.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt durchgeführten nullten Verfahrensschritt eine Ausgangsspannung der Energiespeichereinheit gemessen wird, wobei der zweite bis neunte Verfahrensschritt nur durchgeführt werden, wenn die Ausgangsspannung in einem vorgegebenen Spannungsbereich liegt. In vorteilhafter Weise dient der nullte Verfahrensschritt eine Überprüfung dahingehend, ob sich der Ausgangsladungszustand der Energiespeichereinheit innerhalb eines verwendbaren Intervalls befindet, d.h. ob eine Laden und Entladen um die definierte Ladungsmenge Q überhaupt möglich ist.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit, welche insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung ein Kontaktierungselement zur elektrischen Kontaktierung von Kontaktpolen der Energiespeichereinheit, eine Stromsteuerelement zum elektrischen Laden oder Entladen der Energiespeichereinheit über das Kontaktierungselement und eine Auswerteeinheit zum Messen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktpolen aufweist, wobei die Vorrichtung zum Laden der Energiespeichereinheit um eine erste Lademenge mittels des Stromsteuerelements konfiguriert ist; wobei die Vorrichtung zum Messen einer ersten Zellspannung zwischen den Kontaktpolen mittels der Auswerteeinheit konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Entladen der Energiespeichereinheit um eine zweite Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer zweiten Zellspannung zwischen den Polen der Energiespeichereinheit mittels der Auswerteeinheit konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Entladen der Energiespeichereinheit um eine dritte Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer dritten Zellspannung zwischen den Kontaktpolen mittels der Auswerteeinheit konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Laden der Energiespeichereinheit um eine vierte Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer vierten Zellspannung zwischen den Kontaktpolen mittels der Auswerteeinheit konfiguriert ist und wobei die Vorrichtung zum Bestimmen der elektrischen Kapazität in Abhängigkeit der ersten, zweiten, dritten und vierten Zellspannung mittels der Auswerteeinheit konfiguriert ist. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens konfiguriert und ermöglicht somit eine schnelle und kostengünstige Qualitätsprüfung der Energiespeichereinheit.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
• Figurenliste
• 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 2 zeigt die schematische Ladungskurve einer Energiespeichereinheit während der Durchführung des Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsformen der Erfindung
• In 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität C von Energiespeichereinheiten 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Stromsteuerelement 100, welches als Stromquelle und als Stromsenke fungieren kann. Das Stromsteuerelement 100 ist im vorliegenden Beispiel mit drei Energiespeichereinheiten 10 elektrisch verbunden, um von jeder der drei Energiespeichereinheit 10 die elektrische Kapazität C zu bestimmen. Hierfür ist das Stromsteuerelement 100 jeweils über zwei Kontaktierungselemente 101, beispielsweise Leiterkabel, mit beiden Polen 102 einer jeden Energiespeichereinheit 10 elektrisch leitfähig verbunden. Hierfür sind jeweils ein Kabel mit dem Plus-Pol der Energiespeichereinheit 10 und ein anderes Kabel mit dem Minus-Pol der Energiespeichereinheit 10 gekoppelt. Die Energiespeichereinheiten 10 sind im vorliegenden Beispiel wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus. Über die Kontaktierungselemente 101 kann die Energiespeichereinheit 10 geladen und entladen werden. Gleichzeitig ist ein Spannungsmesser in das Stromsteuerelement 100 integriert, mit welchem eine Messung der elektrischen Spannung zwischen dem Minus-Pol und dem Plus-Pol möglich ist. Die Vorrichtung weist ferner ein Auswerteeinheit 103 auf. Im vorliegenden Fall umfasst die Vorrichtung einen Prüfstand zur Prüfung der Energiespeichereinheiten 10, welche am Bandende einer Herstellungsstraße zur Produktion von Energiespeichern angeordnet ist.
• Mittels der Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit 10 durchgeführt, bei welchem insbesondere geprüft wird, ob die elektrische Kapazität der jeweiligen Energiespeichereinheit 10 innerhalb eines vorgegeben Bereichs liegt. Dabei wird die zu testende Energiespeichereinheit 10 von dem Stromsteuerelement 100 mit einem definierten Lade- und Entladeprofil beaufschlagt und zu bestimmten Zeiten die jeweilige Zellspannung zwischen den Polen 102 der Energiespeichereinheit 10 gemessen und von der Auswerteeinheit 103 ausgewertet.
• In 2 ist eine schematische Spannungsverlaufskurve 21 einer Energiespeichereinheit 10 während der Durchführung des Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Auf der Ordinate 104 ist dabei die Zellspannung, d.h. die mittels des Spannungsmessers messbare elektrische Potentialdifferenz zwischen den Polen 102, aufgetragen, während auf der Abszisse 105 der Ladungszustand der Energiespeichereinheit 10 aufgetragen ist. Der Ladungszustand erstreckt sich insbesondere von 0 Prozent Ladung (die Energiespeichereinheit 10 ist vollständig entladen) bis 100 Prozent Ladung (die Energiespeichereinheit 10 ist vollständig aufgeladen). Im vorliegenden Beispiel liegt der Ausgangsladungszustand der Energiespeichereinheit lediglich beispielhaft bei ungefähr 50 Prozent der zu bestimmenden Gesamtkapazität. In die 2 ist ferner die mittlere Ruhespannungskurve 19 der Energiespeichereinheit 10 eingezeichnet.
• In einem nullten Verfahrensschritt 0 wird zunächst die Ausgangsspannung 18 der Energiespeichereinheit 10 gemessen und grob verifiziert, dass die Energiespeichereinheit 10 nicht komplett entladen oder bereits vollständig geladen ist.
• Im ersten Verfahrensschritt 1 wird mittels des als Stromquelle fungierenden Stromsteuerelements 100 eine erste Ladungsmenge Q in die Energiespeichereinheit 10 transferiert. Sowohl die Zellspannung, als auch der Ladungszustand der Energiespeichereinheit 10 nimmt, wie der 2 zu entnehmen ist, daher zu. Nachdem die Ladungsmenge Q transferiert wurde, wird eine vorgegebene Wartezeit abgewartet (die Zellspannung sinkt währenddessen ab) und anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt 2 eine erste Zellspannung 200 an den Polen 102 der Energiespeichereinheit 10 mittels des Spannungsmessers abgegriffen. In einem nachfolgenden dritten Verfahrensschritt 3 fungiert das Stromsteuerelement 100 als Stromsenke und die Energiespeichereinheit 10 wird mit einem Entladestrom zum Stromsteuerelement 100 beaufschlagt. Nachdem eine zweite Ladungsmenge -Q von der Energiespeichereinheit 10 geflossen ist und wiederum eine Wartezeit abgewartet wurde (während der Wartezeit steigt die Zellspannung sprunghaft an), wird in einem vierten Verfahrensschritt 4 eine zweite Zellspannung 300 gemessen. Der Betrag der ersten und zweiten Ladungsmenge ist im Wesentlichen gleich, während das Vorzeichen gerade umgekehrt ist. Der Ladungszustand der Energiespeichereinheit 10 entspricht im vierten Verfahrensschritt 4 daher ungefähr dem Ausgangsladungszustand. Durch die Hystereseeffekte innerhalb der Energiespeichereinheit 10 ist die nach dem Entladevorgang gemessene zweite Zellspannung 300 niedriger als die Ausgangsspannung 18.
• In einem nachfolgenden fünften Verfahrensschritt 5 wird die Energiespeichereinheit 10 erneut um eine dritten Ladungsmenge -Q entladen, wobei die dritte Ladungsmenge sowohl hinsichtlich des Vorzeichens, als auch des Betrags im Wesentlichen der zweiten Ladungsmenge -Q entspricht. Der Ladungszustand, als auch die Zellspannung der Energiespeichereinheit 10 sinken somit ab (Vgl. 2). Nach dem erneuten Verstreichenlassen der Wartezeit wird eine dritte Zellspannung 400 in einem sechsten Verfahrensschritt 6 gemessen. Anschließend fungiert das Stromsteuerelement 100 wieder als Stromquelle und es wird in einem siebten Verfahrensschritt 7 mittels eines Ladestroms eine vierte Ladungsmenge Q in die Energiespeichereinheit 10 geladen. Die vierte Ladungsmenge Q entspricht dem Betrag nach der dritten Ladungsmenge -Q und weist ein entgegengesetztes Vorzeichen auf, so dass der Ladezustand der Energiespeichereinheit 10 nach dem siebten Verfahrensschritt wieder dem Ausgangsladungszustand gleicht. Nach dem Verstreichen der Wartezeit, in welcher die Zellspannung sprunghaft sinkt, wird in einem achten Verfahrensschritt 8 eine vierte Zellspannung 500 gemessen. Die Ladungsmenge Q bzw. -Q wird in dem ersten, dritten, fünften und siebten Verfahrensschritt vorzugsweise jeweils mit der gleichen Stromstärke in die Energiespeichereinheit 10 geladen bzw. von der Energiespeichereinheit 10 entladen. Während der ersten bis achten Verfahrensschritte wird im Rahmen eines zehnten Verfahrensschrittes dauerhaft oder punktuell die Temperatur T der Energiespeichereinheit 10 gemessen.
• In einem neunten Verfahrensschritt werden die gewonnen Daten (erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Zellspannungen 200, 300, 400, 500 und die Temperatur T) von der Auswerteeinheit 103 ausgewertet. Insbesondere lassen sich aus der Kenntnis der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Zellspannungen 200, 300, 400, 500 der Anteil der Ruhespannungshysterese an der Zellspannung, das Ruhespannungsniveau und der Gradient m der Ruhespannungskurve 19 ableiten.
• Der Anteil der Ruhespannungshysterese, d.h. insbesondere die Differenz in der Ruhespannung nachdem zuvor geladen oder entladen wurde (Ruhespannung ist nach dem Laden höher als nach dem Entladen bei gleichem Ladezustand), ist der Ruhespannung U_Ruhe nach der Bestromung überlagert. Die wirkliche Ruhespannung U_Ruhe , aus der sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Zellspannung und dem Ladezustand ergibt, ist daher um den Hystereseanteil verfälscht. Das Ruhespannungsniveau kann näherungsweise durch Mittelwertbildung berechnet werden. Zur Berechnung der Ruhespannung U_Ruhe wird in einem ersten Teilschritt 91 des neunten Verfahrensschrittes 9 insbesondere die Differenz aus der vierten Zellspannung 500 und der zweiten Zellspannung 300 berechnet und durch zwei geteilt: $${\text{U}}_{\text{Ruhe}}=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\cdot \left({\text{U}}_{500}+{\text{U}}_{300}\right)$$

  
• In Abhängigkeit der Ruhespannung U_Ruhe und der gemessenen Temperatur T wird im ersten Teilschritt 91 sodann ferner mittels einer Lookup-Tabelle oder einem Filteralgorithmus der aktuelle Ladungszustand SOC (= State-of-Charge) der Energiespeichereinheit 10 bestimmt: $$\text{SOC}=\text{f}\left({\text{U}}_{\text{Ruhe}},\text{T}\right)$$

  
• In einem zweiten Teilschritt 92 des neunten Verfahrensschrittes 9 wird die Hysteresespannung U_Hysterese als Differenz aus der vierten Zellspannung 500 und der zweiten Zellspannung 300 z berechnet: $${\text{U}}_{\text{Hynterese}}=\left({\text{U}}_{500}-{\text{U}}_{300}\right)$$

  
• Der Gradient m der Ruhespannungskurve 19 der untersuchten Energiespeichereinheit 10 ergibt sich im Rahmen des zweiten Teilschrittes 92 dann aus dem Verhältnis des Ruhespannungsunterschieds zwischen den Punkten der ersten und dritten Zellspannung 200, 400, sowie dem Ladungszustandsunterschieds zwischen den Punkten der ersten und dritten Zellspannung 200, 400, wobei die gemessenen ersten und dritten Zellspannungen 200, 400 um den jeweils, beispielsweise halben, Anteil der Ruhespannungshysterese U_Hysterese , korrigiert werden: $$\text{m}=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\cdot \left({\text{U}}_{200}-{\text{U}}_{400}-{\text{U}}_{\text{Hynterese}}\right)\cdot {\text{Q}}^{-1}$$

  
• Aus dem Gradienten m der Ruhespannungskurve 19 der untersuchten Energiespeichereinheit 10 lässt sich durch Verhältniswertbildung die tatsächliche elektrische Kapazität C bezeichnet) der Energiespeichereinheit 10 bestimmen, wobei die Ruhespannungskurven in der Regel Nichtlinearitäten aufweisen, d.h. der Gradient m hängt nicht nur von der Kapazität C ab, sondern auch vom Arbeitspunkt SOC und der Temperatur T.
• Die Kapazität C lässt wird in einem abschließenden Teilschritt 93 des neunten Verfahrensschrittes 9 aus der Kenntnis der im ersten und zweiten Teilschritt berechneten Werte (Gradient m, Ladungszustand (auch als Arbeitspunkt bezeichnet) SOC und Temperatur T) bestimmt: $$\text{C}=\text{f}\left(\text{m},\text{Soc},\text{T}\right)$$

  
• Die Bestimmung der elektrischen Kapazität C in Abhängigkeit des Gradienten m, des Arbeitspunktes SOC und der Temperatur T erfolgt im abschließenden Teilschritt 93 letztendlich mittels einer Lookup-Tabelle, welche entsprechende Referenzwerte für die in Rede stehende Energiespeichereinheit 10 aufweist, oder einem digitalen Filteralgorithmus (Kalman-Filter, RLS-Filter etc.) oder einem künstlichen neuronalen Netz oder eine Expertensystem ermittelt.
• Die im neunten Verfahrensschritt bestimmte elektrische Kapazität C der betreffenden Energiespeichereinheit 10 wird in einem nicht-dargestellten nachfolgenden elften Verfahrensschritt mit vorgegebenen Toleranzgrenzen verglichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs wird entschieden, ob die Energiespeichereinheit 10 die vorgegebenen Anforderungen an die elektrische Kapazität C erfüllt oder nicht. Die Energiespeichereinheit 10 wird entsprechend als „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ gekennzeichnet. Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer neuen zu testenden Energiespeichereinheit 10 wiederholt.
• In 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte 0 bis 9, sowie die Teilschritte 91 bis 93 des anhand 2 erläuterten Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nochmals in einem schematischen Blockdiagramm dargestellt.
• Bezugszeichenliste

0

Nullter Verfahrensschritt

1

Erster Verfahrensschritt

2

Zweiter Verfahrensschritt

3

Dritter Verfahrensschritt

4

Vierter Verfahrensschritt

5

Fünfter Verfahrensschritt

6

Sechster Verfahrensschritt

7

Siebter Verfahrensschritt

8

Achter Verfahrensschritt

9

Neunter Verfahrensschritt

10

Energiespeichereinheit

18

Ausgangsspannung

19

Ruhespannungskurve

21

Spannungsverlaufskurve

91

Erster Teilschritt

92

Zweiter Teilschritt

93

Abschließender Teilschritt

100

Stromsteuerelement

101

Kontaktierungselement

102

Pol

103

Auswerteeinheit

104

Ordinate

105

Abszisse

200

Erste Zellspannung

300

Zweite Zellspannung

400

Dritte Zellspannung

500

Vierte Zellspannung

Claims (13)

1. Verfahren zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit (10) mit den Schritten: - Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine erste Lademenge in einem ersten Verfahrensschritt (1); - Messen einer ersten Zellspannung (200) zwischen Polen der Energiespeichereinheit (10) in einem zweiten Verfahrensschritt (2); - Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine zweite Ladungsmenge in einem dritten Verfahrensschritt (3); - Messen einer zweiten Zellspannung (300) zwischen den Polen der Energiespeichereinheit (10) in einem vierten Verfahrensschritt (4); - Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine dritte Ladungsmenge in einem fünften Verfahrensschritt (5); - Messen einer dritten Zellspannung (400) zwischen den Polen in einem sechsten Verfahrensschritt (6); - Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine vierte Ladungsmenge in einem siebten Verfahrensschritt (7); - Messen einer vierten Zellspannung (500) zwischen den Polen in einem achten Verfahrensschritt (8); - Bestimmen der elektrischen Kapazität in Abhängigkeit der ersten, zweiten, dritten und vierten Zellspannung (200, 300, 400, 500) in einem neunten Verfahrensschritt (9), wobei in einem zweiten Teilschritt eine Hysteresespannung (16) der Energiespeichereinheit (10) in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung (300) und der vierten Zellspannung (500) berechnet wird und ein Gradient einer Ruhespannungskurve (19) der Energiespeichereinheit (10) in Abhängigkeit der ersten Zellspannung (200) und der dritten Zellspannung (400) sowie in Abhängigkeit der Hysteresespannung (16) bestimmt wird und wobei im abschließenden Teilschritt die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Gradienten bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem ersten Teilschritt des neunten Verfahrensschrittes (9) ein aktueller Ladungszustand der Energiespeichereinheit (10) in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung (300) und der vierten Zellspannung (500) bestimmt wird
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei im ersten Teilschritt eine Ruhespannung in Abhängigkeit der zweiten Zellspannung (300) und der vierten Zellspannung (500) berechnet wird und wobei im ersten Teilschritt der Ladungszustand in Abhängigkeit der Ruhespannung bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem zehnten Verfahrensschritt die Temperatur der Energiespeichereinheit (10) gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei im ersten Teilschritt der Ladungszustand in Abhängigkeit der Ruhespannung und der Temperatur der Energiespeichereinheit (10) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei im ersten Teilschritt der Ladungszustand mit Hilfe einer Lookup-Tabelle, welche Ladungszustand-Referenzwerte für die Energiespeichereinheit (10) aufweist, bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei im abschließenden Teilschritt die elektrische Kapazität in Abhängigkeit des Ladungszustands, in Abhängigkeit des Gradienten und in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Kapazität (1) im abschließenden Teilschritt mit Hilfe einer Lookup-Tabelle, welche Kapazitäts-Referenzwerte für die Energiespeichereinheit (10) aufweist, bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Kapazität im abschließenden Teilschritt mit Hilfe eines Filteralgorithmus bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt (1, 2) und/oder zwischen dem dritten und dem vierten Verfahrensschritt (3, 4) und/oder zwischen dem fünften und dem sechsten Verfahrensschritt (5, 6) und/oder zwischen dem siebten und dem achten Verfahrensschritt (7, 8) eine Wartezeit gewartet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betrag der ersten und zweiten Ladungsmenge im Wesentlichen gleich ist und/oder wobei der Betrag der dritten und vierten Ladungsmenge im Wesentlichen gleich ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt durchgeführten nullten Verfahrensschritt (0) eine Ausgangsspannung (18) der Energiespeichereinheit (10) gemessen wird, wobei der zweite bis neunte Verfahrensschritt nur durchgeführt werden, wenn die Ausgangsspannung (18) in einem vorgegebenen Spannungsbereich liegt.
13. Vorrichtung zum Bestimmen einer elektrischen Kapazität einer Energiespeichereinheit (10), welche zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung ein Kontaktierungselement (101) zur elektrischen Kontaktierung von Kontaktpolen (102) der Energiespeichereinheit (10), eine Stromsteuerelement (100) zum elektrischen Laden oder Entladen der Energiespeichereinheit (10) über das Kontaktierungselement (101) und eine Auswerteeinheit (103) zum Messen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktpolen (102) aufweist, wobei die Vorrichtung zum Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine erste Lademenge mittels des Stromsteuerelements (100) konfiguriert ist; wobei die Vorrichtung zum Messen einer ersten Zellspannung (200) zwischen den Kontaktpolen mittels der Auswerteeinheit (103) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine zweite Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements (100) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer zweiten Zellspannung (300) zwischen den Polen der Energiespeichereinheit (10)) mittels der Auswerteeinheit (103) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Entladen der Energiespeichereinheit (10) um eine dritte Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements (100) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer dritten Zellspannung (400) zwischen den Kontaktpolen (102) mittels der Auswerteeinheit (103) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Laden der Energiespeichereinheit (10) um eine vierte Ladungsmenge mittels des Stromsteuerelements (100) konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung zum Messen einer vierten Zellspannung (500) zwischen den Kontaktpolen (102) mittels der Auswerteeinheit (103) konfiguriert ist und wobei die Vorrichtung zum Bestimmen der elektrischen Kapazität in Abhängigkeit der ersten, zweiten, dritten und vierten Zellspannung (200, 300, 400, 500) mittels der Auswerteeinheit (103) konfiguriert ist.

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