DE102018132083B3

DE102018132083B3 - Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018132083B3
Application number: DE102018132083.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Schwichtenhövel; Dominik Schäfer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2038-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei die Zelle eine erste Halbzelle und eine zweite Halbzelle aufweist. Das Verfahren umfasst unter anderem folgende Verfahrensschritte:Bestimmen eines ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1) der ersten Halbzelle durch Erfassen einer ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die Dauer mehrerer initialer Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn einer Lebensdauer der Batterie, wobei der erste initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf (U1) den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterien sind während des Betriebs die Eigenschaften von Zellen, die die Lithium-Ionen-Batterie bilden, schwierig zu bestimmen. Solche Eigenschaften können beispielsweise die Zelltemperatur, der Zellalterungszustand oder der Kompensationsstand (Balancing Zustand der Batterie) sein.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 016 987 A1 ist ein Verfahren zum Feststellen einer Degradation einer wiederaufladbaren Batteriezelle bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird die Spannung einer Vollzelle während wenigstens eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie erfasst. Zwar kann bei dem bekannten Verfahren durch eine Wiederholung der Messung und durch eine Mittelung der Messwiederholungen ein Messrauschanteil der Messung reduziert werden. Eine Wiederholung der Messung ist jedoch im Fahrzeug, insbesondere im Betrieb des Kraftfahrzeugs häufig nicht möglich. Ferner kann ein häufiges Wiederholen der Messung zu einer zusätzlichen Alterung der Batteriezellen führen. Ferner wird auf die DE 11 2016 003 166 T5 verwiesen, die vom Schätzen eines Ladezustandes einer Batterie handelt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Bestimmung von Eigenschaften von Zellen, die die Lithium-Ionen-Batterie bilden, über den gesamten Lebenszyklus der Lithium-Ionen-Batterie in präziser Weise ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei die Zelle eine erste Halbzelle und eine zweite Halbzelle aufweist, umfasst folgende Verfahrensschritte:
Bestimmen eines ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs der ersten Halbzelle durch Erfassen einer ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die Dauer mehrerer initialer Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn einer Lebensdauer der Batterie, wobei der erste initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet;
Bestimmen eines zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs der zweiten Halbzelle durch Erfassen einer zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die Dauer der mehreren initialen Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie, wobei der zweite initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet;
Erfassen einer Betriebsvollzellenspannung und Aufzeichnen eines Betriebsvollzellenspannungsverlaufs der Zelle während wenigstens eines teilweisen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie;
wobei entweder
eine Inkrementelle Kapazitätsanalyse (ICA: dQ/dU) auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf, auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs und eine Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der Inkrementelle Kapazitätsanalyse zu erhalten; oder
eine differentielle Spannungsanalyse auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf, auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs und eine Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der differentiellen Spannungsanalyse zu erhalten; und
Bestimmen eines ersten Faktors, einer ersten Konstante, eines zweiten Faktors und einer zweiten Konstante, derart, dass eine aus der Summe der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, gebildete Kurve annähernd der Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs entspricht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Eigenschaften der Zellen, die die Lithium-Ionen-Batterie bilden, über den gesamten Lebenszyklus der Lithium-Ionen-Batterie in präziser Weise bestimmt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ferner mittels einer Überlagerung der zuvor beschriebenen Summen der Ableitungen mit der Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs Messrauschanteile im Betriebsvollzellenspannungsverlauf identifiziert werden und somit von tatsächlichen Minima oder Maxima des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs unterschieden werden.
Vorzugsweise erfolgen beim Bestimmen des ersten Faktors, der ersten Konstante und des zweiten Faktors folgende Verfahrensschritte:

a) Verwenden initialer Werte für den ersten Faktor, für die erste Konstante, für den zweiten Faktor und für die zweite Konstante,
b) Bilden eines Integrals der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, eines Integrals der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, und eines Integrals der Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs, und
c) Bilden einer Differenz zwischen dem Integral der Ableitung des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs und der Summe der Integrale der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs,

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden im Verfahrensschritt a), die in einem vorherigen Durchgang bestimmten Werte des ersten Faktors, der ersten Konstante, des zweiten Faktors und der zweiten Konstante als initiale Werte eingesetzt.
Vorzugsweise erfolgt während des Erfassens der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle ein Erfassen der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur, wobei ein erster Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird,
wobei während des Erfassens der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle ein Erfassen der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur erfolgt und wobei ein zweiter Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird.
Vorzugsweise wird ein abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf durch eine Addition des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welchem dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, multipliziert mit dem ersten Faktor und des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, bei welchem dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, multipliziert mit dem zweiten Faktor, wobei von dem Ergebnis der Addition die erste Konstante abgezogen wird, bestimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird nach jedem Bestimmen des ersten Faktors, des zweiten Faktors, der ersten Konstante und der zweiten Konstante ein entsprechender abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird nach jedem Bestimmen des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs der abgeschätzte Betriebsspannungsverlauf gespeichert.
Vorzugsweise wird zur Reduktion des Datenvolumens vor dem Speichern des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs eine Regression auf den abgeschätzten Betriebsspannungsverlauf angewendet, wobei vorzugsweise die Regression auf Bereiche außerhalb der Minima und/oder Maxima beschränkt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle jeweils gegen Lithium.
Vorzugsweise erfolgt das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle mittels einer Dreielektrodenmessung in der Zelle.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren folgenden weiteren Verfahrensschritt:
Bestimmen eines Alterungszustands und/oder einer Zellentemperatur und/oder eines Ausgleichsbedarfs der Batterie anhand des ersten Faktors und/oder des zweiten Faktors und/oder der ersten Konstante und/oder der zweiten Konstante.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird während des wenigstens einen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie der Verlauf der Temperatur in der ersten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Zelle aufgezeichnet.
Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei veranschaulicht:

1: zeigt den Verlauf eines ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, eines zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs und eines initialen durchschnittlichen Vollzellenspannungsverlaufs nach dem Ausführungsbeispiel;
2: zeigt den Verlauf einer Ableitung über den Ladezustand der Batterie des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs, des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs und des initialen durchschnittlichen Vollzellenspannungsverlaufs nach dem Ausführungsbeispiel; und
3: zeigt den Verlauf einer ersten numerischen Ableitung einer Kapazität der ersten Halbzelle über die Spannung nach dem Ausführungsbeispiel.

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Zelle weist eine erste Halbzelle und eine zweite Halbzelle auf. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
Bestimmen eines ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1 der ersten Halbzelle durch Erfassen einer ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die Dauer mehrerer initialer Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn einer Lebensdauer der Batterie, wobei der erste initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf U1 den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet;
Bestimmen eines zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2 der zweiten Halbzelle durch Erfassen einer zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die Dauer der mehreren initialen Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie, wobei der zweite initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf U1 den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet;
Erfassen einer Betriebsvollzellenspannung und Aufzeichnen eines Betriebsvollzellenspannungsverlaufs der Zelle während wenigstens eines teilweisen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie;
wobei entweder
eine Inkrementelle Kapazitätsanalyse auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf U1, auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf U2 und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2 und eine Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der Inkrementelle Kapazitätsanalyse zu erhalten; oder
eine differentielle Spannungsanalyse auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf U1, auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf U2 und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2 und eine Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der differentiellen Spannungsanalyse zu erhalten; und
Bestimmen eines ersten Faktors, einer ersten Konstante, eines zweiten Faktors und einer zweiten Konstante, derart, dass eine aus der Summe der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2, bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, gebildete Kurve annähernd der Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs entspricht.
Um zu gewährleisten, dass die aus der Summe der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2, bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, gebildete Kurve annähernd der Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs entspricht, können bekannte Verfahren des maschinellen Lernens angewendet werden, die den aktuellen Zustand der Zelle besser schätzen können, dass sie neben der aktuellen Vollzellenmessung aus dem Fahrzeug auch Informationen aus den Prüfstandsmessungen und/oder der Historie bis zum aktuellen Zustand der Messung berücksichtigen können. Dabei können auch Temperatur, Stromhöhe und Ah-Durchsatz der Zelle bis zum Auswertungszeitpunkt berücksichtigt werden.
Vorzugsweise wird der Betriebsvollzellenspannungsverlauf erhalten, indem die erfassten Betriebsvollzellenspannungen sequenziell aufgezeichnet werden. Weiterhin vorzugsweise wird der Betriebsvollzellenspannungsverlauf erhalten, indem die erfassten Betriebsvollzellenspannungen unmittelbar sequenziell aufgezeichnet werden, d.h. ohne zwischenzeitlich eine Glättung oder Regression auf den einzelnen erfassten Betriebsvollzellenspannungen durchzuführen.
Der erste initiale Leerlaufspannungsverlauf U1 und/oder der zweite initiale Leerlaufspannungsverlauf U2 wird vorzugsweise auf einem Prüfstand vor dem Verbauen der Lithium-Ionen-Batterie des Kraftfahrzeugs erfasst.
Die Betriebsvollzellenspannung wird in der Regel während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfasst. Dabei ist die Lithium-Ionen-Batterie in dem Kraftfahrzeug verbaut. Das Aufzeichnen des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs der Zelle erfolgt während wenigstens eines späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie. Der Ladung- oder Entladungsvorgang der Batterie kann entweder vollständig oder teilweise erfolgen. Zur Bestimmung des ersten Faktors und/oder des zweiten Faktors und/oder der ersten Konstante und/oder der zweiten Konstante kann das Aufzeichnen des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs über einen teilweisen Ladungs- oder Entladungsvorgang ausreichen.
Vorzugsweise werden beim Bestimmen des ersten Faktors, der ersten Konstante und des zweiten Faktors folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

a) Verwenden initialer Werte für den ersten Faktor, für die erste Konstante, für den zweiten Faktor und für die zweite Konstante,
b) Bilden eines Integrals der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, eines Integrals der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2, bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, und eines Integrals der Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs, und
c) Bilden einer Differenz zwischen dem Integral der Ableitung A1 des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs und der Summe der Integrale der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1 und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2,

Dabei gilt, dass je genauer die Alterungsberechnung sein soll, umso näher sollte die Differenz 0 entsprechen.
Vorzugsweise können bei der Optimierung bestimmte Bereiche höher gewichtet werden als andere, d.h. die Optimierung gegen 0 an den vorherrschenden Minima und/oder Maxima kann als wichtiger als an anderen Stellen berücksichtigt werden.
Vorzugsweise wird der Betriebsvollzellenspannungsverlauf und/oder der erste initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf und/oder der zweite initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf bei einer konstanten Temperatur der Batterie bestimmt.
Ein tatsächlicher Betriebshalbzellenleerlaufspannungsverlauf der ersten Halbzelle und/oder ein tatsächlicher Betriebshalbzellenleerlaufspannungsverlauf der zweiten Halbzelle kann in seiner prinzipiellen Form über die Alterung und/oder die Temperatur und/oder die Stromhöhe über die Lebensdauer der Batterie erhalten bleiben. Die einzigen Änderungen, die regelmäßig auftreten, sind die Stauchung des ersten Halbzellenpotenzials bei aktivem Materialverlust im lithiierten oder delithiierten Zustand der Anode, was dem ersten Faktor entspricht, die Stauchung des zweiten Halbzellenpotenzials bei aktivem Materialverlust im lithiierten oder delithiierten Zustand der Katode, was dem zweiten Faktor entspricht, und eine Verschiebung des Anodenpotenzials gegenüber dem Katodenpotenzial durch Verlust interkalierbaren Lithiums, was der ersten Konstante entspricht.
Vorzugsweise werden im Verfahrensschritt a), die in einem vorherigen Durchgang bestimmten Werte des ersten Faktors, der ersten Konstante, des zweiten Faktors und der zweiten Konstante als initiale Werte eingesetzt.
Während des Erfassens der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle kann ein Erfassen der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur erfolgen, wobei ein erster Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird.
Während des Erfassens der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle kann ein Erfassen der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur erfolgen, wobei ein zweiter Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird.
Vorzugsweise wird ein abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf UV durch eine Addition des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U1, bei welchem dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, multipliziert mit dem ersten Faktor und des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs U2, bei welchem dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, multipliziert mit dem zweiten Faktor, wobei von dem Ergebnis der Addition die erste Konstante abgezogen wird, bestimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird nach jedem Bestimmen des ersten Faktors, des zweiten Faktors, der ersten Konstante und der zweiten Konstante ein entsprechender abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf UV bestimmt.
Vorzugsweise wird nach jedem Bestimmen des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs UV der abgeschätzte Betriebsspannungsverlauf UV gespeichert.
Vorzugsweise wird zur Reduktion des Datenvolumens vor dem Speichern des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs UV eine Regression auf den abgeschätzten Betriebsspannungsverlauf UV angewendet, wobei weiterhin vorzugsweise die Regression auf Bereiche außerhalb der Minima und/oder Maxima beschränkt wird. Dies kann in Form einer Polynomregression oder Splines erfolgen.
Das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle kann jeweils gegen Lithium erfolgen. Durch die Halbzellenmessung gegen eine Lithiumelektrode kann die Anode bzw. die Katode vollständig geladen oder entladen werden. Damit wird der gesamte Anoden- und Katoden-Spannungsverlauf erfasst.
Das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle kann mittels einer Dreielektrodenmessung in der Zelle erfolgen. Damit kann gleichzeitig das Halbzellen und das Vollzellenpotenzial erfasst werden, um die Lage von Anode zu Katode zueinander eindeutig zu bestimmen.
Das Verfahren kann folgenden weiteren Verfahrensschritt umfassen:
Bestimmen eines Alterungszustands und/oder einer Zellentemperatur und/oder eines Ausgleichsbedarfs der Batterie anhand des ersten Faktors und/oder des zweiten Faktors und/oder der ersten Konstante und/oder der zweiten Konstante.
Während des wenigstens einen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie kann der Verlauf der Temperatur in der ersten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Zelle aufgezeichnet werden.
Ferner gilt: $\begin{array}{l} O C V_{z e l l e} = U_{P E} - U_{N E} \\ ↕_{(f + g)' (x) = f' (x) + g' (x)}^{L i n e a r i t ä t d e r A b l e i t u n g :} \\ {(\frac{d O C V}{d Q})}_{z e l l e} = {(\frac{d U}{d Q})}_{P E} + A B S ({(\frac{d U}{d Q})}_{N E}) \end{array}$

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei die Zelle eine erste Halbzelle und eine zweite Halbzelle aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bestimmen eines ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1) der ersten Halbzelle durch Erfassen einer ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die Dauer mehrerer initialer Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn einer Lebensdauer der Batterie, wobei der erste initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf (U1) den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der ersten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet; Bestimmen eines zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2) der zweiten Halbzelle durch Erfassen einer zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die Dauer der mehreren initialen Ladungs- und/oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie, wobei der zweite initiale durchschnittliche Leerlaufspannungsverlauf (U1) den durchschnittlichen Verlauf der Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle über die mehreren initialen Ladungs- oder Entladungsvorgänge der Batterie zu Beginn der Lebensdauer der Batterie abbildet; Erfassen einer Betriebsvollzellenspannung und Aufzeichnen eines Betriebsvollzellenspannungsverlaufs der Zelle während wenigstens eines teilweisen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie; wobei entweder eine Inkrementelle Kapazitätsanalyse auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf (U1), auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf (U2) und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1), eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2) und eine Ableitung (A1) des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der Inkrementelle Kapazitätsanalyse zu erhalten; oder eine differentielle Spannungsanalyse auf den ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf (U1), auf den zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlauf (U2) und auf den Betriebsvollzellenspannungsverlauf angewendet wird, um eine Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1), eine Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2) und eine Ableitung (A1) des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs nach der Anwendung der differentiellen Spannungsanalyse zu erhalten; und Bestimmen eines ersten Faktors, einer ersten Konstante, eines zweiten Faktors und einer zweiten Konstante, derart, dass eine aus der Summe der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1), bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2), bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, gebildete Kurve annähernd der Ableitung (A1) des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen des ersten Faktors, der ersten Konstante und des zweiten Faktors folgende Verfahrensschritte erfolgen: a) Verwenden initialer Werte für den ersten Faktor, für die erste Konstante, für den zweiten Faktor und die zweite Konstante, b) Bilden eines Integrals der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1), bei welcher dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, eines Integrals der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2), bei welcher dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, und eines Integrals der Ableitung (A1) des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs, und c) Bilden einer Differenz zwischen dem Integral der Ableitung (A1) des Betriebsvollzellenspannungsverlaufs und der Summe der Integrale der Ableitung des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1) und der Ableitung des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2), wobei die Schritte b) und c) so lange mit unterschiedlichen Werten für den ersten Faktor, für die erste Konstante, für den zweiten Faktor und für die zweite Konstante wiederholt werden, bis die Differenz annähernd 0 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, im Verfahrensschritt a), die in einem vorherigen Durchgang bestimmten Werte des ersten Faktors, der ersten Konstante, des zweiten Faktors und der zweiten Konstante als initiale Werte eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erfassens der ersten initialen Leerlaufspannung der ersten Halbzelle ein Erfassen der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur erfolgt, wobei ein erster Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der ersten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird, und dass während des Erfassens der zweiten initialen Leerlaufspannung der zweiten Halbzelle ein Erfassen der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur erfolgt, wobei ein zweiter Temperaturverlauf, der den Verlauf der in der zweiten Halbzelle vorherrschenden Temperatur abbildet, während des wenigstens einen initialen Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf (UV) durch eine Addition des ersten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U1), bei welchem dessen Argument mit dem ersten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die erste Konstante abgezogen wird, und des zweiten initialen durchschnittlichen Leerlaufspannungsverlaufs (U2), bei welchem dessen Argument mit dem zweiten Faktor multipliziert wird, wobei von dessen Argument ferner die zweite Konstante abgezogen wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Bestimmen des ersten Faktors, des zweiten Faktors, der ersten Konstante und der zweiten Konstante ein entsprechender abgeschätzter Betriebsspannungsverlauf (UV) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Bestimmen des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs (UV) der abgeschätzte Betriebsspannungsverlauf (UV) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des Datenvolumens vor dem Speichern des abgeschätzten Betriebsspannungsverlaufs (UV) eine Regression auf den abgeschätzten Betriebsspannungsverlauf (UV) angewendet wird, wobei vorzugsweise die Regression auf Bereiche außerhalb der Minima und/oder Maxima beschränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung (U1) der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung (U2) der zweiten Halbzelle jeweils gegen Lithium erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der ersten initialen Leerlaufspannung (U1) der ersten Halbzelle und/oder das Erfassen der zweiten initialen Leerlaufspannung (U2) der zweiten Halbzelle mittels einer Dreielektrodenmessung in der Zelle erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Verfahrensschritt: Bestimmen eines Alterungszustands und/oder einer Zellentemperatur und/oder eines Ausgleichsbedarfs der Batterie anhand des ersten Faktors und/oder des zweiten Faktors und/oder der ersten Konstante und/oder der zweiten Konstante.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des wenigstens einen späteren Ladungs- oder Entladungsvorgangs der Batterie der Verlauf der Temperatur in der ersten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Halbzelle und/oder der Verlauf der Temperatur in der zweiten Zelle aufgezeichnet wird.