DE102013205495A1

DE102013205495A1 - Method for determining the state of charge of a rechargeable electric energy store

Info

Publication number: DE102013205495A1
Application number: DE102013205495.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Simon Lepiorz; Holger Wolfschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-02
Also published as: WO2014154570A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers, umfassend die Schritte: – Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher, – Ermitteln einer die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms angebenden Spannungsinformation, – Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation.Method for determining the state of charge of a rechargeable electrical energy store, comprising the steps of: - applying an alternating current with a defined frequency to the energy store, - determining voltage information indicating the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied, - determining the state of charge of the energy store based on the voltage information .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers. The invention relates to a method for determining the state of charge of a rechargeable electric energy storage.

Wiederaufladbare elektrische Energiespeicher, d. h. Energiespeicher, die zur Speicherung von elektrischer Energie ausgebildet sind, werden als elektrische Energie bereitstellende Energiequellen in einer Vielzahl an elektrischen Verbrauchern eingesetzt. Insbesondere Energiespeicher auf Basis von Lithium, d. h. Lithium-Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, haben in letzter Zeit insbesondere aufgrund ihrer hohen Leistungs- bzw. Energiedichte stetig an Bedeutung gewonnen und werden heutzutage in vielen mobilen bzw. stationären Anwendungen eingesetzt. Rechargeable electric energy storage, d. H. Energy storage devices that are designed to store electrical energy are used as energy sources providing electrical energy in a large number of electrical consumers. In particular, energy storage based on lithium, d. H. Lithium-ion energy accumulators or lithium-ion accumulators have recently gained in importance, in particular because of their high power and energy density, and are used today in many mobile or stationary applications.

Für einen zuverlässigen Betrieb entsprechender Energiespeicher ist eine möglichst genaue Kenntnis und sonach Ermittlung des aktuellen Ladezustands erforderlich. Kenntnisse über den Ladezustand sind insbesondere notwendig, um einerseits Strategien für den Betrieb des Energiespeichers zu realisieren, die, insbesondere vorzeitige, Alterungsprozesse verhindern und so eine nachhaltige Nutzung des Energiespeichers gewährleisten. Andererseits ist es, um einen unterbrechungsfreien Betrieb des Energiespeichers respektive der von diesem mit elektrischer Energie versorgten Anwendung sicherzustellen, notwendig, Kenntnisse über die aktuell vorhandene Energiemenge und somit den Ladezustand zu erhalten. For a reliable operation of corresponding energy storage as accurate as possible and thus determination of the current state of charge is required. Knowledge about the state of charge is necessary, in particular, in order, on the one hand, to implement strategies for the operation of the energy store, which prevent, in particular premature, aging processes and thus ensure sustainable use of the energy store. On the other hand, in order to ensure uninterrupted operation of the energy store or the application supplied by it with electrical energy, it is necessary to obtain knowledge about the currently available amount of energy and thus the state of charge.

Problematisch ist hierbei, dass die Ermittlung des Ladezustands entsprechender Energiespeicher mit bekannten Ansätzen zur Ermittlung des Ladezustands häufig aufwendig und ungenau ist. Insbesondere ist eine in situ Ermittlung des Ladezustands entsprechender Energiespeicher nicht ohne Weiteres möglich. The problem here is that the determination of the state of charge corresponding energy storage with known approaches to determine the state of charge is often expensive and inaccurate. In particular, an in situ determination of the state of charge corresponding energy storage is not readily possible.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers anzugeben. The invention is therefore based on the problem of providing a contrast improved method for determining the state of charge of a rechargeable electric energy storage.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers gelöst, welches sich durch die folgenden Schritte auszeichnet:

– Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher,
– Ermitteln einer die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms angebenden Spannungsinformation,
– Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation.

The problem is solved according to the invention by a method for determining the state of charge of a rechargeable electric energy store, which is characterized by the following steps:

Applying an alternating current with a defined frequency to the energy store,
Determining a voltage information indicating the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied,
- Determining the state of charge of the energy storage based on the voltage information.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers in einem ersten Schritt vorgesehen, einen definierten Wechselstrom, d. h. einen Wechselstrom mit einer definierten Frequenz, an den Energiespeicher anzulegen. Der Wechselstrom bedingt eine Spannungsantwort des Energiespeichers. Bei der Spannungsantwort handelt es sich typischerweise um eine bestimmte Wechselspannung, welche insbesondere von der Frequenz des angelegten Wechselstroms sowie weiteren Charakteristika des Energiespeichers, wie z. B. Innenwiderstand, abhängig ist. According to the inventive method, it is provided for determining the state of charge of a rechargeable electric energy storage in a first step, a defined alternating current, d. H. an alternating current with a defined frequency to apply to the energy storage. The alternating current causes a voltage response of the energy storage. The voltage response is typically a certain AC voltage, which in particular depends on the frequency of the applied alternating current and other characteristics of the energy storage, such. B. internal resistance depends.

Das Anlegen des Wechselstroms erfolgt über einen definierten Zeitabschnitt, welcher derart gewählt ist, dass ein Ermitteln einer Spannungsinformation möglich ist. Der Zeitabschnitt kann beispielsweise im Bereich von Millisekunden, Hundertstelsekunden, Zehntelsekunden oder Sekunden liegen. Der Zeitabschnitt kann z. B. 10 Sekunden betragen. The application of the alternating current takes place over a defined period of time, which is chosen such that a determination of a voltage information is possible. For example, the time period can be in the range of milliseconds, hundredths of a second, tenths of a second, or seconds. The period can z. B. be 10 seconds.

Das Ermitteln der Spannungsinformation stellt den zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Spannungsinformation gibt die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms an. Die Spannungsinformation kann dabei einen oder mehrere Spannungswerte des Energiespeichers oder einen zeitlichen Verlauf der Spannung des Energiespeichers während des Anlegens des Wechselstroms abgeben. Die Spannungsinformation gibt unmittelbar oder mittelbar die sich an dem Energiespeicher während des Anlegens des Wechselstroms ergebende elektrische Spannung an. Wie erwähnt handelt es sich bei dieser Spannung typischerweise um eine Wechselspannung. The determination of the voltage information represents the second step of the method according to the invention. The voltage information indicates the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied. The voltage information can deliver one or more voltage values of the energy store or a time profile of the voltage of the energy store during the application of the alternating current. The voltage information indicates, directly or indirectly, the electrical voltage resulting from the energy store during the application of the alternating current. As mentioned, this voltage is typically an AC voltage.

In dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers anhand der ermittelten Spannungsinformation. Hierbei wird auf einen, insbesondere für einen dem zu vermessenden Energiespeicher entsprechenden Referenzenergiespeicher ermittelten, Zusammenhang zwischen der durch Anlegen des Wechselstroms erzeugten Spannung des Energiespeichers und dem Ladezustand zurückgegriffen. Anhand der ermittelten Spannungsinformation lassen sich also Aussagen über bzw. Rückschlüsse auf den Ladezustand des Energiespeichers vornehmen. In the third step of the method according to the invention, the state of charge of the energy store is determined on the basis of the determined voltage information. In this case, recourse is made to a relationship, determined in particular for a reference energy store corresponding to the energy store to be measured, between the voltage of the energy store generated by application of the alternating current and the state of charge. On the basis of the determined voltage information can thus make statements about or conclusions about the state of charge of the energy storage.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Ladezustand von Energiespeichern, deren Leerlaufspannung über ein bestimmtes Ladezustandsintervall, welches Ladezustandsintervall innerhalb von Ladezustandsgrenzen zwischen 0 und 100% liegt, konstant ist, ermittelt werden soll. Die Erfindung ist also insbesondere als Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands von Energiespeichern, deren Leerlaufspannung über ein bestimmtes Ladezustandsintervall, welches Ladezustandsintervall innerhalb von Ladezustandsgrenzen zwischen 0 und 100% liegt, konstant ist, geeignet. Diese Energiespeicher, bei welchen es sich typischerweise um Lithium-Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wie z. B. Energiespeicher mit einer aus Lithium-Eisen-Phosphat gebildeten ersten Elektrode und einer aus Lithium-Titanat gebildeten zweiten Elektrode, handelt, zeigen insbesondere in Folge von während des Ladens bzw. Entladens auftretenden Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien konstante oder nur marginal veränderliche Leerlaufspannungen über ein weites Ladezustandsintervall. Mit anderen Worten weisen derartige Energiespeicher eine flache Kennlinie auf. The inventive method is particularly advantageous when the state of charge of Energy storage, the open-circuit voltage over a certain state of charge interval, which state of charge interval is within charge state limits between 0 and 100% is constant, to be determined. The invention is therefore particularly suitable as a method for determining the state of charge of energy stores whose open-circuit voltage is constant over a specific state of charge interval, which state of charge interval lies within charge state limits between 0 and 100%. These energy stores, which are typically lithium-ion energy storage or lithium-ion batteries such. As energy storage with a formed from lithium iron phosphate first electrode and a lithium titanate second electrode is, show in particular as a result of occurring during charging or discharging phase transitions of the electrode materials constant or only marginally variable open circuit voltages over a wide SOC interval. In other words, such energy storage devices have a flat characteristic.

Beispielsweise liegt die Leerlaufspannung eines Energiespeichers mit einer aus Lithium-Eisen-Phosphat gebildeten Kathode und einer aus Lithium-Titanat gebildeten Anode über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 bis 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 10 bis ca. 95% während des Ladens konstant bei ca. 1,90 Volt und während des Entladens in einem zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 bis 100% liegenden Ladezustandsintervall von ca. 90 bis ca. 10% konstant bei ca. 1,75 Volt. Der Unterschied zwischen den in den genannten Ladezustandsintervallen gemessenen Leerlaufspannungen während des Ladens bzw. Entladens ist durch das Hystereseverhalten des Energiespeichers bedingt. For example, the open-circuit voltage of an energy store with a cathode formed from lithium iron phosphate and an anode formed from lithium titanate at a constant between the state of charge charge limits of 0 to 100% charge state interval of about 10 to about 95% during charging is constant about 1.90 volts and while discharging in a state of charge between the state of charge limits of 0 to 100% charge state interval of about 90 to about 10% constant at about 1.75 volts. The difference between the no-load voltages measured during charging and discharging in the stated charge state intervals is due to the hysteresis behavior of the energy store.

Mithin ist bei entsprechenden Energiespeichern die Differenz der Leerlaufspannungen während des Ladens bzw. Entladens größer als die Differenz der jeweiligen, während des Ladens bzw. Entladens über die genannten Ladezustandsintervalle gemessenen Leerlaufspannungen. Demzufolge ist über bekannte Methoden kein sinnvoller Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand eines Energiespeichers herstellbar. Gleiches gilt für die über die entsprechenden Ladezustandsintervalle konstante Differenz der während des Ladens bzw. Entladens gemessenen Leerlaufspannungen. Consequently, in the case of corresponding energy stores, the difference between the no-load voltages during charging and discharging is greater than the difference between the respective open-circuit voltages measured during the charging or discharging over the stated charge state intervals. Consequently, no meaningful relationship between the no-load voltage and the state of charge of an energy store can be produced by known methods. The same applies to the difference between the open-circuit voltages measured during charging and discharging, which is constant over the corresponding state of charge intervals.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch insbesondere auch für Energiespeicher, die einen entsprechend flachen bzw. konstanten Verlauf der Leerlaufspannung über ein zwischen entsprechenden Ladezustandsgrenzen liegendes Ladezustandsintervall bzw. ein entsprechendes Hystereseverhalten und sich daraus ergebende flache Spannungsdifferentiale zeigen, eine Möglichkeit, den Ladezustand genau zu ermitteln. However, the method according to the invention also makes it possible, in particular, for energy storage devices, which exhibit a correspondingly flat or constant course of the open-circuit voltage over a charge state interval lying between corresponding charge state limits or a corresponding hysteresis behavior and resulting flat voltage differentials, to be able to determine the state of charge accurately.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei auch deshalb von Vorteil, weil es einfach und schnell, ohne großen apparativen Aufwand durchführbar ist. Es ist insbesondere möglich, den Ladezustand in situ, d. h. während des Betriebs des Energiespeichers, zu ermitteln. Hierauf basierend kann eine an den ermittelten Ladezustand des Energiespeichers angepasste Betriebsweise gewählt bzw. eingestellt werden, so dass Alterungsprozesse und damit verbundene Kapazitätsverluste des Energiespeichers deutlich reduziert werden können. Entsprechend können im Weiteren Wartungsintervalle des Energiespeichers verlängert werden. The method according to the invention is also advantageous because it can be carried out easily and quickly without great expenditure on apparatus. In particular, it is possible to control the state of charge in situ, i. H. during operation of the energy storage device. Based on this, a mode of operation adapted to the determined state of charge of the energy store can be selected or set, so that aging processes and associated capacity losses of the energy store can be significantly reduced. Accordingly, maintenance intervals of the energy store can be extended further.

Zweckmäßig erfolgt vor dem Anlegen des Wechselstroms ein Ermitteln einer die Temperatur des Energiespeichers angebenden Temperaturinformation. Die Frequenz des Wechselstroms wird dann in Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation angegebenen Temperatur des Energiespeichers gewählt. Die Temperaturinformation gibt die Temperatur des Energiespeichers unmittelbar oder mittelbar an. Expediently, before the application of the alternating current, a determination is made of a temperature information indicating the temperature of the energy store. The frequency of the alternating current is then selected as a function of the temperature of the energy store indicated by the temperature information. The temperature information indicates the temperature of the energy storage directly or indirectly.

Insbesondere kann die Auswahl der Frequenz des Wechselstroms anhand von erfassten Impedanzspektren eines Referenzenergiespeichers bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen des Referenzenergiespeichers erfolgen. Es werden also zweckmäßig Messungen an einem Referenzenergiespeicher vorgenommen, welcher dem Energiespeicher, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, im Hinblick auf seinen Aufbau bzw. seine elektrischen Eigenschaften identisch oder zumindest weitgehend ähnlich ist. Anhand von Impedanzspektren lässt sich insbesondere die Impedanz |Z|, bei welcher es sich um den Wechselstromwiderstand handelt, ermitteln. Die Impedanz lässt sich bekanntermaßen in eine üblicherweise mit Θ gekennzeichnete Phasenverschiebung, die dem Phasenwinkel zwischen (angelegtem) Wechselstrom und (gemessener) elektrischer Spannung entspricht, umrechnen. Um die Impedanz erfassen zu können, muss an den Referenzenergiespeicher ein Wechselstrom angelegt werden, d. h. der Referenzenergiespeicher muss mit Wechselstrom angeregt werden. Im Rahmen der beispielsweise mittels elektrochemischer Impendanzspektroskopie erfolgenden Erfassung von Impedanzspektren des Referenzenergiespeichers wird der Referenzenergiespeicher mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt. Typischerweise werden an den Referenzenergiespeicher Wechselströme mit Frequenzen im Bereich von 10^–2 bis 10⁴ Hertz angelegt. In particular, the selection of the frequency of the alternating current can take place on the basis of detected impedance spectra of a reference energy store at different temperatures and different states of charge of the reference energy store. So it will be useful to make measurements on a reference energy storage, which is the energy storage whose state of charge is to be determined identical or at least substantially similar in terms of its structure and its electrical properties. On the basis of impedance spectra, it is possible in particular to determine the impedance | Z |, which is the AC resistance. As is known, the impedance can be converted into a phase shift, usually denoted by Θ, which corresponds to the phase angle between (applied) alternating current and (measured) electrical voltage. In order to detect the impedance, an alternating current must be applied to the reference energy storage, ie the reference energy storage must be excited with alternating current. In the context of, for example, the detection of impedance spectra of the reference energy store by means of electrochemical impedance spectroscopy, the reference energy store is exposed to alternating currents of different frequencies. Typically, alternating currents with frequencies in the range of 10 ^-2 to 10 ⁴ Hertz are applied to the reference energy storage.

An dem Referenzenergiespeicher werden demnach Impedanzspektren über einen bestimmten Frequenzbereich bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen durchgeführt. Die Messungen werden typischerweise derart durchgeführt, dass jeweils nur ein Messparameter verändert wird. Entsprechend werden Impedanzspektren für eine bestimmte Temperaturen mit unterschiedlichen Ladezuständen und für einen bestimmten Ladezustand mit unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Die aus den Impedanzspektren ermittelten Kenntnisse können jedoch kombiniert betrachtet werden. Accordingly, impedance spectra are carried out over a specific frequency range at different temperatures and different states of charge at the reference energy store. The measurements are typically performed such that only one measurement parameter is changed at a time. Accordingly, impedance spectra for a given temperature with different states of charge and for a determined state of charge with different temperatures. However, the knowledge obtained from the impedance spectra can be considered combined.

Die Impedanzspektren zeigen unterschiedliche Impedanzwerte für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers an, wobei für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz bei einer bestimmten bzw. konstanten Temperatur hohe Impedanzen typischerweise mit niedrigen Ladezuständen korreliert sind. Gleiches gilt für die Phasenverschiebung, d. h. auch diese liegt für eine bestimmte Frequenz bei einer bestimmten bzw. konstanten Temperatur typischerweise bei niedrigen Ladezuständen betragsmäßig höher als bei hohen Ladezuständen. Letzterer Zusammenhang ergibt sich ebenso aus den Impedanzspektren, da aus diesen auch Phasenverschiebungen für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers ableitbar sind. The impedance spectra indicate different impedance values for different states of charge of the energy store, and for a given frequency at a given or constant temperature, high impedances are typically correlated with low states of charge. The same applies to the phase shift, d. H. even for a certain frequency at a specific or constant temperature, this is typically higher in terms of magnitude at low charge states than at high charge states. The latter relationship also results from the impedance spectra, as these also phase shifts for different states of charge of the energy storage can be derived.

Die Impedanzspektren zeigen bei einer bestimmten bzw. konstanten Frequenz des angelegten Wechselstroms und einem bestimmten bzw. konstanten Ladezustand des Referenzenergiespeichers für unterschiedliche Temperaturen ebenso unterschiedliche Werte der gemessenen Impedanzen bzw. Phasenverschiebungen an. Für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz liegt die Impedanz bei niedrigen Temperaturen typischerweise höher als bei hohen Temperaturen. Umgekehrt verhält es sich mit der Phasenverschiebung, die demnach für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz bei niedrigen Temperaturen typischerweise niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Diese Beobachtung deckt sich mit der Theorie, wonach elektrochemische Vorgänge bei niedrigen Temperaturen üblicherweise langsamer ablaufen. The impedance spectra also indicate different values of the measured impedances or phase shifts for a specific or constant frequency of the applied alternating current and a specific or constant state of charge of the reference energy store for different temperatures. For a given frequency, the impedance is typically higher at low temperatures than at high temperatures. Conversely, it is the phase shift that is typically lower for a given or constant frequency at low temperatures than for high temperatures. This observation coincides with the theory that electrochemical processes tend to be slower at low temperatures.

Aus den Messungen lässt sich schließlich ein Zusammenhang zwischen der Frequenz, der Temperatur und dem Ladezustand des Referenzenergiespeichers herstellen. Anhand der Messungen lassen sich demnach Aussagen treffen, welche Impedanz bei welcher Temperatur welchem Ladezustand des Referenzenergiespeichers entspricht bzw. zuzuordnen ist. Analoges gilt für die Phasenverschiebung, d. h. anhand der Messungen lassen sich ebenso Aussagen treffen, welche Phasenverschiebung bei welcher Temperatur welchem Ladezustand des Referenzenergiespeichers entspricht bzw. zuzuordnen ist. From the measurements, finally, a relationship between the frequency, the temperature and the state of charge of the reference energy storage can be established. Based on the measurements can thus be made statements which impedance at which temperature corresponds to which state of charge of the reference energy storage or is assigned. The same applies to the phase shift, d. H. Based on the measurements, it is also possible to make statements as to which phase shift at which temperature corresponds or can be assigned to which state of charge of the reference energy store.

Bevorzugt wird für die Anregung des Energiespeichers, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, eine Frequenz ausgewählt, bei der der Verlauf bzw. der Wert der Impedanz des Referenzenergiespeichers oder einer mit der Impedanz korrelierten Größe, wie insbesondere der Phasenverschiebung, für unterschiedliche Ladezustände des Referenzenergiespeichers, insbesondere für einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist. Die Ermittlung eines maximalen Abstands zwischen den Impedanzen für unterschiedliche Ladezustände des Referenzenergiespeichers erfolgt demnach typischerweise bei Messungen mit konstanter Temperatur des Referenzenergiespeichers. Entsprechende Messungen werden jedoch in der Regel jeweils für unterschiedliche Temperaturen des Referenzenergiespeichers durchgeführt. For the excitation of the energy store whose charge state is to be determined, a frequency is preferably selected in which the profile or the value of the impedance of the reference energy store or a variable correlated with the impedance, in particular the phase shift, for different charge states of the reference energy store, in particular for a minimum state of charge and a maximum state of charge, at a given temperature is maximum. Accordingly, the determination of a maximum distance between the impedances for different states of charge of the reference energy store is typically carried out in the case of constant temperature measurements of the reference energy store. However, corresponding measurements are usually carried out in each case for different temperatures of the reference energy store.

Als gegebene Temperatur wird vorzugsweise zumindest eine für den Betrieb des Referenzenergiespeichers minimal zulässige Temperatur und/oder eine für den Betrieb des Referenzenergiespeichers maximal zulässige Temperatur verwendet. Selbstverständlich können, insbesondere auch zusätzlich, entsprechende Messungen ebenso bei zwischen den minimal bzw. maximal zulässigen Temperaturwerten liegenden Temperaturen durchgeführt werden. As a given temperature preferably at least one for the operation of the reference energy storage minimum permissible temperature and / or a maximum permissible for the operation of the reference energy storage temperature is used. Of course, in particular also in addition, corresponding measurements can likewise be carried out at temperatures lying between the minimum and maximum permissible temperature values.

Die Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation erfolgt insbesondere auf Basis einer ermittelten Korrelation zwischen der elektrischen Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms und dem Ladezustand des Energiespeichers. Die Korrelation, welche eine bestimmte Zuordnung der Spannungsinformation zu dem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers beschreibt, ermöglicht es, die durch die Spannungsinformation beschriebene, während des Anlegens des definierten Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelte Spannung mit dessen Ladezustand in einen sinnvollen Zusammenhang zu setzen. Entsprechend können aus der Spannungsinformation respektive der durch diese beschriebenen Spannung oder sonstigen mit der Spannung in einem Zusammenhang stehenden Größen, d. h. insbesondere Impedanz und Phasenverschiebung, Rückschlüsse auf den aktuellen Ladezustand des Energiespeichers gezogen werden. The determination of the state of charge of the energy store based on the voltage information takes place in particular on the basis of a determined correlation between the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied and the state of charge of the energy store. The correlation, which describes a specific assignment of the voltage information to the current state of charge of the energy store, makes it possible to set the voltage, determined by the voltage information, during the application of the defined alternating current to the energy store with its state of charge in a meaningful relationship. Accordingly, from the voltage information, respectively, the voltage described by this or other voltage related variables, i. H. in particular impedance and phase shift, conclusions about the current state of charge of the energy storage can be drawn.

Die Korrelation kann z. B. zwischen der bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelten Spannungsinformation und dem Ladezustand des Energiespeichers derart ermittelt wird, dass bei einem Referenzenergiespeicher für unterschiedliche Ladezustände und unterschiedliche Temperaturen jeweils Spannungsinformationen ermittelt werden. Wie erwähnt, kann über die Korrelation grundsätzlich ein Zusammenhang zwischen einer bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Referenzenergiespeicher ermittelten Spannungsinformation und einem Ladezustand des Referenzenergiespeichers hergestellt werden, so dass anhand einer Spannungsinformation, die eine bei einem definierten Wechselstrom, d. h. einem Wechselstrom mit definierter Frequenz, an dem Referenzenergiespeicher anliegende elektrische Spannung beschreibt, ein Rückschluss auf den Ladezustand des Referenzenergiespeichers gezogen werden. The correlation can be z. B. between the voltage information determined upon application of the alternating current to the energy storage and the state of charge of the energy storage is determined such that in a reference energy storage for different states of charge and different temperatures each voltage information can be determined. As mentioned above, a correlation between a determined when applying an alternating current with a defined frequency to the reference energy storage voltage information and a state of charge of the reference energy storage can be made on the basis of the correlation, so that on the basis of voltage information, the one at a defined alternating current, ie an alternating current Defined frequency, the reference energy storage voltage applied voltage, a conclusion on the Charge state of the reference energy storage can be pulled.

Die Ermittlung der Korrelation, welche auch als Korrelationsfunktion bezeichnet werden kann, kann entsprechend darauf beruhen, dass für einen Referenzenergiespeicher mit einem bekannten konstanten Ladezustand bei bestimmten Wechselstromfrequenzen und bei bestimmten konstanten Temperaturen Spannungsinformationen, d. h. insbesondere Impedanzen bzw. Phasenverschiebungen, ermittelt werden. Es werden also z. B. bei einer bestimmten Temperatur eine Anzahl an Referenzenergiespeichern mit unterschiedlichen, jedoch bekannten Ladezuständen jeweils mit einem definierten, bekannten Wechselstrom beaufschlagt und Spannungsinformationen, d. h. insbesondere die Impedanz und/oder die Phasenverschiebung, ermittelt. Entsprechende Messungen werden in der Regel jeweils für unterschiedliche Temperaturen durchgeführt. The determination of the correlation, which may also be referred to as a correlation function, may be based on the fact that for a reference energy store with a known constant state of charge at certain AC frequencies and at certain constant temperatures voltage information, i. H. in particular impedances or phase shifts, are determined. So it will be z. For example, at a certain temperature, a number of reference energy stores having different but known states of charge are respectively charged with a defined, known alternating current, and voltage information, i.e., a voltage of one or more degrees. H. in particular the impedance and / or the phase shift determined. Corresponding measurements are usually carried out in each case for different temperatures.

Erfolgt dann im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer bekannten Temperatur ein Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz, kann anhand der aus der ermittelten Spannungsinformation z. B. ableitbaren Impedanz ein Rückschluss auf den Ladezustand des Energiespeichers gezogen werden. Gleiches gilt für die aus der Spannungsinformation typischerweise ebenso ableitbare Phasenverschiebung. If then, in the context of carrying out the method according to the invention at a known temperature, applying an alternating current with a defined frequency, it can be determined on the basis of the voltage information determined z. B. derivable impedance to draw a conclusion on the state of charge of the energy storage. The same applies to the phase shift typically also derived from the voltage information.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers. Die Vorrichtung, welche als Messvorrichtung bezeichnet werden kann ist derart ausgebildet bzw. konfiguriert, dass sie eine die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher angebende Spannungsinformation ermitteln kann. Die Vorrichtung ist ferner derart ausgebildet bzw. konfiguriert, dass sie anhand der Spannungsinformation den Ladezustand des Energiespeichers ermitteln kann. The invention further relates to a device for determining the state of charge of a rechargeable electric energy storage. The device, which may be referred to as a measuring device, is configured or configured in such a way that it can determine a voltage information indicating the voltage of the energy store when applying an alternating current with a defined frequency to the energy store. The device is further configured or configured such that it can determine the state of charge of the energy store on the basis of the voltage information.

Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen, vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Entsprechend gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog für die erfindungsgemäße Vorrichtung. The device is designed in particular for carrying out the method according to the invention described above. Accordingly, all statements in connection with the method according to the invention apply analogously to the device according to the invention.

Zweckmäßig ist die Vorrichtung ferner zur Ermittlung einer die Temperatur des Energiespeichers angebenden Temperaturinformation ausgebildet, wobei sie derart konfiguriert ist, dass die Frequenz des Wechselstroms in Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation angegebenen Temperatur gewählt ist. Hierfür umfasst die Vorrichtung geeignete Sensoren, die eine unmittelbare oder mittelbare Ermittlung der Temperatur des Energiespeichers ermöglichen. Suitably, the device is further designed to determine a temperature information of the energy storage indicating temperature, wherein it is configured such that the frequency of the alternating current is selected in dependence on the temperature indicated by the temperature information. For this purpose, the device comprises suitable sensors which enable a direct or indirect determination of the temperature of the energy store.

Die Vorrichtung kann ein Speichermittel umfassen, in welchem Wechselstromfrequenzen hinterlegt sind, bei welchen der Verlauf der Impedanz des Energiespeichers oder einer mit der Impedanz korrelierten Größe für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers, insbesondere für einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist. The device may comprise a storage means in which AC frequencies are stored, in which the course of the impedance of the energy store or a correlated with the impedance variable for different states of charge of the energy storage, in particular for a minimum state of charge and a maximum state of charge, at a given temperature is maximum ,

In demselben oder einem anderen, der Vorrichtung zugehörigen Speichermittel kann ferner eine Korrelationsfunktion, die eine Korrelation zwischen einer elektrischen Spannung bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher und einem Ladezustand des Energiespeichers angibt, hinterlegt sein. In the same or another, the device associated memory means may be further deposited a correlation function indicating a correlation between an electrical voltage when applying the alternating current to the energy storage and a state of charge of the energy storage.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt: Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings. Showing:

1 einen Ablaufplan eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; 1 a flowchart of a method according to an exemplary embodiment of the invention;

2 einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers während eines Ladevorgangs; 2 a profile of the voltage versus the state of charge of a lithium-ion energy storage during a charging process;

3 einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers während eines Entladevorgangs; 3 a profile of the voltage versus the state of charge of a lithium-ion energy storage during a discharge process;

4–6 je einen Verlauf der Impedanz |Z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einer gegebenen Temperatur; 4 - 6 each one course of the impedance | Z | against the frequency of an alternating current for different states of charge of a lithium-ion energy store at a given temperature;

7–9 je einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einer gegebenen Temperatur; 7 - 9 depending on a curve of the phase shift Θ against the frequency of an alternating current for different states of charge of a lithium-ion energy storage at a given temperature;

10 einen Verlauf der Impedanz |Z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50%; 10 a profile of the impedance | Z | against the frequency of an alternating current for different temperatures of a lithium-ion energy store at a respective state of charge of 50%;

11 einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50%; 11 a curve of the phase shift Θ against the frequency of an alternating current for different temperatures of a lithium-ion energy storage at a respective state of charge of 50%;

12 einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Impedanz |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur; 12 a relationship between frequencies of an alternating current for the impedance | Z | a lithium-ion energy storage and its temperature;

13 einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Phasenverschiebung Θ eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur; 13 a relationship between frequencies of an alternating current for the phase shift Θ of a lithium-ion energy storage and its temperature;

14 einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen Temperatur gemessenen Impedanzen |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand; 14 a relationship between impedances | Z | measured at a given temperature a lithium-ion energy storage and its state of charge;

15 einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen Temperatur gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand; 15 a relationship between measured at a given temperature phase shifts Θ a lithium-ion energy storage and its state of charge;

16 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Impedanzen |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand; 16 a relationship between measured impedances | Z | a lithium-ion energy storage and its temperature and state of charge;

17 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand; und 17 a relationship between measured phase shifts Θ of a lithium-ion energy storage and its temperature and state of charge; and

18 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 18 a device according to the invention for carrying out the method according to the invention.

1 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren dient der Ermittlung eines Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers. Bei dem Energiespeicher handelt es sich typischerweise um einen Lithium-Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium-Ionen-Akkumulator, im Weiteren abgekürzt nur noch als Energiespeicher bezeichnet. Der Energiespeicher weist eine negative Elektrode (Anode) aus Lithium-Titanat und eine positive Elektrode (Kathode) aus Lithium-Eisen-Phosphat auf. 1 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment of the invention. The method is used to determine a state of charge of a rechargeable electric energy storage. The energy store is typically a lithium-ion energy store or lithium-ion accumulator, hereinafter referred to merely as an energy store. The energy storage device has a lithium titanate negative electrode (anode) and a lithium iron phosphate positive electrode (cathode).

2 zeigt einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines solchen Energiespeichers während eines Ladevorgangs. 3 zeigt einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines solchen Energiespeichers während eines Entladevorgangs. Wie sich aus 2 ergibt, zeigt die Spannung des Energiespeichers während des Ladens über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 und 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 10 bis ca. 95% einen konstanten Verlauf. Die Spannung liegt hier konstant bei ca. 1,80 Volt. Wie sich aus 3 ergibt, zeigt die Spannung des Energiespeichers auch während des Entladens über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 und 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 90 bis ca. 10% einen konstanten Verlauf. Die Spannung liegt hier konstant bei ca. 1,85 Volt. 2 shows a profile of the voltage against the state of charge of such an energy storage device during a charging process. 3 shows a profile of the voltage against the state of charge of such an energy storage during a discharge. As it turned out 2 shows, the voltage of the energy storage during charging over a state of charge between the charge state limits of 0 and 100% charge state interval of about 10 to about 95%, a constant course. The voltage here is constant at about 1.80 volts. As it turned out 3 results, the voltage of the energy storage during the discharge over a lying between the state of charge limits of 0 and 100% charge state interval of about 90 to about 10% a constant course. The voltage here is constant at approx. 1.85 volts.

Diese flachen Kennlinien des Energiespeichers sind dadurch bedingt, dass die Elektrodenmaterialien während des Ladens bzw. Entladens des Energiespeichers jeweils einen Phasenübergang durchgehen. Diese flachen Kennlinien des Energiespeichers, drücken sich im Übrigen auch in Spannungsdifferentialen in den genannten Ladezustandsintervallen aus, d. h. die Spannungsdifferentiale sind den genannten Ladezustandsintervallen gleich Null. These flat characteristics of the energy storage are due to the fact that the electrode materials each pass through a phase transition during charging or discharging of the energy storage. These flat characteristics of the energy storage, are also expressed in voltage differentials in the mentioned state of charge intervals, d. H. the voltage differentials are equal to zero at said charge state intervals.

Anhand der 2, 3 ist ferner ersichtlich, dass sich für derartige Energiespeicher aufgrund des konstanten Spannungsverlaufs über ein weites Ladezustandsintervall sowohl während des Ladens als auch während des Entladens kein Zusammenhang zwischen Spannung und Ladezustand herstellen lässt. Insbesondere ist kein in situ Verfahren bekannt, dass eine sinnvolle Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers ermöglicht. Based on 2 . 3 It can also be seen that due to the constant voltage curve over a wide state of charge interval during charging as well as during discharging, no such relationship between voltage and state of charge can be established for such energy stores. In particular, no in situ method is known that allows a meaningful determination of the state of charge of the energy storage.

Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt zur Ermittlung des Ladezustands eines entsprechenden Energiespeichers einen besonderen technischen Ansatz vor. Wieder Bezug nehmend auf 1 ist es dabei vorgesehen, zunächst die Temperatur des Energiespeichers zu messen (vgl. Kasten 1). Hierzu wird über eine geeignete Temperatursensorik eine die Temperatur des Energiespeichers unmittelbar oder mittelbar angebende Temperaturinformation ermittelt. The method according to the invention proposes a special technical approach for determining the state of charge of a corresponding energy store. Again referring to 1 It is intended to first measure the temperature of the energy store (see box 1 ). For this purpose, a temperature information of the energy store directly or indirectly indicating temperature information is determined by a suitable temperature sensor.

In Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation beschriebenen Temperatur des Energiespeichers wird ein Wechselstrom AC einer definierten Frequenz f ausgewählt (vgl. Kasten 2) und an den Energiespeicher angelegt (vgl. Kasten 3). Depending on the temperature of the energy store described by the temperature information, an alternating current AC of a defined frequency f is selected (see Box 2 ) and applied to the energy storage (see box 3 ).

Das Anlegen des Wechselstroms AC (vgl. Kasten 3) an den Energiespeicher bedingt eine bestimmte messbare Spannungsantwort des Energiespeichers. Bei der Spannungsantwort des Energiespeichers handelt es sich typischerweise um eine durch den aufgebrachten Wechselstrom ausgebildete Wechselspannung. The application of the alternating current AC (see box 3 ) to the energy storage requires a certain measurable voltage response of the energy storage. The voltage response of the energy storage device is typically an alternating voltage formed by the applied alternating current.

Die sich während des Anlegens des Wechselstroms in dem Energiespeicher ausbildende Spannung oder eine mit dieser korrelierende Größe wird ermittelt und durch eine Spannungsinformation beschrieben (vgl. Kasten 4). Die Spannungsinformation gibt grundsätzlich unmittelbar oder mittelbar die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms an. Insbesondere gibt die Spannungsinformation den Wechselstromwiderstand, d. h. die Impedanz |Z| und/oder eine den Phasenwinkel zwischen angelegtem Wechselstrom und gemessener elektrischer Spannung entsprechende Phasenverschiebung Θ an. The voltage which forms during the application of the alternating current in the energy store or a variable correlating therewith is determined and described by voltage information (cf. 4 ). The voltage information basically always directly or indirectly indicates the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied. In particular, the voltage information gives the AC resistance, that is, the impedance | Z | and / or a phase angle between applied AC and measured electrical voltage corresponding phase shift Θ on.

Anhand der Spannungsinformation bzw. der in dieser enthaltenen Größen, d. h. insbesondere der Impedanz |Z| und/oder der Phasenverschiebung Θ können Rückschlüsse auf den in 1 kurz als SOC (engl. state of charge) bezeichneten Ladezustand des Energiespeichers gezogen werden (vgl. Kasten 5). Based on the voltage information or the variables contained in this, ie in particular the impedance | Z | and / or the phase shift Θ can draw conclusions on the in 1 briefly referred to as SOC (state of charge) state of charge of the energy storage are drawn (see box 5 ).

Wie es zu der Auswahl der Wechselstromfrequenz und insbesondere der Korrelation zwischen Spannungsinformation, d. h. insbesondere Impedanz |Z| und Phasenverschiebung Θ, und Ladezustand des Energiespeichers kommt, wird mit Bezug auf die weiteren 4–17 erläutert. As for the selection of the AC frequency and in particular the correlation between voltage information, ie in particular impedance | Z | and phase shift Θ, and state of charge of the energy store comes with reference to the other 4 - 17 explained.

Grundsätzlich sind hierfür Untersuchungen eines mit dem Energiespeicher, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, identischen Referenzenergiespeichers erforderlich. Die Auswahl der Frequenz des Wechselstroms erfolgt anhand von erfassten Impedanzspektren des Referenzenergiespeichers bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen des Referenzenergiespeichers. Die aus diesen einer Kalibrierung entsprechenden Untersuchungen erhaltenen Kenntnisse bzw. Zusammenhänge können gespeichert und auf den Energiespeicher, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, übertragen werden. In principle, investigations of a reference energy store identical to the energy store whose state of charge is to be determined are required for this purpose. The selection of the frequency of the alternating current is based on detected impedance spectra of the reference energy storage at different temperatures and different states of charge of the reference energy storage. The knowledge or correlations obtained from these investigations corresponding to a calibration can be stored and transferred to the energy store whose state of charge is to be determined.

Die 4–6 zeigen je einen Verlauf der Impedanz |Z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einer gegeben Temperatur. Die 7–9 zeigen entsprechend je einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einer gegeben Temperatur. The 4 - 6 each show a course of the impedance | Z | against the frequency of an alternating current for different states of charge of a lithium-ion energy store at a given temperature. The 7 - 9 Accordingly, each show a course of the phase shift Θ against the frequency of an alternating current for different states of charge of a lithium-ion energy storage at a given temperature.

Die 4, 7 zeigen eine Messung der Impedanz |Z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer ersten Temperatur T₁. Anhand der 4, 7 lässt sich erkennen, dass die Impedanz |Z| bzw. die Phasenverschiebung Θ grundsätzlich vom Ladezustand des Energiespeichers abhängt. Dies gilt insbesondere für den Frequenzbereich von 10^–2 Hertz bis 2 Hertz. Ersichtlich liegt die einen Ladezustand von 1% repräsentierende Kurve 6 in diesem Frequenzbereich oberhalb der einen Ladezustand von 99% repräsentierenden Kurve 7. The 4 . 7 show a measurement of the impedance | Z | or the phase shift Θ at a first temperature T ₁ . Based on 4 . 7 it can be seen that the impedance | Z | or the phase shift Θ basically depends on the state of charge of the energy storage. This applies in particular to the frequency range from 10 ^-2 hertz to 2 hertz. It can be seen that the curve representing a state of charge of 1% lies 6 in this frequency range above the 99% state of charge curve 7 ,

Die Beobachtung gilt auch für die Messung der Impedanz |Z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer oberhalb der ersten Temperatur T₁ liegenden zweiten Temperatur T₂ (vgl. 5, 8) sowie für die Messung der Impedanz |Z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer oberhalb der zweiten Temperatur T₂ liegenden dritten Temperatur T₃ (vgl. 6, 9). The observation also applies to the measurement of the impedance | Z | or the phase shift Θ at a second temperature T ₂ lying above the first temperature T ₁ (cf. 5 . 8th ) as well as for the measurement of the impedance | Z | or the phase shift Θ at a lying above the second temperature T ₂ third temperature T ₃ (see. 6 . 9 ).

Selbstverständlich können die Messungen bei den jeweiligen Temperaturen auch durch Impedanz- bzw. Phasenverschiebungsverläufe bei weiteren Ladezuständen des Energiespeichers ergänzt werden. Hierbei ist ebenso zu erkennen, dass für eine gegebene Temperatur und eine gegebenen Wechselstromfrequenz vergleichsweise hohe Impedanzen |Z| bzw. Phasenverschiebungen Θ für niedrige Ladezustände und demnach vergleichsweise niedrige Impedanzen |Z| bzw. Phasenverschiebungen Θ für hohe Ladezustände gemessen werden. Of course, the measurements at the respective temperatures can also be supplemented by impedance or phase shift characteristics with further charge states of the energy store. It can also be seen that for a given temperature and given AC frequency, comparatively high impedances | Z | or phase shifts Θ for low charge states and therefore comparatively low impedances | Z | or phase shifts Θ are measured for high states of charge.

Anhand geeigneter mathematischer Auswertealgorithmen wird in den jeweiligen Messungen für jede gemessene Frequenz der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 ermittelt. Es wird dann eine Frequenz ausgewählt, bei der der Abstand zwischen den jeweiligen Verläufen der Impedanz |Z| bzw. der Phasenverschiebung Θ maximal ist. Dies ist bei der in 4 gezeigten Messung bei einer Frequenz von ca. 0,03 Hertz der Fall, da bei dieser Frequenz der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 maximal ist (vgl. Markierung 8). Wie sich aus 7 ergibt, ist für die entsprechende Messung der Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,4 Hertz gegeben (vgl. Markierung 8). Based on suitable mathematical evaluation algorithms, the distance between the curves for each measured frequency is determined in the respective measurements 6 . 7 determined. A frequency is then selected in which the distance between the respective courses of the impedance | Z | or the phase shift Θ is maximum. This is at the in 4 shown measurement at a frequency of about 0.03 Hertz, since at this frequency the distance between the curves 6 . 7 is maximum (see mark 8th ). As it turned out 7 results, is for the corresponding measurement of the phase shift Θ a maximum distance between the curves 6 . 7 given at a frequency of about 0.4 hertz (see mark 8th ).

Bei den in den 6, 8 gezeigten Messungen bei der im Vergleich zu der Temperatur T₁ höheren Temperatur T₂ ergibt sich für die Impedanz |Z| ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,1 Hertz und für die Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 2 Hertz (vgl. die jeweiligen Markierungen 8). In the in the 6 . 8th The measurements shown at the higher temperature T ₂ compared to the temperature T ₁ are obtained for the impedance | Z | a maximum distance between the curves 6 . 7 at a frequency of about 0.1 Hertz and for the phase shift Θ a maximum distance between the curves 6 . 7 at a frequency of about 2 hertz (see the respective markings 8th ).

Bei den in den 7, 9 gezeigten Messungen bei der im Vergleich zu der Temperatur T₂ höheren Temperatur T₃ ergibt sich für die Impedanz |Z| ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,45 Hertz und für die Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 5 Hertz (vgl. die jeweiligen Markierungen 8). In the in the 7 . 9 The measurements shown at the higher temperature T ₃ compared to the temperature T ₂ are obtained for the impedance | Z | a maximum distance between the curves 6 . 7 at a frequency of about 0.45 Hertz and for the phase shift Θ a maximum distance between the curves 6 . 7 at a frequency of about 5 hertz (see the respective markings 8th ).

Die in den 4–6 bzw. in den 7–9 dargestellten Messergebnisse werden nun dazu verwendet, einen Zusammenhang zwischen den jeweiligen Frequenzen, bei denen der Abstand zwischen den unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers anzeigenden Kurven 6, 7 maximal ist, und der Temperatur des Energiespeichers herzustellen. Dies erfolgt z. B. durch entsprechende in den 12, 13 dargestellte Auftragungen. The in the 4 - 6 or in the 7 - 9 The measurement results shown are now used to establish a relationship between the respective frequencies, in which the distance between the different states of charge of the energy storage indicating curves 6 . 7 is maximum, and to establish the temperature of the energy storage. This is done z. B. by appropriate in the 12 . 13 Plots shown.

Zunächst soll jedoch anhand der 10, 11 veranschaulicht werden, dass die Temperatur des Energiespeichers bei einem konstanten Ladezustand von 50% einen Einfluss auf die gemessene Impedanz |Z| bzw. die Phasenverschiebung θ hat. First, however, based on the 10 . 11 be illustrated that the temperature of the energy storage at a constant state of charge of 50%, an impact on the measured impedance | Z | or the phase shift θ has.

10 zeigt einen Verlauf der Impedanz |Z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50% und 11 zeigt entsprechend einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50%. Die dargestellten Kurven stehen jeweils für unterschiedliche Temperaturen des Energiespeichers. Kurve 9 repräsentiert eine Temperatur von 0°C, Kurve 10 eine Temperatur von 25°C und Kurve 11 eine Temperatur von 40°C. 10 shows a course of the impedance | Z | against the frequency of an alternating current for different temperatures of a lithium-ion energy store at a respective state of charge of 50% and 11 shows a course of the phase shift Θ against the frequency of an alternating current for different temperatures of a lithium-ion energy storage at a respective state of charge of 50%. The curves shown are each for different temperatures of the energy storage. Curve 9 represents a temperature of 0 ° C, curve 10 a temperature of 25 ° C and curve 11 a temperature of 40 ° C.

Die in den 10, 11 gezeigten Impedanzspektren zeigen den erheblichen Einfluss der Temperatur auf die gemessenen Größen Impedanz |Z| und Phasenverschiebung θ. Sowohl der Anstieg der Impedanz |Z| als auch der Peak in der Phasenverschiebung θ sind bei der eine Temperatur von 0°C repräsentierenden Kurve 10 zu niedrigeren Frequenzen verschoben. The in the 10 . 11 shown impedance spectra show the significant influence of temperature on the measured quantities impedance | Z | and phase shift θ. Both the increase of the impedance | Z | and the peak in the phase shift θ are at the temperature representing 0 ° C 10 moved to lower frequencies.

12 zeigt einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Messungen der Impedanz |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur. Aufgetragen sind dabei die in den 4–6 dargestellten Messergebnisse. Es ist also die Frequenz, bei der der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 in den in den 4–6 dargestellten Messungen jeweils maximal ist, mit der jeweils zugehörigen Temperatur des Energiespeichers während der Messung korreliert aufgetragen. Die einzelnen Punkte sind durch eine Fit-Kurve verbunden. 12 shows a relationship between frequencies of an alternating current for the measurements of the impedance | Z | a lithium-ion energy storage and its temperature. Plotted are the in the 4 - 6 shown measurement results. So it's the frequency at which the distance between the curves 6 . 7 in the in the 4 - 6 each measurement is maximum, plotted correlated with the respective associated temperature of the energy storage during the measurement. The individual points are connected by a fit curve.

13 zeigt entsprechend einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Phasenverschiebung Θ eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur. Aufgetragen sind dabei entsprechend die in den 7–9 dargestellten Messergebnisse. Es ist auch hier die Frequenz, bei der der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 in den in den 7–9 dargestellten Messungen jeweils maximal ist, mit der jeweils zugehörigen Temperatur des Energiespeichers während der Messung korreliert aufgetragen. Die einzelnen Punkte sind auch hier durch eine Fit-Kurve verbunden. 13 shows a correlation between frequencies of an alternating current for the phase shift Θ a lithium-ion energy storage and its temperature. Plotted are accordingly in the 7 - 9 shown measurement results. It is also here the frequency at which the distance between the curves 6 . 7 in the in the 7 - 9 each measurement is maximum, plotted correlated with the respective associated temperature of the energy storage during the measurement. The individual points are also connected here by a fit curve.

Wie die Korrelation mit der durch die Spannungsinformation ausgedrückten Größen Impedanz |Z| und Phasenverschiebung Θ und dem Ladezustand des Energiespeichers zustande kommt, wird mit Bezug auf die 14, 15 erläutert. Grundsätzlich wird die Korrelation zwischen der bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelten Spannungsinformation, d. h. insbesondere der Impedanz |Z| bzw. der Phasenverschiebung Θ, und dem Ladezustand des Energiespeichers derart ermittelt, dass bei einem Referenzenergiespeicher für unterschiedliche Ladezustände und unterschiedliche Temperaturen jeweils Spannungsinformationen ermittelt werden. As the correlation with the quantities expressed by the voltage information Impedance | Z | and phase shift Θ and the state of charge of the energy storage is achieved, with reference to the 14 . 15 explained. In principle, the correlation between the voltage information determined when the alternating current is applied to the energy store, ie in particular the impedance | Z | or the phase shift Θ, and the state of charge of the energy storage determined such that in a reference energy storage for different states of charge and different temperatures each voltage information can be determined.

14 zeigt einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen konstanten Temperatur gemessenen Impedanzen |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand. 15 zeigt entsprechend einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen konstanten Temperatur gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand. 14 shows a relationship between impedances | Z | measured at a given constant temperature a lithium-ion energy storage and its state of charge. 15 shows correspondingly a relationship between measured at a given constant temperature phase shifts Θ a lithium-ion energy storage and its state of charge.

Die in den 14, 15 gezeigten Messergebnisse basieren auf Untersuchungen von Referenzenergiespeichern, die jeweils mit Wechselströmen mit den in den 4–6 bzw. 7–9 markierten (vgl. Markierung 8) Wechselstromfrequenzen beaufschlagt wurden. The in the 14 . 15 The measurement results shown are based on studies of reference energy storage, each with alternating currents with in the 4 - 6 respectively. 7 - 9 marked (see mark 8th ) AC frequencies were applied.

Die in 14 dargestellte Messung zeigt gemessene Impedanzen |Z| für unterschiedliche Ladezuständen des Energiespeichers bei einer konstanten Temperatur, welche z. B. der Temperatur T₁ entspricht. Entsprechend wurden die unterschiedlich geladenen Energiespeicher für die Messung bei der Temperatur T₁ mit einem definierten Wechselstrom mit der in 4 markierten Frequenz, bei der ein maximaler Abstand zwischen den in 4 gezeigten Kurven 6, 7 gegeben ist, beaufschlagt. In the 14 The measurement shown shows measured impedances | Z | for different states of charge of the energy storage at a constant temperature, which z. B. the temperature T ₁ corresponds. Accordingly, the differently charged energy storage for the measurement at the temperature T ₁ with a defined alternating current with in 4 marked frequency at which a maximum distance between the in 4 shown curves 6 . 7 is given, charged.

14 zeigt für die gegebenen Randbedingungen, d. h. Temperatur und Wechselstromfrequenz, bestimmte gemessene Impedanzen für bestimmte Ladezustände, so dass hier ein Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz |Z| und dem Ladezustand des Energiespeichers erkennbar ist. Ersichtlich sind auch hier die einzelnen Punkte durch eine Fit-Kurve verbunden. 14 shows for the given boundary conditions, ie temperature and AC frequency, certain measured impedances for certain states of charge, so here is a relationship between the measured impedance | Z | and the state of charge of the energy storage is recognizable. Obviously, the individual points are also connected by a fit curve.

Zweckmäßig werden der in 14 dargestellten Messung entsprechende Messungen für weitere Temperaturen, d. h. insbesondere die in den in den 5, 6 gezeigten Messungen gegebenen Temperaturen T₂, T₃, durchgeführt. Hierbei werden selbstverständlich an die Energiespeicher Wechselströme mit den jeweiligen Frequenzen, bei denen der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 maximal ist, angelegt. Appropriately, the in 14 shown measurement corresponding measurements for other temperatures, ie in particular in the in the 5 . 6 shown measurements T ₂ , T ₃ , performed. Here, of course, to the energy storage alternating currents with the respective frequencies, in which the distance between the curves 6 . 7 is maximum, created.

Die den in 14 für die Impedanz |Z| gezeigten Messungen entsprechenden Messungen für die Phasenverschiebung Θ sind in 15 gezeigt. Auch hier ist ein Zusammenhang zwischen den Ladezuständen des Energiespeichers und der gemessenen Phasenverschiebung Θ erkennbar. The in 14 for the impedance | Z | Measurements for the phase shift Θ shown in FIG 15 shown. Again, a relationship between the states of charge of the energy storage and the measured phase shift Θ can be seen.

Anhand sämtlicher in den 4 15 dargestellter Messergebnisse lassen sich die in den 16, 17 gezeigten Diagramme erstellen. Dabei zeigt 16 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Impedanzen |Z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand, 17 zeigt einen Zusammenhang zwischen gemessenen Phasenverschiebungen Θ des Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand. On the basis of all in the 4 15 shown measurement results can be in the 16 . 17 create diagrams. It shows 16 a relationship between measured impedances | Z | a lithium-ion energy storage and its temperature and state of charge, 17 shows a relationship between measured phase shifts Θ of the lithium-ion energy storage and its temperature and state of charge.

Diese Art der Auftragung ist insbesondere deshalb zweckmäßig, da hierdurch ein übersichtlicher Zusammenhang zwischen allen relevanten Größen, d. h. den gemessenen Größen Temperatur und Impedanz |Z| bzw. Phasenverschiebung Θ und dem jeweiligen Ladezustand des Energiespeichers hergestellt ist. This type of application is therefore particularly expedient, as a result, a clear relationship between all relevant variables, d. H. the measured quantities temperature and impedance | Z | or phase shift Θ and the respective state of charge of the energy storage is made.

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird insbesondere mit einer in 18 gezeigten, erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 durchgeführt. The method described above is used in particular with a in 18 shown device according to the invention 12 carried out.

Die Vorrichtung 12 ist zur Ermittlung einer die elektrische Spannung des zu vermessenden Energiespeichers 13 bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher angebenden Spannungsinformation und zur Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation ausgebildet. The device 12 is for determining a the electrical voltage of the energy storage to be measured 13 formed upon application of an alternating current with a defined frequency to the energy storage voltage information and for determining the state of charge of the energy storage based on the voltage information.

Hierzu umfasst die Vorrichtung 12 eine Einheit 14 zur Erzeugung eines an den Energiespeicher 13 anzulegenden Wechselstroms und eine Einheit 15 zur Ermittlung der Spannungsantwort des Energiespeichers 13 bei Anlegen des Wechselstroms respektive einer die Spannungsantwort angebenden Spannungsinformation. Die Vorrichtung 12 umfasst ferner eine, insbesondere als Temperatursensorik, ausgebildete Einheit 16 zur Ermittlung einer die Temperatur des Energiespeichers 13 angebenden Temperaturinformation. For this purpose, the device comprises 12 one unity 14 for generating a to the energy storage 13 to be applied alternating current and one unit 15 for determining the voltage response of the energy store 13 when applying the alternating current or a voltage information indicating the voltage response. The device 12 further comprises a, in particular as a temperature sensor, formed unit 16 for determining a temperature of the energy store 13 indicating temperature information.

Der Vorrichtung 12 umfasst zudem ein Speichermittel 17, in welchem Wechselstromfrequenzen hinterlegt sind, bei welchen der Verlauf der Impedanz |Z| des Energiespeichers 13 oder einer mit der Impedanz |Z| korrelierten Größe, wie insbesondere der Phasenverschiebung Θ, für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers 13, insbesondere für einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist. The device 12 also includes a storage means 17 , in which AC frequencies are stored, in which the course of the impedance | Z | of the energy store 13 or one with the impedance | Z | correlated size, in particular the phase shift Θ, for different states of charge of the energy storage 13 , in particular for a minimum state of charge and a maximum state of charge, is maximum at a given temperature.

Daneben ist in dem Speichermittel 17 eine Korrelationsfunktion, die eine Korrelation zwischen einer elektrischen Spannung bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher 13 und einem Ladezustand des Energiespeichers 13 angibt, hinterlegt. In addition, in the storage means 17 a correlation function, which is a correlation between an electrical voltage when applying the alternating current to the energy storage 13 and a state of charge of the energy storage 13 indicates deposited.

Die Korrelationsfunktion kann beispielsweise die in den in den 4–14 und insbesondere in den 15, 16 gezeigten Informationen umfassen, so dass es auf einfache Weise und ohne großen Rechenaufwand möglich ist, bei jeder Temperatur eine geeignete Frequenz für den an den Energiespeicher 13 anzulegenden Wechselstrom auszusuchen und anhand der während des Anlegens des Wechselstroms ermittelten Spannungsinformation Rückschlüsse auf den Ladezustand des Energiespeichers 10 zu ziehen. The correlation function, for example, in the in the 4 - 14 and in particular in the 15 . 16 include information shown, so that it is possible in a simple manner and without much computational effort, at any temperature a suitable frequency for the to the energy storage 13 To select to be applied alternating current and based on the voltage information determined during the application of the alternating current conclusions on the state of charge of the energy storage 10 to draw.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Method for determining the state of charge of a rechargeable electric energy store, characterized by the steps: Applying an alternating current with a defined frequency to the energy store, Determining a voltage information indicating the electrical voltage of the energy store when the alternating current is applied, - Determining the state of charge of the energy storage based on the voltage information.

A method according to claim 1, characterized in that prior to the application of the alternating current determining a temperature of the energy storage indicative temperature information is carried out, wherein the frequency of the alternating current is selected in dependence of the temperature indicated by the temperature information.

A method according to claim 2, characterized in that the selection of the frequency of the alternating current based on detected impedance spectra of a reference energy storage is carried out at different temperatures and different states of charge of the reference energy storage.

A method according to claim 3, characterized in that a frequency is selected at which the course of the impedance of the reference energy storage or an impedance correlated size for different states of charge of the reference energy storage, in particular for a minimum state of charge and a maximum state of charge, at a given temperature maximum is.

A method according to claim 4, characterized in that as a given temperature at least one for the operation of the reference energy storage minimum permissible temperature and / or a maximum permissible for the operation of the reference energy storage temperature is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the state of charge is determined based on the voltage information on the basis of a determined correlation between the electrical voltage of the energy store when applying the alternating current and the state of charge of the energy store.

Method according to claim 6, that the correlation between the voltage information determined upon application of the alternating current to the energy store and the state of charge of the energy store is determined in such a way that voltage information is determined in each case for a reference energy store for different states of charge and different temperatures.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage information indicates the AC resistance or a phase angle between the alternating current and electrical voltage corresponding phase shift.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the state of charge of a rechargeable electric energy storage device whose open-circuit voltage is constant over a certain state of charge interval, which state of charge interval is within charge state limits between 0 and 100%, is determined.

A method according to claim 9, characterized in that the state of charge of an energy storage is determined with a lithium iron phosphate formed from the first electrode and a second electrode formed from lithium titanate.

Contraption ( 12 ) for determining the state of charge of a rechargeable electric energy store ( 13 ), characterized in that they are used to determine - one the electrical voltage of the energy store ( 13 ) when applying an alternating current having a defined frequency to the energy store ( 13 ) indicating voltage information, and for - determining the state of charge of the energy store ( 13 ) is formed on the basis of the voltage information.

Apparatus according to claim 11, characterized in that it further for determining a temperature of the energy store ( 13 ) is configured, wherein it is configured such that the frequency of the alternating current is selected in dependence on the temperature indicated by the temperature information.

Apparatus according to claim 11 or 12, characterized in that it comprises a storage means ( 17 ), in which AC frequencies are stored, in which the course of the impedance of the energy store ( 13 ) or a variable correlated with the impedance for different states of charge of the energy store ( 13 ), in particular for a minimum state of charge and a maximum state of charge, is maximal at a given temperature.

Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that it comprises a storage means ( 17 ), in which a correlation function which determines a correlation between an electrical voltage when the alternating current is applied to the energy store ( 13 ) and a state of charge of the energy store ( 13 ), is deposited.