DE102015200835A1

DE102015200835A1 - Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen

Info

Publication number: DE102015200835A1
Application number: DE102015200835.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Simon Lepiorz; Wolfgang Weydanz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-21
Also published as: WO2016116212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44), mit folgenden Schritten: – Erzeugen von Referenzdaten anhand eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs vor Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44) in einem bestimmungsgemäßen Betrieb, – Erfassen von Ladungsdaten eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs nach einer Inbetriebnahme der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44), – Ermitteln eines ersten Änderungsverlaufs (64) aus den Referenzdaten, – Ermitteln eines zweiten Änderungsverlaufs (66) aus den Ladungsdaten, – Vergleichen des zweiten Änderungsverlaufs (66) mit dem ersten Änderungsverlauf (64) und Erzeugen eines Vergleichsergebnisses, – Ermitteln der Ladungsverteilung und/oder des Zellenzustands anhand des Vergleichsergebnisses und – Ausgeben eines die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand betreffenden Überwachungssignals in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung und/oder dem Zellenzustand.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen.
Die galvanische Zelle ist ein Energiespeicher, der dem Speichern von elektrischer Energie in chemischer Form dient. Für viele Anwendungen in der Elektrotechnik ist die durch die galvanische Zelle bereitgestellte elektrische Spannung zu gering. Es ist deshalb üblich, mehrere galvanische Zellen in Reihe zu schalten und zu einem Akkumulator, der wiederaufladbar ist, zusammenzufassen. Solche Akkumulatoren finden in vielen Bereichen der Elektrotechnik Anwendung, beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugelektrik, im Bereich unterbrechungsfreier elektrischer Energieversorgungen, bei mobilen Energieversorgungseinrichtungen, bei Sicherungseinrichtungen wie Signalanlagen und/oder dergleichen.
Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen findet ein Akkumulator auf Blei-Säure-Basis Anwendung, der in der Regel dazu dient, die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet ist. Zugleich dient dieser Akkumulator dazu, Energie für den Start der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Dementsprechend sind solche Akkumulatoren, beispielsweise für Gleichspannungen von 6 V, 12 V, 24 V oder dergleichen ausgebildet. Entsprechend sind in diesen Akkumulatoren 3, 6 oder 12 galvanische Zellen auf Blei-Säure-Basis in Reihe geschaltet vorgesehen. Eine weitere wichtige Anwendung von aus galvanischen Zellen gebildeten Akkumulatoren findet sich insbesondere bei Kraftfahrzeugen, die einen reinen elektrischen Antrieb aufweisen oder einen elektrischen Antrieb mit einem Verbrennungskraftantrieb kombinieren. Bei solchen Akkumulatoren sind Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt im Einsatz. Entsprechend ist eine hohe Anzahl von galvanischen Zellen in einem Akkumulator in Reihe geschaltet vorgesehen. Für solche Akkumulatoren werden häufig galvanische Zellen auf Lithium-Basis verwendet, die sich durch einen besonders hohe Energiedichte und Belastbarkeit auszeichnen. Dadurch kann insbesondere für Antriebszwecke eine hohe Leistung bereitgestellt werden, die einerseits dem Beschleunigen des Fahrzeugs und andererseits dem Speichern von Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs dienen kann. Auch wenn vorliegend auf Landfahrzeuge Bezug genommen wird, sind die Erkenntnisse der Erfindung nicht hierauf beschränkt sondern gleichermaßen natürlich auch bei Wasser- oder Luftfahrzeugen einsetzbar. Ebenso gilt gleiches für stationäre Speicher, die nicht in Fahrzeugen eingebaut sind.
Beim bestimmungsgemäßen Betrieb gattungsgemäßer Akkumulatoren beziehungsweise in Reihe geschalteten galvanischen Zellen zeigt es sich, dass die in Reihe geschalteten Zellen häufig eine voneinander abweichende Selbstentladung und Alterung aufweisen. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs divergieren deshalb die jeweiligen Ladungszustände möglicherweise immer weiter voneinander. Dadurch kann jedoch die bestimmungsgemäße Funktion der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen beziehungsweise Akkumulatoren beeinträchtigt werden, beispielsweise weil Wartungs- und/oder sicherheitsrelevante Probleme entstehen können. Im Stand der Technik ist es deshalb üblich, abweichende Ladungszustände in regelmäßigen Abständen durch zellenweises Prüfen und Abgleichen der jeweiligen Ladungszustände zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen beispielsweise einzeln bezüglich ihrer Zellspannung überwacht. Zum Ausgleichen der Ladungszustände ist es üblich, elektrische Widerstände jeweils parallel zu einer jeweiligen galvanischen Zelle zu schalten. Überschreitet eine jeweilige Zellspannung der galvanischen Zelle eine vordefinierte elektrische Vergleichsspannung, so wird die jeweilige galvanische Zelle über den elektrischen Widerstand entladen, bis die Vergleichsspannung erreicht ist. Dies wird für jede der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen durchgeführt.
Obwohl sich das Verfahren im Stand der Technik bewährt hat, zeigen sich dennoch Probleme. Bei galvanischen Zellen mit besonders flachen Ladungskennlinien ist die Korrelation zwischen dem Ladungszustand der jeweiligen galvanischen Zelle und der durch die bereitgestellten elektrischen Spannung, zumindest in Teilbereichen der Ladungskennlinie, nur unzureichend genau oder gar nicht möglich. Das im Stand der Technik übliche Ausgleichen von Ladungsdifferenzen, auch Balancierung genannt, erhöht den Energieverbrauch und führt zugleich zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads sowie zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung. Darüber hinaus kann bei bestimmten Stoffpaarungen für die Elektroden der galvanischen Zellen der jeweilige Balancierungsgrad nicht einfach bestimmt werden. Beispielsweise gilt dies für Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial und / oder Lithium-Titanat als Anodenmaterial. Dadurch können notwendige Maßnahmen und Wartungsarbeiten nicht oder erst in einem späten Stadium festgestellt und geplant werden. Schließlich ist die Einstellung eines einheitlichen Ladungszustands aller in Reihe geschalteten galvanischen Zellen nur unzulänglich möglich, wenn die Korrelation zwischen der jeweiligen Zellspannung und dem Ladungszustand der galvanischen Zelle nur unzureichend ist. In einem solchen Fall sind dann auch keine Informationen über eine verfügbare Ladungskapazität möglich. Ist darüber hinaus für jede der galvanischen Zellen eine Zellspannungsüberwachungseinrichtung vorhanden, so kann dies zur Abschaltung des kompletten Akkumulators führen, beispielsweise wenn ein Batteriemanagementsystem den kompletten Akkumulator abschaltet, weil die Zellspannungsüberwachung von einer der galvanischen Zellen ein entsprechendes Signal liefert. Ein redundantes Sicherheitssystem ist oft nicht vorgesehen. Ebenso ist es bisher nur schwer zu erstellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass eine verbesserte Überwachung von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen ermöglicht wird.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Mit dem weiteren unabhängigen Anspruch 10 wird darüber hinaus eine entsprechende Einrichtung vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung wird insbesondere ein Verfahren zur Überwachung einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen vorgeschlagen, mit folgenden Schritten:

– Erzeugen von Referenzdaten anhand eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs vor Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen in einem bestimmungsgemäßen Betrieb,
– Erfassen von Ladungsdaten eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs nach einer Inbetriebnahme der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen,
– Ermitteln eines ersten Änderungsverlaufs aus den Referenzdaten,
– Ermitteln eines zweiten Änderungsverlaufs aus den Ladungsdaten,
– Vergleichen des zweiten Änderungsverlaufs mit dem ersten Änderungsverlauf und Erzeugen eines Vergleichsergebnisses,
– Ermitteln der Ladungsverteilung und/oder des Zellenzustands anhand des Vergleichsergebnisses und
– Ausgeben eines die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand betreffenden Überwachungssignals in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung und/oder dem Zellenzustand.

Ferner wird mit der Erfindung insbesondere eine Einrichtung zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen vorgeschlagen, mit einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, Referenzdaten anhand eines Ladungsverlaufs vor Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zu erzeugen, Ladungsdaten eines Ladungsverlaufs nach einer Inbetriebnahme der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen zu erfassen, einen ersten Änderungsverlauf aus den Referenzdaten zu ermitteln, einen zweiten Änderungsverlauf aus den Ladungsdaten zu ermitteln, den zweiten Änderungsverlauf mit dem ersten Änderungsverlauf zu vergleichen und ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand anhand des Vergleichsergebnisses zu ermitteln und ein die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand betreffendes Überwachungssignal in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung und/oder dem Zellenzustand auszugeben.
Vorliegend wird unter einer galvanischen Zelle eine elektrochemische Vorrichtung verstanden, die es erlaubt, elektrische Energie nach dem Akkumulatorprinzip aufzunehmen und auch wieder abzugeben. Die galvanische Zelle kann zugeführte elektrische Energie im Rahmen einer Stoffumwandlung chemisch speichern. Dieser Vorgang ist wenigstens teilweise reversibel, sodass chemisch gespeicherte Energie im Rahmen einer reziproken Stoffumwandlung wieder als elektrische Energie freigesetzt werden kann. Zu diesem Zweck weist die galvanische Zelle in der Regel wenigstens zwei Elektroden auf, nämlich eine Kathode und eine Anode, die chemisch (ionisch) miteinander in Kontakt stehen und die die elektrischen Anschlüsse der galvanischen Zelle bereitstellen beziehungsweise mit diesen verbunden sind. Entsprechend der Elektrodenwerkstoffe und gegebenenfalls eines Elektrolyten stellt sich an den Elektroden eine spezifische Gleichspannung ein. Diese Gleichspannung beträgt üblicherweise wenige Volt und ist von der jeweiligen Stoffpaarung sowie von weiteren Zustandsparametern der galvanischen Zelle, wie beispielsweise Ladungszustand, Temperatur, Druck und/oder dergleichen, abhängig. Galvanische Zellen dieser Art finden Einsatz in Akkumulatoren. Diese enthalten wenigstens eine galvanische Zelle. Es können aber auch mehrere galvanische Zellen in einem Akkumulator vorgesehen sein, wobei die galvanischen Zellen je nach Anwendung in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung im Akkumulator verschaltet sein können.
Durch die Nutzung von Änderungsverläufen ermöglicht es die Erfindung, eine Information über einen Grad der Balancierung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen zu ermitteln, ohne dass die jeweiligen galvanischen Zellen einzeln überwacht werden müssten. Das Gleiche gilt dem Grunde nach auch für den Zellenzustand, beispielsweise einem Alterungszustand, einem Ladungszustand, einer verfügbaren Zellenkapazität, Kombinationen hiervon oder dergleichen. Zugleich eignet sich das Verfahren insbesondere auch bei galvanischen Zellen, die besonders flache Ladungskennlinien aufweisen und deshalb mit den im Stand der Technik üblichen Verfahren nur unzureichend balanciert werden können. Natürlich ist die Erfindung nicht nur auf solche galvanische Zellen mit flachen Ladekennlinien beschränkt, sondern ist dem Grunde nach für beliebige galvanische Zellen anwendbar, insbesondere natürlich auch für Blei-Säure-Zellen. Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung natürlich für die Anwendung bei Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere Lithium-Eisenphosphat-Zellen oder Lithium-Titanat-Zellen, die eine besonders flache Ladungskennlinie aufweisen.
Das Erzeugen von Referenzdaten wird vorzugsweise vor einer ersten Inbetriebnahme der Reihenschaltung der galvanischen Zellen durchgeführt, insbesondere bei unmittelbar zuvor hergestellten galvanischen Zellen. Die hierbei erzeugten Referenzdaten dienen für das weitere Verfahren als Vergleichsdaten, um Veränderungen hinsichtlich der Balancierung der einzelnen galvanischen Zellen ermitteln zu können. Die Referenzdaten können beispielsweise während eines Aufladevorgangs oder eines Entladevorgangs erfasst werden. Beispielsweise können die Referenzdaten durch Abtasten während des Aufladens beziehungsweise Entladens erfasst werden. Die Referenzdaten können in einer Speichereinheit gespeichert werden, die den in Reihe geschalteten galvanischen Zellen zugeordnet ist. Sind die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen in einem Akkumulator angeordnet, kann die Speichereinheit auch im Akkumulator angeordnet sein. Dadurch sind die Referenzdaten den in Reihe geschalteten galvanischen Zellen unmittelbar zugeordnet. Darüber hinaus können die Referenzdaten auch bei einer Reihenschaltung von galvanischen Zellen ermittelt werden, bei der unmittelbar zuvor ein Ladungsausgleich beziehungsweise eine Balancierung durchgeführt worden ist.
Nach einer Inbetriebnahme, das heißt, beispielsweise während des bestimmungsgemäßen Betriebs der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen in einer elektrischen Einrichtung, werden Ladungsdaten des Ladungsverlaufs der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen erfasst. Die Ladungsdaten beziehen sich nicht auf eine einzelne galvanische Zelle, sondern auf die Reihenschaltung der galvanischen Zellen. Das Gleiche gilt im Übrigen auch für die Referenzdaten.
Die Ladungsdaten und die Referenzdaten können sowohl bei einem Aufladevorgang als auch bei einem Entladevorgang ermittelt werden. Vorzugsweise werden für das Verfahren der Erfindung entweder nur Referenz- und Ladungsdaten genutzt, die während eines Aufladevorgangs oder eines Entladevorgangs ermittelt worden sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Referenz- und Ladungsdaten aus unterschiedlichen Ladungsvorgängen ermittelt, insbesondere berechnet, werden. Das Ermitteln der Ladungsdaten und/oder die Referenzdaten kann während eines gewöhnlichen Ladungsvorgangs erfolgen.
Aus den Referenzdaten sowie aus den Ladungsdaten, werden ein entsprechender erster und zweiter Änderungsverlauf ermittelt. Der Änderungsverlauf gibt die jeweilige Veränderung in Bezug auf benachbarte Daten wieder. In diesem Zusammenhang kann der Änderungsverlauf wie eine mathematische Differentiation gesehen werden. Insbesondere stellen der erste und der zweite Änderungsverlauf Änderungsverläufe erster Ordnung dar. Der Änderungsverlauf kann ebenfalls durch entsprechende Daten bestimmt sein. Um den Änderungsverlauf zu ermitteln, kann vorgesehen sein, dass die Referenzdaten beziehungsweise die Ladungsdaten einer entsprechenden mathematischen Behandlung unterzogen werden. Die Änderungsverläufe können auch verkettet miteinander sein, entsprechend einer zweiten, dritten oder auch weiteren mathematischen Differentiation beziehungsweise Ableitung. Das heißt, aus den ersten und dem zweiten Änderungsverlauf können zum Beispiel durch nochmaliges ermitteln von Änderungsverläufen aus dem ersten und dem zweiten Änderungsverlauf erste und zweite Änderungsverläufe höherer Ordnung ermittelt werden. Diese können dann anstelle oder auch ergänzend zum ersten und zum zweiten Änderungsverlauf der ersten Ordnung zur Durchführung des Verfahrens genutzt werden. Auch beliebige andere Kombinationen von Änderungsverläufen können vorgesehen sein.
Der erste und der zweite Änderungsverlauf werden sodann verglichen und es wird ein Vergleichsergebnis erzeugt. Das Vergleichen sowie das Ermitteln des ersten und des zweiten Änderungsverlaufs kann mittels einer Rechnereinheit durchgeführt werden. Das Vergleichsergebnis kann ein einzelner Wert sein, es kann darüber hinaus aber auch ein Vergleichsverlauf sein, der dem ersten und dem zweiten Änderungsverlauf gegenübergestellt ist. Insofern kann der Vergleichsverlauf zum Beispiel jeweils lokale Vergleichsergebnisse bezüglich des ersten und des zweiten Änderungsverlaufs wiedergeben.
Aus dem Vergleichsergebnis kann dann die Ladungsverteilung ermittelt werden. Anhand der ermittelten Ladungsverteilung ergibt sich der Grad der Balancierung, der der Ladungsverteilung entspricht. Entsprechend des Grads der Balancierung beziehungsweise der Ladungsverteilung wird sodann ein Überwachungssignal ausgegeben. Dieses Überwachungssignal kann dazu dienen, anzuzeigen, ob ein vorgegebener Grad der Balancierung noch erreicht wird oder nicht. Wird der vorgegebene Grad der Balancierung nicht erreicht, kann eine Meldung ausgegeben werden, dass eine Balancierung beziehungsweise ein Ausgleichen von Ladungsdifferenzen der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen erforderlich ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht also darin, dass bei Zellen mit flacher Ladungskennlinie im Betrieb ohne Einhaltung fester Wartungsintervalle, beispielsweise Zeitintervalle, das Erfordernis der Balancierung anhand einer real ermittelten Ladungsverteilung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen erkannt werden kann. Dadurch kann das Balancieren der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen bedarfsgerecht durchgeführt werden, so dass vorzugsweise jederzeit ein ausgeglichener Ladezustand beziehungsweise eine gleichmäßige Ladungsverteilung – im Rahmen vordefinierter Kriterien – der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen erhalten bleibt.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein erstes lokales Extremum im ersten Änderungsverlauf und ein dem ersten Extremum zuordbares lokales zweites Extremum im zweiten Änderungsverlauf ermittelt wird, wobei das zweite lokale Extremum mit dem ersten lokalen Extremum verglichen und daraus die Ladungsverteilung ermittelt wird. Diese Ausgestaltung nutzt den Effekt, dass mit zunehmend ungleicher Ladungsverteilung ein erstes lokales Extremum im ersten Änderungsverlauf, der auf den zu Beginn der Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen ermittelten Referenzdaten beruht, sich bei ungleichmäßiger Ladungsverteilung verändert. Ein lokales Extremum kann beispielsweise ein lokales Maximum aber auch ein lokales Minimum sein. Das lokale Extremum zeichnet sich dadurch aus, dass eine lokale Steigung im Wesentlichen Null ist. Bei einem Maximum als lokalem Extremum, kann beispielsweise dessen Amplitude mit zunehmend ungleichmäßiger Ladungsverteilung kleiner werden. Zuordbar ist das zweite Extremum dem ersten Extremum, wenn es im Änderungsverlauf an einer dem ersten Extremum im Wesentlichen entsprechenden Stelle auftritt. So kann beispielsweise durch Ermitteln einer Differenz der Amplituden der zugeordneten Extrema auf die Ladungsverteilung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen geschlossen werden. Ist beispielsweise das lokale Maximum des zweiten Änderungsverlaufs deutlich kleiner als das lokale Maximum des ersten Änderungsverlaufs, kann hieraus ein Kriterium für die Notwendigkeit der Durchführung einer Balancierung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen gewonnen werden. Entsprechendes gilt für Minima als lokale Extrema.
Tritt beispielsweise im Bereich des maximal geladenen Zustands beziehungsweise des minimal geladenen Zustands der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen ein deutlicher Unterschied des zweiten Änderungsverlaufs gegenüber dem ersten Änderungsverlauf auf, kann dies ein Hinweis für eine ungleichmäßige Ladungsverteilung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen sein. Wenigstens eine der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen gelangt dann in einen Zustand außerhalb ihres bestimmungsgemäßen Betriebs und sollte durch Balancierung, zum Beispiel Ladungsausgleich, wieder dorthin zurückgeführt werden.
Gemäß einem Vorschlag der Erfindung können der erste und der zweite Änderungsverlauf mittels Differenzenquotientenermittlung ermittelt werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere dann für den Einsatz, wenn diskrete Referenzdaten und Ladungsdaten zur Verfügung stehen, beispielsweise indem sie während eines Ladungsvorgangs durch Abtasten erzeugt beziehungsweise erfasst worden sind. Das Abtasten kann beispielsweise zeitdiskret aber auch ladungsdiskret erfolgen. Durch Differenzenquotientenermittlung bezüglich benachbarter Referenzdaten beziehungsweise Ladungsdaten können dann der erste und er zweite Änderungsverlauf ermittelt werden. Diese Methode eignet sich besonders für den Einsatz unter Nutzung einer Recheneinheit. Es lassen sich Änderungsverläufe beliebiger Ordnung entsprechend beliebiger mathematischer Differentiationen berechnen.
Darüber hinaus kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mittels eines Regressionsverfahrens aus den Referenzdaten und/oder den Ladungsdaten jeweils eine zugeordnete Referenzfunktion und/oder eine zugeordnete Ladungsfunktion ermittelt, die Referenzfunktion und/oder die Ladungsfunktion jeweils differenziert und dem ersten und/oder dem zweiten Änderungsverlauf entsprechend zugeordnet werden. Dieses Verfahren kann dem Grunde nach auch mit dem vorgenannten auf der Differenzenquotientenermittlung basierenden Verfahren kombiniert werden, beispielsweise indem lediglich der erste oder der zweite Änderungsverlauf mittels des Regressionsverfahrens ermittelt wird und der jeweils andere mittels Differenzenquotientenermittlung. Besonders vorteilhaft lässt sich dieses Verfahren dann einsetzen, wenn sich die Ladungsdaten beziehungsweise die Referenzdaten durch eine geschlossene mathematische Funktion darstellen lassen. Durch einfaches Differenzieren der Funktion kann dann der erste beziehungsweise der zweite Änderungsverlauf ermittelt werden. Das Regressionsverfahren kann beispielsweise vorsehen, dass eine bestimmte Funktion, beispielsweise ein Polynom oder dergleichen, vorgegeben wird und mittels Regression seine Koeffizienten ermittelt werden, sodass eine minimale Abweichung gegenüber den Referenzdaten beziehungsweise den Ladungsdaten erreicht werden kann. Diese ermittelte geschlossene mathematische Funktion kann dann differenziert werden, um den ersten beziehungsweise den zweiten Änderungsverlauf erhalten zu können.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Schritt des Ermittelns des lokalen Extremums im ersten und im zweiten Änderungsverlauf das Ermitteln einer lokalen Breite des jeweiligen lokalen Extremums umfasst. Die Breite des lokalen Extremums kann bei einem vorgegeben Amplitudenwert ermittelt werden, beispielsweise bei einem halben Amplitudenwert. Diese Weiterbildung nutzt den Effekt, dass mit zunehmend ungleicher Ladungsverteilung über die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen ein lokales Extremum sich verbreitert, das heißt, dass ein lokales Extremum quasi unschärfer wird. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung in der lokalen Breite des lokalen Extremums im zweiten Änderungsverlauf gegenüber dem ersten Änderungsverlauf kann ein entsprechendes Überwachungssignal ausgegeben werden, was auf die ungleiche Ladungsverteilung hinweist ein Balancieren veranlasst. Deshalb umfasst der Schritt des Vergleichens vorzugsweise ein Vergleichen von ermittelten lokalen Breiten der zu vergleichenden Extrema.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Schritt des Vergleichens ergänzend ein Ermitteln eines Versatzes einer Amplitude des zweiten lokalen Extremums gegenüber dem ersten lokalen Extremum umfasst. Diese Ausgestaltung nutzt den Effekt, dass mit zunehmend ungleichmäßiger Ladungsverteilung über die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen das lokale Extremum sich gegenüber dem ersten lokalen Extremum verschiebt. Auch dies kann genutzt werden, um das Überwachungssignal zu erzeugen.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass beim Vergleichen des zweiten lokalen Extremums mit dem ersten lokalen Extremum eine Fläche über die lokale Breite es jeweiligen lokalen Extremums berücksichtigt wird. Diese Ausgestaltung nutzt den Effekt, dass mit abnehmender Amplitude bei zunehmend ungleichmäßiger Ladungsverteilung auch die entsprechende Fläche kleiner wird. Besonders vorteilhaft lässt sich diese Ausgestaltung deshalb mit dem Ermitteln und Vergleichen der jeweiligen Amplituden kombinieren, um die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu verbessern.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Referenzdaten für einen Aufladungsvorgang und/oder für einen Entladungsvorgang jeweils mit verschiedenen Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur, angelegter Strom und/oder dergleichen, erzeugt und die Ladungsdaten für einen Aufladungsvorgang und/oder einen Entladungsvorgang erfasst werden. Diese Ausgestaltung trägt einer Eigenschaft von Akkumulatoren Rechnung, dass nämlich die Referenzdaten beziehungsweise die Ladungsdaten beim Aufladen geringfügig anders sind als beim Entladen und sich weiterhin ebenso mit den obigen Umgebungsbedingungen ändern können. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden, wenn nämlich Ladungsdaten für einen Aufladungsvorgang mit Referenzdaten für einen Aufladungsvorgang unter ähnlichen Umgebungsbedingungen und Ladungsdaten für einen Entladungsvorgang mit Referenzdaten für einen Entladungsvorgang unter ähnlichen Umgebungsbedingungen verglichen werden können. Bei bestimmten Akkumulatortypen beziehungsweise in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, kann hierdurch eine erhebliche Erhöhung der Genauigkeit erreicht werden.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung in einem Diagramm mittels eines Graphen einen Spannungsverlauf eines Aufladungsvorgangs an einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle als galvanischer Zelle;
2 eine Darstellung wie 1, jedoch basierend auf einer Reihenschaltung von sechs in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen wie 1;
3 eine schematische Darstellung der in Reihe geschalteten Zellen gemäß 2 mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Ladungsverteilung über sämtliche Zellen;
4 eine schematische Darstellung wie 3, wobei eine der Zellen einen geringeren Ladungszustand und eine der Zellen eine geringere Ladungskapazität als die anderen Zellen aufweisen, beispielsweise auf Grund von Alterung;
5 eine schematische Darstellung von in Reihe geschalteten Lithium-Phosphat-Zellen mit einer Einzelzellspannungsüberwachung für jede der Lithium-Eisenphosphat-Zellen;
6 eine schematische Darstellung wie 1, wobei ergänzend eine Balancierungs-Spannungsgrenze dargestellt ist;
7 in einer schematischen Diagrammdarstellung eine Aufladungskurve in vergrößerter Darstellung gemäß 2;
8 eine schematische Diagrammdarstellung eines Differenzials der Aufladungskurve gemäß 7;
9–13 schematische Diagrammdarstellungen zweier Spannungsdifferenziale gemäß 8, wobei ein gestrichelter Graph einem balancierten Zustand entspricht und der durchgezogene Graph einem nichtbalancierten Zustand.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm 12, das zur Darstellung einer Ladekennlinie einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle vor einer Inbetriebnahme in einem bestimmungsgemäßen Betrieb mittels eines Graphen 16 dient. Auf einer Abszisse 10 des Diagramms 12 ist die Ladung in Ampere-Stunden (Ah) sowie auf einer Ordinate 14 die elektrische Spannung der Lithium-Eisenphosphat-Zelle als galvanischer Zelle in Volt (V) dargestellt. Zu erkennen ist, dass in einem Ladungsbereich der Lithium-Eisenphosphat-Zelle von etwa 0,2 Ah bis etwa 2,9 Ah sich die elektrische Spannung mit zunehmender Ladung nur unwesentlich ändert. Bei Unterschreiten der Ladung von 0,2 Ah nimmt dagegen die elektrische Spannung der Lithium-Eisenphosphat-Zelle stark ab, wohingegen bei Überschreiten der elektrischen Ladung der Lithium-Eisenphosphat-Zelle über 2,9 Ah hinaus die elektrische Spannung stark ansteigt. Um die Lithium-Eisenphosphat-Zelle vor Beschädigung zu schützen, sind deshalb Spannungsgrenzen vorgegeben, die vorliegend mittels Graphen für eine Ladeschlussspannung 18 und eine Entladeschlussspannung 20 im Diagramm 12 dargestellt sind. Die Ladeschlussspannung ist mittels der gestrichelten Linie 18 dargestellt, wohingegen die Entladeschlussspannung mittels der gestrichelten Linie 20 dargestellt ist. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Lithium-Eisenphosphat-Zelle wird mittels einer Überwachung sichergestellt, dass die Lithium-Eisenphosphat-Zelle lediglich zwischen der Ladeschlussspannung 18 und der Entladeschlussspannung 20 betrieben wird. Insofern stellt das Diagramm 12 der 1 eine Ladekennlinie für eine einzelne Lithium-Eisenphosphat-Zelle dar.
2 stellt eine Ladekennlinie für einen in 3 schematisch dargestellten Akkumulator dar, der eine Reihenschaltung aus sechs galvanischen Zellen, hier ebenfalls Lithium-Eisenphosphat-Zellen, aufweist. Die Lithium-Eisenphosphat-Zellen weisen jeweils eine Ladekennlinie gemäß 1 auf. Das in 2 dargestellte Diagramm 22 stellt schematisch die Ladekennlinie 24 der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen dar. Auf der Abszisse 10 ist wieder die Ladung in Ah, wie in 1 dargestellt, aufgetragen. Die Ordinate ist hier mit 30 gekennzeichnet, weil sie eine andere Spannungsteilung aufweist, als die Ordinate 14 der 1. Die Ordinate 30 gibt hier die Bemaßung für die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen an. Die Spannung ist wieder in V angegeben, wohingegen die Ladung der Abszisse 10 in Ah angegeben ist. Aufgrund der Reihenschaltung werden mittels der gestrichelten Linien 26 und 28 entsprechend eine Ladeschlussspannung beziehungsweise eine Entladeschlussspannung dargestellt. Mittels eines Graphen 24 ist die Ladekennlinie der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen dargestellt. Wie aus einem Vergleich der 1 und 2 hervorgeht, gelten die zur 1 genannten Eigenschaften der Lithium-Eisenphosphat-Zelle dem Grunde nach gleichermaßen auch für die Reihenschaltung. Somit ergibt sich die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen durch die Summe aus entsprechenden Einzelspannungen der jeweiligen einzelnen Lithium-Eisenphosphat-Zellen.
Die Reihenschaltung hat dem Grunde nach den Vorteil, dass hierbei bei gleichem Strom eine proportional mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen zunehmende Leistung erreicht werden kann. Dieser Zusammenhang ist in der folgenden Formel dargestellt: P = I·U_G = I·n·U_Z
In der Formel ist die Leistung mit P, der Strom mit I, die Gesamtspannung der Reihenschaltung mit U_G, mit n die Anzahl der galvanischen Zellen und mit U_Z die Einzelzellspannung der in der Reihenschaltung vorgesehenen galvanischen Zellen angegeben.
In 3 ist die Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen, wie sie für das Diagramm 22 der 2 zu Grunde liegen, schematisch dargestellt. Mit den Bezugszeichen 34 bis 44 sind die sechs Lithium-Eisenphosphat-Zellen bezeichnet. Jede dieser Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 weist eine nominale elektrische Spannung von 3,6 V bei einem Ladungszustand von 50 % auf. Die nominale Kapazität jeder der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 beträgt 3 Ah. Durch die Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 ergibt sich die Gesamtspannung U_G zu 21,6 V.
Mit der Zeit führen Alterungsprozesse zu Verlusten bezüglich der Kapazität der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44, die für jede der Zellen individuell unterschiedlich sind. Die Kapazitätsverluste können durch Produktionsunregelmäßigkeiten bereits zu Beginn des bestimmungsgemäßen Betriebs unterschiedlich sein. Darüber hinaus weisen galvanische Zellen eine Selbstentladung auf. Dies gilt auch für die Lithium-Ionen-Zellen beziehungsweise die hier verwendeten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44. Durch diese Effekte wird der Ladezustand der galvanischen Zellen 34 bis 44 und damit die Ladungsverteilung mit der Zeit unterschiedlich, wie es anhand von 4 beispielhaft dargestellt ist.
So zeigt beispielsweise in 4 die Lithium-Eisenphosphat-Zelle 38 einen Kapazitätsverlust gegenüber den weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34, 36, 40, 42, 44 an, wobei die Lithium-Eisenphosphat-Zelle 38 lediglich noch eine Kapazität von 2,4 Ah aufweist, wohingegen die weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34, 36, 40, 42, 44 jeweils eine Kapazität von 2,9 Ah aufweisen. Darüber hinaus weist die Lithium-Eisenphosphat-Zelle 42 gegenüber den anderen Lithium-Eisenphosphat-Zelle 34 bis 40 und 44 eine höhere Selbstentladung auf, was sich vorliegend durch einen reduzierten Ladungszustand von 30 % gegenüber den weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 40 und 44 zeigt, die jeweils einen Ladungszustand von 50 % aufweisen. Demzufolge ist auch die elektrische Spannung der Lithium-Eisenphosphat-Zelle 42 reduziert, hier lediglich 3,3 V, gegenüber den elektrischen Spannungen der weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 40 und 44, die jeweils eine elektrische Spannung von 3,6 V aufweisen. Demzufolge liegt die Gesamtspannung U_G nunmehr bei 21,3 V, also 0,3 V niedriger als bei der Ausgestaltung gemäß 3, und weist lediglich eine Kapazität von 2,4 Ah auf, weil nämlich die entnehmbare Ladung aufgrund der Kapazität des Gesamtsystems durch die galvanische Zelle mit der geringsten Kapazität in der Reihenschaltung bestimmt ist.
Um die Lithium-Eisenphosphat-Zellen 38 und 42 während des bestimmungsgemäßen Betriebs nicht zu beschädigen, ist es vorgesehen, die Einzelspannungen der jeweiligen Lithium-Eisenphosphat-Zellen zu überwachen. Um unterschiedliche Ladungszustände ausgleichen zu können, ist zu jeder der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 eine Spannungsmesseinheit 46 sowie ein elektrischer Widerstand 48 über ein elektromechanisches Schaltelement 50 parallelgeschaltet. Mit dem Schaltelement 50 kann die jeweils parallelgeschaltete Lithium-Eisenphosphat-Zelle 34 bis 44 entladen werden, bis die Ladungsverteilung über sämtliche Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 gleichmäßig verteilt ist.
Einen Ausschnitt dieser Schaltung stellt 5 dar. Die Spannungsmesseinrichtungen sowie die elektromechanischen Schalter 50 sind an ein nicht dargestelltes Batteriemanagementsystem angeschlossen, mittels welchem der eigentliche Balancierungsvorgang beziehungsweise Ladungsausgleichsvorgang durchgeführt wird. Die elektromechanischen Schalter 50 können natürlich auch durch elektronische Schaltelemente wie Transistoren gebildet sein.
Ausgelöst wird der Balancierungsvorgang, wenn ein Batteriemanagementsystem für eine einzelne der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 beim Aufladungsvorgang das Erreichen einer Balancierungsspannungsgrenze 52 zeigt, wie es im Diagramm 12 gemäß 6 dargestellt ist. Das Diagramm der 6 basiert dem Grunde nach auf dem Diagramm der 1, wobei ergänzend gegenüber dem Diagramm 12 in 1 die Balancierungsspannungsgrenze 52 mit einer weiteren gestrichelten Linie dargestellt ist. Dabei besitzt die Balancierungsspannungsgrenze 52 nicht notwendigerweise einen festen Wert, sondern ändert sich dem Ladezustand der Zellen angepasst.
In 5 ist dies für die Lithium-Eisenphosphat-Zellen 36 und 40 dargestellt, die einen Ladungszustand von 60 % aufweisen, wohingegen die Lithium-Eisenphosphat-Zelle 38 lediglich einen Ladungszustand von 50 % aufweist.
Bei der Anwendung des Verfahrens, wie es anhand der 5 und 6 erläutert worden ist, können folgende Probleme auftreten. Bei flachen Ladungskennlinien, wie sie beispielsweise bei den Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 auftreten, ist eine Korrelation zwischen der elektrischen Spannung der jeweiligen Lithium-Eisenphosphat-Zelle 34 bis 44 und dem Ladungszustand nur unzureichend möglich. Durch den gemäß 5 vorgesehenen Ladungsausgleich beziehungsweise die Balancierung erhöht sich der Energieverbrauch, wodurch der Wirkungsgrad reduziert wird und weiterhin eine unerwünschte Wärmeentwicklung entsteht. Darüber hinaus kann der Balancierungsgrad nicht bei allen Elektrodenpaarungen, wie zum Beispiel für Lithium-Ionen-Zellen auf einfache Weise bestimmt werden. Dadurch können notwendige Eingriffe und Wartungsarbeiten nicht frühzeitig erkannt und Gegenmaßnahmen festgestellt werden. Die Einstellung eines einheitlichen Ladungszustands aller galvanischen Zellen der Reihenschaltung ist über die Spannung nicht möglich, wenn keine Korrelation zwischen der jeweiligen Zellspannung und dem Ladezustand gegeben ist. Dadurch können nötige Balancierungen der Zellen nicht durchgeführt und alterungsoptimierte Betriebsstrategien nicht realisiert werden. Somit wären auch keine Aussagen über die verfügbare Ladungskapazität, nämlich die verfügbare ergänzende Speicherkapazität und die bereitstellbare elektrische Ladung, zum Beispiel eine Endladekapazität, möglich. Im Stand der Technik ist heutzutage kein standardmäßig verwendetes Überwachungssystem für Zellen mit flacher Kennlinie vorhanden.
Mit der Erfindung wird dagegen ein Verfahren vorgestellt, welches die Ladungsverteilung von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, wie der zuvor behandelten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44, ermittelt, eine redundante Sicherheit für den bestimmungsgemäßen Betrieb bietet und die Notwendigkeit für eine Balancierung beziehungsweise Wartung der Reihenschaltung aus den galvanischen Zellen selbst ermittelt.
Hierzu werden Referenzdaten und Ladungsdaten sowie hieraus Änderungsverläufe, nämlich ein Ladungsänderungsverlauf und ein Referenzänderungsverlauf, ermittelt, die dem Grunde nach einem Spannungsdifferential der Ladungskennlinie entsprechen. Aus Position und Form batteriechemiespezifischer Extrema im Spannungsdifferenzial können Rückschlüsse auf die Balancierung beziehungsweise die Ladungsverteilung sowie den Alterungszustand der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen getroffen werden. Zu diesem Zweck wird als Referenz ein Änderungsverlauf beziehungsweise ein Spannungsdifferenzial einer, vorzugsweise produktionsfrischen, insbesondere ungealterten, balancierten Reihenschaltung aus galvanischen Zellen genutzt. Durch Vergleich eines während des bestimmungsgemäßen Betriebs der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen ermittelten Ladungsänderungsverlaufs mit dem eingangs ermittelten Referenzänderungsverlaufs, können Kriterien abgeleitet werden, welche Aussagen über eine notwendige Balancierung beziehungsweise Wartung und gegebenenfalls auch einen vorzunehmenden Zellaustausch liefern. Die hierfür relevanten Kriterien werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
Das Verfahren der Erfindung bietet die Möglichkeit, den Zustand von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, beispielsweise bestehend aus Lithium-Ionen-Zellen, über eine Spannungsdifferenzialanalyse in einem vorzugsweise Echtzeitüberwachungssystem umfassend einzuschätzen. Dazu brauchen nicht Einzelzellspannungen ermittelt zu werden, sondern es reicht aus, eine Gesamtspannung der Reihenschaltung zu überwachen.
Hierdurch lässt sich eine Bewertung des Balancierungsgrades, insbesondere Unterschiede im Ladungszustand der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, durchführen, sowie die Notwendigkeit einer Balancierung ermitteln. Darüber hinaus lassen sich Kriterien zur Notwendigkeit der Wartung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, beispielsweise bezüglich eines Austausches einzelner galvanischer Zellen, ableiten, wenn die Ladungskapazitäten der einzelnen galvanischen Zellen zu stark voneinander abweichen. Darüber hinaus lässt sich ein redundantes Sicherheitssystem für die in Reihe geschalteten galvanischen Zellen realisieren, welches zum Beispiel die Früherkennung von möglichen Fehlern ermöglicht. Schließlich lassen sich auch Abschaltkriterien für Aufladungs- und/oder Entladungsvorgänge der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen zum Schutz vor irreversiblen Schäden an den galvanischen Zellen ermitteln.
Beim Änderungsverlauf von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen handelt es sich um den Änderungsverlauf einer Aufladungs- beziehungsweise Entladungskurve, wie sie beispielsweise anhand eines Diagramms 54 in 7 schematisch dargestellt ist. 7 nutzt als Abszisse die gleiche Abszisse, wie sie in 8 dargestellt ist, die die Ladung in Ah angibt. Auf der Ordinate, die der Ordinate, wie zur 2 beschrieben, entspricht, ist die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen 34 bis 44 angegeben. Entsprechend wird eine Ladungskennlinie mit dem Graphen 24, wie er anhand von 2 erläutert ist, dargestellt.
8 ist der 7 hinsichtlich der Abszisse zugeordnet ausgerichtet und nutzt die gleiche Abszisse wie 7. Die Ordinate, hier mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet, gibt eine Spannungsänderung in Abhängigkeit einer Ladungsänderung wieder und wird in der Einheit Volt/Ah (V/Ah) angegeben. Entsprechend ist ein Graph 60 in einem Diagramm 56 dargestellt, der den Änderungsverlauf, ermittelt aus der Ladungskennlinie gemäß dem Graphen 24 in 7 darstellt. Vorliegend ist die Ladungskennlinie gemäß dem Graphen 24 durch diskrete Abtastung zu bestimmten Ladungspunkten während des Aufladungsvorgangs beziehungsweise Entladungsvorgangs dargestellt. Durch numerisches Differenzieren gemäß dem Differenzenquotientenverfahren, wird entsprechend der Graph 60 gemäß 8 ermittelt. Diese Operationen werden vorliegend mittels einer nicht weiter dargestellten Rechnereinheit durchgeführt. Die Rechnereinheit kann Bestandteil des Batteriemanagementsystems sein. Dem Grunde nach entspricht der Graph 60 einem Spannungsdifferenzial der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen 34 bis 44, auf Basis einer Aufladungs- beziehungsweise Entladungskurve.
Mit Hilfe dieser Analyse können die einzelnen Merkmale der Aufladungs- und Entladungskurven der Zellen klarer aufgelöst werden. Der Änderungsverlauf gemäß dem Graphen 60 setzt sich zusammen aus der Summe von nicht dargestellten Änderungsverläufen der einzelnen galvanischen Zellen der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen 34 bis 44. Die im Änderungsverlauf gemäß des Graphen 60 auftretenden Extrema, Amplituden beziehungsweise Minima, sind spezifisch auf Grund der Chemie und der eingesetzten Stoffe der galvanischen Zellen 34 bis 44 und unterscheiden sich von anderen Stoffkombinationen anderer galvanischer Zellen. Insbesondere betrifft dies die Kombination des Kathodenwerkstoffs und des Anodenwerkstoffs und gegebenenfalls eines Elektrolyten. Im vorliegenden Fall, das heißt, einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle, ist der Anodenwerkstoff Graphit beziehungsweise enthält Graphit oder graphitisierte Kohlenstoffe. Er kann aber auch ein anderer Kohlenstoff sein. Der Kathodenwerkstoff ist vorliegend Eisenphosphat, kann jedoch auch ein Lithium-Übergangsmetall-Oxidmaterial sein.
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden die Auswirkungen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
9 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm 2, welches dem Grunde nach auf dem Diagramm gemäß 8 basiert und mittels zweier Graphen 64, 66 Änderungsverläufe darstellt. Das Diagramm 62 wird aufgespannt durch eine Abszisse 10 sowie eine Ordinate 58, wie im Diagramm gemäß 8. Der Graph 64 bezieht sich auf einen Änderungsverlauf, der aus Referenzdaten, wie zuvor beschrieben, ermittelt worden ist. Die Referenzdaten sind vorliegend anhand eines ausbalancierten Zustands von sechs in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen, wie die Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 gemäß der 3 und 4, ausgebildet. Der zweite Graph 66 stellt den Zustand bei einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung dar. Vorliegend ist vorgesehen, dass eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen einen um 10 % höheren Ladungszustand aufweist, als die fünf weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen der Reihenschaltung.
Zu erkennen ist anhand von 9, dass Maxima des ersten Änderungsverlaufs gemäß des Graphen 64 anhand der Referenzdaten höher sind, als entsprechend zuordenbare Maxima des zweiten Änderungsverlaufs anhand des Graphen 66, der auf Aufladungsdaten während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 basiert. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass Flanken im Bereich der Maxima zwischen dem ersten Änderungsverlauf und dem zweiten Änderungsverlauf verschoben sind.
Ist zwischen dem Graphen 64 und dem Graphen 66 nur eine minimale oder sogar keine Abweichung feststellbar, ist die Reihenschaltung aus den Lithium-Eisenphosphat-Zellen gut ausbalanciert, so dass keine weitere Aktion bezüglich der Balancierung beziehungsweise des Ladungsausgleichs erforderlich ist.
Werden hingegen Abweichungen ermittelt, kann gemäß der Erfindung wie folgt weiter vorgegangen werden.
Zunächst werden verschobene beziehungsweise neue Maxima im zweiten Änderungsverlauf gemäß des Graphen 64 ermittelt. Es wird ein Grenzwert definiert, der als der Abstand zwischen Maxima für eine ausbalancierte Reihenschaltung aus Lithium-Eisenphosphat-Zellen und weiteren Maxima definiert wird, die durch nicht ausbalancierte Lithium-Eisenphosphat-Zellen in der Reihenschaltung in dem Änderungsverlauf hervorgerufen werden. Daraus folgt dann, dass eine Balancierung der Reihenschaltung erforderlich ist.
In 9 ist beispielsweise erkennbar, dass in einem Bereich 74 auf Grund der mangelhaften Balancierung ein neues Maximum entstanden ist. Dieses neue Maximum befindet sich in einem Abstand 72 zu einem benachbarten Maximum, welches sowohl im ersten Änderungsverlauf als auch im zweiten Änderungsverlauf auftritt. Diese beiden letzteren Maxima sind somit zueinander zuordbar.
Mit 78 ist darüber hinaus ein Absolutwert für die Änderung vorgegeben, mittels dem erkannt werden kann, dass mindestens eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen bereits voll geladen ist, das heißt, dadurch einen starken Spannungsanstieg während des Aufladevorgangs verursacht. Hierdurch kann ein Beenden des Aufladevorgangs eingeleitet werden. Besonders ausgeprägt, wie in 9 dargestellt ist, zeigt sich dieses Verhalten bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO₄) oder auch bei Lithium-Titanat-Zellen. In 9 ist erkennbar, dass bei einem Ladungszustand von 2,7 Ah im zweiten Änderungsverlauf mit zunehmender Ladung die Änderungsgeschwindigkeit den Grenzwert 78 überschreitet. Der darüber hinausgehende Ladungsbereich, der mit dem Bezugszeichen 68 gekennzeichnet ist, ist nicht nutzbar, weil nämlich in diesem Bereich der Ladungszustand der Lithium-Eisenphosphat-Zelle über 100 % betragen müsste.
Ein ergänzendes Kriterium ist durch eine Gerade 76 definiert, die im rechten Bereich im Diagramm 62 der 9 dargestellt ist. Diese gibt einen maximalen Wert für die Steigung des zweiten Änderungsverlaufs gemäß dem Graphen 66 vor. Wie aus dem Diagramm 62 der 9 ersichtlich ist, wird in der vorliegend beschriebenen Situation dieser Grenzwert ebenfalls überschritten. Auch dieser Sachverhalt kann zum Beenden des Aufladungsvorgangs der Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 führen.
Die beiden vorgenannten Kriterien können jeweils für sich genommen oder auch gemeinsam ein Beenden des Aufladungsvorgangs bewirken.
In 9 im linken Bereich ist ferner ein nicht nutzbarer Bereich 70 gekennzeichnet, bei dem die Ladung einzelner Lithium-Eisenphosphat-Zellen rechnerisch negativ werden würde. In diesem Bereich wären die Zellen zu tief entladen (überentladen), was Schaden an ihnen anrichten würde.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es also, durch Vergleichen des zweiten Änderungsverlaufs (Graph 66) mit dem ersten Änderungsverlauf (Graph 64) und Erzeugen eines Vergleichsergebnisses, die Ladungsverteilung der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen zu ermitteln. Demzufolge kann ein die Ladungsverteilung betreffendes Überwachungssignal in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung ausgegeben werden. Dieses Signal kann dazu genutzt werden, anzuzeigen, ob eine Balancierung der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 erforderlich ist.
Auch wenn vorliegend lediglich auf Maxima Bezug genommen worden ist, kann natürlich in vergleichbarer Weise alternativ oder ergänzend auch die Berücksichtigung von lokalen Minima zu Grunde gelegt werden.
10 zeigt schematisch ein weiteres Diagramm 86, welches dem Grunde nach wie das Diagramm 62 der 9 aufgebaut ist. Das Diagramm 86 wird vorliegend wieder durch die Ordinate 58 und die Abszisse 10 aufgespannt. Mit dem Graphen 64 ist wieder ein erster Änderungsverlauf aus Referenzdaten von sechs in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 vor einer ersten Inbetriebnahme dargestellt. Mit dem Graphen 66 ist ein zweiter Änderungsverlauf basierend auf Aufladungsdaten der vorgenannten Reihenschaltung aus Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 dargestellt. In dieser Ausgestaltung weist eine der sechs Lithium-Eisenphosphat-Zellen einen um 10 % niedrigeren Ladungszustand auf, als die fünf weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen der Reihenschaltung. Dadurch ergibt sich der anhand des Graphen 66 dargestellte zweite Änderungsverlauf. Der erste Änderungsverlauf, der mit dem Graphen 64 dargestellt ist, entspricht im Wesentlichen dem ersten Änderungsverlauf, wie er anhand des Graphen 64 in 9 dargestellt ist. Ergänzend wird deshalb diesbezüglich auf die Ausführungen zum vorhergehenden Beispiel verwiesen.
Zunächst ist ersichtlich, dass – im Unterschied zum Diagramm 62 der 9 – der Ladungszustand von 3,0 Ah erreichbar ist. Stattdessen kann – ebenfalls im Unterschied zum Diagramm 62 in 9 – der minimale Ladungszustand 0,3 Ah nicht unterschritten werden. Entsprechend ergeben sich nicht nutzbare Bereiche 68, 70, entsprechend denen, wie sie anhand zur 9 bereits erläutert worden sind.
Mit dem Bezugszeichen 80 ist eine Differenz zwischen zuordenbaren Amplituden als lokale Extremwerte zwischen dem Graphen 64 und dem Graphen 66 dargestellt. Wie aus 10 ersichtlich ist, nimmt die Amplitude bei einer Ladung im Bereich von etwa 2,4 Ah mit der vorliegenden ungleichmäßigen Ladungsverteilung ab. Da die Amplituden beide im gleichen Ladungsbereich von etwa 2,4 Ah liegen, sind diese somit zueinander zuordbar. Die mit 80 bezeichnete Differenz zwischen den Amplituden kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Vergleichswerts dazu herangezogen werden, zu entscheiden, dass die in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen bei einem nächsten Aufladungsvorgang balanciert werden müssen.
Darüber hinaus können bezüglich des Entladens Grenzwerte definiert werden, wie sie mit einem absoluten Grenzwert 82 sowie einem minimalen Steigungswert des zweiten Änderungsverlaufs mit dem Bezugszeichen 84 bezeichnet sind. Wird der Grenzwert 82 beim Entladen durch die Entladungskurve gemäß dem Graphen 66 überschritten, kann dies dazu herangezogen werden, zu entscheiden, dass der Entladevorgang der Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 abgebrochen wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch die Steigung des Entladevorgangs in Betracht gezogen werden, und zwar in Bezug auf die minimale Steigung 84 des zweiten Änderungsverlaufs gemäß des Graphen 66. Wie im linken Bereich von 10 ersichtlich ist, wird während des Entladens auch dieser Wert überschritten. Er kann also alternativ oder ergänzend zum Beenden des Entladevorgangs der Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen herangezogen werden. Dieser Sachverhalt ergibt sich deshalb, weil sich die hohe Spannungsänderung in Bezug auf die Ladungsänderung ergibt, weil die einzelne Lithium-Eisenphosphat-Zelle, die den geringeren Ladungszustand aufweist, sich dem vollständig entladenen Zustand annähert. Durch rechtzeitiges Erkennen dieses Zustands kann vermieden werden, dass diese Zelle durch Tiefentladung nachhaltig beschädigt wird. Zugleich kann erreicht werden, dass die ungleiche Ladungsverteilung erkannt wird und ein entsprechendes Überwachungssignal erzeugt wird, welches, wie zuvor zur 9 bereits beschrieben, zum Auslösen einer Ausbalancierung der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 genutzt werden kann.
11 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung, die wiederum auf sechs in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 basiert. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei dieser Reihenschaltung eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen vorhanden, die eine um 10 % geringere Ladungskapazität als die weiteren fünf Lithium-Eisenphosphat-Zellen der Reihenschaltung aufweist. Demzufolge ergibt sich das in 11 dargestellt Diagramm 88, welches, wie in den 9 und 10 bereits erläutert, durch die Ordinate 58 und die Abszisse 10 aufgespannt ist. Die Achsteilung und die Einheiten entsprechen denen, wie sie anhand der 9 und 10 bereits erläutert sind.
Zu erkennen ist, dass im rechten Bereich ein nicht nutzbarer Bereich 68 entsteht, der dadurch verursacht ist, weil die eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen, die die geringere Ladungskapazität aufweist, bereits einen Ladungszustand von 100 % erreicht. Dadurch ergibt sich der im rechten Bereich im Diagramm 88 dargestellte steile Anstieg des Graphen 66 bei Überschreiten der Ladung von etwa 2,7 Ah.
Es werden wieder die lokalen Maximam miteinander verglichen, die jeweils zueinander zugeordnet werden können. Dabei zeigt sich, dass neben einem ergänzenden lokalen Maximum des zweiten Änderungsverlaufs anhand des Graphen 66 im Bereich von 2,2 Ah die maximale Amplitude im Bereich von 2,5 Ah im zweiten Änderungsverlauf gemäß des Graphen 66 reduziert ist gegenüber der zugeordneten Amplitude des ersten Änderungsverlaufs anhand des Graphen 64. Dadurch ergibt sich, dass die Untersuchung lokaler Maxima, wie es anhand der Abstandspfeile dargestellt ist, die mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet sind, herangezogen werden kann, zu erkennen, dass eine oder mehrere der Lithium-Eisenphosphat-Zellen der Reihenschaltung eine zu geringe Ladungskapazität beziehungsweise Restkapazität aufweisen. Dies kann dazu genutzt werden, ein entsprechendes Überwachungssignal zu erzeugen, mittels dem veranlasst werden kann, dass die Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 gewartet werden muss. Die Wartung kann vorsehen, dass entsprechend geschädigte beziehungsweise gealterte Lithium-Eisenphosphat-Zellen ausgetauscht werden.
12 zeigt schematisch ein weiteres Diagramm 92 für eine weitere Ausgestaltung, die auf der zu 11 bereits beschriebenen Ausgestaltung basiert. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 11 ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen einen Kapazitätsverlust um 10 % gegenüber den fünf weiteren Lithium-Eisenphosphat-Zellen aufweist. Vorliegend sind alle Zellen im vollständig aufgeladenen Zustand auf 100 % aufgeladen. Durch den Kapazitätsverlust der einen Lithium-Eisenphosphat-Zelle, können somit sämtliche der fünf weiteren Zellen lediglich bis auf eine Restladung von 10 % entladen werden. Eine weitere Entladung würde sonst zu einer Beschädigung der Lithium-Eisenphosphat-Zelle mit der reduzierten Kapazität führen. Entsprechend ergibt sich ein nicht nutzbarer Bereich 70, wie er im linken Bereich des Diagramms 92 der 12 dargestellt ist. Mit 90 sind in dieser Ausgestaltung Abstände von lokalen Minima zueinander bemaßt. Erfolgt eine Grenzwertüberschreitung der Abstände lokaler Minima, kann daraus geschlossen werden, dass eine oder mehrere der Lithium-Eisenphosphat-Zellen der Reihenschaltung eine zu geringe Restkapazität besitzen. Auch hier muss die Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen gewartet werden, wie bereits zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel anhand von 11 erläutert. Im Übrigen wird ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen, die entsprechend angepasst anzuwenden sind.
13 zeigt schematisch ein weiteres Diagramm 94, welches ebenso wie die Diagramme der 9 bis 12 durch die Ordinate 58 und die Abszisse 10 aufgespannt ist. Die entsprechenden Achsteilungen und Einheiten sind anzuwenden. Der Graph 64 bezeichnet wieder einen ersten Änderungsverlauf, wie er vor einer ersten Inbetriebnahme oder auch im Anschluss an eine Ausbalancierung an einer Reihenschaltung aus sechs Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 ermittelt worden ist. Mit dem Graphen 66 wird ein zweiter Änderungsverlauf dargestellt, der bei der Reihenschaltung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 ermittelt worden ist, wobei die Ladungszustände der einzelnen Lithium-Eisenphosphat-Zellen sich jeweils um 2 % voneinander unterscheiden. Dadurch ergibt sich ein nicht nutzbarer Bereich 68 im rechten Bereich des Diagramms 94, der oberhalb einer Ladung von etwa 2,7 Ah liegt.
Zu erkennen ist, dass ein Verhältnis zwischen einer Höhe 96 einer lokalen Amplitude des zweiten Änderungsverlaufs anhand des Graphen 66 im Verhältnis zu einer Breite 100 der entsprechenden lokalen Amplitude deutlich kleiner ist, als beim ersten Änderungsverlauf entsprechend des Graphen 64 zugeordneten Amplitude. Dieser Sachverhalt zeigt sich im Ladungsbereich von etwa 2 Ah bis 2,6 Ah im Diagramm 94. Daraus kann abgeleitet werden, dass bei Unterschreiten des Verhältnisses ein Ausbalancieren beziehungsweise ein Ladungsausgleich zwischen den sechs Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 der Reihenschaltung ausgeführt werden muss.
Eine entsprechende Auswertung kann alternativ oder ergänzend auch bei einer starken Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Änderungsverlauf festgestellt werden, wie es beispielsweise im Bereich 98 im Diagramm 94 dargestellt ist. Auch dieser Sachverhalt kann herangezogen werden, bei Überschreiten eines vorgegebenen Vergleichswerts ein Ausbalancieren beziehungsweise Ausgleichen der Ladungen der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen 34 bis 44 zu veranlassen.
Dem Grunde nach gilt, je prägnanter die Extrema in den Änderungsverläufen hervortreten, umso besser sind die galvanischen Zellen ausbalanciert.
Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass wenn ein Kriterium, wie anhand von einem Amplitudenversatz gemäß Bezugszeichen 72 in 9, gemäß Bezugszeichen 80 in 10, sowie der anhand von 13 erläuterten Kriterien im Anschluss an eine Balancierung auftritt, eine Wartung der in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen vorgenommen werden sollte. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass wenigstens eine der Lithium-Eisenphosphat-Zellen einen Defekt aufweist.
Auch wenn vorliegend die Erfindung anhand von Lithium-Eisenphosphat-Zellen erläutert worden ist, ist die Erfindung natürlich nicht auf diese Art von galvanischen Zellen beschränkt, sondern dem Grunde nach für galvanische Zellen beliebigen Typs anwendbar. Die Kriterien sind dann entsprechend der gewählten galvanischen Zelle entsprechend anzupassen. Dies kann anhand von einigen wenigen Versuchen erfolgen. Darüber hinaus kann anstelle der Bezugsgröße „Ladung“ für die Zwecke der Erfindung auch die „Zeit“ genutzt werden, insbesondere für das Ermitteln beziehungsweise Erfassen der Referenzdaten und der Ladungsdaten.
Die vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Natürlich können die Ausführungsbeispiele alleine für sich genommen realisiert werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, die Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander zu kombinieren, um hierdurch zu weiteren Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung zu gelangen.
Darüber hinaus können natürlich Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44), mit folgenden Schritten: – Erzeugen von Referenzdaten anhand eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs vor Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44) in einem bestimmungsgemäßen Betrieb, – Erfassen von Ladungsdaten eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs nach einer Inbetriebnahme der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44), – Ermitteln eines ersten Änderungsverlaufs (64) aus den Referenzdaten, – Ermitteln eines zweiten Änderungsverlaufs (66) aus den Ladungsdaten, – Vergleichen des zweiten Änderungsverlaufs (66) mit dem ersten Änderungsverlauf (64) und Erzeugen eines Vergleichsergebnisses, – Ermitteln der Ladungsverteilung und/oder des Zellenzustands anhand des Vergleichsergebnisses und – Ausgeben eines die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand betreffenden Überwachungssignals in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung und/oder dem Zellenzustand.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes lokales Extremum im ersten Änderungsverlauf (64) und ein dem ersten Extremum zuordbares zweites lokales Extremum im zweiten Änderungsverlauf (66) ermittelt wird, wobei das zweite lokale Extremum mit dem ersten lokalen Extremum verglichen und daraus die Ladungsverteilung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Änderungsverlauf (64, 66) mittels Differenzenquotientenermittlung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Regressionsverfahrens aus den Referenzdaten und/oder den Ladungsdaten jeweils eine zugeordnete Referenzfunktion und/oder eine zugeordnete Ladungsfunktion ermittelt, die Referenzfunktion und/oder die Ladungsfunktion jeweils differenziert und dem ersten und/oder dem zweiten Änderungsverlauf entsprechend zugeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ermittelns des lokalen Extremums im ersten und im zweiten Änderungsverlauf (64, 66) das Ermitteln einer lokalen Breite (100) des jeweiligen lokalen Extremums umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vergleichens ein Vergleichen von ermittelten lokalen Breiten (100) der zu vergleichenden Extrema umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vergleichens ein Ermitteln eines Versatzes einer Amplitude des zweiten lokalen Extremums gegenüber dem ersten lokalen Extremum umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen des zweiten lokalen Extremums mit dem ersten lokalen Extremum eine Fläche über die lokale Breite des jeweiligen lokalen Extremums berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdaten für einen Aufladungsvorgang und/oder einen Entladungsvorgang erzeugt und die Ladungsdaten für einen Aufladungsvorgang und/oder einen Entladungsvorgang erfasst werden.
Einrichtung zum Überwachen einer Ladungsverteilung und/oder eines Zellenzustands an einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44), mit einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, Referenzdaten anhand eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs vor Nutzung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44) in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zu erzeugen, Ladungsdaten eines Ladungsverlaufs eines Ladungsvorgangs nach einer Inbetriebnahme der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen (34 bis 44) zu erfassen, einen ersten Änderungsverlauf (64) aus den Referenzdaten zu ermitteln, einen zweiten Änderungsverlauf (66) aus den Ladungsdaten zu ermitteln, den zweiten Änderungsverlauf (66) mit dem ersten Änderungsverlauf (64) zu vergleichen und ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand anhand des Vergleichsergebnisses zu ermitteln und ein die Ladungsverteilung und/oder den Zellenzustand betreffendes Überwachungssignal in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsverteilung und/oder dem Zellenzustand ausgeben.