DE102013226925A1 - Hybrid determination of an equivalent circuit electrochemical energy storage - Google Patents

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Thorsten Kroker
Jens Robschink
Rainer Fuessler
Simon Calles
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Abstract

Es werden ein elektronisches Steuergerät, ein Fortbewegungsmittel mit einem elektronischen Steuergerät und ein Verfahren zur Ermittlung der Komponenten einer Ersatzschaltung (1) eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte Ermitteln eines ersten Parameters einer ersten Komponente (R0, R1, C1) der Ersatzschaltung (1) über eine periodische Anregung des Energiespeichers mit veränderlicher Frequenz, Ermitteln eines zweiten Parameters einer zweiten Komponente (R2, C2) der Ersatzschaltung (1) über eine stufenförmige Anregung, wobei die periodische Anregung bis zu einer unteren Grenzfrequenz vorgenommen wird, und wobei die Grenzfrequenz oberhalb eines Frequenzbereiches liegt, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre.An electronic control unit, a means of locomotion with an electronic control unit and a method for determining the components of an equivalent circuit (1) of an electrochemical energy store are proposed. The method comprises the steps of determining a first parameter of a first component (R0, R1, C1) of the equivalent circuit (1) via a periodic excitation of the energy store with variable frequency, determining a second parameter of a second component (R2, C2) of the equivalent circuit (1 ) via a step-like excitation, wherein the periodic excitation is made up to a lower limit frequency, and wherein the cut-off frequency is above a frequency range which would be required to determine the second parameter by means of the periodic excitation.

Description

Stand der Technik State of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ermittlung der Komponenten einer Ersatzschaltung eines elektrochemischen Energiespeichers sowie ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes elektronisches Steuergerät und ein Fortbewegungsmittel mit einem solchen elektronischen Steuergerät. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur verbesserten/genaueren Bestimmung der Parameter sowie Möglichkeiten der Zeitersparnis. The present invention relates to the determination of the components of an equivalent circuit of an electrochemical energy storage device and to an electronic control device configured for carrying out the method and a means of locomotion with such an electronic control device. In particular, the present invention relates to a possibility for improved / more accurate determination of the parameters and ways of saving time.

Um eine Batteriezelle zu charakterisieren, werden im Stand der Technik Ersatzschaltbilder und verschiedene Methoden zur Ermittlung ihrer Werte eingesetzt. Ein Beispiel ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), ein anderes Beispiel ist die Strompulsmethode. Beide Methoden sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Jede für sich ermöglicht die Bestimmung der Werte ("Parameter") der diskreten Komponenten der Ersatzschaltbilder und haben beide ihre Stärken und Schwächen. In order to characterize a battery cell, equivalent circuits and various methods for determining their values are used in the prior art. An example is the electrochemical impedance spectroscopy (EIS), another example is the current pulse method. Both methods are basically known in the prior art. Each of them makes it possible to determine the values ("parameters") of the discrete components of the equivalent circuit diagrams and both have their strengths and weaknesses.

DE 10 2007 061 122 A1 zeigt ein Verfahren und ein System zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers, bei welchem eine zyklische Anregung des elektrochemischen Energiespeichers und eine Überwachung dessen Reaktion während transienter Abschnitte erfolgen. Durch ein variables Zeitverhalten bei der Ansteuerung einer Lasteinrichtung werden auch unterschiedliche Frequenzen ermöglicht. DE 10 2007 061 122 A1 shows a method and a system for monitoring an electrochemical energy storage, in which a cyclic excitation of the electrochemical energy storage and monitoring its reaction take place during transient sections. By a variable timing in the control of a load device and different frequencies are possible.

US 6,687,631 B2 zeigt ein Impedanzspektrometer und ein zugehöriges Verfahren, bei welchem eine Laplace-Transformation auf Basis von Messgrößen durchgeführt wird, welche auf unterschiedliche Weisen ermittelt werden. Als nachteilig an der Verwendung harmonischer Frequenzen nennt das Dokument den Hardwareaufwand und den Zeitbedarf. US 6,687,631 B2 shows an impedance spectrometer and an associated method in which a Laplace transform is performed on the basis of measured variables, which are determined in different ways. As a disadvantage of the use of harmonic frequencies, the document calls the hardware and the time required.

EP 1 590 679 B1 zeigt ein Verfahren zur Schätzung von Zustandsgrößen und Parametern für einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei der elektrochemische Energiespeicher durch mehrere Teilmodelle abgebildet wird, welche bei unterschiedlichen Frequenzbereichen unterschiedlich gut zutreffen. Daher wird den Teilmodellen ein angepasster Filter vorgeschaltet, um die Abbildungsgenauigkeit des Gesamtmodels zu verbessern. EP 1 590 679 B1 shows a method for estimating state variables and parameters for an electrochemical energy storage, wherein the electrochemical energy storage is represented by a plurality of submodels, which apply differently well at different frequency ranges. Therefore, the submodels are preceded by a matched filter to improve the imaging accuracy of the overall model.

Wird eine Impedanzmessung (IM) beispielsweise an einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (LIB) durchgeführt, kann durch die Zerlegung der Impedanz ein Real- und ein Imaginärteil für eine jede gemessene Frequenz bestimmt werden. In der Regel werden die gesammelten Daten als Nyquist-Plot (NYP) dargestellt. In diesem wird der Imaginärteil des Widerstandes gegen den Realteil aufgetragen. Jeder einzelne Wert stellt eine bestimmte Messfrequenz dar. Aus der Nyquist-Darstellung lassen sich verschiedene ESB ableiten. In 1 ist eine exemplarische Anordnung mit einem Energiespeicher 2 dargestellt, zwischen dessen Anschlussklemmen ein Ersatzschaltbild (ESB) 1 in Form einer Reihenschaltung aus zwei Parallelschaltungen und einem einzelnen Ohm'schen Widerstand R0 dargestellt ist. Die beiden Parallelschaltungen bestehen jeweils aus einem Widerstand R1 und einer ersten Kapazität C1 bzw. einem Ohm'schen Widerstand R2 und einer zweiten Kapazität C2. Grundsätzlich variiert die Anzahl der RC-Glieder bzw. etwaig vorhandener Induktivitäten mit der Genauigkeit des Modells. Die verschiedenen Werte für die Kapazitäten, Widerstände und gegebenenfalls Induktivitäten lassen sich aus dem NYP in das in 1 dargestellte ESB überführen. If an impedance measurement (IM) is carried out, for example, on a lithium-ion battery cell (LIB), the decomposition of the impedance can be used to determine a real and an imaginary part for each measured frequency. In general, the collected data is displayed as a Nyquist plot (NYP). In this the imaginary part of the resistance is applied against the real part. Each individual value represents a specific measurement frequency. Different ESBs can be derived from the Nyquist representation. In 1 is an exemplary arrangement with an energy storage 2 shown, between its terminals an equivalent circuit diagram (ESB) 1 is shown in the form of a series connection of two parallel circuits and a single ohmic resistance R0. The two parallel circuits each consist of a resistor R1 and a first capacitor C1 or an ohmic resistor R2 and a second capacitor C2. Basically, the number of RC elements or any existing inductances varies with the accuracy of the model. The different values for the capacitances, resistances and optionally inductances can be transferred from the NYP to the in 1 transfer illustrated ESB.

Eine weitere Methode, um ein ESB herzuleiten, besteht darin, eine Pulsmessung durchzuführen. Dabei wird die Batteriezelle mit einem definierten Strompuls belastet. Nach Erreichen eines definierten Ladezustandes wird der Strompuls abgeschaltet und der resultierende Spannungsverlauf an den Klemmen der Batteriezelle aufgezeichnet. Aus dieser Methode lassen sich ebenfalls die oben genannten Größen bestimmen. Sowohl die Pulsmessung als auch die IM haben Vorteile und Nachteile. Der Ohm'sche Widerstand R0 und das erste RC-Glied lassen sich sehr leicht und schnell aus den Impedanzdaten ableiten, während das zweite RC-Glied eine lange Messdauer erfordert. Letzteres liegt daran, dass sehr niedrige Frequenzen Erforderlich sind und das Ergebnis durch die entsprechend lange Messung verzögert zur Verfügung steht. Durch die Pulsmessung lässt sich wiederum das zweite RC-Glied schnell und genau bestimmen, während der Ohm'sche Widerstand R0 und das erste RC-Glied ungenau ermittelt wird. Another method to derive an ESB is to perform a pulse measurement. The battery cell is charged with a defined current pulse. After reaching a defined state of charge, the current pulse is switched off and recorded the resulting voltage waveform at the terminals of the battery cell. From this method can also determine the above sizes. Both the pulse measurement and the IM have advantages and disadvantages. The ohmic resistance R0 and the first RC element can be derived very easily and quickly from the impedance data, while the second RC element requires a long measurement time. The latter is because very low frequencies are required and the result is delayed by the correspondingly long measurement available. By the pulse measurement, in turn, the second RC element can be determined quickly and accurately, while the ohmic resistance R0 and the first RC element is determined inaccurately.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Realisierung zur schnellen und genauen Ermittlung der Parameter eines Ersatzschaltbildes für einen elektrochemischen Speicher bereitzustellen. It is therefore an object of the present invention to provide a technical realization for the rapid and accurate determination of the parameters of an equivalent circuit diagram for an electrochemical storage.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein elektronisches Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Fortbewegungsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierzu die folgenden Schritte: Zunächst wird ein erster Parameter einer ersten Komponente der Ersatzschaltung über eine periodische Anregung des Energiespeichers mit veränderlicher Frequenz ermittelt. Ein solches Verfahren ist im Stand der Technik grundsätzlich als Impedanzspektroskopie (EIS) bekannt. Als erste Komponente kommen beispielsweise ein Ohm‘scher Widerstand, eine Induktivität und/oder ein Ohm‘scher Widerstand in Parallelschaltung mit einer Kapazität in Frage. Der erste Parameter dieser Komponente kann entsprechend ein Ohm‘scher Widerstandswert, ein Kapazitätswert, eine zugeordnete Impedanz oder Ähnliches sein. Generell dient der erste Parameter der Charakterisierung und technischen Bestimmung zur Dimensionierung der ersten Komponente. In einem zweiten Schritt wird ein zweiter Parameter einer zweiten Komponente der Ersatzschaltung über eine stufenförmige elektrische Anregung ermittelt. Für den zweiten Parameter und die zweite Komponente gilt das in Verbindung mit dem ersten Parameter und der ersten Komponente Gesagte entsprechend. Die stufenförmige elektrische Anregung begründet einen zeitweiligen Belastungszustand des elektrochemischen Energiespeichers mit einer vordefinierten Größe. Auch kann die stufenförmige Anregung zwischen unterschiedlichen vordefinierten Ladezuständen (engl. "State of Charge", SOC) mit beispielsweise im Wesentlichen konstanter Belastung stattfinden. Da die stufenförmige elektrische Anregung im Nachgang zurückgenommen wird, kann auch von einer im Wesentlichen rechteckförmigen Anregung bzw. Belastung gesprochen werden. Erfindungsgemäß wird die periodische Anregung bis zu einer unteren Grenzfrequenz der veränderlichen Frequenz vorgenommen. Auf diese Weise werden Frequenzbereiche ausgespart, welche eine besonders zeitaufwändige Messung begründen würden. Die Grenzfrequenz liegt oberhalb eines solchen Frequenzbereiches, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters (erfindungsgemäß durch die stufenförmige elektrische Anregung ermittelt) mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre. Mit anderen Worten wird der zweite Parameter erfindungsgemäß nicht über die periodische Anregung, sondern über die stufenförmige Anregung ermittelt. Auf diese Weise wird Zeit gespart, welche zur Erhöhung der Messgenauigkeit investiert werden kann. Im Ergebnis ergibt sich eine besonders exakte und schnelle Methode, um mit automatisierten technischen Abläufen die Parameter für Ersatzschaltbilder elektrochemischer Energiespeicher zu bestimmen. The above object is achieved by a method with the features of claim 1 and by an electronic control unit with the features of claim 9 and a means of locomotion with the features of claim 10. To this end, the method according to the invention comprises the following steps: First, a first parameter of a first component of the equivalent circuit is determined by means of a periodic excitation of the energy store with a variable frequency. Such a method is basically known in the art as Impedance spectroscopy (EIS) known. As the first component, for example, an ohmic resistance, an inductance and / or an ohmic resistance in parallel with a capacitance in question. The first parameter of this component may accordingly be an ohmic resistance value, a capacitance value, an associated impedance, or the like. In general, the first parameter is used for the characterization and technical determination of the dimensioning of the first component. In a second step, a second parameter of a second component of the equivalent circuit is determined via a step-shaped electrical excitation. For the second parameter and the second component, the statements made in connection with the first parameter and the first component apply accordingly. The step-shaped electrical excitation establishes a temporary load state of the electrochemical energy store with a predefined size. Also, the step-shaped excitation between different predefined state of charge ("state of charge", SOC) take place with, for example, substantially constant load. Since the step-shaped electrical excitation is subsequently withdrawn, it is also possible to speak of a substantially rectangular excitation or load. According to the invention, the periodic excitation is made up to a lower limit frequency of the variable frequency. In this way, frequency ranges are omitted, which would justify a particularly time-consuming measurement. The cutoff frequency is above such a frequency range which would be required for determining the second parameter (determined according to the invention by the stepped electrical excitation) by means of the periodic excitation. In other words, according to the invention, the second parameter is not determined via the periodic excitation but via the stepped excitation. In this way, time is saved, which can be invested to increase the accuracy of measurement. The result is a particularly accurate and fast method to determine the parameters for equivalent circuits electrochemical energy storage with automated technical processes.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.

Während die erfindungsgemäß verwendeten Verfahren grundsätzlich auch überlappend verwendet werden können, liegt die der Zeitersparnis zugrunde liegende Idee darin, dass der erste Parameter ausschließlich aufgrund der periodischen Anregung bis zu der unteren Grenzfrequenz ermittelt wird. Bevorzugt kann der zweite Parameter entsprechend ausschließlich durch die stufenförmige elektrische Anregung ermittelt werden. Die Anregungsgröße ist bevorzugt ein Strom, der als Lade- und/oder Entladestrom ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, eine elektrische Spannung als Anregung für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden. While the methods used according to the invention can in principle also be used overlapping, the idea underlying the time saving lies in the fact that the first parameter is determined exclusively on the basis of the periodic excitation up to the lower limit frequency. Preferably, the second parameter can be determined according exclusively by the step-shaped electrical excitation. The excitation variable is preferably a current which can be designed as a charging and / or discharging current. It is also possible to use an electrical voltage as an excitation for the method according to the invention.

Weiter bevorzugt kann die erste Komponente eine erste Parallelschaltung aus einem ersten Ohm‘schen Widerstand und einer ersten Kapazität umfassen. Insbesondere kann auch ein in Reihe zur ersten Parallelschaltung angeordneter weiterer Ohm‘scher Widerstand vorgesehen sein. Der komplexe Widerstand der ersten Komponente bzw. die konkreten Impedanzen ihrer elektrischen Bauteile lassen sich erfindungsgemäß durch die periodische Anregung mit veränderlicher Frequenz schnell und genau bestimmen. More preferably, the first component may comprise a first parallel connection of a first ohmic resistor and a first capacitor. In particular, a further ohmic resistor arranged in series with the first parallel circuit can also be provided. The complex resistance of the first component or the concrete impedances of its electrical components can be inventively determined by the periodic excitation with variable frequency quickly and accurately.

Entsprechend kann die zweite Komponente eine zweite Parallelschaltung aus einem zweiten Ohm‘schen Widerstand und einer zweiten Kapazität umfassen. Die zweite Komponente kann auch eine dritte Parallelschaltung aus einem dritten Ohm‘schen Widerstand und einer dritten Kapazität umfassen, wobei die dritte Parallelschaltung in Reihe zur zweiten Parallelschaltung angeordnet ist. Für die zweite Komponente und die in ihr enthaltenen diskreten elektrischen Bauteile gilt das in Verbindung mit der ersten Komponente zuvor Ausgeführte entsprechend, mit dem Unterschied, dass die erfindungsgemäße stufenförmige elektrische Anregung zum Einsatz kommt, um eine exakte und zeitsparende Bestimmung zu ermöglichen. Accordingly, the second component may comprise a second parallel connection of a second ohmic resistor and a second capacitor. The second component may also comprise a third parallel circuit of a third ohmic resistor and a third capacitor, the third parallel circuit being arranged in series with the second parallel circuit. For the second component and the discrete electrical components contained in it, the same applies in connection with the first component above, with the difference that the step-shaped electrical excitation according to the invention is used in order to enable an exact and time-saving determination.

Die stufenförmige elektrische Anregung kann beispielsweise eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem positiven Strom ("Ladestrom") oder eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem negativen Strom ("Entladestrom") umfassen. Die Beaufschlagung kann mehrere Sekunden, einzelne Minuten oder eine noch längere Zeit (z.B. 10 min.) andauern. Für den Fachmann ist die Wahl der Zeitdauer für die stufenförmige elektrische Anregung in Abhängigkeit eines konkreten elektrochemischen Energiespeichers bzw. konkreter zusätzlicher Umstände lediglich eine fachliche Übung. The step-shaped electrical excitation may comprise, for example, a temporary application of a positive current ("charging current") or a temporary application of a negative current ("discharging current"). The loading may last several seconds, a few minutes, or an even longer time (e.g., 10 minutes). For a person skilled in the art, the choice of the duration of the step-shaped electrical excitation as a function of a specific electrochemical energy store or concrete additional circumstances is merely a technical exercise.

Die periodische elektrische Anregung hingegen kann beispielsweise mit einem sinusförmigen Signal, mehreren sinusförmigen Signalen oder solchen Signalen erfolgen, welche sinusförmige Signale enthalten. Insbesondere kann ein sogenannter frequenzveränderlicher sinusförmiger Verlauf ("Sinus Sweep") verwendet werden, der eine im Wesentlichen kontinuierliche Frequenzveränderung des elektrischen Signals über der Zeit aufweist. Auf diese Weise lässt sich der Verlauf im NYP besonders gut messtechnisch vorbereiten. By contrast, the periodic electrical excitation can be carried out, for example, with a sinusoidal signal, a plurality of sinusoidal signals or signals containing sinusoidal signals. In particular, a so-called sinusoidal sweep, which has a substantially continuous frequency change of the electrical signal over time, can be used. In this way, the course in the NYP can be particularly well prepared metrologically.

Die für die periodische Anregung erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Grenzfrequenz ist von der Kapazität sowie von der verwendeten Speichertechnologie des elektrochemischen Energiespeichers abhängig und kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,01 Hz und 5 Hz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 2 Hz, bevorzugt zwischen 0,5 Hz und 1 Hz, liegen. Auf diese Weise ergibt sich eine geeignete Synthese der Ergebnisse der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Anregungsergebnisse. Mit anderen Worten wird die Ergebnisqualität bei geringstmöglicher Zeitdauer maximiert. The limit frequency used according to the invention for the periodic excitation is based on the capacitance as well as on the used storage technology of the electrochemical Energy storage dependent and, for example, in a range between 0.01 Hz and 5 Hz, in particular between 0.1 Hz and 2 Hz, preferably between 0.5 Hz and 1 Hz. This results in a suitable synthesis of the results of the excitation results used according to the invention. In other words, the quality of the result is maximized with the least amount of time possible.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches als im Stand der Technik bekanntes "Batterie-Management-System" (BMS) ausgestaltet sein kann. Diese elektronischen Steuergeräte kommen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, im automobilen Einsatz vor. Dem Fachmann sind weitere Einsatzgebiete bekannt, auf welche sich der Anwendungs- und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ebenfalls erstreckt. Das elektronische Steuergerät weist elektrische Anschlüsse zum Anschließen eines elektrochemischen Energiespeichers bzw. eines einen solchen umfassenden Bordnetzes auf. Weiter weist das elektronische Steuergerät eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten erfindungsgemäßen Aspekt oben im Detail beschrieben wurde. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen Prozessor (Mikrocontroller, Nanocontroller o.Ä.) umfassen. Sie kann mit Speichermitteln verbunden sein, welche Instruktionen beinhalten, aufgrund welcher der Prozessor die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen kann. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. According to a second aspect of the present invention, an electronic control unit is proposed, which may be configured as known in the art "Battery Management System" (BMS). These electronic control units are especially, but not exclusively, used in automotive applications. The person skilled in the art is familiar with further fields of application to which the scope of application and protection of the present invention likewise extends. The electronic control unit has electrical connections for connecting an electrochemical energy store or such a comprehensive on-board network. Furthermore, the electronic control unit has an evaluation unit which is set up to carry out a method as has been described in detail above in connection with the first aspect of the invention. The evaluation unit may comprise, for example, a processor (microcontroller, nanocontroller or the like). It can be connected to memory means which contain instructions on the basis of which the processor can carry out the method steps according to the invention. The features, combinations of features as well as the advantages resulting therefrom correspond to those described in connection with the first-mentioned aspect of the invention such that, in order to avoid repetition, reference is made to the above statements.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches beispielsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sein kann. Das Fortbewegungsmittel weist einen Energiespeicher auf, der beispielsweise als elektrochemischer Energiespeicher ausgestaltet sein kann. Zusätzlich weist das Fortbewegungsmittel ein elektronisches Steuergerät auf, wie es in Verbindung mit dem zweitgenannten Erfindungsaspekt oben beschrieben worden ist. Auch zu den Merkmalen, Merkmalskombinationen und den sich aus diesen ergebenden Vorteilen wird auf den zweitgenannten Erfindungsaspekt verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden. According to a third aspect of the present invention, a means of transportation is proposed, which may be, for example, an electrically drivable vehicle. The means of locomotion has an energy store, which can be configured, for example, as an electrochemical energy store. In addition, the means of locomotion comprises an electronic control unit, as described in connection with the second aspect of the invention above. Reference is also made to the second aspect of the invention to the features, feature combinations and the advantages resulting therefrom in order to avoid repetition.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 eine schematische Ansicht eines Fortbewegungsmittels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic view of a means of transport according to an embodiment of the present invention;

2 ein Zeitdiagramm veranschaulichend eine stufenförmige Anregung eines elektrochemischen Energiespeichers; 2 a timing diagram illustrating a stepwise excitation of an electrochemical energy store;

3 eine Prinzipdarstellung zur Synthese der erfindungsgemäß verwendeten Verfahren zur Bestimmung von Parametern der Komponenten eines Ersatzschaltbildes eines elektrochemischen Energiespeichers; 3 a schematic representation of the synthesis of the method used in the invention for the determination of parameters of the components of an equivalent circuit diagram of an electrochemical energy storage;

4 eine Veranschaulichung einer alternativen Betrachtungsweise zur Ermittlung der Parameter mittels einer stufenförmigen Anregung; und 4 an illustration of an alternative approach for determining the parameters by means of a step-shaped excitation; and

5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt einen Pkw 20, in welchem sich ein elektrochemischer Energiespeicher 2 mit einer schematisch in diesem angeordneten Ersatzschaltung 1 befindet. Zwischen den Elektroden des elektrochemischen Energiespeichers 2 ist ein elektronisches Steuergerät 3 mit einer darin enthaltenen Auswerteeinheit 4 angeordnet, um die erfindungsgemäße Ermittlung der Komponenten der Ersatzschaltung 1 durchzuführen. In der Ersatzschaltung 1 steht der Ohm‘sche Widerstand R0 für den Widerstand des Elektrolyts sowie Ohm‘sche Leitungs- und Übergangswiderstände. Der Widerstand R1 sowie der Ohm‘sche Widerstand R2 stehen für Durchtrittswiderstände. Die erste Kapazität C1 repräsentiert die SEI-Schicht („solid electrolyte interface) und die zweite Kapazität C2 modelliert die Doppelschicht (englisch "Double-Layer",). Die dargestellte Ersatzschaltung 1 lässt sich beispielsweise durch eine Impedanzmessung an Lithium-Ionen-Batteriezellen herleiten. Die Bestimmung der Parameter ihrer Komponenten kann erfindungsgemäß schneller und exakter erfolgen.
R0 = rein Ohm‘scher Anteil
R1C1 = Rein Ohm‘scher Anteil parallel zu kapazitiven Anteil.
R2C2 = Rein Ohm‘scher Anteil parallel zu kapazitiven Anteil.
Kapazität C1 < C2 daraus folgt
Zeitkonstante RC1 < RC2 daraus folgt
RC1 entspricht einer schnell reagierenden Schaltung (relativ gesehen)
RC2 entspricht einer langsam reagierenden Schaltung (relativ gesehen)
1 shows a car 20 , in which an electrochemical energy store 2 with a schematically arranged in this equivalent circuit 1 located. Between the electrodes of the electrochemical energy store 2 is an electronic control unit 3 with an evaluation unit contained therein 4 arranged to determine the inventive components of the equivalent circuit 1 perform. In the equivalent circuit 1 is the ohmic resistance R0 for the resistance of the electrolyte and ohmic conduction and contact resistance. The resistor R1 and the ohmic resistor R2 stand for resistances. The first capacitance C1 represents the SEI layer ("solid electrolyte interface") and the second capacitance C2 models the double layer (English "double-layer",). The illustrated equivalent circuit 1 can be derived for example by an impedance measurement of lithium-ion battery cells. The determination of the parameters of their components can be made according to the invention faster and more accurate.
R0 = pure ohmic component
R1C1 = pure ohmic component parallel to capacitive component.
R2C2 = pure ohmic component parallel to capacitive component.
Capacity C1 <C2 follows from this
Time constant RC1 <RC2 follows from this
RC1 corresponds to a fast-reacting circuit (relatively speaking)
RC2 corresponds to a slow-reacting circuit (relatively speaking)

2 zeigt ein Spannungs- bzw. Strom-Zeitdiagramm, in welchem ein an einen elektrochemischen Energiespeicher angelegter Storm 5 zur stufenförmigen Anregung zu einem ebenfalls dargestellten Verlauf der Klemmenspannung 6 des elektrochemischen Energiespeichers führt. In einem ersten Zeitabschnitt (0 bis 0,3 Tage) werden aufeinanderfolgend mehrere vollständige Lade-Entladezyklen durchgeführt, durch welche die Klemmenspannung zwischen 2,8 und 4,1 V schwankt. In einem zweiten Zeitabschnitt (0,3 bis 1,2 Tage) wird der Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers stufenförmig durch eine pulsförmige Stromentnahme 8a von 25A (entspricht – 1C) belastet, wodurch der Ladezustand abschnittsweise von 100% auf 0% abgesenkt wird. Die absteigenden Stufen der elektrischen Klemmenspannung 6 zeigen jeweils bei der Stromentnahme Einbrüche 7, im Nachgang welcher die Relaxation zu einer im Wesentlichen konstanten Klemmenspannung 6 führt. In einem dritten Zeitbereich (1,1 bis 2,1 Tage) findet der umgekehrte Vorgang, nämlich ein abschnittsweise von 0 % auf 100 % ansteigender Anstieg des Ladezustands statt. Hierzu werden Ladestrompulse 8b in Höhe von 1C verwendet, um den elektrochemischen Energiespeicher stufenförmig elektrisch anzuregen. Zwischen den Strompulsen 8a, 8b ist eine im Wesentlichen konstante Klemmenspannung zu erkennen. 2 shows a voltage or current-time diagram in which an applied to an electrochemical energy storage Storm 5 to step-shaped excitation to a course of the terminal voltage also shown 6 of the electrochemical energy storage leads. In a first period of time (0 to 0.3 days), several complete charge-discharge cycles are sequentially performed, through which the terminal voltage varies between 2.8 and 4.1 volts. In a second period (0.3 to 1.2 days), the state of charge of the electrochemical energy storage is stepped by a pulse-shaped current drain 8a of 25A (equivalent to -1C), whereby the charge state is lowered in sections from 100% to 0%. The descending stages of the electrical terminal voltage 6 each show in the current drain burglary 7 in the wake of which the relaxation to a substantially constant terminal voltage 6 leads. In a third time range (1.1 to 2.1 days), the reverse process, namely a rise from 0% to 100% in sections of the state of charge takes place. For this purpose charging current pulses 8b used in the amount of 1C to step-electrically energize the electrochemical energy store. Between the current pulses 8a . 8b a substantially constant terminal voltage can be seen.

3 zeigt eine Übersicht zu den erfindungsgemäß verwendeten Anregungen im Rahmen der Ermittlung von Parametern der Komponenten eines Ersatzschaltbildes 1 eines elektrochemischen Energiespeichers. Das Ersatzschaltbild 1 entspricht dem in 1 dargestellten Ersatzschaltbild 1. Im linken Teil der 3 befindet sich ein Zeitdiagramm zu Klemmenspannung 6 und Klemmenstrom 5 entsprechend der in 2 gezeigten Darstellung. Lediglich ein einziger Einbruch 7 ist zur Veranschaulichung der erkennbaren Größen vergrößert dargestellt. Die erste fallende Flanke des Entladestromes 5 führt zu einer korrespondierend fallenden Flanke der Klemmenspannung 6, aus welcher der Ohm‘sche Widerstand R0 ermittelbar ist. Der Zusammenhang dieses Phänomens ist durch die Verbindungslinie A mit dem elektrischen Bauelement R0 angezeigt. Am Fußpunkt der fallenden Flanke der Klemmenspannung 6 findet sich ein Zeitverlauf der Klemmenspannung 6, welcher auf die Parameter des Ohm‘schen Widerstandes R1 sowie der ersten Kapazität C1 schließen lässt. Dieser Zusammenhang ist durch die Verbindungslinie B angezeigt. Die Talsohle des Einbruchs 7 in der Klemmenspannung 6 wird durch die Parameter der Parallelschaltung eines Ohm‘schen Widerstandes R2 und einer zweiten Kapazität C2 als zweite Komponente geformt. Dieser Zusammenhang ist durch die Verbindungslinie C gekennzeichnet. Oberhalb des Ersatzschaltbildes 1 ist ein NYP 10 für den der Ersatzschaltung 1 zugrunde liegenden elektrochemischen Energiespeicher dargestellt. Während die Abszisse den Realteil der Impedanz in Abhängigkeit einer Frequenz der periodischen Anregung angibt, ist die Ordinate dem entsprechenden Imaginärteil zugeordnet. Auch im NYP 10 finden sich die Komponenten der Ersatzschaltung 1 wieder. Auch die entsprechenden Bereiche sind durch die Verbindungslinien A, B, C gekennzeichnet. Während der Ohm‘sche Widerstand R0 durch einen im Wesentlichen auf der Abszisse angeordneten Abschnitt des NYP 10 repräsentiert wird, ist das erste RC1-Glied (R1, C1) für einen ersten bogenförmigen Abschnitt verantwortlich. Dieser Bereich ergibt sich durch periodische Anregung oberhalb der erfindungsgemäß definierten Grenzfrequenz. Um die im Bereich C liegenden Abschnitte des NYP 10 zu ermitteln, sind sehr niedrige Frequenzen erforderlich, welche eine zeitaufwändige Messung bedingen. Erfindungsgemäß wird das zweite RC1-Glied (R2, C2) durch die links in 3 dargestellte stufenförmige elektrische Anregung ermittelt und die oberhalb der Grenzfrequenz exakt und zeitsparend ermittelbaren Bestandteile der ersten Komponente (R0, R1, C1) werden aus dem NYP 10 ermittelt. Auf diese Weise kann eine zeitaufwändige Bestimmung in niedrigen Frequenzbereichen der Impedanzspektroskopie ebenso wie eine komplizierte und mit erheblichen Toleranzen behaftete Ermittlung der Parameter der ersten Komponente aus dem Ergebnis der stufenförmigen elektrischen Anregung vermieden werden. 3 shows an overview of the inventively used suggestions in the context of determining parameters of the components of an equivalent circuit diagram 1 an electrochemical energy storage. The equivalent circuit diagram 1 corresponds to the in 1 shown equivalent circuit diagram 1 , In the left part of the 3 there is a time diagram for terminal voltage 6 and terminal current 5 according to the in 2 shown illustration. Only a single burglary 7 is shown enlarged to illustrate the apparent sizes. The first falling edge of the discharge current 5 leads to a corresponding falling edge of the terminal voltage 6 from which the ohmic resistance R0 can be determined. The relationship of this phenomenon is indicated by the connection line A with the electrical component R0. At the base of the falling edge of the terminal voltage 6 there is a time course of the terminal voltage 6 which depends on the parameters of the ohmic resistor R1 and the first capacitor C1 can close. This relationship is indicated by the connecting line B. The bottom of the burglary 7 in the terminal voltage 6 is formed by the parameters of the parallel connection of an ohmic resistor R2 and a second capacitor C2 as a second component. This relationship is indicated by the connecting line C. Above the equivalent circuit diagram 1 is a NYP 10 for the equivalent circuit 1 represented underlying electrochemical energy storage. While the abscissa indicates the real part of the impedance as a function of a frequency of the periodic excitation, the ordinate is assigned to the corresponding imaginary part. Also in the NYP 10 find the components of the equivalent circuit 1 again. The corresponding areas are also identified by the connecting lines A, B, C. While the ohmic resistor R0 through a section of the NYP arranged substantially on the abscissa 10 is represented, the first RC1 member (R1, C1) is responsible for a first arcuate portion. This range results from periodic excitation above the limit frequency defined according to the invention. Around the sections of the NYP 10 To determine, very low frequencies are required, which require a time-consuming measurement. According to the invention, the second RC1 element (R2, C2) is replaced by the links in FIG 3 shown step-shaped electrical excitation determined and above the cutoff frequency exactly and time-saving determinable components of the first component (R0, R1, C1) are from the NYP 10 determined. In this way, a time-consuming determination in low frequency ranges of the impedance spectroscopy as well as a complicated and subject to considerable tolerances determining the parameters of the first component from the result of the stepped electrical excitation can be avoided.

4 zeigt eine Betrachtung eines alternativen Abschnittes im Diagramm aufgrund einer stufenförmigen elektrischen Anregung. Im Gegensatz zur ersten fallenden Flanke wird die erste steigende Flanke der Klemmenspannung 6 nach Durchlaufen des Einbruchs 7 zur Ermittlung des zweiten (und eines etwaigen dritten) RC-Gliedes verwendet. Hierbei wird der Spannungswert U63 betrachtet, der die 63 %-Marke innerhalb des als ∆R gekennzeichneten Bereiches markiert. Wie dargestellt, lässt sich die Zeitkonstante τ aus der degressiv ansteigenden Kurve der Klemmenspannung 6 unter Verwendung des Spannungswertes U63 ermitteln. Dabei ist RE zusammengesetzt aus R0 + R1. RE ist stark abhängig von den verschiedenen Kontaktierungsmethoden und verbauten, bzw. eingesetzten Materialien.R0 wird steigen wenn die Temperatur sinkt. Der Elektrolyt wird zähflüssiger (viskoser) der Innenwiderstand der Zelle wird ansteigend und RE wird wachsen. 4 shows a consideration of an alternative section in the diagram due to a stepped electrical excitation. In contrast to the first falling edge, the first rising edge of the terminal voltage 6 after passing through the burglary 7 used to determine the second (and any third) RC element. Here, the voltage value U 63 is considered, which marks the 63% mark within the area marked ΔR. As shown, the time constant τ can be derived from the degressive rising curve of the terminal voltage 6 using the voltage value U 63 . Where RE is composed of R0 + R1. RE is strongly dependent on the different contacting methods and installed or used materials. R0 will increase when the temperature drops. The electrolyte becomes more viscous (viscous) the internal resistance of the cell will increase and RE will grow.

Eine fehlerhafte Kontaktierung wird sich also entsprechend auf RE auswirken. Der Ohm’sche Anteil wird größer damit R0 und schließlich auch RE. A faulty contact will therefore affect RE accordingly. The ohmic part becomes larger so that R0 and finally also RE.

5 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird ein erster Parameter einer ersten Komponente der Ersatzschaltung eines elektrochemischen Energiespeichers über eine periodische Anregung des Energiespeichers mit veränderlicher Frequenz ermittelt. Dabei wird die periodische Anregung nur bis zu einer unteren Grenzfrequenz vorgenommen, wobei die Grenzfrequenz derart gewählt wird, dass ein Frequenzbereich, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre, unterhalb desselben liegt. Der zweite Parameter der zweiten Komponente der Ersatzschaltung wird im Unterschied zum ersten Parameter in Schritt 200 durch eine stufenförmige elektrische Anregung ermittelt. Wird das Übergabekriterium (z.B. die Grenzfrequenz) und/oder die Durchführung der beiden vorgenannten (Teil-)Verfahren in einer Messeinrichtung automatisch durchgeführt, können auch ihre Ergebnisse automatisch zusammengesetzt und die Parameter der ersten und zweiten Komponente schneller und exakter als durch nach den im Stand der Technik bekannte Verfahren ermittelt werden. 5 1 is a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention. In step 100 a first parameter of a first component of the equivalent circuit of an electrochemical energy store is determined via a periodic excitation of the energy store with variable frequency. The periodic excitation is made only up to a lower limit frequency, the Limit frequency is chosen such that a frequency range which would be required to determine the second parameter by means of the periodic excitation, below it. The second parameter of the second component of the equivalent circuit is different from the first parameter in step 200 determined by a step-shaped electrical excitation. If the transfer criterion (eg the cutoff frequency) and / or the execution of the two aforementioned (sub-) methods are performed automatically in a measuring device, then their results can be automatically assembled and the parameters of the first and second components faster and more accurate than by the in stand The technique known to be determined.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Although the aspects and advantageous embodiments of the invention have been described in detail with reference to the embodiments explained in connection with the accompanying drawings, modifications and combinations of features of the illustrated embodiments are possible for the skilled person, without departing from the scope of the present invention, the scope of protection the appended claims are defined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Ersatzschaltung equivalent circuit
2 2
Energiespeicher energy storage
3 3
Elektronisches Steuergerät Electronic control unit
4 4
Auswerteeinheit evaluation
5 5
Strom electricity
6 6
Klemmenspannung terminal voltage
7 7
Einbruch der Klemmenspannung 6 Burglary of the terminal voltage 6
8a 8a
Strompuls des negativen Stromes 5 Current pulse of the negative current 5
8b 8b
Strompuls des positiven Stromes 5 Current pulse of the positive current 5
10 10
Nyquist-Plot, NYP Nyquist-Plot, NYP
20 20
Pkw car
100, 200100, 200
Verfahrensschritte  steps
A, B, CA, B, C
Zusammenhänge zwischen Teilgraphen und elektrischen Komponenten  Relationships between subgraphs and electrical components
C1, C2 C1, C2
Erste/zweite Kapazität First / second capacity
I I
Strom electricity
p p
Zeit Time
R0, R1, R2, RER0, R1, R2, RE
Ohm‘sche Widerstände  Ohmic resistance
τ τ
Zeitkonstante time constant
U U
Spannung tension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007061122 A1 [0003] DE 102007061122 A1 [0003]
  • US 6687631 B2 [0004] US 6687631 B2 [0004]
  • EP 1590679 B1 [0005] EP 1590679 B1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Ermittlung der Komponenten einer Ersatzschaltung (1) eines elektrochemischen Energiespeichers (2) umfassend die Schritte – Ermitteln (100) eines ersten Parameters einer ersten Komponente (R0, R1, C1) der Ersatzschaltung (1) über eine periodische Anregung des Energiespeichers (2) mit veränderlicher Frequenz, – Ermitteln (200) eines zweiten Parameters einer zweiten Komponente (RC, C2) der Ersatzschaltung (1) über eine stufenförmige Anregung, – wobei die periodische Anregung bis zu einer unteren Grenzfrequenz vorgenommen wird, und – wobei die Grenzfrequenz oberhalb eines Frequenzbereiches liegt, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre. Method for determining the components of an equivalent circuit ( 1 ) of an electrochemical energy store ( 2 ) comprising the steps - determining ( 100 ) of a first parameter of a first component (R0, R1, C1) of the equivalent circuit ( 1 ) via a periodic excitation of the energy store ( 2 ) with variable frequency, - Determine ( 200 ) of a second parameter of a second component (RC, C2) of the equivalent circuit ( 1 ) via a stepped excitation, - wherein the periodic excitation is made up to a lower limit frequency, and - wherein the cutoff frequency is above a frequency range which would be required to determine the second parameter by means of the periodic excitation. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Parameter ausschließlich aufgrund der periodischen Anregung bis zu der unteren Grenzfrequenz ermittelt wird.  The method of claim 1, wherein the first parameter is determined solely on the basis of the periodic excitation up to the lower limit frequency. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Komponente (R0, R1, C1) eine erste Parallelschaltung aus einem ersten Ohm‘schen Widerstand (R1) und einer ersten Kapazität (C1), insbesondere auch einen in Reihe zur ersten Parallelschaltung angeordneten weiteren Ohm‘schen Widerstand (R0), umfasst.  Method according to Claim 1 or 2, wherein the first component (R0, R1, C1) comprises a first parallel circuit comprising a first ohmic resistor (R1) and a first capacitor (C1), in particular also a further ohm arranged in series with the first parallel circuit 'resistance (R0) includes. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Komponente (R2, C2) eine zweite Parallelschaltung aus einem zweiten Ohm‘schen Widerstand (R2) und einer zweiten Kapazität (C2) umfasst.  Method according to one of the preceding claims, wherein the second component (R2, C2) comprises a second parallel connection of a second ohmic resistor (R2) and a second capacitor (C2). Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Komponente (R2, C2) eine dritte Parallelschaltung aus einem dritten Ohm‘schen Widerstand und einer dritten Kapazität umfasst, welche in Reihe zur zweiten Parallelschaltung angeordnet ist.  The method of claim 4, wherein the second component (R2, C2) comprises a third parallel circuit of a third ohmic resistor and a third capacitor arranged in series with the second parallel circuit. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die stufenförmige Anregung eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem positiven Strom (8b) oder eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem negativen Strom (8a) umfasst. Method according to one of the preceding claims, wherein the stepwise excitation comprises a temporary application of a positive current ( 8b ) or temporary exposure to a negative current ( 8a ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die periodische Anregung eine Anregung mit einem sinusförmigen Signal oder mehreren sinusförmigen Signalen und/oder mit einem Sinussweep umfasst.  Method according to one of the preceding claims, wherein the periodic excitation comprises an excitation with a sinusoidal signal or a plurality of sinusoidal signals and / or with a sine wave. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grenzfrequenz in einem Bereich zwischen 0,01 Hz und 5 Hz, insbesondere zwischen 0,1Hz und 2 Hz liegt.  Method according to one of the preceding claims, wherein the cut-off frequency is in a range between 0.01 Hz and 5 Hz, in particular between 0.1 Hz and 2 Hz. Elektronisches Steuergerät (3), insbesondere für den automobilen Einsatz, welches – elektrische Anschlüsse zum Anschließen eines elektrochemischen Energiespeichers (2), und – eine Auswerteeinheit (4) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen. Electronic control unit ( 3 ), especially for automotive use, which - electrical connections for connecting an electrochemical energy store ( 2 ), and - an evaluation unit ( 4 ), wherein the evaluation unit ( 4 ) is arranged to carry out a method according to one of the preceding claims. Fortbewegungsmittel, insbesondere elektrisch antreibbares Fahrzeug (20), welches – einen elektrischen Energiespeicher (2), und – ein elektronisches Steuergerät (3) nach Anspruch 9 aufweist. Means of transport, in particular electrically driven vehicle ( 20 ), which - an electrical energy storage ( 2 ), and - an electronic control unit ( 3 ) according to claim 9.
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