DE102018108184A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators sowie Computerprogramm - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators sowie Computerprogramm Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, indem an Anschlusskontakten des Akkumulators ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators, das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird, wobei bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators, die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, indem an Anschlusskontakten des Akkumulators ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators, das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Ein Akkumulator ist eine Anordnung aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen, die elektrische Energie abgeben können oder beim Aufladen elektrische Energie aufnehmen können.
  • Der Zustand eines Akkumulators kann beispielsweise der Alterungszustand sein, der auch als Gesundheitszustand oder in der englischen Sprache als State of Health (SOH) bezeichnet wird. Der Zustand eines Akkumulators kann beispielsweise durch Messung oder Abschätzung einer maximal nutzbaren Restkapazität des Akkumulators bestimmt werden. Die Bestimmung des Zustands auf diese Weise hat den Nachteil, dass eine verfügbare Restlebensdauer des Akkumulators oft falsch eingeschätzt wird und der Akkumulator früher als notwendig ausgetauscht wird. Dies ist insbesondere bei großen Akkumulatoren, wie sie für elektrisch betriebene Fahrzeuge erforderlich sind, mit erheblichen Kosten verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zustand eines Akkumulators präziser und realistischer zu bestimmen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators, die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird. Auf diese Weise kann der „wahre“ Zustand des Akkumulators deutlich realistischer eingeschätzt werden. Je nach Art des Akkumulators, z.B. Lithium-Ionen-Akkumulator, Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Nickel-Cadmium-Akkumulator oder Blei-Akkumulator, können jeweils spezifische Zustandseffekte berücksichtigt werden und zwischen diesen Zustandseffekten differenziert werden. Die Zustandseffekte des Akkumulators können insbesondere Zustandsänderungseffekte des Akkumulators sein, d.h. Effekte, durch die sich zumindest eine Zustandsgröße des Akkumulators reversibel, irreversibel oder teilweise reversibel verändert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Bestimmung verschiedenster Arten von Zuständen eines Akkumulators, z.B. für die Bestimmung des Alterungszustands. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aber beispielsweise auch für die Eingangsprüfung von Batteriezellen (Einkauf), für die Produktionsüberprüfung, z.B. um Fehler und/oder Abweichungen bei der Produktion festzustellen, oder für weitere Zustandsbestimmungen, wie die Temperaturvariation zwischen einzelnen Zellen, Feststellen eines Kühlmittelversagens oder einer Inhomogenität der Kühlung, oder einer bestimmten mechanischen Belastung des Akkumulators. Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch der aktuelle Ladezustand des Akkumulators bestimmt werden, beispielsweise in Kombination mit der nachfolgend noch erläuterten Auswertung der Phasenverschiebung.
  • Die zuvor erwähnten verschiedenen Zustandseffekte des Akkumulators, zwischen denen differenziert wird, können beliebige in der Regel Zelltyp-spezifische chemische und/physikalische Effekte sein. Die Zustandseffekte können insbesondere Alterungseffekte des Akkumulators oder sonstige die Leistungsfähigkeit des Akkumulators beeinflussende oder beeinträchtigende Effekte sein. Die Zustandseffekte können z.B. so definiert sein, dass die im Betrieb eines Akkumulators gewöhnlich auftretenden Änderungen des Ladezustands nicht erfasst sind.
  • In der Regel resultieren aus solchen Zustandseffekten neben Kapazitätseinbußen auch Leistungseinbußen, unter anderem durch eine Vergrößerung des Innenwiderstands sowie durch die Abnahme der aktiven Elektrodenoberflächen.
  • Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator können als Zustandseffekte beispielsweise das Solid Electrolyte Interface (SEI) auftreten, oder das vor allem bei tiefen Temperaturen bevorzugt auftretende Lithium Plating. Neben diesen Effekten können auch lokale Wärmeansammlungen, sogenannte Hotspots, entstehen und das Akkumulatorverhalten beeinflussen.
  • Wie erwähnt, wird der Zustand zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals bestimmt. Somit können auch andere Einflussgrößen bei der Bestimmung des Zustands berücksichtigt werden, wie z.B. die Gesamtbetriebsdauer oder besondere Belastungszustände des Akkumulators.
  • Die Bestimmung des Zustands und insbesondere die Differenzierung zwischen verschiedenen Zustandseffekten kann in Bezug auf den gesamten (mehrzelligen) Akkumulator, in Bezug auf eine, mehrere oder alle Einzelzellen oder in Bezug auf Gruppen von Einzelzellen des Akkumulators durchgeführt werden. Dementsprechend kann beispielsweise ein Gesamt-Zustand des gesamten Akkumulators oder ein Zustand einzelner Zellen oder von Gruppen von Zellen bestimmt werden.
  • Die Quantifizierung eines Zustandseffekts beinhaltet, dass eine relative oder absolute Zahlenangabe ermittelt wird, die den Zustandseffekt zahlenmäßig repräsentiert. Diese Zahlenangabe kann beispielsweise in einem Batteriemanagementsystem, das zum Management des Akkumulators dient, verarbeitet werden, um ein geeignetes Management des Akkumulators durchzuführen, sodass dieser Zustandseffekt oder andere Zustandseffekte wieder abgebaut werden oder zumindest möglichst wenig fortschreiten. Es ist auch möglich, die Zahlenangabe zur Ansteuerung eines Signalgebers, z.B. einer Warnlampe, zu nutzen oder die Zahlenangabe visuell auf einem Display eines Fahrzeugs oder eines Diagnosegeräts darzustellen, z.B. wenn das Fahrzeug in der Werkstatt ist.
  • Das Lithium Plating kann insbesondere zu sicherheitskritischen Zuständen beim Betrieb des Akkumulators führen. Das Lithium Plating ist häufig auf falsches Laden zurückzuführen, sodass eine differenzierte Bestimmung dieses Zustandseffekts zur deutlichen Verlängerung der Lebensdauer eines Akkumulators genutzt werden kann.
  • So kann beispielsweise in Abhängigkeit von zumindest einer Quantifizierung eines Zustandseffekts wenigstens ein Betriebsparameter beim Laden und/oder Entladen des Akkumulators beeinflusst werden. So kann beispielsweise bei verstärktem Auftreten von Lithium Plating das Laden des Akkumulators zukünftig mit einem anderen Ladealgorithmus durchgeführt werden, beispielsweise bei verringertem Ladestrom und/oder verändertem Lade-Timing. Diese Funktion kann beispielsweise vom Batteriemanagementsystem automatisch in Abhängigkeit von der zumindest einen Quantifizierung eines Zustandseffekts durchgeführt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Differenzierung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten und/oder die Quantifizierung zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten das Antwortsignal durch eine Analysemethode oder mehrere Analysemethoden analysiert wird. Dies erlaubt eine sehr effiziente Differenzierung zwischen unterschiedlichen Zustandseffekten. Vorteilhafterweise werden hierbei Analysemethoden mit hoher Differenzierungsfähigkeit eingesetzt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Analysemethode die nichtlineare Frequenzganganalyse ist. Die nichtlineare Frequenzganganalyse, die im englischen auch als non-linear frequency response analysis (NFRA) bezeichnet wird, erlaubt vorteilhafterweise eine Differenzierung zwischen Zustandseffekten aufgrund ihrer charakteristischen Auswirkung auf das nichtlineare Frequenzspektrum. Beispielsweise kann hierdurch deutlicher zwischen dem Lithium Plating und dem Solid Electrolyte Interface unterschieden werden. Bei der nichtlinearen Frequenzganganalyse werden sowohl die Summe der Harmonischen als auch die Amplituden einzelner Harmonischen, beginnend mit der zweiten Harmonischen, analysiert, z.B. nach Aufprägung eines Wechselstroms mit einer Amplitude, die den exponentiellen Strom-Spannungsbereich abgreift. Auch Phasenverschiebungen der Harmonischen können genutzt werden.
  • Das Solid Electrolyte Interface bzw. dessen Wachstum erhöht die nichtlinearen Antwortsignale über einen breiten Frequenzbereich, wohingegen Lithium Plating sich speziell bzw. verstärkt auf einen Frequenzbereich oder eine Harmonische auswirkt und in diesem Bereich die nichtlinearen Signale beeinflusst.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Analysemethode die elektrochemische Impedanzspektroskopie oder eine mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie verwandte Analysemethode ist. Dies erlaubt eine zusätzliche Analyse des Zustands des Akkumulators sowie eine verfeinerte Differentiation zwischen Zustandseffekten. Mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie kann ein allgemeiner Zustand des Akkumulators quantifiziert werden, jedoch kann nicht zwischen den zuvor erwähnten Zustandseffekten Solid Electrolyte Interface und Lithium Plating unterschieden werden. Eine mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie verwandte Analysemethode ist beispielsweise eine Analysemethode, die durch lineare Systemanalyse in Ergebnisse der elektrochemischen Impedanzspektroskopie überführt werden kann. So kann beispielhaft statt der Impedanz auch ein anderes Signal analysiert werden, z.B. Abschaltmessungen, Sprungsignale oder Rampen als Eingangssignal. Solche Eingangssignale lassen sich beispielsweise über eine Fast Fourier Transformation (FFT) in vergleichbarer Weise auswerten wie die Impedanz.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das aufgeprägte Wechselstromsignal im Laufe des Verfahrens nacheinander mehrfach aufgeprägt wird, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Aufprägevorgängen die Frequenz des Wechselstromsignals verändert wird, und nach jedem Aufprägevorgang das elektrische Antwortsignal des Akkumulators, das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird. Auf diese Weise können noch mehr auswertbare Daten für eine besonders feine Differenzierung verschiedener den Zustand des Akkumulators beeinflussender Effekte ermittelt werden. So kann beispielsweise die Eingangsfrequenz des aufgeprägten Wechselstromsignals in einem vorbestimmten Frequenzbereich variiert werden, beispielsweise in einem Bereich von wenigen Millihertz bis zu einigen Kilohertz. Beispielsweise können Eingangsfrequenzen im Bereich von 1 kHz bis 1 Hz gewählt werden, oder von 1 kHz bis 0,1 Hz.
  • Werden für die Durchführung einer nichtlinearen Frequenzganganalyse nacheinander mehrere Wechselstromsignale mit unterschiedlicher Eingangsfrequenz aufgeprägt, so kann dies beispielsweise mit zwei, drei oder vier unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Für die elektrochemische Impedanzspektroskopie oder eine verwandte Analysemethode kann beispielsweise der gleiche Frequenzbereich, wie zuvor erläutert, genutzt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, eine feinere Unterteilung in den Eingangsfrequenzen vorzusehen, beispielsweise indem fünf verschiedene Frequenzen pro Dekade der Eingangsfrequenz verwendet werden. So kann in diesem Fall die Eingangsfrequenz beispielsweise im vorgesehenen Frequenzbereich mit wenigstens 20 Schritten oder wenigstens 50 Schritten variiert werden, d.h. wenigstens 20 oder wenigstens 50 unterschiedlichen Eingangsfrequenzen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist und bezüglich des Zustands wenigstens zwischen den zwei Zustandseffekten Solid Electrolyte Interface und Lithium Plating differenziert wird. Auf diese Weise eignet sich die Erfindung besonders für die Diagnose der für elektrische Fahrzeuge wichtigen Lithium-Ionen-Technologie.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Zustandseffekt, insbesondere das Solid Electrolyte Interface, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und die im gesamten Frequenzbereich liegen können, detektiert wird. Der Begriff des gesamten Frequenzbereichs bezieht sich hierbei auf den mit üblichem Messaufwand erfassbaren Frequenzbereich, der selbstverständlich irgendwann bei Harmonischen höheren Grades endet, beispielsweise bei der zehnten oder 15ten Harmonischen. Die Auswertung nichtlinearer Antwortsignale kann auch nur in Bezug auf einen Teil des Frequenzbereichs durchgeführt werden, beispielsweise durch Auswertung der ersten Harmonischen des Antwortsignals. Als erste Harmonische wird in diesem Zusammenhang die Grundwelle angesehen, dementsprechend wird die erste Oberwelle als zweite Harmonische, die zweite Oberwelle als dritte Harmonische und so weiter angesehen.
  • Auf die gleiche Weise kann wenigstens ein Zustandseffekt, insbesondere das Solid Electrolyte Interface, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und die im gesamten Frequenzbereich liegen können, quantifiziert werden. So kann z.B. aus der Amplitude der ausgewerteten nichtlinearen Antwortsignale ein Zahlenwert gewonnen werden, der den Zustandseffekt quantifiziert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Zustandseffekt, insbesondere das Lithium Plating, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale in einem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich detektiert wird. So kann der Zustandseffekt z.B. durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und in dem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich liegen, detektiert werden. Der vorbestimmte begrenzte Frequenzbereich kann beispielsweise für ein jeweiliges Akkumulatorfabrikat vom Hersteller vorgegeben werden. Der Hersteller gibt beispielsweise eine charakteristische Frequenz oder einen Frequenzbereich an, der für die Erkennung von Lithium Plating durch die nichtlineare Frequenzganganalyse geeignet ist.
  • Zur Detektion des Zustandseffekts kann beispielsweise ein Vergleich der Amplituden der Antwortsignale für unterschiedliche Oberwellen durchgeführt werden, beispielsweise für die n-te Harmonische und die m-te Harmonische, wobei n ≠ m ist. Als konkretes Beispiel sei angegeben, dass ein Vergleich der Amplituden der zweiten Harmonischen mit der dritten Harmonischen erfolgen kann. Ist die Amplitude der dritten Harmonischen größer als die Amplitude der zweiten Harmonischen, so kann bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator der Zustandseffekt des Lithium Plating diagnostiziert werden. Auf die gleiche Weise kann eine Quantifizierung dieses Zustandseffekts erfolgten. So kann z.B. aus dem Quotienten der Amplituden der ausgewerteten n-ten Harmonischen und m-ten Harmonische ein Zahlenwert gewonnen werden, der den Zustandseffekt quantifiziert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch Auswertung des Antwortsignals Hotspots bestimmt und/oder identifiziert werden, insbesondere durch Erkennung, dass nichtlineare Antwortsignale in einem vorbestimmten Frequenzbereich verringert sind, z.B. gegenüber einem für den Akkumulator typischen Wert verringert sind. Dies hat den Vorteil, dass zudem lokale Wärmeansammlungen mit diagnostiziert werden, ohne dass zusätzliche aufwendige Hardware erforderlich wäre, wie z.B. ein jeweiliger Temperatursensor an den einzelnen Akkumulatorzellen. Für den Fall, dass Hotspots erkannt werden, kann beispielsweise ein Warnsignal erzeugt werden oder eine vollständige oder partielle Abschaltung des Akkumulators durchgeführt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Bestimmung des Zustands des Akkumulators wenigstens eine Phasenverschiebung zwischen zumindest einem Teil des Antwortsignals des Akkumulators und dem aufgeprägten Wechselstromsignal ausgewertet wird. Hierdurch können weitere Unterscheidungen bezüglich des Zustands des Akkumulators durchgeführt werden, sodass die Differenzierung des Zustands des Akkumulators noch feiner erfolgen kann. Beispielsweise kann die auftretende Phasenverschiebung zwischen einer oder mehreren Oberwellen des Antwortsignals relativ zum aufgeprägten Wechselstromsignal analysiert werden. Es kann auch die auftretende Phasenverschiebung zwischen der Grundwelle des Antwortsignals relativ zum aufgeprägten Wechselstromsignal analysiert werden.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, mit einer Wechselstrom-Einprägevorrichtung zur Einprägung eines Wechselstromsignals an Anschlusskontakten des Akkumulators, mit einer Messeinrichtung zur Messung des elektrischen Antwortsignals des Akkumulators, und mit einer Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren der zuvor erläuterten Art auszuführen. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Rechner aufweisen, z.B. in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, der ein Computerprogramm ausführt, wodurch ein Verfahren der zuvor genannten Art durchgeführt wird. Die genannte Einrichtung oder zumindest dessen Auswerteeinrichtung kann beispielsweise ein Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs oder ein Teil eines solchen Batteriemanagementsystems sein.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art, wenn das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
    • 1 eine Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators und in
    • 2 Messergebnisse.
  • Die 1 zeigt einen Akkumulator 1 mit zwei Anschlusskontakten 2. An den Anschlusskontakten 2 sind eine Wechselstrom-Einprägevorrichtung 3 sowie eine Messeinrichtung 4 angeschlossen. Mittels der Wechselstrom-Einprägevorrichtung 3 kann ein Wechselstromsignal an den Anschlusskontakten 2 aufgeprägt werden. Mit der Messvorrichtung 4 kann das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entstehende elektrische Antwortsignal des Akkumulators 1 gemessen werden. Das durch die Messvorrichtung 4 gemessene und aufbereitete Signal wird an eine Anzahl von Analyseblöcken, in diesem Fall zwei Analyseblöcke 5, 6, abgegeben.
  • Im Analyseblock 5 wird eine erste Analysemethode und im Analyseblock 6 eine zweite Analysemethode durchgeführt, mit der jeweils das von der Messvorrichtung 4 abgegebene Signal analysiert wird. Beispielsweise kann die erste Analysemethode die nichtlineare Frequenzganganalyse sein, die zweite Analysemethode die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Von den Analyseblöcken 5, 6 werden jeweilige Analyseergebnisse an eine Auswerteeinrichtung 7 abgegeben. In der Auswerteeinrichtung 7 werden die Analyseergebnisse derart ausgewertet, dass der Zustand des Akkumulators bestimmt wird, wobei zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten differenziert wird. Es kann dabei einer dieser Zustandseffekte oder mehrere oder alle Zustandseffekte jeweils quantifiziert werden, d.h. in Form einer zahlenmäßigen Größe charakterisiert werden. Beispielsweise wird anhand der Erkennung einer bestimmten Charakteristik nichtlinearer Antwortsignale im gesamten Frequenzbereich eine Angabe über den Zustandseffekt Solid Electrolyte Interface quantifiziert. Durch charakteristische Daten nichtlinearer Antwortsignale in einem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich wird eine Angabe über den Zustandseffekt Lithium Plating quantifiziert.
  • Die Ergebnisse der Bestimmung des Zustands, z.B. die quantifizierten Angaben, können beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung 9 visuell dargestellt werden. Bei Erreichen bestimmter Grenzwerte der Zustandseffekte kann ein Warnsignal in einem Fahrzeug erzeugt werden, z.B. ein Lichtsignal oder ein akustisches Signal. Es kann zudem eine direkte zahlenmäßige Anzeige der Zustandseffekte erfolgen. Zudem kann eine Anzeige der Zustandseffekte auf einem Diagnosegerät durchgeführt werden, beispielsweise bei einer Prüfung in einer Werkstatt durch Aufnahme der Zahlenangaben in ein Werkstattprotokoll.
  • Die Auswerteeinrichtung 7 steuert zudem die Wechselstrom-Einprägevorrichtung 3 derart, dass zu gewünschten Zeitpunkten, beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen, das Wechselstromsignal an den Anschlusskontakten 2 eingeprägt wird und der erläuterte Messvorgang gestartet wird. Der gesamte Ablauf kann beispielsweise durch einen Rechner 8, der Teil der Auswerteeinrichtung 7 ist, gesteuert werden.
  • Die 2 zeigt Messergebnisse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem Akkumulator der Lithium Ionen Technologie bestimmt wurden. An der Abszissenachse ist in jedem Diagramm die Anzahl der Lade- und/oder Entladezyklen des Akkumulators aufgetragen, an der Ordinatenachse die Amplitude der jeweiligen i-ten Harmonischen Yi . Hierbei wurden beispielhaft die Amplituden der ersten, zweiten und dritten Harmonischen Y1 , Y2 und Y3 ausgewertet. Die Diagramme A und B zeigen Ergebnisse eines Akkumulators, bei dem als Zustandseffekt überwiegend ein SEI Wachstum auftritt. Im Diagramm A sind die Messergebnisse für die Analysemethode EIS dargestellt, im Diagramm B für die Analysemethode NFRA. Die Diagramme C und D zeigen Ergebnisse eines Akkumulators, bei dem überwiegend das Lithium Plating als Zustandseffekt auftritt. Im Diagramm C sind die Ergebnisse der Analysemethode EIS dargestellt, im Diagramm D die Ergebnisse der Analysemethode NFRA.
  • Die Frequenz des aufgeprägten Wechselstromsignals wurde mit 50 Hz festgelegt, was eine charakteristische Frequenz für elektrochemische Reaktionen in derartigen Akkumulatoren ist.
  • Es zeigt sich, dass sich Y1 bei 50 Hz für die Zustandseffekte SEI Wachstum und Lithium Plating im gleichen Maße verändert und keine Unterscheidung der Zustandseffekte anhand der Messergebnisse ermöglicht. Es kann anhand eines Vergleichs der Messergebnisse in den Diagrammen A und B erkannt werden, dass in diesem Fall das SEI Wachstum der überwiegende Zustandseffekt ist, weil bei der NFRA-Analyse Y3 in allen Fällen kleiner ist als Y2 . Bei den Diagrammen C und D kann durch einen Vergleich festgestellt werden, dass der überwiegende Zustandseffekt das Lithium Plating ist, weil im Diagramm D nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen Y3 größer als Y2 ist.
  • Es ist zu beachten, dass die Analysemethoden EIS und NFRA Zelltyp-spezifisch angewendet werden müssen. Es sind daher beispielsweise vom Hersteller der Akkumulator-Zellen entsprechende Angaben zu machen, wie sich Zustandseffekte bei dem jeweiligen Zellentyp auf die Analysemethode der EIS und der NFRA auswirken.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators (1), indem an Anschlusskontakten (2) des Akkumulators (1) ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators (1), das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators (1), die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Differenzierung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten und/oder die Quantifizierung zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten das Antwortsignal durch eine Analysemethode oder mehrere Analysemethoden analysiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analysemethode die nichtlineare Frequenzganganalyse ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analysemethode die elektrochemische Impedanzspektroskopie oder eine damit verwandte Analysemethode ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeprägte Wechselstromsignal im Laufe des Verfahrens nacheinander mehrfach aufgeprägt wird, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Aufprägevorgängen die Frequenz des Wechselstromsignals verändert wird, und nach jedem Aufprägevorgang das elektrische Antwortsignal des Akkumulators (1), das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (1) ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist und bezüglich des Zustands wenigstens zwischen den zwei Zustandseffekten Solid Electrolyte Interface (SEI) und Lithium Plating differenziert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zustandseffekt, insbesondere das Solid Electrolyte Interface, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und die im gesamten Frequenzbereich liegen können, detektiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zustandseffekt, insbesondere das Lithium Plating, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale in einem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich detektiert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung des Antwortsignals Hotspots bestimmt und/oder identifiziert werden, insbesondere durch Erkennung, dass nichtlineare Antwortsignale in einem vorbestimmten Frequenzbereich verringert sind.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von zumindest einer Quantifizierung eines Zustandseffekts wenigstens ein Betriebsparameter beim Laden und/oder Entladen des Akkumulators (1) beeinflusst wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Zustands des Akkumulators (1) wenigstens eine Phasenverschiebung zwischen zumindest einem Teil des Antwortsignals des Akkumulators (1) und dem aufgeprägten Wechselstromsignal ausgewertet wird.
  12. Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators (1), mit einer Wechselstrom-Einprägevorrichtung (3) zur Einprägung eines Wechselstromsignals an Anschlusskontakten (2) des Akkumulators (1), mit einer Messeinrichtung (4) zur Messung des elektrischen Antwortsignals des Akkumulators (1), und mit einer Auswerteeinrichtung (5, 6, 7), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  13. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wenn das Verfahren auf einem Rechner (8) ausgeführt wird.
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