DE102016000988A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen einer logischen Batteriezelle, die dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, umfassend die Schritte: a) Erfassen der Klemmspannung (V) der logischen Batteriezelle während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle, bevorzugt während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung, b) Berechnung oder Approximation der mathematischen/numerischen Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), und Bilden eines ersten entsprechenden Datensatzes, c) Ermitteln der Höhe von wenigstens einem Peak (1) in dem ersten Datensatz, d) Vergleichen der Höhe des wenigstens einen in dem ersten Datensatz ermittelten Peak (1) mit der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im für den gleichen Typ an logischer Batteriezelle oder die logische Batteriezelle in einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen als im Schritt a), bevorzugt bei wenigstens einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge gebildeten, entsprechenden zweiten Datensatz, und e) Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens bei den in der logischen Batteriezelle vorhandenen wiederaufladbaren Batteriezellen auf Grundlage einer durch den Vergleich in Schritt d) festgestellten geringeren Höhe des wenigstens einen im ersten Datensatz ermittelten Peak (1) gegenüber der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im zweiten Datensatz. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine entsprechend eingerichtete Vorrichtung sowie die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen einer logischen Batteriezelle, wobei eine logische Batteriezelle dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit einem (teil-)elektrischen Antriebsstrang werden derzeit fast ausschließlich Lithium-Ionen-Zellen für die Batteriepacks (d. h. wiederaufladbare Akkumulatoren, Batterien) verwendet, die u. a. als elektrische Energiespeicher für den Antriebsstrang dienen. Derartige wiederaufladbare Batteriezellen enthalten bekanntermaßen wenigstens zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, die durch einen elektrolytgetränkten Separator elektrisch gegeneinander isoliert sind. Mehrere Lagen aus Anode, Separator und Kathode werden innerhalb einer Batteriezelle parallel verschaltet.
  • Üblicherweise werden mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst, wobei die Batteriezellen in einem Batteriemodul auf unterschiedliche Weise intern verschaltet sein können (seriell und/oder parallel). Mehrere der Batteriemodule werden dann regelmäßig zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten zu einem Batteriepack zusammengefasst, wobei auch die Batteriemodule auf unterschiedliche Weise miteinander verschaltet sein können (seriell und/oder parallel).
  • Sowohl am Ende der Produktionslinie (End-of-Line/EOL) als auch im Betrieb im Feld muss erkannt werden, ob sich in den verbauten Batteriemodulen eine (oder mehrere) schlechte Batteriezellen befinden, die die Qualität des Batteriemoduls und damit auch des Batteriepacks herabsetzen. Dabei ist es hilfreich zu erkennen, in welchem Batteriemodul sich eine solche Batteriezelle befindet, um dieses bspw. gezielt austauschen zu können.
  • Aktuell wird dies in einem EOL-Test bzw. während der Diagnose anhand von Kapazitäts- und Innenwiderstands-Messungen durchgeführt, wobei Strom- und Spannungsverlauf für jede Batteriezelle vorhanden sein muss. Bei einer Parallelverschaltung von Batteriezellen als eine logische Batteriezelle soll der Einzel-Batteriezellstrom aber nicht mehr getrennt vermessen, sondern nur noch der Strom der logischen Batteriezelle ermittelt werden. Da der Stromteiler zwischen den parallel geschalteten Batteriezellen üblicherweise ebenfalls unbekannt ist, stellt die Bestimmung des Alterungszustands einer einzelnen Batteriezelle, bzw. des Zustands einer Batteriezelle an sich, eine schwierige Aufgabe dar: Weder kann die Kapazität der einzelnen Batteriezelle via Stromintegral ermittelt werden (weil der Strom unbekannt ist), noch kann der Innenwiderstand der Batteriezelle durch den Ansatz ΔV/ΔI ermittelt werden (weil ΔI unbekannt ist).
  • Somit lassen sich bei einem Batteriemodul mit parallel verschalteten Batteriezellen durch die oben genannten Methoden lediglich die Gesamtkapazität und der Gesamt-Innenwiderstand jeweils einer logischen Batteriezelle ermitteln. Damit kann jedoch nicht detektiert werden, ob eine einzelne Batteriezelle die Anforderungen an den Alterungszustand erfüllt oder nicht. Beispielsweise ist nicht unterscheidbar, ob eine Batteriezelle einen stark erhöhten Innenwiderstand aufweist und andere parallel geschaltete Batteriezellen nicht, oder ob alle parallel geschalteten Batteriezellen eine moderate Innenwiderstandserhöhung zeigen. Insbesondere ist also nicht feststellbar, ob die einzelnen parallel geschalteten Batteriezellen ein voneinander abweichendes Verhalten (einen voneinander abweichenden Zustand, eine Inhomogenität) zeigen oder nicht. Für ein Batteriepack (eine Batterie) ist es jedoch sehr wünschenswert, dass die einzelnen Batteriezellen ein möglichst gleiches Verhalten zeigen und dass somit auch innerhalb eines jeden Batteriemoduls die Batteriezellen ein möglichst gleiches Verhalten zeigen.
  • Die US 2009/0243548 A1 beschreibt ein System zum Laden einer Batterie umfassend: ein Batteriemodul mit wenigstens zwei seriell verschalteten Lithium-Ionen-Zellen; eine Steuereinrichtung, die die Änderungsrate der elektrischen Spannung in Bezug auf einen Ladungszustand (dV/dSOC) des Batteriemoduls auf Grundlage eines berechneten dV/dSOC ermittelt, der das gesamte Batteriemodul repräsentiert, ohne individuelle Berechnung des dV/dSOC auf Basis der einzelnen Zellen und wobei das Laden beendet wird, wenn der dV/dSOC einen vorbestimmten Wert erreicht. Diese Offenlegungsschrift beschreibt auch eine entsprechende Batterieladeeinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Laden eines Batteriemoduls.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung diese Nachteile des Stands zumindest teilweise zu überwinden. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, die Vorrichtung gemäß Anspruch 5 und die Verwendung nach Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Verwendung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen einer logischen Batteriezelle vorgeschlagen, wobei die logische Batteriezelle dadurch definiert ist, dass sie wenigstens n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, umfassend die Schritte:
    • a) Erfassen der Klemmspannung (V) der logischen Batteriezelle während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle, bevorzugt während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung,
    • b) Berechnung oder Approximation der mathematischen (bspw. numerischen) Ableitung (bspw. mittels finiter Differenzen) der Klemmspannung nach dem Ladezustand (SOC), der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), und Bilden eines ersten entsprechenden Datensatzes,
    • c) Ermitteln der Höhe von wenigstens einem Peak in dem ersten Datensatz (welche auch Null sein kann, falls kein Peak vorhanden ist),
    • d) Vergleichen der Höhe des wenigstens einen in dem ersten Datensatz ermittelten Peak mit der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak im für den gleichen Typ an logischer Batteriezelle oder die logische Batteriezelle in einem Neuzustand oder einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen als im Schritt a), bevorzugt bei wenigstens einem der ersten Lade- oder Entladevorgänge gebildeten, entsprechenden zweiten Datensatz, und
    • e) Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens bei den wiederaufladbaren Batteriezellen der logischen Batteriezelle auf Grundlage einer durch den Vergleich in Schritt d) festgestellten geringeren Höhe des wenigstens einen im ersten Datensatz ermittelten Peak gegenüber der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak im zweiten Datensatz.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in einem Vorverfahren bei einer logischen Batteriezelle vom selben Typ oder der logischen Batteriezelle mit n parallel verschalteten Batteriezellen, wobei n gleich oder größer 2 ist, bei wenigstens einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge, bevorzugt während wenigstens einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung, die Klemmspannung erfasst, die mathematische Ableitung der Klemmspannung nach dem Ladezustand (SOC), der während einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t) berechnet oder approximiert, ein entsprechender zweiter Datensatz gebildet und in einer Speichereinrichtung abgespeichert.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden bei der logischen Batteriezelle als wiederaufladbare Batteriezellen n Lithium-Ionen-Batteriezellen, bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Graphitanode, verwendet, wobei n gleich oder größer 2 ist.
  • Zum Abschätzen des Grads an voneinander abweichendem Verhalten zwischen den wiederaufladbaren Batteriezellen der logischen Batteriezelle kann in vorteilhafter Weise der Unterschied in der Höhe der Peaks im ersten und zweiten Datensatz verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen. Die Vorrichtung weist auf:
    • a) eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Klemmspannung (V) einer logischen Batteriezelle, die dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, während wenigstens eines Lade- und/oder eines Entladevorgangs der logischen Batteriezelle,
    • b) eine Speichereinrichtung, in der ein zweiter Datensatz einer logischen Batteriezelle vom gleichen Typ oder der logischen Batteriezelle in einem Neuzustand oder einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen als im Schritt a), bevorzugt bei wenigstens einem der ersten Lade- oder Entladevorgänge gespeichert ist, der erhalten wurde durch Erfassen der Klemmspannung bei wenigstens einem Lade- und/oder Entladevorgang einer logischen Batteriezelle vom gleichen Typ oder der logischen Batteriezelle, dem mathematischen Berechnen oder Approximieren der Ableitung der Klemmspannung nach dem Ladezustand (SOC), der während einer der Lade- oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während einer der Lade- und/oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), und Bilden eines entsprechender Datensatzes, und
    • c) eine Recheneinrichtung
    • c1) zur Berechnung oder Approximation der mathematischen, bspw. numerischen Ableitung der Klemmspannung nach dem Ladezustand (SOC), der geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der vergangenen Zeit (t) während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle,
    • c2) zur Bildung eines ersten entsprechenden Datensatzes,
    • c3) zur Ermittlung der Höhe von wenigstens einem Peak in dem ersten Datensatz oder zur Feststellung, dass ein solcher nicht vorhanden ist,
    • c4) zum Vergleichen der Höhe des wenigstens einen in dem ersten Datensatz ermittelten Peak mit der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak im für die logische Batteriezelle vom gleichen Typ oder der logischen Batteriezelle im Neuzustand oder in einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen, bevorzugt bei wenigstens einem der ersten Lade- oder Entladevorgänge gebildeten zweiten Datensatz, und
    • c5) zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens der Batteriezellen der logischen Batteriezelle auf Grundlage einer durch den Vergleich in Schritt c4) festgestellten geringeren Höhe des wenigstens einen ermittelten Peak im ersten Datensatz gegenüber der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak im zweiten Datensatz.
  • Weitere von der vorliegenden Erfindung umfasste Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind solche, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, seiner vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowie den Figuren und der dazugehörigen Beschreibung ohne weiteres ergeben. Die Ausführungen zum Verfahren und zu den Figuren sind auf die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung übertrag- und anwendbar.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen bei einer Einrichtung, die wenigstens eine logische Batteriezelle mit n parallel verschalteten Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen, stationären Speichereinrichtungen für elektrische Energie, Einrichtungen der Unterhaltungselektronik, mobilen elektronischen Einrichtungen oder des Modellbaus.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 den unterschiedlichen Verlauf der dV/dSOC-Kurven von zwei logischen Batteriezellen, wobei bei einer logischen Batteriezelle zwei neue Lithium-Ionen-Batteriezellen parallel geschaltet sind und bei der anderen logischen Batteriezelle eine neue und eine gealterte Lithium-Ionen-Batteriezelle parallel geschaltet sind;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Anodenpotentialverlaufs von Graphit in Abhängigkeit vom Ladezustand.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche/funktionsähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei logischen Batteriezellen mit n parallel verschalteten Batteriezellen, wobei n gleich oder größer 2 ist (eine derartige logische Batteriezelle kann Bestandteil eines Batteriemoduls sein oder ein Batteriemodul ausbilden), kann bei der Bildung eines Datensatzes (im nachfolgenden: zweiten Datensatzes), der erhalten wird durch Erfassen der Klemmspannung (V) im Neuzustand oder bei wenigstens einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle, besonders bevorzugt während einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung, der Berechnung oder Approximierung der mathematischen/numerischen Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der während einer der ersten Lade- oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während einer der ersten Lade- oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), Bilden eines entsprechenden zweiten Datensatzes und Auftragung der erhaltenen abgeleiteten Daten gegen den Ladezustand (SOC), die während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder die während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t) ein Diagramm erhalten werden, das wenigstens einen (für die logische Batteriezelle charakteristischen) Peak 1, 1' aufweist. Die Anzahl an Peaks 1, 1' und die Lage des/der Peaks 1, 1' innerhalb des Diagramms ist dabei vom Typ der Batteriezellen in der logischen Batteriezelle, insbesondere vom darin verwendeten Anodenmaterial abhängig.
  • Sofern in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Neuzustand” verwendet wird, ist darunter zu verstehen, dass er eine logische Batteriezelle beschreibt, bei deren Einzelzellen noch kein Lade- und/oder Entladevorgang vorgenommen wurde, oder lediglich eine ganz kleine Anzahl an Lade- und/oder Entladevorgängen (beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10) durchgeführt wurde.
  • Im Ruhezustand setzt sich die Zellspannung einer Batteriezelle zusammen aus dem Halbzellenpotential der Kathode minus dem Halbzellenpotential der Anode: VBatteriezelle = VKathode – VAnode (1)
  • Die Differentiation der Zellspannung nach dem SOC, der Ladung (Q) bzw. der Zeit (t) ergibt:
    Figure DE102016000988A1_0002
    Figure DE102016000988A1_0003
  • Die Änderung der Zellspannung mit dem SOC, der Ladung (Q) bzw. der Zeit (t) setzt sich also aus der Superposition (Überlagerung) der Änderung des Kathodenpotentials und der Änderung des Anodenpotentials mit dem SOC, der Ladung (Q) bzw. der Zeit (t) zusammen. Charakteristische Merkmale in der Ableitung des Kathodenpotentials und des Anodenpotentials bleiben somit auch in der Ableitung der Zellspannung erhalten. Ein solches charakteristisches Merkmal ist bspw. bei einer Lithium-Ionen-Zelle mit Graphit-Anode (wenigstens) ein Peak 1, 1' in einem bestimmten SOC-Bereich.
  • Die aktuelle Generation an Lithium-Ionen-Batteriezellen, die in Batterien für Hybrid-, Plug- in Hybrid- und rein elektrischen Kraftfahrzeugen verbaut werden, haben eine Anode aus Graphit, in die die Lithium-Ionen beim Ladevorgang interkalieren (sich einlagern). Beim Entladevorgang deinterkalieren die Lithium-Ionen entsprechend wieder. Diese Interkalation bzw. Deinterkalation der Lithium-Ionen findet zwischen verschiedenen gut definierten Interkalationsstufen statt. Das Halbzellenpotential der Graphit-Anode ist während eines Übergangs von der einen Stufe zur nächsten nahezu konstant. Die Höhe dieses Spannungsplateaus ist abhängig von dem Ladezustand des Graphits. In 2 ist ein – an sich bekannter und etwa in Korthauer, R., Hrsg.: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien; Springer Berlin Heidelberg, 2013 abgebildeter – Verlauf des Anodenpotentials (ΦAn) in Abhängigkeit des Ladezustands des Graphits schematisch dargestellt.
  • Ändert sich das Anodenpotential bei einem Übergang von einem 2-Phasen-Plateau zum nächsten beim Lade- oder Entladevorgang, ändert sich auch die Steigung der Zellspannung mit einem Maximum genau im Wendepunkt dieses Übergangs. In der Ableitung der Zellspannung nach dem SOC oder der Ladung zeigt sich somit ein Peak 1, 1'.
  • Sind nun n Batteriezellen, wobei n gleich oder größer 2 ist, in einer logischen Batteriezelle parallel miteinander verschaltet, die ein voneinander abweichendes Verhalten zeigen, wie dies etwa bei Batteriezellen mit einem unterschiedlichen Alterungszustand der Fall ist, führt dies zu einer ungleichmäßigen Aufteilung des Stroms bei der logischen Batteriezelle aufgrund der unterschiedlichen Kapazitäten und Innenwiderstände. Somit ist auch der Ladungszustand der Batteriezellen während eines Lade- oder Entladevorgangs nicht mehr homogen und damit finden auch die Übergänge vom einen Spannungsplateau zum nächsten nicht mehr gleichzeitig statt. Dies führt dazu, dass der/die Peak(s) 1, 1' in der dV/dSOC-, dV/dQ- bzw. dV/dt-Kurve der logischen Batteriezelle in der Höhe abnimmt/abnehmen.
  • Eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Differentiation der Klemmspannung (V) nach der Zeit (t) setzt erfindungsgemäß voraus, dass stets das gleiche oder ein sehr ähnliches Stromprofil verwendet wird.
  • In 1 ist in beispielhafter Weise ein Verlauf der dV/dSOC-Kurven von zwei verschiedenen logischen Batteriezellen dargestellt, wobei bei einer logischen Batteriezelle zwei neue Lithium-Ionen-Batteriezellen parallel geschaltet sind und bei der anderen logischen Batteriezelle eine neue und eine gealterte Lithium-Ionen-Batteriezelle parallel geschaltet sind.
  • In einer Vermessung zeigt sich bei einer C/10-Entladung der 2p-logischen Batteriezelle mit den zwei neuen Lithium-Ionen-Batteriezellen bei Begin-of-Life ein Peak 1' in der dV/dSOC-Kurve im Bereich von etwa 15% SOC. Bei einer entsprechenden Vermessung der Parallelverschaltung von unterschiedlich alten Batteriezellen, wobei eine davon einen um 20% erhöhten Innenwiderstand aufweist, zeigt sich, dass der Peak 1 verschwunden/abgeflacht ist.
  • Bei dem untersuchten und in 1 gezeigten Beispiel war das Verschwinden des Peaks 1 von größer 1 mV/%SOC detektierbar.
  • Damit die in 1 beispielhaft gezeigten Peaks 1, 1' in den erfassten Daten möglichst deutlich erkennbar sind bzw. im Diagramm möglichst deutlich sichtbar sind, ist es von Vorteil, wenn zumindest in dem SOC-Bereich, in dem der Peak 1, 1' erwartet wird bzw. vorhanden ist, das Entladen oder das Laden mit einer geringen Stromstärke durchgeführt wird. Aus Zeitgründen kann auch der SOC-Bereich, der überstrichen wird, auf den relevanten Bereich begrenzt werden.
  • Wie bereits erwähnt, wurde bei dem in 1 gezeigten Beispiel eine C/10-Entladung gewählt, d. h. eine Stromstärke, bei der eine vollständige Entladung der vollständig aufgeladenen logischen Batteriezelle innerhalb von 10 Stunden erfolgen würde. Wie die Erfinder festgestellt haben, wird auch bei der logischen Batteriezelle mit den zwei neuen Batteriezellen der Peak 1' mit zunehmender Stromstärke kleiner. Eine geeignete Stromstärke bzw. eine noch geeignete maximale Stromstärke (bei der noch eine ausreichende Höhe des/der Peaks 1, 1' gegeben ist) kann in einer Voruntersuchung ermittelt und festgelegt werden. Hierbei gilt die Faustformel, dass die Genauigkeit der Detektion umso ungenauer ist, je größer die Stromstärke in dem betreffenden SOC-Bereich gewählt wird.
  • Die Kurven können erhalten werden, indem bei wenigstens einem Ladevorgang und/oder wenigstens einem Entladevorgang die Klemmspannung (V) durch bekannte Algorithmen nach dem SOC, der Ladung (Q) oder der Zeit (t) numerisch abgeleitet wird. Wird eine Kurve mittels einer Mehrzahl an Lade- und/oder Entladevorgängen erfasst, kann eine geeignete Mittelung oder Gewichtung der erhaltenen Daten vorgenommen werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die „Referenzkurve” bzw. der zweite Datensatz bei wenigstens einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge einer neuen logischen Batteriezelle erfasst wird. Prinzipiell können das Verfahren und die Vorrichtung auch bei logischen Batteriezellen zum Einsatz kommen, bei denen bereits eine Anzahl an Lade- bzw. Entladevorgänge durchgeführt wurde. In einem solchen Fall kann dann in der Folge jedoch nur ein inhomogenes Verhalten der Batteriezellen bezogen auf diesen bereits „gealterten Zustand” festgestellt (abgeschätzt oder berechnet) werden.
  • Wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer logischen Batteriezelle durchgeführt, bei der die hier betrachtete Kurve mehr als einen Peak aufweist, kann entweder nur einer der Peaks, mehrere oder alle Peaks in die Feststellung eines inhomogenen Verhaltens der in der logischen Batteriezelle vorhandenen Batteriezellen einbezogen werden. Hierbei kann bspw. eine geeignete Gewichtung der verschiedenen Peaks oder eine Mittelwertbildung über die verschiedenen Peaks vorgenommen werden.
  • Ist/Sind in dem ersten Datensatz kein(e) Peak(s) feststellbar, so wird in Schritt c) des Verfahrens festgestellt, dass der/die Peak(s) die Größe Null angenommen hat/haben.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann leicht in einen bestehenden EOL-Test einer Batterieproduktion bzw. einen Diagnose-Test (bspw. im Feld oder bei einem Test am vorgegebenen „End-of-Life” der Batterie, etwa für eine mögliche weitere Verwendung) integriert werden. So könnte bspw. während eines regulären Kapazitätstests in einem bestimmten SOC-Bereich der Strom auf einen hinreichend kleinen Wert reduziert werden. Nach Überstreichen des vordefinierten SOC-Bereichs würde dann die Spannungskurve wie vorgeschlagen analysiert. Sofern der/die erwartete(n) Peak(s) 1 verkleinert/verschwunden ist/sind, kann darauf geschlossen werden, dass die Batteriezellen in der logischen Batteriezelle ein unterschiedliches Verhalten zeigen, bspw. einen unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen. Somit kann davon ausgegangen werden, dass selbst wenn die logische Batteriezelle die Anforderungen gerade noch erfüllt, mindestens eine Batteriezelle in der logischen Batteriezelle diese nicht mehr erfüllt.
  • Wird durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung oder durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass sich Batteriezellen innerhalb einer logischen Batteriezelle unterschiedlich verhalten (etwa unterschiedliche Innenwiderstände und/oder Kapazitäten aufweisen), können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Bspw. kann die betroffene logische Batteriezelle in einem Batteriemodul ausgetauscht werden, es kann das betroffene Batteriemodul ausgetauscht werden, es kann das Batteriemodul oder das Batteriepack einer Klasse einer vorgegebenen Klassifikation zugeordnet werden (wodurch das Batteriemodul oder das Batteriepack bspw. nur noch für bestimmte Anwendungen verwendet werden darf), etc.
  • Auch kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Überprüfung dahin dienen, ob eine aktive Kühleinrichtung die parallelverschalteten Zellen in der logischen Batteriezelle, dem Batteriemodul oder dem Batteriepack gleichmäßig und homogen kühlt.
  • Da einem Fachmann die für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlichen oder geeigneten Bauelemente, Einrichtungen, Vorrichtungen, Hard- und Software-Komponenten sowie deren mögliches Zusammenwirken bekannt sind, braucht in dieser Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können ohne besondere Einschränkung bei jeder Einrichtung verwendet werden, die wenigstens eine logische Batteriezelle mit n parallel verschalteten wiederaufladbaren Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, bei dem eine dV/dSOC-, dV/dQ- oder dV/dt-Kurve, insbesondere im Neuzustand (d. h. bei einem der ersten Lade- oder Entladevorgänge), mit wenigstens einem (charakteristischen) Peak 1, 1' so wie er hier in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, erhalten werden kann. Als einige nicht abschließend zu verstehende Beispiele, in denen die vorliegende Erfindung Verwendung finden kann, seien erwähnt der Bereich der Kraftfahrzeuge, der stationären Speichereinrichtungen für elektrische Energie, der Unterhaltungselektronik, der mobilen elektronischen Einrichtungen (allgemeiner ausgedrückt der Bereich der „Consumer electronic”) oder des Modellbaus.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Peak
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2009/0243548 A1 [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Korthauer, R., Hrsg.: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien; Springer Berlin Heidelberg, 2013 [0026]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens von parallel verschalteten Batteriezellen in einer logischen Batteriezelle, die dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, umfassend die Schritte: a) Erfassen der Klemmspannung (V) der logischen Batteriezelle während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle, bevorzugt während wenigstens eines Lade- und/oder Entladevorgangs mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung, b) Berechnung oder Approximation der mathematischen/numerischen Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), und Bilden eines ersten entsprechenden Datensatzes, c) Ermitteln der Höhe von wenigstens einem Peak (1) in dem ersten Datensatz, d) Vergleichen der Höhe des wenigstens einen in dem ersten Datensatz ermittelten Peak (1) mit der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im für den gleichen Typ an logischer Batteriezelle oder die logische Batteriezelle in einem Neuzustand oder einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen als im Schritt a), bevorzugt bei wenigstens einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge gebildeten, entsprechenden zweiten Datensatz, und e) Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens bei den wiederaufladbaren Batteriezellen der logischen Batteriezelle auf Grundlage einer durch den Vergleich in Schritt d) festgestellten geringeren Höhe des wenigstens einen im ersten Datensatz ermittelten Peak (1) gegenüber der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im zweiten Datensatz.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem Vorverfahren bei einer logischen Batteriezelle vom selben Typ oder der logischen Batteriezelle mit n parallel verschalteten Batteriezellen, wobei n gleich oder größer 2 ist, bei wenigstens einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge, bevorzugt während wenigstens einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge mit konstantem elektrischem Strom oder konstanter elektrischer Leistung, die Klemmspannung (V) erfasst, die mathematische Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der während einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder während einer der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t) berechnet oder approximiert, ein entsprechender zweiter Datensatz gebildet und in einer Speichereinrichtung abgespeichert wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem bei der logischen Batteriezelle als wiederaufladbare Batteriezellen n Lithium-Ionen-Batteriezellen, bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Graphitanode verwendet werden, wobei n gleich oder größer 2 ist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Abschätzen des Grads an voneinander abweichendem Verhalten zwischen den wiederaufladbaren Batteriezellen der logischen Batteriezelle der Unterschied in der Höhe der Peaks (1, 1') im ersten und zweiten Datensatz verwendet wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: a) eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Klemmspannung (V) einer logischen Batteriezelle, die dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete, wiederaufladbare Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist, während wenigstens eines Lade- und/oder eines Entladevorgangs der logischen Batteriezelle, b) eine Speichereinrichtung, in der ein zweiter Datensatz einer logischen Batteriezelle vom gleichen Typ oder der logischen Batteriezelle im Neuzustand oder in einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen als im Schritt a), bevorzugt bei einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge gespeichert ist, der erhalten wurde durch Erfassen der Klemmspannung (V) bei wenigstens einem Lade- und/oder Entladevorgang einer logischen Batteriezelle vom gleichen Typ oder der logischen Batteriezelle, dem mathematischen Berechnen oder Approximieren der Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der während einer der Lade- oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der während einer der Lade- oder Entladevorgänge der logischen Batteriezelle vergangenen Zeit (t), und Bilden eines entsprechender Datensatzes, und c) eine Recheneinrichtung c1) zur Berechnung oder Approximation der mathematischen/numerischen Ableitung der Klemmspannung (V) nach dem Ladezustand (SOC), der geflossenen elektrischen Ladung (Q) oder der vergangenen Zeit (t) während des wenigstens einen Lade- und/oder Entladevorgangs der logischen Batteriezelle, c2) zur Bildung eines ersten entsprechenden Datensatzes, c3) zur Ermittlung der Höhe von wenigstens einem Peak (1) in dem ersten Datensatz, oder zur Feststellung, dass ein solcher nicht vorhanden ist c4) zum Vergleichen der Höhe des wenigstens einen in dem ersten Datensatz ermittelten Peak (1) mit der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im für die logische Batteriezelle vom gleichen Typ oder die logische Batteriezelle in einem Neuzustand oder einem Zustand mit weniger Lade- und/oder Entladevorgängen, bevorzugt bei einem der ersten Lade- und/oder Entladevorgänge gebildeten zweiten Datensatz, und c5) zum Feststellen eines voneinander abweichenden Verhaltens der Batteriezellen der logischen Batteriezelle auf Grundlage einer durch den Vergleich in Schritt c4) festgestellten geringeren Höhe des wenigstens einen ermittelten Peak (1) im ersten Datensatz gegenüber der Höhe des wenigstens einen entsprechenden Peak (1') im zweiten Datensatz.
  6. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 bei einer Einrichtung, die wenigstens eine logische Batteriezelle aufweist, wobei die logische Batteriezelle dadurch definiert ist, dass sie n parallel verschaltete Batteriezellen aufweist, wobei n gleich oder größer 2 ist.
  7. Verwendung gemäß Anspruch 6 im Bereich von Kraftfahrzeugen, stationären Speichereinrichtungen für elektrische Energie, Einrichtungen der Unterhaltungselektronik, mobilen elektronischen Einrichtungen oder des Modellbaus.
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