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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes wenigstens einer Zelle einer Batterie eines Energiespeichers, insbesondere einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie.
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Energiespeicher von Kraftfahrzeugen bestehen üblicherweise aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die in Zellmodule zusammengeschaltet sein können. Ein Zellmodul besteht also aus mehreren zusammengeschalteten galvanischen Zellen. Im Folgenden wird der Begriff Zelle synonym mit den Begriffen „galvanische Zelle“ und „Modul aus mehreren galvanischen Zellen“ verwendet.
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Um solche Energiespeicher optimal zu betreiben, müssen Batteriemanagementsysteme den Alterungszustand (state of health, SOH) bestimmen können. Den dabei verwendeten Algorithmen stehen jedoch nur wenige, stark miteinander korrelierte Messgrößen zur Verfügung, beispielsweise Strom, Spannung und Temperatur.
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Im Stand der Technik erfolgt die Bestimmung des Alterungszustands beispielsweise durch Vermessen des Spannungsverlaufs im Energiespeicher bei sehr kleinen Strömen, um Temperatur- und Widerstandseinflüsse auszuschließen. Hierfür ist mindestens ein vollständiger Lade- oder Entladevorgang des Energiespeichers notwendig, was wegen der kleinen Ströme eine sehr lange Zeit in Anspruch nimmt, während der der Energiespeicher nicht genutzt werden kann. Zudem ist eine Identifikation von schadhaften Zellen, beispielsweise zur Qualitätskontrolle, meist zeitaufwendig und aufgrund der dafür benötigten zusätzlichen Infrastruktur kostenintensiv.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes einer Zelle einer Batterie zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, mit den folgenden Schritten: Die Zelle wird bis unter einen gewissen Ladestand entladen. Danach wird die Zelle bis über den gewissen Ladestand geladen. Während des Ladens der Zelle wird eine Zellspannung sowie eine Ladestromstärke und/oder eine geflossene Ladungsmenge erfasst. Aus den erfassten Größen wird der Alterungszustand der Zelle bestimmt. Insbesondere wird, wenn die Ladestromstärke erfasst wird, auch die Dauer eines Zeitraums erfasst, über den hinweg der Ladestrom fließt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Schritte des Entladens und Ladens unter bzw. über den gewissen Ladestand nur für einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum erfolgen, sodass der Energiespeicher bereits nach kurzer Zeit wieder genutzt und/oder mit normaler Ladegeschwindigkeit geladen werden kann. Daher ist das Verfahren ohne besondere oder spürbare Nachteile für den Anwender regelmäßig anwendbar, sodass sich auch eine Entwicklung des Alterungszustands bestimmen lässt. Vorzugsweise erfolgt eine Aufzeichnung der erfassten Größen mit einer hohen Datenrate, um die Genauigkeit des bestimmten Alterungszustands zu erhöhen. Eine Erfassung der Zellspannung ist in einfacher Art und Weise für jede Zelle des Energiespeichers einzeln möglich, wodurch defekte, schwache und/oder kranke Zellen einfach identifiziert werden können. Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Wartung des Energiespeichers, wodurch sich auch die Unterhaltskosten des Energiespeichers reduzieren.
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Ferner ist eine exakte Einschätzung des Ladestands und damit, im Falle der Verwendung des Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einer Restreichweite möglich. Sind weitere, ständig aktive Vorrichtungen und/oder Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustands im Energiespeicher implementiert, so können diese mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kalibriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es außerdem, eine Betriebsstrategie und/oder Betriebsparameter (beispielsweise Spannungsgrenzen) des Energiespeichers anzupassen, um Auswirkungen der Alterung zu mindern und/oder der Alterung entgegenzuwirken.
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Zudem ist eine Diagnose des Alterungszustands der Zelle für eine Zweitverwendung erleichtert. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Herstellung des Energiespeichers eingesetzt werden, beispielsweise zur Qualitätskontrolle.
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Bei den erfassten Größen handelt es sich um diejenigen, die direkt gemessen werden. Auf die geflossene Ladungsmenge kann über die gemessene Ladestromstärke und die Zeitdauer des Ladestroms geschlossen werden, sodass es sich bei der Ladestromstärke und die Zeitdauer um die erfassten Größen handelt, auch wenn diese lediglich genutzt werden, um die geflossene Ladungsmenge für weitere Berechnungen zu ermitteln. Die geflossene Ladungsmenge kann demnach als eine aus den erfassten Größen bestimmte Größe bezeichnet werden.
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Der Alterungszustand lässt sich über die Zellspannung und die geflossene Ladungsmenge ermitteln, insbesondere wobei die geflossene Ladungsmenge direkt oder indirekt bestimmt wird, nämlich beispielsweise indirekt über die Ladestromstärke.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Zelle bis unter einen Ladestand entladen, bei dem eine Elektrode der Zelle eine Zweiphasenreaktion aufweist. Insbesondere weist genau eine Elektrode der Zelle bei dem Ladestand eine Zweiphasenreaktion auf, also nur eine Anode oder nur eine Kathode der Zelle, genauer gesagt jeder Zelle des Energiespeichers. Die jeweils andere Elektrode weist bei dem Ladestand einen quasi-konstanten Potentialverlauf auf.
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Vorzugsweise wird die Zelle bis unter eine Lithiierungsstufe einer Elektrode der Zelle entladen und/oder bis ein gewisser Grenzstrom erreicht wird, insbesondere mit konstanten Spannungsschritten. Die Zweiphasenreaktion ist entsprechend die Lithiierung der Elektrode bei der Lithiierungsstufe. Beispielsweise handelt es sich bei der Elektrode um eine Anode, die wenigstens teilweise durch Kohlenstoffverbindungen gebildet ist. Insbesondere ist die Anode eine Graphit-Anode. Der gewisse Grenzstrom für den Entladestrom beträgt beispielsweise in etwa C/10, wobei C der bekannte C-Koeffizient ist, der als Kennwert für die verfügbare Nennkapazität dient. Ein Entladestrom von C/10 entspricht demnach dem Strom, der in einer Stunde ein Zehntel der theoretisch maximalen Ladungsmenge der Zelle transportiert. Wegen des geringen Entladestroms erwärmt sich der Energiespeicher über ohmsche Verluste nur unwesentlich, sodass Temperatureinflüsse bei der Bestimmung des Alterungszustands vermindert sind.
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Weiter bevorzugt wird die Zelle bis unter die erste Lithiierungsstufe der Elektrode entladen. Die Zweiphasenreaktion ist entsprechend die Lithiierung der Elektrode bei der ersten Lithiierungsstufe. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also in einem Bereich des Ladezustands des Energiespeichers genutzt, der einer relativ tiefen Entladung des Energiespeichers entspricht. Insbesondere wird die Zelle bis zu einem Ladestand entladen, der außerhalb (genauer gesagt unterhalb) der Betriebsgrenzen für einen normalen Nutzungsbetrieb des Energiespeichers liegt.
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Ein Aspekt sieht vor, dass die Zelle bis über den Ladestand hinaus geladen wird, bei dem die Elektrode die Zweiphasenreaktion aufweist. Dementsprechend handelt es sich um eine Elektrode, die wenigstens teilweise durch Kohlenstoffverbindungen gebildet ist. Insbesondere handelt es sich um eine Graphit-Anode. Die Ladestromstärke ist dabei im Vergleich zu einer Ladestromstärke, mit der die Zelle in einem normalen Betrieb des Energiespeichers geladen wird, relativ klein. Die Ladestromstärke beträgt vorzugsweise weniger als C/3, weiter bevorzugt C/10, insbesondere weniger als C/20. Wegen des geringen Ladestroms erwärmt sich der Energiespeicher über ohmsche Verluste nur unwesentlich, sodass Temperatureinflüsse bei der Bestimmung des Alterungszustands vermindert sind.
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Die erste Lithiierungsstufe kann demnach dem gewissen Ladestand entsprechen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Zelle mit konstantem Strom geladen. Die Ladestromstärke beträgt vorzugsweise weniger als C/3, weiter bevorzugt C/10, insbesondere weniger als C/20. Aus dem konstanten, bekannten Ladestrom kann eine geflossene Ladungsmenge durch (numerische) Integration berechnet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Zelle zwischen dem Entladen und dem Laden der Zelle für einen gewissen Zeitraum weder geladen noch entladen. Der gewisse Zeitraum hat beispielsweise eine Dauer von mehr als fünf Minuten, vorzugsweise von mehr als zehn Minuten. Dadurch kann der Energiespeicher zwischen dem Entladen und dem Laden der Zelle abkühlen, wodurch Temperatureinflüsse bei der Bestimmung des Alterungszustands weiter vermindert sind.
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Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Alterungszustandes eine Ableitung der geflossenen Ladungsmenge nach der Zellspannung herangezogen. Anders ausgedrückt wird der Differentialquotient dQ/dU der Differentiale der geflossenen Ladung dQ und der Zellspannung dU gebildet, insbesondere numerisch (in diesem Fall handelt es sich dann um einen Differenzenquotienten). Ein Verlauf der Ableitung weist je nach Alterungszustand und Alterungsursache eine charakteristische Form auf, weswegen die Ableitung der geflossenen Ladungsmenge nach der Zellspannung besonders geeignet ist, um den Alterungszustand zu bestimmen. Zusätzlich können über den Verlauf der Ableitung auch Alterungsursachen bestimmt werden. Dies ermöglicht es, eine Betriebsstrategie des Energiespeichers anzupassen, um Auswirkungen der Alterungsursachen zu mindern und/oder den Alterungsursachen entgegenzuwirken.
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Weiter bevorzugt wird zur Bestimmung des Alterungszustandes ein lokales Extremum des Verlaufs der Ableitung der geflossenen Ladungsmenge nach der Zellspannung bestimmt. Dabei handelt es sich insbesondere um das lokale Extremum, das dem Ladestand zugeordnet ist, bei dem die Elektrode eine Zweiphasenreaktion aufweist. Das Extremum kann also einer Lithiierungsstufe einer Elektrode zugeordnet sein, insbesondere der ersten Lithiierungsstufe. Die Position des lokalen Extremums, also die Abszisse und Ordinate, sowie der Verlauf der Ableitung in einer Umgebung des Extremums weisen je nach Alterungszustand und Alterungsursachen charakteristische Werte bzw. eine charakteristische Form auf. Aus diesen Werten und dieser Form lassen sich daher der Alterungszustand und die Alterungsursachen in einfacher Weise bestimmen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass zur Bestimmung des Alterungszustandes der Verlauf der Ableitung der geschlossenen Ladungsmenge nach der Zellspannung in einer Umgebung des lokalen Extremums mit einem charakteristischen Verlauf verglichen wird. Insbesondere ist der charakteristische Verlauf in einem Steuergerät des Energiespeichers hinterlegt, sodass der Verlauf der Ableitung besonders schnell mit einem charakteristischen Verlauf verglichen werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Peak-Analyse (englisch: peak analysis) des Verlaufs der Ableitung durchgeführt, um Parameter zumindest eines Peaks im Verlauf zu bestimmen. Unter einem Peak ist dabei eine Umgebung eines lokalen Maximums zu verstehen. Insbesondere handelt es sich um den Peak, der dem Ladestand zugeordnet ist, bei dem die Elektrode eine Zweiphasenreaktion aufweist. Der Peak kann also beispielsweise einer Lithiierungsstufe einer Elektrode zugeordnet sein, insbesondere der ersten Lithiierungsstufe. Die Peak-Analyse kann qualitativ und/oder quantitativ erfolgen. Die Parameter können einen oder mehrere der folgenden umfassen: Abszisse (Zellspannung) des Peaks, Höhe des Peaks und/oder Breite des Peaks (insbesondere Halbwertsbreite oder 1/e-Breite).
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Insbesondere wird bzw. werden wenigstens eine der erfassten Größen und/oder wenigstens eine aus den erfassten Größen bestimmte Größe geglättet und/oder interpoliert. Die Größen können auch anderweitig auf geeignete Art und Weise verarbeitet werden. Dadurch wird die weitere (numerische) Verarbeitung der erfassten Größen bzw. der aus den erfassten Größen bestimmten Größe erleichtert und die Genauigkeit der Bestimmung des Alterungszustands verbessert. Beispielsweise wird die Genauigkeit einer qualitativen und/oder quantitativen Peak-Analyse verbessert.
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Bei den erfassten Größen handelt es sich beispielsweise um die Ladestromstärke und die Dauer eines Zeitraums, über den hinweg der Ladestrom fließt, wohingegen die aus den erfassten Größen bestimmte Größe der geflossenen Ladungsmenge entspricht.
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Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie, mit den folgenden Schritten: der Alterungszustand wenigstens einer Zelle der Batterie wird mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt. Basierend auf dem bestimmten Alterungszustand werden Betriebsparameter der Batterie angepasst. Dies ermöglicht es, eine Betriebsstrategie des Energiespeichers anzupassen, um Auswirkungen der Alterungsursachen zu mindern und/oder ihnen entgegenzuwirken. Insbesondere wird eine falsche Betriebsstrategie vermieden, die eine überdurchschnittliche Alterung des Energiespeichers zur Folge haben könnte. Beispielsweise werden je nach Alterungsursache Spannungsgrenzen erhöht, um dem Energiespeicher weiterhin eine hohe Leistung entnehmen zu können. Bezüglich der sonstigen Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- - 1 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Alterungszustands einer Zelle einer Batterie; und
- - 2 ein Diagramm der Ableitung einer geflossenen Ladungsmenge nach einer Zellspannung aufgetragen gegen die Zellspannung.
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Im Folgenden wird anhand von 1 ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands wenigstens einer Zelle einer Batterie eines Energiespeichers beschrieben. Der Energiespeicher besteht im betrachteten Beispiel aus einem oder mehreren Zellmodulen von Lithium-Ionen-Zellen, wobei die einzelnen galvanischen Elemente jeweils Graphit-Anoden aufweisen. Solche Energiespeicher werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet.
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Im Folgenden wird der Begriff Zelle synonym mit den Begriffen „galvanische Zelle“ und „Modul aus mehreren galvanischen Zellen“ verwendet.
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Um den Alterungszustandes der wenigstens einen Zelle zu bestimmen, wird die Zelle zunächst bis unter einen gewissen Ladestand entladen (Schritt S1). Bei dem gewissen Ladestand handelt es sich um den Ladestand, bei dem eine Elektrode der Zelle eine Zweiphasenreaktion aufweist. Genauer gesagt wird die Zelle im betrachteten Ausführungsbeispiel bis unter die erste Lithiierungsstufe der Graphit-Anode entladen, insbesondere mit konstanten Spannungsschritten. Es kann vorgesehen sein, dass die Zelle so lange entladen wird, bis der Entladestrom einen gewissen Grenzstrom erreicht, der beispielsweise C/10 beträgt.
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Nun folgt ein Zeitraum, in dem die Zelle weder geladen noch entladen wird (Schritt S2), was auch als Ruhepause bezeichnet werden kann. Dieser Zeitraum hat beispielsweise eine Dauer von mehr als 5 Minuten, vorzugsweise von mehr als 10 Minuten. Durch diese Ruhepause normalisiert sich die Temperatur des Energiespeichers und Temperatureinflüsse bei nachfolgenden Messungen werden reduziert.
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Nun wird die Zelle bis über den gewissen Ladestand geladen (Schritt S3). Das Laden der Zelle erfolgt dabei mit einem konstanten und geringen Strom. Die Stromstärke ist beispielsweise kleiner als C/3, vorzugsweise kleiner als C/10, weiter bevorzugt kleiner als C/20.
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Während des Ladens wird eine Zellspannung U der Zelle sowie eine Ladestromstärke und/oder eine beim Laden der Zelle geflossene Ladungsmenge Q erfasst (Schritt S4). Wird die Ladestromstärke erfasst, so wird auch die Dauer eines Zeitraums erfasst, über den hinweg der Ladestrom fließt. Die geflossene Ladungsmenge Q wird dann beispielsweise durch (numerische) Integration aus der Ladestromstärke und der Dauer bestimmt. In diesem Schritt wird die Zelle nicht voll geladen. Es wird nur ein gewisser Bruchteil der gesamten zum Laden der Zelle benötigten Ladungsmenge zugeführt, beispielsweise ca. 15 %.
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Alternativ kann die geflossene Ladungsmenge auch direkt erfasst werden, also als erfasste Größe.
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Nun wird die Ableitung der geflossenen Ladungsmenge Q nach der Zellspannung U bestimmt, insbesondere durch numerisches Differenzieren. Es wird also der Differentialquotient dQ(U)/dU (numerisch entsprechend der Differenzenquotient) bestimmt.
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Ein beispielhafter Verlauf 10 einer derart gebildeten Ableitung ist in 2 gezeigt.
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Klar zu erkennen ist dort ein erster Peak 12, der durch den Verlauf der Ableitung in einer Umgebung eines lokalen Maximums gebildet ist. Dieser Peak 12 ist der ersten Lithiierungsstufe der Graphit-Anode zugeordnet, die im gezeigten Beispiel bei einer Zellspannung U von etwa 3,55 V (angedeutet durch die gestrichelte Linie in 2) als abgeschlossen betrachtet werden kann.
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Um den Alterungszustandes der Zelle zu bestimmen, wird nun eine Peak-Analyse des Peaks 12 im Verlauf 10 der Ableitung durchgeführt, bei der verschiedene Parameter des Peaks 12 bestimmt werden. Die Parameter können einen oder mehrere der folgenden umfassen: Abszisse (Zellspannung U) des Peaks, Höhe des Peaks und/oder Breite des Peaks (insbesondere Halbwertsbreite oder 1/e-Breite).
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Um die Peak-Analyse zu verbessern, kann es vorgesehen sein, wenigstens eine der erfassten Größen und/oder daraus berechnete Größen zu glätten, zu interpolieren oder auf andere, geeignete Art und Weise zu verarbeiten.
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Da die Parameter des Peaks in charakteristischer Art und Weise vom Alterungszustand und/oder Alterungsursachen der Zelle abhängen, lässt sich der Alterungszustand aus den über die Peak-Analyse erhaltenen Parametern bestimmen. Zudem lassen sich auch Alterungsursachen aus den bestimmten Parametern bestimmen. Insbesondere werden dazu die bestimmten Parameter mit charakteristischen Parametern verglichen, die in einem Steuergerät des Energiespeichers hinterlegt sein können, beispielsweise in einem Speicher des Steuergeräts hinterlegt sind. Die charakteristischen Parameter enthalten also Informationen darüber, welche Werte der Peak-Parameter für die diversen Alterungserscheinungen und/oder Alterungsursachen des Energiespeichers charakteristisch sind. Diese können miteinander verglichen werden, um Abweichungen bzw. Unregelmäßigkeiten zu erkennen.
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Insbesondere der Vergleich ermöglicht es, rechtzeitig einen Ausfall oder eine Beeinträchtigung zu erkennen bzw. vorherzusagen, sodass einer Betriebseinschränkung frühzeitig entgegengewirkt werden kann, vorzugsweise bevor diese tatsächlich auftritt.
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Nachdem der Peak komplett durchlaufen ist (im in 2 gezeigten Beispiel bei ca. 3,55 V) kann das langsame Laden und die Aufzeichnung der wenigstens einen Größe beendet werden. Dementsprechend kann der Energiespeicher mit der normalen Ladegeschwindigkeit geladen werden.
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Das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes der wenigstens einen Zelle lässt sich für ein Verfahren zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie nutzen. Dazu werden basierend auf dem bestimmten Alterungszustand Betriebsparameter der Lithium-Ionen-Batterie entsprechend angepasst. Beispielsweise werden je nach Alterungsursache Spannungsgrenzen erhöht, um dem Energiespeicher weiterhin eine hohe Leistung entnehmen zu können. Insbesondere wird eine falsche Betriebsstrategie vermieden, die eine überdurchschnittliche Alterung des Energiespeichers bewirken könnte.
