DE102016107528A1

DE102016107528A1 - Verfahren und System zur Bewertung einer elektrochemischen Speichereinheit

Info

Publication number: DE102016107528A1
Application number: DE102016107528.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kohs
Original assignee: CTC cartech Co GmbH
Current assignee: Ct Battery De GmbH
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Also published as: EP3414582A1; WO2017182497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands und/oder eines Wertes (40) einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird. Es wird wenigstens ein Parameter (30) des Alterungszustands (32) der Speichereinheit (10) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) erfasst; die erfassten Parameter (30) werden mit einem Batteriemodell (13) zum Ableiten von Alterungsfaktoren (42) abgeglichen, wobei das Batteriemodell (13) ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) umfasst; wenigstens ein für die speicherspezifische Anwendung (58) charakteristisches elektrisches Lastprofil (62) eines oder mehrerer Speichereinheiten (10) wird beim Betrieb in der Anwendung (58) erfasst; das erfasste Lastprofil (62) für die Anwendung (58) wird zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter (30) der Speichereinheit (10) gewichtet; und der Zustand der Speichereinheit (10) für die Anwendung (58) wird auf der Basis der Alterungsfaktoren (42) für einen zukünftigen Zeitpunkt (t2) prognostiziert, welche Alterungsfaktoren (42) mit einem Betrieb (10) in der speicherspezifischen Anwendung (58) korreliert sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird, sowie ein System zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, dass elektrochemische Speichereinheiten, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, wie sie heute im Fahrzeugbereich eingesetzt werden, einem Alterungsverhalten unterliegen, das sehr stark vom chemisch-physikalischen Aufbau der Speichereinheit sowie dem Einsatzprofil der Speichereinheit abhängt. Dazu kommen stochastische Vorgänge im chemischen System der Speichereinheit, welche von dem spezifischen Einzelfall abhängen und das Alterungsverhalten der Speichereinheit beeinflussen. Nicht direkt messbare Batteriezustandsgrößen, wie beispielsweise der Ladezustand oder der Innenwiderstand, beeinflussen wesentlich das Batterieverhalten und sind daher wichtige Parameter für eine Ladekontrolle und eine Entladeüberwachung. Ein bestimmter Ladezustand ist zudem eine nützliche Information für den Anwender. So kann dieser sein Benutzerverhalten dem Ladezustand anpassen und auf diese Weise die Lebensdauer der Speichereinheit verlängern.
Zunehmend werden auch gebrauchte Batterien, welche beispielsweise in einem Fahrzeug Verwendung fanden, nach einer Mindestlaufzeit im Fahrzeug einer anderen Verwendung, beispielsweise in einem stationären Speichersystem, zugeführt. Zur Abschätzung einer Restlebensdauer oder eines Restwertes einer solchen gebrauchten Speichereinheit ist eine Kenntnis des Zustands, insbesondere des Alterungszustands und/oder eines Wertes, der Batterie von großer Bedeutung.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, welches die Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Werts, einer elektrochemischen Speichereinheit für wenigstens eine speicherspezifische Anwendung erlaubt.
Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, ein System zur Ausführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit vorgeschlagen, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird. Das Verfahren umfasst (i) das Erfassen wenigstens eines Parameters des Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit zu einem ersten Zeitpunkt; und (ii) das Abgleichen der erfassten Parameter mit einem Batteriemodell der elektrochemischen Speichereinheit zum Ableiten von Alterungsfaktoren, wobei das Batteriemodell ein elektrochemisches Modell und/oder ein empirisches Modell umfasst. Das Verfahren umfasst weiter (iii) das Erfassen wenigstens eines für die speicherspezifische Anwendung charakteristischen elektrischen Lastprofils eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten beim Betrieb in der speicherspezifischen Anwendung; (iv) das Gewichten des erfassten Lastprofils für die spezifische Anwendung zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter der elektrochemischen Speichereinheit; sowie (v) das Prognostizieren des Zustands der elektrochemischen Speichereinheit für die speicherspezifische Anwendung auf der Basis der Alterungsfaktoren für einen zukünftigen Zeitpunkt, welche Alterungsfaktoren mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit in der speicherspezifischen Anwendung korreliert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bewertung eines Zustands, der im Folgenden als „state of battery“ oder SOB bezeichnet ist und eine allgemeine Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Speichereinheit kennzeichnet, und dabei insbesondere einen Alterungszustand umfasst, der auch als „state of health“ oder SOH bekannt ist. Welcher Alterungszustand für welche Anwendung noch akzeptabel ist, kann von der spezifischen Anwendung abhängen. Beispielsweise kann eine Batterie, welche nur noch 80% SOB aufweist, im Automobilbereich bereits zu einer Ausmusterung führen.
Das Verfahren kann alternativ oder zusätzlich zur Bewertung eines Zustands dienen, der insbesondere einen Wert der elektrochemischen Speichereinheit kennzeichnet, der im Folgenden als „state of value“ oder SOV bezeichnet ist. Der Zustand SOB(n) kennzeichnet dabei den Alterungszustand der elektrochemischen Speichereinheit für eine spezifische Anwendung n, während der Zustand SOV(n) den Wert der elektrochemischen Speichereinheit für eine spezifische Anwendung von n Anwendungen, insbesondere einen Restwert der elektrochemischen Speichereinheit, kennzeichnet. Der SOV dient dabei auch dazu, zu entscheiden, in welcher Anwendung die Batterien als neue Verwendung einen maximalen Restwert haben.
Eine spezifische Anwendung soll verstanden werden als eine Anwendung, für welche die elektrochemische Speichereinheit ausgelegt ist, beispielsweise als Traktionsbatterie zum Antrieb eines Fahrzeugs, als Hybridbatterie für den Antrieb eines Hybridfahrzeugs mit einer wenigstens zweiten Antriebsquelle für das Fahrzeug, als stationäre Batterie zur Versorgung stationärer Verbraucher. Typischerweise unterscheiden sich die Anforderungen an die elektrochemische Speichereinheit bei verschiedenen Anwendungen deutlich, was in die Auslegung der elektrochemischen Speichereinheit eingeht. Ein Einsatz der elektrochemischen Speichereinheit in einer Anwendung, die für die elektrochemische Speichereinheit nicht spezifisch, d.h. nicht vorgesehen, ist, kann mit Leistungseinbußen und insbesondere mit Lebensdauereinbußen einhergehen bis zur Zerstörung der Batterie.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut dabei auf mehreren Schritten auf. In einem ersten Schritt wird ein Batteriemodell entwickelt, beispielsweise mit Hilfe statistisch geplanter Alterungsversuche im Labor. Das Modell beschreibt die Alterung einer elektrochemischen Speichereinheit in Abhängigkeit des Batteriezustands und externer Alterungsfaktoren durch Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit in ihrer spezifischen Anwendung. In einem zweiten Schritt wird wenigstens ein Prüfstand an einen zentralen Server mit einer Datenbank angebunden, auf dem das Batteriemodell zentral läuft. Die Datenbank kann vorteilhaft als selbstlernende Datenbank ausgeführt sein. Messwerte, die mit dem Prüfstand von einer elektrochemischen Speichereinheit erzeugt werden, werden auf den Server geladen. Das Batteriemodell wird durch Verarbeitung der Messwerte adaptiert, etwa indem entsprechende Daten in einer selbstlernenden Datenbank erzeugt werden. In einem dritten Schritt kann auf diese Weise unter Bezug auf das adaptierte Batteriemodell eine Lebensdauer der Speichereinheit in einer spezifischen Anwendung prognostiziert werden. So kann in dem ersten Schritt das Batteriemodell mit hoher Genauigkeit erstellt werden, in dem eine Abwägung der gewünschten Genauigkeit gegen den benötigten Zeitaufwand getroffen wird. Im zweiten Schritt dagegen kann der gegenwärtige Alterungszustand oder Wert der Speichereinheit relativ schnell, beispielsweise in einem Schnelltest bestimmt werden. Im dritten Schritt kann dann bei der Prognose über die weitere Alterung eine langfristige Vorhersage über die Entwicklung des weiteren Alterungszustands oder der Wertentwicklung getroffen werden. Auf diese Weise ist ein zuverlässiges Alterungsmodell der elektrochemischen Speichereinheit für den Betrieb in einer spezifischen Anwendung ableitbar.
Mit Hilfe des elektrochemischen Modells werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Batterieparameter ermittelt. Aus der Veränderung dieser Parameter wird ein Alterungszustand SOB ermittelt. Die Einflüsse externer Alterungsfaktoren auf diese Parameter werden durch das empirische Modell modelliert. Der SOB lässt sich dann als Funktion der Zeit darstellen. Ein empirisch-elektrochemisches Modell der Speichereinheit weist dabei die Vorteile auf, dass es einen Bezug zur Physik hat, übertragbar auf unterschiedliche Batterietypen ist, statistisch abgesichert ist, Orthogonalität der Parameter beinhaltet und geringen Testaufwand durch statistische Versuchsplanung erfordert.
Parameter eines Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit können beispielsweise ein ohmscher Widerstand, oder eine elektrische Rest-Kapazität sein. Messdaten eines Spannungsverlauf bei einem Rechteckpuls, oder eines Imdedanzspektrums können mit einem elektrochemischen und/oder einem empirischen Batteriemodell abgeglichen und daraus die Alterungsparameter bestimmt werden, wobei dabei elektrochemische Ersatzschaltbilder verwendet werden können, beispielsweise unter Berücksichtigung einer, für elektrochemische Systeme gebräuchliche, Warburgimpedanz zur verbesserten Beschreibung der Diffusion der Ladungsträger, einer Butler-Volmer-Gleichung für eine Ladungsübergangsreaktion, einer Nernst-Gleichung für die Überspannung an den Elektroden, einem zweiten Fick’sches Gesetz für die kugelförmige Diffusion an den Elektroden, sowie einer Faraday’schen Impedanz der Elektrodenoberflächen. Eine Messung elektrochemischer Effekte liefert so beispielsweise die Auswirkung einer Li-Ionen-Konzentration auf das Elektrodenpotential, die Kapazitätsverteilung durch Elektrodenporosität, sowie das Wachstum einer Fest-Elektrolyt-Zwischenschicht, auch als „solid electrolyte interface“(SEI)-Schicht bezeichnet, die bei Li-Ionen-Systemen auftreten kann.
Dadurch ist eine Berechnung der spezifischen SOB-Werte für einen Parameter möglich. Der Alterungszustand SOB_i auf Grund eines Alterungsparameters A_i kann nämlich zu
ermittelt werden. Dabei bezeichnet i den Index eines Alterungsparameters A_i (z.B. ohmscher Widerstand) der elektrochemischen Speichereinheit. Die Größe SOL (= „start of life“), bezeichnet einen Ausgangszustand und die Größe EOL (= „end of life“) ein Kriterium für das Ende der Lebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit für diesen Parameter A_i. Das Symbol Δ kennzeichnet eine Differenz zum Ausgangszustand. Der Alterungszustand ist so bezogen auf beispielsweise den ohmschen Widerstand, die Dicke der SEI, die Doppelschichtkapazität der Anode der Speichereinheit.
Elektrochemische Prozesse können von externen Alterungsfaktoren der Speichereinheit abhängen, welche beispielsweise die Entladetiefe, den maximalen Ladungszustand „state of charge“ (SOC), die Laderate, die Entladerate, die Temperatur umfassen können. Auf Grund der Vielzahl der Parameter kann über eine statistische Versuchsplanung deren Einfluss auf den Zielparameter inklusive der Wechselwirkungen bestimmt werden. Zur Auswertung kann dabei ein empirisches Alterungsmodell herangezogen werden.
Beispielsweise kann die Änderung eines SOB-Parameter ∆A_i pro Zeiteinheit ∆t in Abhängigkeit von den externen Alterungsfaktoren bestimmt werden zu
wobei die Koeffizienten E_m externe Alterungsfaktoren wie beispielsweise die Entladetiefe (DOD = „depth of discharge“) und β_m lineare Regressionskoeffizienten darstellen, die mithilfe statistisch geplanter Alterungszyklen (Variation der E_i) im Labor und aus Messungen im Feld, z.B. aus einem Batteriemanagementsystem (BMS) im Fahrzeug ermittelt werden.
Die Zeiteinheit ∆t kann dabei je nach Möglichkeit zur Messung der Werte so gewählt werden, dass eine genaue Analyse möglich ist. Zum Zeitpunkt t = ∑∆t = beträgt die Änderung des SOB-Parameters ∆A_i(t) =
Im Grenzfall für sehr kleine ∆t geht diese Summe in ein Integral über. Die Summe stellt eine Linearkombination aus unterschiedlichen Funktionen, die von den Alterungsfaktoren und deren Wechselwirkungen abhängen, dar.
Ein Einfluss des Batteriezustands auf die SOB-Parameter A_i lässt sich über die statistische Versuchsplanung herstellen, womit die Änderung eines SOB-Parameters A_i pro Zeiteinheit ∆t beispielsweise wie folgt dargestellt werden kann:
wobei die Koeffizienten B_l Batteriezustandsparameter wie Batteriespannung oder Temperatur und α_m lineare Regressionskoeffizienten darstellen, die mithilfe statistisch geplanter Alterungszyklen (Variation der E_i) im Labor und aus Messungen im Feld (z.B. BMS im Fahrzeug) ermittelt werden.
Wenn die Koeffizienten linear unabhängig sind, sind die Einflüsse trennbar. Die Bestimmung der Koeffizienten erfolgt bei unterschiedlichen Batteriezuständen. Mit der Definition des Alterungszustands SOB_i kann ein verfeinerter Alterungszustand SOB_i in Abhängigkeit von Batteriezustandsparametern B_l zu einem beliebigen Zeitpunkt t zwischen einem Zeitpunkt t1 = SOL und einem Zeitpunkt t2 = EOL berechnet werden. Beispielsweise kann dies mit der Formel berechnet werden:
Unter Zusammenfassung mehrerer Funktionen ergibt sich daraus beispielsweise in Kurzschreibweise:
wobei f(B_l) eine allgemeine Funktion von B_l ist, welche eine Linearkombination aus unterschiedlichen Funktionen, die von den Batteriezuständen und deren Wechselwirkungen abhängen, darstellt.
Eine Erweiterung des Modells über eine Kombination der Alterungsfaktoren E_m und der Batteriezustandsparameter B_m kann beispielsweise wie folgt aussehen:
wobei im ersten Term auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens die Alterung der Speichereinheit über die Alterungsfaktoren E_m berücksichtigt ist und im zweiten Term die Variation des Batteriezustands über die Batteriezustandsparameter B_l.
Der Einfluss einer spezifischen Anwendung kann über eine Analyse eines für die Anwendung spezifischen Lastprofils berücksichtigt werden. Die Alterungsparameter (Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur) können nichtlineare Abhängigkeiten aufweisen, so dass die Bestimmung der Wechselwirkungen nötig ist. Die Analyse der gegenseitigen Abhängigkeiten und das Abgleichen mit dem Lastprofil kann so zu einer Erweiterung des Batteriemodells führen. Beispielsweise kann dies folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei die Koeffizienten γ_in anwendungsspezifische Koeffizienten und Ê_m(n) gewichtete Alterungsfaktoren für die Alterung durch den Betrieb der Speichereinheit in der Anwendung n darstellen.
Die anwendungsspezifischen Koeffizienten γ_in können beispielsweise aus einer Analyse eines Lastprofils der Anwendung n bestimmt werden. Die Anwendung n kann beispielsweise charakterisiert werden durch eine Reihe von Alterungsparametern wie Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur. Zur genauen Charakterisierung ist die Kenntnis einer nichtlinearen Abhängigkeit und von Wechselwirkungen dieser Parameter voneinander von Bedeutung. Beispielsweise ist eine mittlere Stromstärke nicht aussagekräftig, wenn größere Stromschwankungen auftreten und eine nichtlineare Abhängigkeit des Stroms von der Zeit vermutet wird. So kann es vorteilhaft sein, ein Lastprofil in der Form eines Histogramms von Stromintervallen über die Zeit aufzunehmen und so eine Häufigkeitsverteilung, bzw. eine Verteilung der Dauer von Stromwerten in bestimmten Bereichen, zu registrieren. Anhand eines vorliegenden Batteriemodells kann dann diese Häufigkeitsverteilung über die Stromstärken gewichtet werden, um daraus eine gewichtete Häufigkeitsverteilung abzuleiten. So können einzelne Bereiche der gewichteten Häufigkeitsverteilung gebildet werden und ein Mittelwert über diese Bereiche gebildet werden. Aus diesem Mittelwert lässt sich dann ein anwendungsspezifischer Koeffizient bestimmen, Für das Beispiel mit der Stromverteilung ergibt sich so der Koeffizient γ_in als Mittelwert im Verhältnis zum Maximalstrom:
Damit lässt sich ein gewichteter Alterungsfaktor Ê_m, welcher von der Anwendung n abhängt, beispielsweise wie folgt darstellen: Ê_m(n) = γ_nE_m (G9) wobei E_m einen externen Alterungsfaktor darstellt.
Die Eigenschaften des Batteriemodells erlauben eine Messung der SOB Parameter bei jedem Batteriezustand sowie eine Bestimmung der Batteriealterung durch eine spezifische Anwendung.
Die Berechnung des SOB kann über die Zeit erfolgen. Jeder externe Alterungsfaktor bewirkt eine Veränderung des SOB. SOB_I ist so eine Funktion der Zeit, in welcher der jeweilige Alterungsfaktor die Batterie belastet hat.
Der Alterungsparameter A_i und damit auch der Alterungszustand SOB_i sind so von der Zeit t abhängig. Damit folgt beispielsweise:
für einen Index i des Alterungsparameters A_i.
Die Entwicklung des Alterungsparameters A_i über die Zeit t hängt von der Anwendung ab. Beispielsweise kann der Einfluss des Stroms, das Stromintegral über eine Dauer t, einer ersten Anwendung verschieden von dem einer zweiten Anwendung sein.
Die Bestimmung der Änderung der externen Alterungsfaktoren ∆A_i kann nach Gleichung G6 allgemein ausgedrückt werden mit:
wobei f(B_l) = B_l und f(E_m) = E_m angenommen wird. Damit ergibt sich der verfeinerte Alterungszustand beispielsweise zu:
Messung und Auswertung des Parameters A_i ergeben ∆A_i(t). A_iSOL stellt den Startwert dar, dementsprechend gilt ∆A_iSOL = 0. ∆A_i,_EOL wird vorab definiert bzw. aus dem Datenblatt der Batterie übernommen. α_il und β_im werden über Alterungsversuche bestimmt. Batteriezustandsparameter B_l werden über eine statistisch ermittelte Messreihe eingestellt.
Für eine spezifische Anwendung n gilt dann ein anwendungsspezifischer Alterungszustand beispielsweise:
mit den anwendungsspezifischen Koeffizienten γ_in.
Die Berechnung des Gesamtalterungszustands SOB_ges ergibt sich beispielsweise zu:
wobei N die Gesamtzahl der betrachteten Parameter A_i umfasst.
Alternativ zur Darstellung und Berechnung in Abhängigkeit von der Zeit lässt sich der SOB auch über die kumulierte Alterung bestimmen. Jeder externe Alterungsfaktor bewirkt eine Veränderung des SOB. SOB_I ist so eine Funktion der kumulierten Alterung durch den jeweiligen Alterungsfaktor. Die kumulierte Alterung lässt sich so als Integral über die Alterungsfaktoren E_m ausdrücken: K = ∫E_mdt (G15)
Beispielsweise ändert sich der SOB-Parameter ohmscher Innenwiderstand auf Grund des externen Alterungsfaktors Temperatur. Damit ist der SOB_Rohm eine Funktion der kumulierten Alterung K_Temp.
Der Wert der elektrochemischen Speichereinheit hängt ab von einer garantierten/prognostizierten Anzahl Tage N₀, über welche die Speichereinheit betrieben wird und von den Gesamtkosten der Speichereinheit K. Daraus ergibt sich ein initialer Wert W_z pro Tag:
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Restwert auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem Batteriezustand (SOB) prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit bestimmt werden.
Über die Verknüpfung mit dem SOB lässt sich aus dem Batteriezustand SOB_i(B_l, Ê_m(n)) für die Bestimmung der anwendungsspezifischen Alterung eine Vorhersage über die Anzahl der (Rest-)Zyklen N_RZ(n) und die Restlebensdauer in der Anwendung n treffen und so als Wert der Speichereinheit der Restwert SOV für die Anwendung n bestimmen. Beispielsweise wird dazu das Produkt gebildet: SOV(n) = W_z × N_RZ(n) (G17)
Dabei sind allerdings noch keine Aufwendungen für eine Umrüstung der Batterie für die Verwendung in der Anwendung n berücksichtigt.
Zusammenfassend ergeben sich so für die Bestimmung des Zustands der elektrochemischen Speichereinheit folgende Beziehungen für den verfeinerten Alterungszustand
für den weiter verfeinerten Alterungszustand:
für den anwendungsspezifischen Alterungszustand:
und für den Gesamtalterungszustand:
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Alterungsfaktoren für den Betrieb der Speichereinheit in der speicherspezifischen Anwendung über eine Restlaufzeit der elektrochemischen Speichereinheit kumuliert werden. Die Restlaufzeit kann beispielsweise als voraussichtliche restliche Betriebsdauer bezeichnet werden. Auf diese Weise lassen sich anwendungsspezifische Alterungsfaktoren stärker berücksichtigen und außerdem eine pauschale Aussage über den voraussichtlich noch möglichen Betrieb der Speichereinheit in der Anwendung treffen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann zum Bestimmen des Alterungszustands der Speichereinheit wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit (i) ohmscher Widerstand R_ohm, (ii) elektrische Kapazität, (iii) Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung, oder (iv) elektrische Impedanz verwendet werden. Aus diesen Messungen können mithilfe elektrochemischer Modelle SOB-Parameter gewonnen werden. Diese Alterungsparameter lassen sich durch Abgleich der Messdaten mit dem Batteriemodell bestimmen. Der ohmsche Widerstand der elektrochemischen Speichereinheit lässt sich mit einer günstigen Messtechnik relativ einfach messen, wobei die Speichereinheit üblicherweise die Werte über eine Steuereinheit bereitstellt. Eine solche Steuereinheit wird bei Batterien häufig als battery management system (BMS) bezeichnet. Der ohmsche Widerstand kann als Spannungsabfall direkt nach einer Änderung des Stroms, beispielsweise einem Strompuls, gemessen werden. An einem Lastwiderstand lässt sich der Spannungsabfall bei eingeprägtem Strom bestimmen, woraus sich, nach erfolgter Messung der Leerlaufspannung, der Innenwiderstand der Speichereinheit bestimmen lässt. Auch die elektrische Kapazität lässt sich auf einfache Weise indirekt über Widerstand und Impedanz bestimmen oder direkt über Stromintegration. So kann die Kapazität als von Strom und Temperatur abhängige Größe bestimmt werden. Ein Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung erfordert eine aufwändigere Messtechnik, da zeitlich hochaufgelöst, beispielsweise im Mikrosekundenbereich, Spannungswerte und Stromwerte aufgenommen werden müssen. So können ohmscher Widerstand, Doppelschichtkapazität und Diffusionswerte bestimmt werden, wobei Messungen der Diffusionswerte über einen relativ langen Zeitraum, bis zu Tagen, erfolgen. Auch für Impedanzmessungen ist eine zeitlich schnelle Messtechnik erforderlich, welche induktives Verhalten, Doppelschichtkapazitäten, Durchtrittswiderstände und Diffusion bestimmen kann. Impedanzmessungen sind von Bedeutung, da elektrochemische Vorgänge in der elektrochemischen Speichereinheit frequenzabhängig verlaufen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mit das Erfassen der Parameter zum Abgleichen mit einem elektrochemischen Modell der elektrochemischen Speichereinheit zur Bestimmung externer Alterungsfaktoren mittels einer statistischen Versuchsplanung erfolgen.
Ein empirisch-elektrochemisches Modell der Speichereinheit, welches das Korrelieren von elektrochemischen Prozessen mit den Parametern erlaubt, weist dabei die Vorteile auf, dass es einen Bezug zur Physik hat, übertragbar auf unterschiedliche Batterietypen ist, statistisch abgesichert ist, Orthogonalität der Parameter beinhaltet und geringen Testaufwand durch statistische Versuchsplanung erfordert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abgleichen der erfassten Parameter mit einem empirischen Modell der elektrochemischen Speichereinheit das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell umfassen. So lassen sich komplexe elektrochemische Modellierungen vermeiden, deren Parameter nur sehr ungenau und mit erheblichem Aufwand bestimmt werden könnten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abgleichen der bestimmbaren Parameter der elektrochemischen Speichereinheit mit dem Batteriemodell ein für die speicherspezifische Anwendung spezifisches Gewichten der im Lastprofil erfassten Parameter der elektrochemischen Speichereinheit umfassen. Der Einfluss einer spezifischen Anwendung kann über eine Analyse eines für die Anwendung spezifischen Lastprofils berücksichtigt werden. Lastprofile können für verschiedene Anwendungen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Betriebsparameter der Speichereinheit stellen, so dass eine entsprechende Gewichtung von Vorteil ist. Die Art der Gewichtung richtet sich dabei günstigerweise nach dem Batteriemodell. Es können so verschiedene Bereiche der Alterungsparameter als Histogramm aufgezeichnet und dann entsprechend dem Batteriemodell gewichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das elektrochemische Modell und/oder das empirische Modell der elektrochemischen Speichereinheit auf der Basis gemessener Alterungszustände und/oder kumulierter Alterungsfaktoren der elektrochemischen Speichereinheit angepasst werden. Auf diese Weise lassen sich pauschale Zeiteffekte der Alterung von Speichereinheiten statistisch besser erfassen und außerdem werden die Batteriemodelle nicht übermäßig aufwendig in der Detaillierung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, insbesondere eines Restwertes, einer elektrochemischen Speichereinheit vorgeschlagen, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird, mit wenigstens einer zentralen Datenbank mit wenigstens einem Batteriemodell, welches ein elektrochemischen Modell und/oder ein empirisches Modell der elektrochemischen Speichereinheit umfasst. Das System umfasst weiter eine oder mehrere der Komponenten (i) wenigstens ein Prüfstand zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern eines Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit, (ii) wenigstens ein Werkstatt-Prüfgerät, und (iii) wenigstens ein Speichersystem zum Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit. Dabei ist das System vorgesehen, ein Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen, wobei die Datenbank zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Datenbank als eine selbstlernende Datenbank vorgesehen sein. Damit können Messdaten von Speichereinheiten laufend in das System eingespeist werden und die Modelle mit den aufgenommenen Messdaten weiter verfeinert werden. Auf Grund einer Vielzahl von unter unterschiedlichen Bedingungen gealterter Speichereinheiten lassen sich so Ausreißer einzelner Speichereinheiten herausfiltern und generelle Aussagen für die Modellierung getroffen werden. Die Modelle der Speichereinheiten gewinnen so eine immer größere Aussagekraft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das elektrochemische Modell und/oder das empirische Modell zur Anpassung durch die erfassten Parameter der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen sein. Messdaten der Speichereinheit dienen so zur laufenden Verbesserung der Aussagekraft der Batteriemodelle, welche in der Datenbank des Systems laufen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Datenbank zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit, insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen sein. Auf Grund der laufenden Verbesserung der Modelle in der Datenbank kann diese eine laufend verbesserte Aussage über geeignete Testpläne zur Aufnahme von Parametern der Speichereinheit sowie zur Bewertung der Parameter treffen.
Insbesondere können dazu Information von Speichereinheiten, welche im Feld betrieben unter realen Bedingungen betrieben werden, dazu beitragen. Besonders vorteilhaft ist, wenn diese Informationen über den Betrieb im Feld über größere Zeiträume an die Datenbank des Systems zurückgespeist werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Prüfstand wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit, und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen sein. Diese Parameter stellen die wesentlichen Informationen zur Bewertung eines Alterungszustands einer Speichereinheit dar, insbesondere, wenn sie mit großer Genauigkeit aufgenommen werden, wie es mit einem Prüfstand möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Werkstatt-Prüfgerät Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit umfassen, wobei das Werkstatt-Prüfgerät zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen ist. Mit Hilfe des Werkstatt-Prüfgeräts können die wesentlichen Parameter, welche zur Bewertung einer Speichereinheit benötigt werden, auf relativ einfache Weise und in kurzer Zeit beschafft werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Speichersystem zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen sein. Mit dem Speichersystem kann eine vorgealterte Speichereinheit betrieben werden, wobei das Speichersystem mit der Datenbank des Systems verbunden sein kann, um so günstige Betriebsparameter zum Betrieb der Speichereinheit auswählen zu können, um noch eine günstige Restlaufzeit der Speichereinheit zu gewährleisten. Auf der anderen Seite können Informationen aus dem Betrieb der vorgealterten Speichereinheit in die Datenbank des Systems rückgespeist werden, um so die dort laufenden Batteriemodelle laufend zu verbessern.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:
1 ein System zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine spezifische Anwendung mit Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte;
3 den Verfahrensablauf von 2 für die spezifische Anwendung mit Darstellung der Modellansätze;
4 ein Histogramm eines gewichteten Lastprofils 62 am Beispiel einer Strommessung für eine Anwendung;
5 einen Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Zuordnung der bestimmten Größen;
6 eine schematische Darstellung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 ein System nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prüfstand mit Klimakammern und Impedanzmessgerät.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt ein System 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit 10, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung 58 verwendet wird. Das System 20 umfasst wenigstens eine zentralen Datenbank 22 mit wenigstens einem Batteriemodell 13, welches ein elektrochemisches Modell 14 und/oder ein empirisches Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst. Das System 20 umfasst ferner einen Prüfstand 24 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern 30 eines Alterungszustands 32 der elektrochemischen Speichereinheit 10, ein Werkstatt-Prüfgerät 26, ein Speichersystem 12 zum Betrieb einer elektrochemischen Speichereinheit 10. Die Datenbank 22 ist zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern 30 der elektrochemischen Speichereinheit 30 vorgesehen.
Das elektrochemische Modell 14 und/oder das empirische Modell 16 sind zur Anpassung durch die erfassten Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen. Die Datenbank 22 ist als eine selbstlernende Datenbank 22 vorgesehen, um so die darauf implementierten elektrochemischen und/oder empirischen Batteriemodelle 14, 16 mit den aufgenommenen Messdaten von Speichereinheiten 10 laufend verbessern zu können. Die Datenbank 22 ist weiter zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern 30 eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit 10, insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen.
Der Prüfstand 24 ist wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit 10, und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit 10 und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen 62 der elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen.
Das Werkstatt-Prüfgerät 26 umfasst Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit 10, wobei das Werkstatt-Prüfgerät 26 insbesondere zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen ist.
Das Speichersystem 12 ist insbesondere zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen.
In 2 ist ein Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine spezifische Anwendung 58 mit Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte gezeigt. Es können ein oder mehrere spezifische Anwendungen 58, welche mit dem Index n bezeichnet sind, betrachtet werden.
Messwerte 30 für einen Parameter A_i der Speichereinheit 10, wie beispielsweise ohmscher Widerstand oder Impedanz, werden mit einem geeigneten Messverfahren 50 bestimmt, welches beispielsweise eine Impedanzmessung sein kann. Mit dem Index i sind die Parameter A_i durchnummeriert.
Zum Bestimmen des Alterungszustands 32, SOB_i, der Speichereinheit 10, charakterisiert beispielsweise durch Alterungsparameter wie ohmscher Widerstand R_ohm, oder elektrische Kapazität, werden dabei wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit 10 Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung, elektrische Impedanz, oder die aus der Modellierung der Messergebnisse der Spannungsmessung nach pulsförmiger Ladung und Entladung sowie der Impedanzmessung bestimmten Eigenschaften verwendet.
Für die Messwerte 30 jedes der Parameter A_i wird in der Analyse 52 ein initialer Alterungszustand 32, SOB_i, nach Gleichung G10 bestimmt. Mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung 54 werden externe, insbesondere kumulierte Alterungsfaktoren 42 (siehe 6) erfasst und ausgehend vom initialen Alterungszustand 32 ein verfeinerter Alterungszustand 34, SOB_i(B_l), der nach Gleichung G18 bestimmt werden kann, damit detailliert. Über den Einfluss des Batteriezustands 56 wird daraus ein weiter verfeinerter Alterungszustand 36, SOB_i(B_l, E_m), nach Gleichung G19 berechnet, um damit für eine spezifische Anwendung 58, n, den auf die spezifische Anwendung 58 bezogenen Alterungszustand 38, SOB_i(B_l, E_m(n)), nach Gleichung G20 zu bestimmen. Die Einfluss der Kosten 60 für diese Anwendung 58, n, führt zu dem Wert 40, SOV(n), der Speichereinheit 10 nach Gleichung G17. Der Wert 40, SOV, wird auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem initialen Alterungszustand 32, SOB_i prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit 10 bestimmt.
3 zeigt den Verfahrensablauf von 2 für die spezifische Anwendung 58, n, mit Darstellung der Modellansätze. Nach Aufnahme der Messwerte 30 in dem Messverfahren 50 wird mit Hilfe eines elektrochemischen Modells 14 der initiale Alterungszustand 32, SOB_i, bestimmt und daraus anschließend mit Hilfe eines empirischen Modells 16 der verfeinerte Alterungszustand 34, SOB_i(B_l), damit weiter detailliert. Das Abgleichen der mittels einer statistischen Versuchsplanung erfassten Messwerte 30 mit einem elektrochemischen Modell 14 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst dabei das Korrelieren von elektrochemischen Prozessen mit externen, insbesondere kumulierten Alterungsfaktoren 42 (6). Weiter wird mit Hilfe des empirischen Modells 16 der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOB_i(B_l, E_m), unter Berücksichtigung des Batteriezustands 56 berechnet. Das Abgleichen der erfassten Messwerte 30 mit einem empirischen Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst dabei das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell 18. Das elektrochemische Modell 14 und/oder das empirische Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 wird auf der Basis gemessener kumulierter Alterungsfaktoren 42 (6) der elektrochemischen Speichereinheit 10 wiederum angepasst. Mit Hilfe des elektrochemischen Modells 14 werden Batterieparameter ermittelt. Aus der Veränderung dieser Parameter wird ein SOB 32 berechnet. Die Einflüsse externer Alterungsfaktoren 42 auf diese Parameter werden durch das empirische Modell 16 modelliert. Der verfeinerte Alterungszustand 34, SOB_i(B_l), sowie der weiter Alterungszustand 36, SOB_i(B_l, E_m), lassen sich dann als Funktion der Zeit darstellen.
Mit Hilfe einer Analyse des erfassten Lastprofils 62 für die Anwendung 58, n, kann dann der auf die spezifische Anwendung 58 bezogene Alterungszustand 38, SOB_i(B_l, E_m(n)), bestimmt werden. Das Abgleichen der bestimmbaren Messwerte 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10 mit dem Batteriemodell 13 umfasst dabei ein für die speicherspezifische Anwendung 58 spezifisches Gewichten der im Lastprofil 62 gemessenen Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10, wie in der folgenden 4 dargestellt. Der spezifische Restwert 64 für die spezifische Anwendung 58, n, lässt sich damit über den Wert 40, SOV(n), berechnen.
In 4 ist ein Histogramm eines gewichteten Lastprofils 62 am Beispiel einer Strommessung dargestellt. Anwendungsspezifische Koeffizienten γ_in für eine speicherspezifische Anwendung 58, n, können beispielsweise aus der Analyse eines Lastprofils 62 der Anwendung 58, n, bestimmt werden. Die Anwendung 58, n, kann beispielsweise charakterisiert werden durch eine Reihe von Alterungsparametern wie Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur. Zur genauen Charakterisierung ist die Kenntnis einer nichtlineraren Abhängigkeit und von Wechselwirkungen dieser Parameter voneinander von Bedeutung. Beispielsweise ist eine mittlere Stromstärke nicht aussagekräftig, wenn größere Stromschwankungen auftreten und eine nichtlineare Abhängigkeit des Stroms von der Zeit vermutet wird. So kann es vorteilhaft sein, ein Lastprofil 62 in der Form eines Histogramms in Stromintervallen über die Zeit aufzunehmen und so eine Häufigkeitsverteilung 80 von Messwerten 30 wie beispielsweise Stromwerten zu registrieren. Anhand eines vorliegenden Batteriemodells kann dann diese Häufigkeitsverteilung 80 über die Stromstärken gewichtet werden, um daraus eine gewichtete Häufigkeitsverteilung 82 abzuleiten. So können einzelne Bereiche 86 der gewichteten Häufigkeitsverteilung 82 gebildet werden und Mittelwerte über diese Bereiche 86 gebildet werden. Aus diesen Mittelwerten lassen sich dann anwendungsspezifische Koeffizienten bestimmen, Für das Beispiel mit der Stromverteilung ergibt sich so der ein Koeffizient γ_in als Mittelwert des Stroms im Verhältnis zum Maximalstrom:
In 4 sind Häufigkeitswerte 80 von Stromwerten in Intervallen aufgetragen. Diese Häufigkeitswerte 80 sind mit einer Gewichtungsfunktion 84 gewichtet, welche für die betrachtete Anwendung 58 spezifisch ist. Mit dieser Gewichtung ergeben sich gewichtete Häufigkeitswerte 82. Diese gewichteten Häufigkeitswerte 82 sind dann in einzelne Mittelungsbereiche 86 unterteilt worden, wie beispielsweise einen Bereich 86, I _n,laden , für das Laden einer Batterie und einen Bereich 86, I _n,entladen , für das Entladen der Batterie, über welche Mittelungsbereiche 86 die gewichteten Häufigkeitswerte 82 gemittelt werden, um daraus die Koeffizienten γ_in als Mittelwert des Lade – bzw. Entladestroms im Verhältnis zum Maximalstrom zu bestimmen.
In 5 ist eine Zuordnung der in dem Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestimmten Größen dargestellt. Messwerte 30 für den Parameter A_i der Speichereinheit 10, der daraus bestimmte Alterungszustand 32, SOB_i, für den Messwert 30 des Parameters A_i, sowie der mit Hilfe des empirischen Modells 16 bestimmte Alterungszustand 34, SOB_i(B_l), sind für die Speichereinheit 10 spezifisch und deshalb dieser Speichereinheit 10 zugeordnet. Für die Anwendung 58, n, spezifische Größen sind dagegen die daraus abgeleiteten Größen wie der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOB_i(B_l, E_m),, der auf die spezifische Anwendung 58 bezogene Alterungszustand 38 SOB_i(B_l, E_m(n)) 38 und der Wert 40, SOV(n),.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem gezielten Alterungsprozess 66 können externe, insbesondere kumulierte Alterungsfaktoren 42 auf die Speichereinheit 10 einwirken, so dass nach dem Alterungsprozess 66 die Befundung 52 den batteriezustandsabhängigen Alterungszustand 32, SOB, liefert. Die Alterungsfaktoren 42 für den Betrieb der Speichereinheit 10 in der speicherspezifischen Anwendung 58 werden gewichtet, wie beispielsweise in 4 dargestellt und/oder über eine Restlaufzeit und/oder voraussichtliche Betriebsdauer der elektrochemischen Speichereinheit 10 kumuliert.
Dabei kann, wie in 7 gezeigt, in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein für den Alterungsprozess 66 ein empirisches Alterungsmodell 18 für den Einfluss der externen Alterungsfaktoren 42 erstellt werden und so mit Hilfe des empirisch-elektrochemischen Modells 14, 16 daraus der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOB_i(B_l, E_m), bestimmt werden. Weiter, in 8 dargestellt, kann daraus über die Analyse der speicherspezifischen Anwendung 58, n, ein anwendungsspezifischer Alterungszustand 38, SOB_i(B_l, E_m(n)), und ein Wert 40, SOV(n), bestimmt werden.
9 stellt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit 10, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung 58 verwendet wird, dar. In Schritt S100 wird wenigstens ein Parameters 30 eines Alterungszustands 32 der elektrochemischen Speichereinheit 10 zu einem ersten Zeitpunkt t1 erfasst, gefolgt von Schritt S102, in dem der erfasste Parameter 30 mit einem Batteriemodell 13 der elektrochemischen Speichereinheit 10 zum Ableiten von insbesondere kumulierten Alterungsfaktoren 42 abgeglichen wird, wobei das Batteriemodell 13 ein elektrochemisches Modell 14 und/oder ein empirisches Modell 16 umfasst. Danach wird in Schritt S104 wenigstens ein für die speicherspezifische Anwendung 58 charakteristisches elektrisches Lastprofil 62 eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten 10 beim Betrieb in der speicherspezifischen Anwendung 58 erfasst. In Schritt S106 wird das erfasste Lastprofil 62 für die spezifische Anwendung 58 zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10. In Schritt S108 wird der Zustand der elektrochemischen Speichereinheit 10 für die speicherspezifische Anwendung 58 auf der Basis der Alterungsfaktoren 42 für einen zukünftigen Zeitpunkt t2 prognostiziert. Die Alterungsfaktoren 42 sind dabei mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit 10 in der speicherspezifischen Anwendung 58 korreliert.
10 zeigt ein System 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prüfstand 24 mit Klimakammern 74 und Impedanzmessgerät 70, welches über einen Multiplexer 72 die Impedanzen von Speichereinheiten 10, die in den Klimakammern 74 auf einer definierten Temperatur gehalten werden, erfasst und an die Datenbank 22 des Systems 20 liefert. Das Impedanzmessgerät 70 wird über den Multiplexer 72 auf die verschiedenen Speichereinheiten 10 in den Klimakammern 74 geschaltet. Der Prüfstand 24 steuert die Speichereinheiten 10 an und nimmt weitere Messwerte über ein Mehrzahl von Kanälen C₁ bis C_n auf und liefert diese Informationen ebenfalls an die Datenbank 22, wo sie in den elektrochemischen, bzw. empirischen Modellen 14, 16 weiterverarbeitet werden.

Claims

Verfahren zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands (32) und/oder eines Wertes (40), einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird, umfassend (i) Erfassen wenigstens eines Parameters (30) des Alterungszustands (32) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zu einem ersten Zeitpunkt (t1); (ii) Abgleichen der erfassten Parameter (30) mit einem Batteriemodell (13) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zum Ableiten von Alterungsfaktoren (42), wobei das Batteriemodell (13) ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) umfasst; (iii) Erfassen wenigstens eines für die speicherspezifische Anwendung (58) charakteristischen elektrischen Lastprofils (62) eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten (10) beim Betrieb in der speicherspezifischen Anwendung (58); (iv) Gewichten des erfassten Lastprofils (62) für die spezifische Anwendung (58) zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10); und (v) Prognostizieren des Zustands der elektrochemischen Speichereinheit (10) für die speicherspezifische Anwendung (58) auf der Basis der Alterungsfaktoren (42) für einen zukünftigen Zeitpunkt (t2), welche Alterungsfaktoren (42) mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit (10) in der speicherspezifischen Anwendung (58) korreliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert (40) auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem Alterungszustand (32) prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Alterungsfaktoren (42) für den Betrieb der Speichereinheit (10) in der speicherspezifischen Anwendung über eine Restlaufzeit/voraussichtliche Betriebsdauer der elektrochemischen Speichereinheit (10) kumuliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen des Alterungszustands (32) der Speichereinheit (10) wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit (10) (i) ohmscher Widerstand (R_ohm), (ii) elektrische Kapazität, (iii) Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung der elektrochemischen Speichereinheit (10), (iv) elektrische Impedanz, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen von Parametern (30) zum Abgleichen mit einem elektrochemischen Modell (14) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zur Bestimmung externer Alterungsfaktoren (42) mittels einer statistischen Versuchsplanung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgleichen der erfassten Parameter (30) mit einem empirischen Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell (18) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgleichen der bestimmbaren Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) mit dem Batteriemodell (13) ein für die speicherspezifische Anwendung (58) spezifisches Gewichten der im Lastprofil (62) erfassten Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrochemische Modell (14) und/oder das empirische Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) auf der Basis gemessener Alterungszustände (32) und/oder kumulierter Alterungsfaktoren (42) der elektrochemischen Speichereinheit (10) angepasst wird.
System (20) zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands (32) und/oder eines Wertes (40), einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird, mit wenigstens einer zentralen Datenbank (22) mit wenigstens einem Batteriemodell (13), welches ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst, umfassend eine oder mehrere der Komponenten (i) wenigstens ein Prüfstand (24) zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern (30) eines Alterungszustands (32) der elektrochemischen Speichereinheit (10), (ii) wenigstens ein Werkstatt-Prüfgerät (26), (iii) wenigstens ein Speichersystem (12) zum Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit (10), wobei das System vorgesehen ist, ein Verfahren insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, wobei die Datenbank (22) zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Datenbank (22) als eine selbstlernende Datenbank (22) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei das elektrochemische Modell (14) und/oder das empirische Modell (16) zur Anpassung durch die erfassten Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Datenbank (22) zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern (30) eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit (10), insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Prüfstand (24) wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit (10), und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit (10) und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen (62) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Werkstatt-Prüfgerät (26) Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst, wobei das Werkstatt-Prüfgerät (26) zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Speichersystem (12) zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.