DE102014217135A1

DE102014217135A1 - Method and device for determining a state-of-health and a state-of-charge value of a battery

Info

Publication number: DE102014217135A1
Application number: DE102014217135.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Hollas; Eugen Getzinger; Samad Ravazi; Ingo Metge; Christian Gucza
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03
Also published as: WO2016030075A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung eines State-of-Health-Wertes SOH einer Blei-Säure-Batterie (2), umfassend eine Wechselspannungs- oder -stromquelle (3), Mittel zur phasengerechten Erfassung von Spannung und Strom sowie eine Auswerteeinheit (4), wobei die Auswerteeinheit (4) derart ausgebildet ist, dass diese aus Spannung und Strom die Impedanz und daraus den Imaginärteil (Z‘‘) als Auswertegröße ermittelt und durch Vergleich der Auswertegröße mit mindestens einem Referenzwert einen SOH-Wert der Batterie (2) bestimmt, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie (2).The invention relates to a method and a device (1) for determining a state-of-health value SOH of a lead-acid battery (2), comprising an AC voltage or current source (3), means for phase-sensitive detection of voltage and Current and an evaluation unit (4), wherein the evaluation unit (4) is designed such that it determines the impedance and the imaginary part (Z '') from the voltage and current as an evaluation quantity and by comparing the evaluation value with at least one reference value. Value of the battery (2) determines, as well as a method and a device for determining the state of charge of a battery (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Health-Wertes einer Batterie sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Charge-Wertes einer Batterie. The invention relates to a method and a device for determining a state-of-health value of a battery, and to a method and a device for determining a state-of-charge value of a battery.

Die Kenntnis von Zustandsgrößen einer Batterie ist äußerst wichtig, beispielsweise um Betriebsstrategien und/oder deren Austausch festzulegen. Zunächst sollen daher einige Batteriekenngrößen kurz erläutert bzw. definiert werden. The knowledge of state variables of a battery is extremely important, for example, to establish operating strategies and / or their replacement. First, therefore, some battery characteristics are briefly explained or defined.

Die Ladungskapazität einer Batterie wird in der Einheit Amperestunde [Ah] angegeben, dabei wird unter folgenden Kapazitäten unterschieden: The charge capacity of a battery is given in the unit Ah [Ah], with the following different capacities:

Nennkapazität K₂₀: Stellt die nominale Kapazität dar, die der Hersteller angibt. Sie ist die mindestens enthaltene Kapazität in [Ah], die in einer neuen Batterie gespeichert ist und bei zwanzigstündiger Entladung mit dem definierten Strom I₂₀ bei einer Temperatur von T = (27 +0 / –2)°C bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bereitgestellt werden kann. Nominal capacity K ₂₀ : Represents the nominal capacity indicated by the manufacturer. It is the minimum capacity contained in [Ah] stored in a new battery and when discharged for 20 hours with the defined current I ₂₀ at a temperature of T = (27 + 0 / -2) ° C can be provided until the switch-off criterion of U = 10.5 V.

Istkapazität K_IST: Bezeichnet die maximale Kapazität in [Ah] im aktuellen Zustand der Batterie. Actual capacity K _IST : Indicates the maximum capacity in [Ah] in the current state of the battery.

Restkapazität K_REST: Die Restkapazität stellt die Kapazität in [Ah] dar, die im aktuellen Zustand vorliegt. Sie ist kleiner oder gleich der Istkapazität. Residual capacity K _REST : The residual capacity represents the capacity in [Ah] that exists in the current state. It is less than or equal to the actual capacity.

Der Ladungszustand (SOC, State-of-Charge) einer Batterie ist wie folgt definiert:

The state of charge (SOC) of a battery is defined as follows:

Die Definition des Gesundheitszustands (SOH, State-of-Health) einer Batterie lautet:

The definition of health status (SOH, state-of-health) of a battery is:

Der SOC kann maximal 100 % betragen, da K_IST die maximale Kapazität darstellt, wobei der Wert des SOHs > 100 % betragen kann, da die maximal mögliche Kapazität K_IST einer neuen Batterie meist die vom Hersteller angegebene Nennkapazität K₂₀ übersteigt. The SOC can be a maximum of 100%, since K _{IST represents} the maximum capacity, whereby the value of the SOH can be> 100%, since the maximum possible capacity K _{IST of} a new battery usually exceeds the rated capacity K ₂₀ specified by the manufacturer.

Alterungseffekte von Blei-Säure-Batterien stellen irreversible Schäden dar, die sich negativ auf Bauteilfunktion und SOH auswirken. Der Verlust an aktiver Masse bewirkt beispielsweise eine geringere Istkapazität der Batterie und somit eine geringere Energiemenge, die in der Batterie gespeichert werden kann. Verursacht wird der Verlust der Istkapazität durch die zyklische Belastung der Batterie sowie durch Korrosion. Korrosion wird insbesondere durch längere Verweilzeit der Batterie in geringem Ladezustand insbesondere bei hohen Temperaturen begünstigt. Die Folgen der Alterung durch Zyklisierung und Korrosion sind beispielsweise Abschlammung, Oberflächensulfatierung und Bruch von Stegen des stromableitenden Gitters der positiven Elektroden. Lead-acid battery aging effects irreversible damage that negatively impacts component performance and SOH. The loss of active mass causes, for example, a lower actual capacity of the battery and thus a smaller amount of energy that can be stored in the battery. The loss of the actual capacity is caused by the cyclic loading of the battery as well as by corrosion. Corrosion is promoted in particular by prolonged residence time of the battery in a low state of charge, especially at high temperatures. The consequences of aging due to cyclization and corrosion are, for example, sludge, surface sulfation and breakage of lands of the current-draining grid of the positive electrodes.

Aus der DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batteriezelle bekannt, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Batteriezelle,
b) Aufnehmen eines Impedanzspektrums der Batteriezelle,
c) Ermitteln einer Auswertegröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums,
d) Bestimmen eines Alterungszustandes der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit einem Referenzwert und Übertragung des Ergebnisses für eine Zelle auf die gesamte Batterie, wobei mögliche Unterschiede des Alterungszustandes einzelner Zellen unberücksichtigt bleiben

From the DE 10 2009 000 337 A1 a method for determining an aging state of a battery cell is known, comprising the steps:

a) providing a battery cell,
b) picking up an impedance spectrum of the battery cell,
c) determining an evaluation variable based on the measured impedance spectrum,
d) determining a state of aging of the battery cell based on a comparison of the evaluation value with a reference value and transmission of the result for a cell to the entire battery, whereby possible differences in the aging state of individual cells are disregarded

Dabei ist vorzugsweise die Auswertegröße der Betrag der gemessenen Impedanz in Ohm bei einer bestimmten Niederfrequenz und der Referenzwert eine reelle Zahl mit der Einheit Ohm. Als Niederfrequenz kann dabei jede Frequenz ≤ 10 Hz, bevorzugt ≤ 1 Hz, sein. Besonders bevorzugt wird eine Frequenz aus dem Bereich 0,1 Hz bis 0,3 Hz. Dabei wird in der Druckschrift die prinzipielle Anwendung für alle gebräuchlichen Akkumulatortechnologien beschrieben. In this case, the evaluation variable is preferably the amount of the measured impedance in ohms at a certain low frequency and the reference value a real number with the unit ohms. In this case, any frequency can be ≤ 10 Hz, preferably ≤ 1 Hz, as the low frequency. Particularly preferred is a frequency in the range of 0.1 Hz to 0.3 Hz. In the document, the principal application for all conventional accumulator technologies is described.

Allerdings hat sich in praktischen Versuchen ergeben, dass die SOH-Bestimmung bei Blei-Säure-Batterien mit den vorgeschlagenen Verfahrensschritten nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Dabei ist anzumerken, dass das beschriebene Verfahren aus DE 10 2009 000 337 A1 keinen SOH als Ergebnis bereit stellt, da der SOH zu

definiert ist. Es wird vielmehr eine restliche Lebenszeit in Tagen angegeben, die vom Ladungszustand (SOC) und der Temperatur abhängt. However, practical tests have shown that the SOH determination in lead-acid batteries with the proposed process steps does not lead to satisfactory results. It should be noted that the method described DE 10 2009 000 337 A1 does not provide SOH as a result as the SOH increases

is defined. Rather, a remaining lifetime is given in days, which depends on the state of charge (SOC) and the temperature.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Health-Wertes SOH einer Batterie zur Verfügung zu stellen, mittels derer der SOH-Wert zuverlässiger bestimmt werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Charge-Wertes einer Batterie zur Verfügung zu stellen, mittels derer der SOC-Wert zuverlässiger bestimmt werden kann. The invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device for determining a state-of-health value SOH of a battery by means of which the SOH value can be determined more reliably. Another technical problem is to provide a method and apparatus for determining a state-of-charge value of a battery by which the SOC value can be more reliably determined.

Die Lösungen des technischen Problems ergeben sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 5 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solutions to the technical problem result from a method having the features of claims 1 and 5 and a device having the features of claims 4 and 10. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das Verfahren zur Bestimmung des SOH-Wertes umfasst die Verfahrensschritte des Bereitstellens einer Batterie mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung sowie des Ermittelns mindestens eines Impedanzwertes bei mindestens einer Frequenz f. Aus der ermittelten Impedanz wird der Imaginärteil der Impedanz als Auswertegröße ermittelt, wobei die Bestimmung eines SOH-Wertes der Batterie anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit mindestens einem Referenzwert erfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass Untersuchungen gezeigt haben, dass sich der Realteil der Impedanz insbesondere von Blei-Säure-Batterien in Abhängigkeit vom SOH-Wert nicht-linear verändert und daher messtechnisch nur schwer auswertbar ist. Dies führt dazu, dass auch bei Auswertungen der Gesamtimpedanz die Unterschiede durch den schlecht differenzierenden Realteil abgeschwächt werden. Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung an dem sehr viel prägnanteren Imaginärteil vorgenommen, was eine signifikante Verbesserung bei der Bestimmung der SOH-Werte bewirkt. Die Referenzwerte werden dabei empirisch bestimmt und abgelegt und zur Definition von SOH-Bereichen zusammengefasst. Dabei ist zu beachten, dass die Referenzwerte bei vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden wie die Imaginärteile zur Bestimmung des SOH-Bereiches eines Prüflings. So ist beispielsweise die Impedanz und auch deren Imaginärteil von der Temperatur, dem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung der Batterie und von der Frequenz abhängig. Die Frequenz kann dabei sehr einfach konstant gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der SOH-Bestimmung erweist sich in dem bevorzugten Frequenzbereich von f < 10 Hz als unabhängig vom SOC, so dass hauptsächlich Temperatur und Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung zu berücksichtigen sind. Dies kann auch durch Korrekturterme erfolgen. Bevorzugt wird die Probe bei der gleichen Temperatur wie die Referenz vermessen. Ferner erfolgen die Vermessung der Probe und der Referenz bevorzugt im Ruhezustand der Batterie, d.h. min.0,5, Std., bevorzugt 5–12 Std., nach letzter Ladung/Entladung. Als Ruhezustand einer Blei-Säure-Batterie wird die Abwesenheit signifikanter Diffusionsprozesse, die unmittelbar nach Lade-/Entladevorgängen über min. 0,5 Stunden aufgrund von Säuredichteunterschieden in den Elektroden und im freien Elektrolyten ablaufen, definiert. Dabei sei angemerkt, dass die Batterien vorzugsweise Blei-Säure-Batterien sind, aber auch andere Batterietechnologien wie z. B. Li-Ionen-Batterien mit Durchtrittsreaktion an der Phasengrenze Fest (Elektrode) / Flüssig (Elektrolyt) vermessen werden können. The method for determining the SOH value comprises the method steps of providing a battery of known temperature and known time after last charge / discharge and determining at least one impedance value at least one frequency f. From the impedance determined, the imaginary part of the impedance is determined as an evaluation variable, wherein the determination of a SOH value of the battery is based on a comparison of the evaluation variable with at least one reference value. This exploits the fact that investigations have shown that the real part of the impedance, in particular of lead-acid batteries, changes non-linearly as a function of the SOH value and is therefore difficult to evaluate by measurement. This leads to the fact that even in evaluations of the total impedance, the differences are attenuated by the poorly differentiating real part. According to the invention, the distinction is made on the much more prominent imaginary part, which brings about a significant improvement in the determination of the SOH values. The reference values are determined empirically and filed and summarized to the definition of SOH areas. It should be noted that the reference values are recorded under comparable conditions as the imaginary parts for determining the SOH range of a test object. For example, the impedance and also its imaginary part of the temperature, the time after the last charge / discharge of the battery and the frequency depends. The frequency can be kept constant very easily. The method according to the invention of the SOH determination proves to be independent of the SOC in the preferred frequency range of f <10 Hz, so that mainly temperature and time after the last charge / discharge have to be taken into account. This can also be done by correction terms. Preferably, the sample is measured at the same temperature as the reference. Further, the measurement of the sample and the reference are preferably made in the dormant state of the battery, i. min.0.5, hrs, preferably 5-12 hrs, after last load / unload. As a resting state of a lead-acid battery, the absence of significant diffusion processes, the immediately after charging / discharging over min. 0.5 hours due to acid density differences in the electrodes and in the free electrolyte, defined. It should be noted that the batteries are preferably lead-acid batteries, but other battery technologies such. B. Li-ion batteries with penetration reaction at the phase boundary fixed (electrode) / liquid (electrolyte) can be measured.

In einer Ausführungsform ist die Frequenz f kleiner als 10 Hz, da oberhalb dieser Frequenz auch die Unterschiede im Imaginärteil sehr gering sind. In one embodiment, the frequency f is less than 10 Hz, since above this frequency, the differences in the imaginary part are very small.

Dabei hat sich gezeigt, dass die Unterschiede im Imaginärteil mit sinkender Frequenz prägnanter werden. Allerdings nimmt dann entsprechend die Messzeit zu. Daher wird in einer Ausführungsform die Frequenz f kleiner als 50 mHz und größer als 0,1 mHz gewählt, besonders bevorzugt 10 mHz. It has been shown that the differences in the imaginary part become more pronounced with decreasing frequency. However, the measuring time increases accordingly. Therefore, in one embodiment, the frequency f is chosen to be less than 50 mHz and greater than 0.1 mHz, more preferably 10 mHz.

Die Vorrichtung umfasst hierzu eine Wechselspannungs- oder -stromquelle, mittels derer eine Spannung oder ein Strom auf die Batterie aufprägbar ist, wobei die Aufprägung eines Stromes bevorzugt wird. Die Wechselspannung oder der Wechselstrom ist dabei vorzugsweise sinusförmig. For this purpose, the device comprises an AC voltage or current source, by means of which a voltage or a current can be imparted to the battery, the impressing of a current being preferred. The alternating voltage or the alternating current is preferably sinusoidal.

Dabei kann das Verfahren auch ohne weiteres on-board in einem Kraftfahrzeug durchgeführt werden. The method can also be carried out on-board in a motor vehicle without further ado.

Das Verfahren zur Bestimmung eines State-of-Charge-Wertes (SOC) einer Batterie, vorzugsweise einer Blei-Säure-Batterie, umfasst den Verfahrensschritt des Bereitstellens einer Batterie mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung. Das Verfahren umfasst weiterhin den Verfahrensschritt, dass mindestens ein Impedanzwert bei mindestens einer Frequenz f bestimmt wird. The method for determining a state-of-charge value (SOC) of a battery, preferably a lead-acid battery, comprises the step of providing a battery of known temperature and known time after the last charge / discharge. The method further comprises the method step of determining at least one impedance value at at least one frequency f.

Dabei wird der Phasenwinkel φ der Impedanz als Auswertegröße ermittelt und mit mindestens einem Referenzwert verglichen und ein SOC-Wert zugeordnet. In this case, the phase angle φ of the impedance is determined as the evaluation variable and compared with at least one reference value and assigned an SOC value.

Bevorzugt werden mehrere Referenzwerte zu Referenzbereichen zusammengefasst. Preferably, several reference values are combined into reference regions.

Zusätzlich oder alternativ wird in einem linearen Impedanzbereich des Nyquist-Diagramms eine die Steigung repräsentierende Größe des Impedanzspektrums als Auswertegröße ermittelt und mit mindestens einem Referenzwert verglichen, wobei dann in Abhängigkeit des Vergleichs ein SOC-Wert zugeordnet wird. Die die Steigung repräsentierende Größe kann dabei ein Winkel der Geraden zu einer Koordinatenachse sein. Der lineare Impedanzbereich wird dabei auch als Diffusionsbereich bezeichnet. Additionally or alternatively, in a linear impedance range of the Nyquist diagram, a variable representing the slope of the impedance spectrum is determined as the evaluation variable and compared with at least one reference value, wherein an SOC value is then assigned as a function of the comparison. The variable representing the slope can be an angle of the straight line to a coordinate axis. The linear impedance range is also referred to as the diffusion region.

In einer Ausführungsform wird als Vorschritt der Imaginärteil einer Impedanz bei einer bestimmten Frequenz f bestimmt und mit einem Schwellwert verglichen. Unterschreitet der negative Imaginärteil den Schwellwert, so liegt der SOC bei 100 %. Bei einer bevorzugten Frequenz von f = 10 mHz liegt der Schwellwert bei Blei-Säure-Batterien beispielsweise bei „–0,14 mΩ“. Bei kleineren Frequenzen wird der Schwellwert kleiner definiert. Wird der Schwellwert hingegen nicht unterschritten, so wird nachfolgend der SOC über Auswertung des Phasenwinkels φ und/oder der Steigung m ausgewertet. In one embodiment, the imaginary part of an impedance at a certain frequency f is determined as a preliminary step and compared with a threshold value. If the negative imaginary part falls below the threshold value, the SOC is 100%. At a preferred frequency of f = 10 mHz is the Threshold for lead-acid batteries, for example at "-0.14 mΩ". At lower frequencies, the threshold is defined smaller. If, on the other hand, the threshold value is not undershot, the SOC is subsequently evaluated by evaluating the phase angle φ and / or the gradient m.

Dabei kann die Frequenz bei der der Imaginärteil bestimmt wird gleich der Frequenz bei der Bestimmung des Phasenwinkels sein (z. B. 10 mHz), diese können aber unterschiedlich sein. The frequency at which the imaginary part is determined can be equal to the frequency in the determination of the phase angle (eg 10 mHz), but these can be different.

In einer Ausführungsform wird der Phasenwinkel bei einer Frequenz f kleiner 100 mHz und größer 1 mHz bestimmt, wobei wieder gilt, dass die Unterschiede bei kleineren Frequenzen ausgeprägter sind, jedoch dafür die Messzeit steigt. Ein guter Kompromiss ist dabei eine Frequenz von 10 mHz. In one embodiment, the phase angle is determined at a frequency f less than 100 mHz and greater than 1 mHz, whereby again the differences are more pronounced at lower frequencies, but for this the measurement time increases. A good compromise is a frequency of 10 mHz.

Das Impedanzspektrum wird vorzugsweise zwischen 1 Hz und 0,1 mHz bestimmt, wobei bei einer Frequenz f von 1 Hz die Batterie sicher im Diffusionsbereich liegt. The impedance spectrum is preferably determined between 1 Hz and 0.1 MHz, wherein at a frequency f of 1 Hz, the battery is safely in the diffusion range.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein SOC-Wert < 100% über die Auswertung des Phasenwinkels und ein SOC-Wert < 100% über die Auswertung der Steigung des Impedanzspektrums ermittelt, wobei eine Wichtung der Auswertungsergebnisse erfolgen kann. In a preferred embodiment, an SOC value <100% is determined via the evaluation of the phase angle and an SOC value <100% via the evaluation of the gradient of the impedance spectrum, wherein a weighting of the evaluation results can take place.

Ergibt sich aus der Auswertung des Imaginärteiles der Impedanz über den Schwellwert ein SOC-Wert von 100 %, ist dieser das Ergebnis. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen: If the evaluation of the imaginary part of the impedance above the threshold results in an SOC value of 100%, this is the result. The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The figures show:

1 ein schematisches Blockschaltbild zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie, 1 1 is a schematic block diagram for determining an impedance of a lead-acid battery,

2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Batterie, 2 an electrical equivalent circuit diagram of a lead-acid battery,

3 einen beispielhaften Verlauf der Impedanz (Nyquist-Diagramm) einer Blei-Säure-Batterie, 3 an exemplary course of the impedance (Nyquist diagram) of a lead-acid battery,

4 eine Darstellung des Verlaufs des Realteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten, 4 a representation of the course of the real part over the frequency for different SOH values or actual capacities,

5 eine Darstellung des Verlaufs des Imaginärteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten und 5 a representation of the course of the imaginary part over the frequency for different SOH values or actual capacities and

6 eine Darstellung der Steigungen im Diffusionsbereich in Abhängigkeit vom SOC. 6 a representation of the slopes in the diffusion region as a function of SOC.

In der 1 ist vereinfacht ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie 2 mit einer Wechselspannungsquelle 3 dargestellt, deren Frequenz f veränderbar ist. Dabei ist in Reihe zur Wechselspannungsquelle 3 ein Amperemeter A und parallel zur Blei-Säure-Batterie 2 ein Voltmeter geschaltet, die phasengerecht Strom und Spannung erfassen, um daraus die Impedanz in einer Auswerteeinheit 4 zu ermitteln. Alternativ kann die Quelle auch als Wechselstromquelle ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit 4 kann dann wie nachfolgend erläutert den SOH und/oder den SOC der Blei-Säure-Batterie 2 ermitteln. In the 1 is simplified a block diagram of a device 1 for determining an impedance of a lead-acid battery 2 with an AC voltage source 3 represented, whose frequency f is variable. It is in series with the AC voltage source 3 an ammeter A and parallel to the lead-acid battery 2 a voltmeter connected, the live phase and detect voltage and voltage, in order to derive the impedance in an evaluation unit 4 to investigate. Alternatively, the source may also be designed as an alternating current source. The evaluation unit 4 can then as explained below the SOH and / or the SOC of the lead-acid battery 2 determine.

In der 2 ist ein häufig verwendetes Ersatzbild einer Blei-Säure-Batterie 2 dargestellt, deren Elemente kurz erläutert werden sollen. Der Innenwiderstand R_i einer Blei-Säure-Batterie setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Pole, Polbrücken, Zellverbinder (wenn mehrere Batterien in Reihe oder parallel verschaltet werden), Elektrodengitter, aktive Materialien und den Elektrolyten, wobei dieser den größten Anteil ausmacht. Eine Erhöhung des Innenwiderstands entsteht durch Korrosionseffekte, Verlust aktiver Masse, Veränderungen von Mikrostrukturen im Laufe der Zeit sowie Elektrolytkonzentration und -temperatur. Induktive Effekte treten bei einer Batterie an Anschlussleitungen und deren Verschaltung, Polverbindern und der Massestruktur auf, was durch die Induktivität L ausgedrückt wird. In the 2 is a commonly used replacement image of a lead-acid battery 2 whose elements are briefly explained. The internal resistance R _{i of} a lead-acid battery is composed of the following components: poles, bridge bridges, cell connectors (if several batteries are connected in series or in parallel), electrode grid, active materials and the electrolyte, which accounts for the largest share. An increase in internal resistance is caused by corrosion effects, loss of active mass, changes in microstructures over time, and electrolyte concentration and temperature. Inductive effects occur with a battery on leads and their interconnection, pole connectors, and ground structure, which is expressed by the inductance L.

Innerhalb des Blei-Säure-Akkumulators findet die Energiespeicherung innerhalb des Elektrolyten statt. Bei Anlegen einer Überspannung verändert sich durch Stromfluss die Dichteverteilung der Ladungsträger aufgrund der Potentialverschiebung in der Doppelschicht. Zum Erreichen eines neuen, stabilen Zustandes wird eine gewisse Zeit benötigt. Die Modellierung dieses physikalischen Verhaltens erfolgt über eine Kapazität C, hier benannt als C_dl für „double layer“. Zum Verhalten in der Doppelschicht muss der dabei ebenfalls auftretende Durchtritt der Ladungsträger von fester Elektrode zu flüssigem Elektrolyten und der anschließende Ladungs-Transfer innerhalb der Doppelschicht, als ein Widerstand, der den Ladungsträgern entgegenwirkt, modelliert werden. Dies kann durch die Parallelschaltung des Widerstandes R_ct zur Doppelschichtkapazität C_dl erfolgen. Der Index „ct“ steht dabei für „charge transfer“. Within the lead acid accumulator, the energy storage takes place within the electrolyte. When an overvoltage is applied, the density distribution of the charge carriers changes as a result of the current flow due to the potential shift in the double layer. It will take some time to reach a new stable state. The modeling of this physical behavior occurs via a capacitance C, here named C _dl for "double layer". For the behavior in the double layer, the also occurring passage of the charge carriers from solid electrode to liquid electrolyte and the subsequent charge transfer within the double layer, as a resistor which counteracts the charge carriers, must be modeled. This can be done by the parallel connection of the resistor R _ct to the double-layer capacitance C _dl . The index "ct" stands for "charge transfer".

Die Kapazität C_D mit dem parallel geschalteten Widerstand R_D modelliert Diffusionsvorgänge. Diffusionsvorgänge sind dann relevant, wenn die Elektrodenreaktionen durch einen Mangel an Reaktionspartnern gehemmt sind. Dies tritt beispielsweise am Ende jeder Batterieladung auf, wenn nur noch wenig umsetzbares PbSO₄ auf den Elektrodenoberflächen vorhanden ist, sodass der Ladestrom durch die geringere Diffusionsrate der Blei-Ionen in die Doppelschicht bestimmt wird und auch bei Anhebung der Ladespannung kaum noch ansteigt. The capacitance C _D with the parallel resistor R _D models diffusion processes. Diffusion processes are relevant when the electrode reactions are inhibited by a lack of reactants. This occurs, for example, at the end of each battery charge, when only little convertible PbSO _{4 is present} on the electrode surfaces, so that the charging current is determined by the lower diffusion rate of lead ions in the double layer and hardly increases even when raising the charging voltage.

In der 3 ist nun ein beispielhafter Verlauf einer Impedanz Z = Z‘ + jZ‘‘ einer Blei-Säure-Batterie dargestellt, wobei anzumerken ist, dass die negativen Z‘‘-Werte auf der Y-Achse aufgetragen sind. Dabei sind die jeweils dominierenden Teile des Ersatzschaltbildes gemäß 2 eingezeichnet. Dabei ist Z‘ der Realteil und Z‘‘ der Imaginärteil der Impedanz. Wird durch einen Impedanzwert eine Ursprungsgerade gelegt, so ist der Winkel zwischen Ursprungsgerade und X-Achse der Phasenwinkel φ. In the 3 Now, an exemplary characteristic of an impedance Z = Z '+ jZ "of a lead-acid battery is shown, wherein it is to be noted that the negative Z" values are plotted on the Y-axis. The respective dominant parts of the equivalent circuit diagram are according to 2 located. Where Z 'is the real part and Z''is the imaginary part of the impedance. If an original straight line is set by an impedance value, then the angle between the origin straight line and the X axis is the phase angle φ.

In der 4 ist der Realteil Z‘ über der Frequenz für unterschiedlich gealterte Batterien im Ruhezustand dargestellt, wobei die Temperatur und der SOC jeweils gleich ist (T = 20°C und SOC = 40 %). Dabei ist zu erkennen, dass sich die Verläufe nur geringfügig im Bereich > 1000 Hz unterscheiden. Von 1000 Hz bis etwa 0,1 Hz besteht nur eine Unterscheidungsmöglichkeit der am stärksten zyklisierten Batterie K_IST = 22, 15 Ah zu den anderen Batterien. Bei Frequenzen < 0,1 Hz differieren die Verläufe stärker voneinander, wobei der größte Unterschied bei f = 10 mHz zu erkennen ist. Dabei ist jedoch zu erkennen, dass die Istkapazität bei 10 mHz mit zunehmendem Realteil nichtlinear abnimmt. In der 5 sind nun die Messergebnisse der gleichen Batterien dargestellt, wobei nunmehr der negative Imaginärteil Z‘‘ über der Frequenz f dargestellt ist. In the 4 the real part Z 'versus frequency is shown for differently aged batteries at rest, with the temperature and SOC being the same (T = 20 ° C and SOC = 40%). It can be seen that the curves differ only slightly in the range> 1000 Hz. From 1000 Hz to about 0.1 Hz, there is only one possibility of distinguishing the most cyclized battery K _IST = 22, 15 Ah to the other batteries. At frequencies <0.1 Hz, the gradients differ more strongly, whereby the largest difference at f = 10 mHz can be seen. However, it can be seen that the actual capacity at 10 mHz decreases non-linearly with increasing real part. In the 5 now the measurement results of the same batteries are shown, wherein now the negative imaginary part Z '' is shown on the frequency f.

In der Darstellung ist erkennbar, dass der Imaginärteil bis zu einer Frequenz von etwa 10 Hz keine Unterscheidung der Istkapazitäten liefern kann. Ab Frequenzen < 10 Hz ist eine größere Differenz der Verläufe ersichtlich als bei der Darstellung in 4. Der größte Unterschied stellte sich ebenfalls bei der Frequenz 10 mHz ein. Dort ist zu erkennen, dass bei sinkendem Imaginärteil ebenfalls die Istkapazität sinkt. In diesem Fall in einer nahezu linearen Reihenfolge. It can be seen in the illustration that the imaginary part can not provide a distinction of the actual capacities up to a frequency of about 10 Hz. From frequencies <10 Hz, a larger difference of the curves is visible than in the illustration in 4 , The biggest difference also occurred at the 10 MHz frequency. There it can be seen that with decreasing imaginary part, the actual capacity also decreases. In this case in a nearly linear order.

Dies wird nun erfindungsgemäß für eine Bestimmung des SOH-Wertes ausgenutzt, indem Bereichen von Werten des Imaginärteils Z‘‘ SOH-Wertebereiche zugeordnet werden. Durch die Verwendung von ausreichend großen Bereichen, stellen auch Messausreißer kein Problem dar. Dabei erfolgt vorzugsweise der Vergleich zwischen Auswertegröße (Imaginärteil Z‘‘) und Referenzwerten bei einer festen Frequenz (z.B. 10 mHz) und gleicher Temperatur im Ruhezustand der Batterie. This is now utilized according to the invention for a determination of the SOH value by assigning regions of values of the imaginary part Z "SOH value ranges. By using sufficiently large areas, measurement outliers also pose no problem, whereby the comparison between the evaluation quantity (imaginary part Z ") and reference values at a fixed frequency (for example 10 mHz) and the same temperature in the resting state of the battery is preferably carried out.

Die Auswertung erfolgt vorzugsweise in einer Auswerteeinheit, in der aus den Strom- und Spannungswerten der Imaginärteil Z‘‘ bestimmt und verglichen wird, wobei die Referenzwerte in einem zugeordneten Speicher abgelegt sind. Der ermittelte SOH-Wert kann dann angezeigt werden und gegebenenfalls eine Empfehlung bei einem Batteriewechsel ausgegeben werden. Des Weiteren kann der ermittelte SOH-Wert weiteren Steuergeräten, beispielsweise einem Batterie-Management-System, zugeführt werden. The evaluation is preferably carried out in an evaluation unit, in which the imaginary part Z "is determined and compared from the current and voltage values, the reference values being stored in an associated memory. The determined SOH value can then be displayed and, if appropriate, a recommendation when a battery change is issued. Furthermore, the determined SOH value can be supplied to further control devices, for example a battery management system.

In der 6 sind die Steigungen für Blei-Säure-Batterien mit unterschiedlichen SOC im Diffusionsbereich dargestellt, wobei die oberste Frequenz beispielsweise 1 Hz und die unterste Frequenz beispielsweise 10 mHz ist, wobei in der grafischen Darstellung von den Impedanzwerten die Werte des ersten Impedanzwertes (Z’min + jZ‘‘min) bei der größten Frequenz (z.B. 1 Hz) von den nachfolgenden Werten abgezogen wird, sodass Ursprungsgeraden entstehen. Dabei kann dann der Steigung m bzw. dem Winkel α über Vergleich mit Referenzwerten ein SOC-Wert zugeordnet werden. Dabei sind die Imaginärteile Z‘‘ wieder negativ. Dabei ist ein Schwellwert S eingezeichnet, der beispielsweise bei Blei-Säure-Batterien bei einer Frequenz f = 10 mHz „–0,14 mΩ“ beträgt. Wie der 6 zu entnehmen ist, unterschreitet nur der Imaginärteil Z‘‘ bei SOC = 100% dieser Schwellwert S. Daher wird vorzugsweise dieses Kriterium zunächst ausgewertet, ob der SOC = 100 % ist. Unterschreitet der Imaginärteil den Schwellwert S nicht, so ist der SOC kleiner 100 % und wird durch Auswertung der Steigung m bzw. des Winkels α bestimmt. In the 6 For example, the slopes for lead-acid batteries are shown with different SOCs in the diffusion region, where the uppermost frequency is, for example, 1 Hz and the lowest frequency is 10 MHz, and in the graph of the impedance values, the values of the first impedance value (Z'min + jZ''min) at the highest frequency (eg 1 Hz) is subtracted from the following values, so that origin lines emerge. In this case, the slope m or the angle α can then be assigned an SOC value by comparison with reference values. The imaginary parts Z "are again negative. In this case, a threshold value S is drawn, which is for example in lead-acid batteries at a frequency f = 10 mHz "-0.14 mΩ". Again 6 can be seen, only the imaginary part Z '' falls below SOC = 100% of this threshold S. Therefore, preferably this criterion is first evaluated whether the SOC = 100%. If the imaginary part does not fall below the threshold value S, then the SOC is less than 100% and is determined by evaluating the pitch m or the angle α.

Alternativ kann auch der Phasenwinkel φ der Impedanz bei einer möglichst kleinen Frequenz von beispielsweise 10 mHz bestimmt werden und einen Winkelbereich ein SOC-Bereich zugeordnet werden. Auch hier kann zunächst der Imaginärteil Z‘‘ zuvor mit dem Schwellwert S verglichen werden, ob der SOC = 100 % ist. Alternatively, the phase angle φ of the impedance can be determined at the smallest possible frequency of 10 mHz, for example, and an angular range can be assigned to an SOC range. Again, the imaginary part Z "may first be compared with the threshold value S, if the SOC = 100%.

Dabei können die beiden Methoden auch kombiniert werden. Dabei wird vorzugsweise zunächst der Imaginärteil Z‘‘ mit dem Schwellwert S verglichen, wobei bei einer Unterschreitung des Schwellwerts S der SOC zu 100 % bestimmt wird. Wird hingegen der Schwellwert S nicht unterschritten, so wird sowohl die Steigung m (bzw. der Winkel α) als auch der Phasenwinkel φ bei einer bestimmten Frequenz bestimmt, wobei dann die beiden Ergebnisse der SOC-Bestimmung zusammengeführt werden, wobei dabei auch eine Gewichtung vorgenommen werden kann. The two methods can also be combined. In this case, the imaginary part Z "is preferably first compared with the threshold value S, wherein when the threshold value S is undershot, the SOC is determined to be 100%. If, on the other hand, the threshold value S is not undershot, then both the slope m (or the angle α) and the phase angle φ are determined at a specific frequency, in which case the two results of the SOC determination are combined, wherein a weighting is also carried out can be.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009000337 A1 [0011, 0013]

Claims

Method for determining a state-of-health value SOH of a battery ( 2 ), comprising the steps of: a) providing a battery of known temperature and known time after the last charge / discharge process ( 2 b) determining at least one impedance value (Z) at at least one frequency f, c) determining an evaluation variable on the basis of the at least one determined impedance (Z), d) determining an SOH value of the battery ( 2 ) on the basis of a comparison of the evaluation variable with at least one reference value, characterized in that the imaginary part (Z '') of the impedance (Z) is determined as the evaluation variable.

A method according to claim 1, characterized in that the frequency f is chosen to be less than 10 Hz.

A method according to claim 2, characterized in that the frequency is less than 50 mHz and greater than 1 mHz.

Contraption ( 1 ) for determining a state-of-health value SOH of a battery ( 2 ) comprising an AC voltage or current source ( 3 ), Means for phase-sensitive detection of voltage and current, and an evaluation unit ( 4 ), whereby the evaluation unit ( 4 ) is designed such that it determines the impedance and therefrom the imaginary part (Z '') as the evaluation variable from voltage and current, and determines an SOH value of the battery by comparing the evaluation variable with at least one reference value.

Method for determining a state-of-charge value SOC of a battery ( 2 ), comprising the steps of: a) providing a battery of known temperature and known time after last charge / discharge, b1) determining at least one impedance value (Z) at at least one frequency f ,, c1) determining the phase angle (φ) of the impedance ( Z) as the evaluation quantity and d1) determining an SOC value of the battery ( 2 ) based on a comparison of the phase angle (φ) with at least one reference value and / or b2) determining at least one impedance spectrum of the battery in a linear impedance range of the Nyquist diagram ( 2 c2) determining a magnitude of the impedance spectrum representing the slope (m) of the imaginary part Z "as the evaluation variable and d2) determining a SOC value of the battery ( 2 ) Based on a comparison of the evaluation size with at least one reference value.

A method according to claim 5, characterized in that an imaginary part (Z '') of the impedance (Z) is determined at a certain frequency f and compared with a threshold value (S), wherein when the threshold value (S) is undershot, the SOC becomes 100 % is determined.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the phase angle (φ) at a frequency f less than 100 mHz and greater than 0.1 mHz is determined.

A method according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the impedance spectrum between 1 Hz and 0.1 mHz is determined.

Method according to one of claims 5 to 8, characterized in that an SOC value <100% on the evaluation of the phase angle (φ) and on the evaluation of the slope (m) of the impedance spectrum is determined and weighted.

Device for determining a state-of-charge value SOC of a battery ( 2 ) comprising an AC voltage or current source ( 3 ), Means for phase-sensitive detection of voltage and current, and an evaluation unit ( 4 ), whereby the evaluation unit ( 4 ) is designed such that it determines the imaginary part (Z '') and the phase angle (φ) of the impedance (Z) as evaluation variables from voltage and current, and by comparing the imaginary part (Z '') with a threshold value (S) and / or the phase angle φ with at least one reference value, an SOC value of the battery ( 2 ) and / or the AC voltage and current source has a variable frequency f, wherein the evaluation unit is designed such that an impedance spectrum in a linear impedance range of the battery ( 2 ) and a magnitude of the impedance spectrum representing the slope (m) of the imaginary part (Z '') is determined as the evaluation quantity, and by comparing the evaluation value and at least one reference value, an SOC value of the battery ( 2 ) certainly.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the evaluation unit ( 4 ) is designed in such a way that an SOC value of 100% takes place via the evaluation of the imaginary part (Z '') of the impedance (Z) by comparison with a threshold value (S) and an SOC value <100% via the evaluation of the phase angle (φ) and on the evaluation of the slope (m) of the impedance spectrum is determined and weighted.