DE102019111956A1

DE102019111956A1 - Precision measurements and aging model for rechargeable batteries

Info

Publication number: DE102019111956A1
Application number: DE102019111956.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Baumann
Original assignee: Twaice Technologies GmbH
Current assignee: Twaice Technologies GmbH
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Es werden Alterungswerten (509) für eine Laboreinheit einer wiederaufladbaren Batterie bei einer Vielzahl von Betriebspunkten (501, 502) mittels einer High Precision Coulomb-, HPC-, Labormessung eines Zellstromflusses der Laboreinheit der Batterie bestimmt. Außerdem werden Parameterwerten eines Alterungsmodells (180) basierend auf den Alterungswerten für die Vielzahl von Betriebspunkten bestimmt und die Alterung von Feldeinheiten der Batterie basierend auf dem Alterungsmodell überwacht.Aging values (509) for a laboratory unit of a rechargeable battery are determined at a large number of operating points (501, 502) by means of a high-precision Coulomb, HPC, laboratory measurement of a cell current flow in the laboratory unit of the battery. In addition, parameter values of an aging model (180) are determined based on the aging values for the plurality of operating points, and the aging of field units of the battery is monitored based on the aging model.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im Allgemeinen das Überwachen der Alterung von Batterien basierend auf einem Alterungsmodell. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere das Bestimmen von Parameterwerten des Alterungsmodells basierend auf einer High Precision Coulomb-Labormessung.Various examples of the invention relate generally to monitoring the aging of batteries based on an aging model. Various examples of the invention relate in particular to the determination of parameter values of the aging model based on a high precision Coulomb laboratory measurement.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Wiederaufladbare Batterien, beispielsweise Traktions-Batterien von Elektrofahrzeugen, weisen eine begrenzte Lebensdauer auf. Zum Beispiel kann der sogenannte Gesundheitszustand (engl. state of health, SOH) von Batterien über der Zeit abnehmen, beispielsweise als Funktion von Ladezyklen (zyklisierter Alterungswert) oder auch als Funktion der Zeit, d.h. ohne Belastung (kalendarischer Alterungswert). Der SOH ist typischerweise im Zusammenhang mit Kapazität und Impedanz einer Batterie bestimmt.Rechargeable batteries, for example traction batteries in electric vehicles, have a limited life. For example, the so-called state of health (SOH) of batteries can decrease over time, for example as a function of charging cycles (cyclized aging value) or as a function of time, i.e. without load (calendar aging value). The SOH is typically determined in connection with the capacity and impedance of a battery.

Es ist bekannt, ein Alterungsmodell zu verwenden, welches während des Betriebs einer Feldeinheit der Batterie dazu eingesetzt werden kann, um den zugehörigen SOH zu bestimmen, insbesondere zu prognostizieren. Das Alterungsmodell kann ein oder mehrere Parameter aufweisen. Die Parameterwerte für Parameter werden herkömmlicherweise auf Grundlage von Labormessungen für Laboreinheiten der Batterie bestimmt.It is known to use an aging model which can be used during operation of a field unit of the battery in order to determine, in particular to forecast, the associated SOH. The aging model can have one or more parameters. The parameter values for parameters are conventionally determined based on laboratory measurements for laboratory units of the battery.

In Referenztechniken kann das Durchführen der Labormessungen lange dauern und besonders aufwendig sein.Carrying out laboratory measurements using reference techniques can take a long time and be particularly complex.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um ein oder mehrere Parameterwerte eines Alterungsmodells einer Batterie zu bestimmen. Insbesondere besteht ein Bedarf für Techniken, welche schnell und zuverlässig funktionieren. Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.There is therefore a need for improved techniques for determining one or more parameter values of an aging model of a battery. In particular, there is a need for techniques that work quickly and reliably. This object is achieved by the features of the independent patent claims. The features of the dependent claims define embodiments.

Es werden gemäß verschiedener Beispiele Techniken beschrieben, die eine HPC-Labormessung dazu verwenden, um ein Alterungsmodell zu konfigurieren. Das Alterungsmodell kann dann im Realbetrieb eingesetzt werden, um den SOH zu überwachen und z.B. zu progonostizieren.According to various examples, techniques are described that use an HPC laboratory measurement to configure an aging model. The aging model can then be used in real operation to monitor the SOH and e.g. to forecast.

Ein Verfahren umfasst das Bestimmen von Alterungswerten für eine Laboreinheit einer wiederaufladbaren Batterie bei einer Vielzahl von Betriebspunkten. Dies geschieht mittels einer High Precision Coulomb (HPC)-Labormessung eines Zellstromflusses der Laboreinheit der Batterie. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen von Parameterwerten eines Alterungsmodells, basierend auf den Alterungswerten für die Vielzahl von Betriebspunkten. Ferner umfasst das Verfahren auch das Überwachen der Alterung von Feldeinheiten der Batterie basierend auf dem Alterungsmodell.One method comprises determining aging values for a laboratory unit of a rechargeable battery at a plurality of operating points. This is done by means of a High Precision Coulomb (HPC) laboratory measurement of a cell current flow in the laboratory unit of the battery. The method also includes determining parameter values of an aging model based on the aging values for the plurality of operating points. In addition, the method also includes monitoring the aging of field units of the battery based on the aging model.

Ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt oder ein Computerlesbares Speichermedium umfasst Programmcode, der von einem Prozessor ausgeführt werden kann. Wenn der Prozessor den Programmcode ausführt, bewirkt dies, dass der Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Bestimmen von Alterungswerten für eine Laboreinheit einer wiederaufladbaren Batterie bei einer Vielzahl von Betriebspunkten. Dies geschieht mittels einer High Precision Coulomb (HPC)-Labormessung eines Zellstromflusses der Laboreinheit der Batterie. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen von Parameterwerten eines Alterungsmodells, basierend auf den Alterungswerten für die Vielzahl von Betriebspunkten. Ferner umfasst das Verfahren auch das Überwachen der Alterung von Feldeinheiten der Batterie basierend auf dem Alterungsmodell.A computer program or a computer program product or a computer-readable storage medium comprises program code that can be executed by a processor. When the processor executes the program code, it causes the processor to execute a method. The method comprises determining aging values for a laboratory unit of a rechargeable battery at a plurality of operating points. This is done by means of a High Precision Coulomb (HPC) laboratory measurement of a cell current flow in the laboratory unit of the battery. The method also includes determining parameter values of an aging model based on the aging values for the plurality of operating points. In addition, the method also includes monitoring the aging of field units of the battery based on the aging model.

Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The features set out above and features which are described below can be used not only in the corresponding explicitly set out combinations, but also in further combinations or in isolation without departing from the scope of protection of the present invention.

FigurenlisteFigure list

1 Figure 3 is a schematic view of a system having a server in communication with multiple batteries, according to various examples.
2 Figure 3 is a flow diagram of an exemplary method.
3 Figure 3 is a flow diagram of an exemplary method.
4th schematically illustrates aging values at several operating points of a battery according to various examples.
5 schematically illustrates the determination of the SOH based on an aging model according to various examples.
6th illustrates schematically the determination of a cyclized aging value based on an HPC laboratory measurement according to various examples.
7th schematically illustrates the determination of a calendar aging value based on an HPC laboratory measurement according to various examples.
8th Figure 3 is a flow diagram of an exemplary method.
9 schematically illustrates a density of operating points for a long-term laboratory measurement according to various examples.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The properties, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will become clearer and more clearly understandable in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawings.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.The present invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the drawings. In the figures, the same reference symbols denote the same or similar elements. The figures are schematic representations of various embodiments of the invention. Elements shown in the figures are not necessarily shown to scale. Rather, the various elements shown in the figures are shown in such a way that their function and general purpose can be understood by a person skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements shown in the figures can also be implemented as indirect connections or couplings. A connection or coupling can be implemented in a wired or wireless manner. Functional units can be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.

Nachfolgend werden Techniken im Zusammenhang mit der Charakterisierung von wiederaufladbaren Batterien beschrieben. Die hierin beschriebenen Techniken können im Zusammenhang mit unterschiedlichsten Typen von Batterien eingesetzt werden, beispielsweise im Zusammenhang mit Batterien auf Lithium-Ionen-Basis, wie z.B. Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Batterien oder Lithium-Manganoxid-Batterien oder Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid-Batterien.Techniques related to characterizing rechargeable batteries are described below. The techniques described herein can be used in connection with a wide variety of types of batteries, for example in connection with lithium-ion-based batteries, e.g. Lithium-nickel-manganese-cobalt oxide batteries or lithium-manganese oxide batteries or lithium-nickel-cobalt-alumina batteries.

Die hierin beschriebenen Batterien können in unterschiedlichen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, beispielsweise für Batterien die in Geräten wie Kraftfahrzeugen oder Drohnen oder tragbaren elektronischen Geräten wie etwa Mobilfunkgeräte eingesetzt werden. Es wäre auch denkbar, die hierin beschriebenen Batterien in Form von stationären Energiespeichern einzusetzen.The batteries described herein can be used in different areas of application, for example for batteries that are used in devices such as motor vehicles or drones or portable electronic devices such as mobile radio devices. It would also be conceivable to use the batteries described here in the form of stationary energy stores.

Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, die Alterung von Einheiten einer Batterie auf Grundlage eines Alterungsmodells zu überwachen. Das Alterungsmodell kann ein oder mehrere Parameter aufweisen, die mit in Abhängigkeit vom konkreten Typ der Batterie angepassten Werten verwendet werden. Dadurch kann ein Batterieindividuelles Alterungsmodell erhalten werden. Als allgemeine Regel können unterschiedliche Typen von Alterungsmodellen verwendet werden. Verschiedene beispielhafte empirische Alterungsmodelle sind beschrieben in: J. Schmalstieg, S. Käbitz, M. Ecker, und D. U. Sauer, „A holistic aging model for Li(NiMnCo)O2 based 18650 lithium-ion batteries,“ Journal of Power Sources, Bd. 257, S. 325-334, 2014 ; oder Ecker, Madeleine, et al. „Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data.“ Journal of Power Sources 215 (2012): 248-257 ; oder Ploehn, Harry J., Premanand Ramadass, and Ralph E. White. „Solvent diffusion model for aging of lithium-ion battery cells.“ Journal of The Electrochemical Society 151.3 (2004): A456-A462 .The techniques described herein make it possible to monitor the aging of units of a battery based on an aging model. The aging model can have one or more parameters that are used with values adapted as a function of the specific type of battery. A battery-specific aging model can thereby be obtained. As a general rule, different types of aging models can be used. Various exemplary empirical aging models are described in: J. Schmalstieg, S. Käbitz, M. Ecker, and DU Sauer, "A holistic aging model for Li (NiMnCo) O2 based 18650 lithium-ion batteries," Journal of Power Sources, Vol. 257, pp. 325-334, 2014 ; or Ecker, Madeleine, et al. "Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data." Journal of Power Sources 215 (2012): 248-257 ; or Ploehn, Harry J., Premanand Ramadass, and Ralph E. White. "Solvent diffusion model for aging of lithium-ion battery cells." Journal of The Electrochemical Society 151.3 (2004): A456-A462 .

Das Alterungsmodell könnte beispielsweise eine Abnahme des SOH als Funktion von Lastkollektiven beschreiben. Lastkollektive können die Häufigkeit des Betriebs der Batterie bei einem bestimmten Betriebspunkt beschreiben. Dabei können pro Lastkollektive ein, zwei oder mehr unterschiedliche Dimensionen für den Betriebspunkt berücksichtigt werden, zum Beispiel DOD und SOC und Temperatur. Wenn zum Beispiel die Batterie besonders häufig bei einem bestimmten Betriebspunkt betrieben wird, so kann die Alterung der Batterie stärker voranschreiten. Diese Abhängigkeiten werden durch die Parameter des Alterungsmodell beschrieben. Das Lastkollektiv kann also einer statistischen Aussage über das Betriebsprofil entsprechen, also einem Histogramm. Das Lastkollektiv könnte z.B. kalendarisch oder in Bezug auf Ladungs-Entladungszyklen konfiguriert sein.The aging model could, for example, describe a decrease in the SOH as a function of load collectives. Load spectra can describe the frequency with which the battery is operated at a specific operating point. One, two or more different dimensions for the operating point can be taken into account for each load spectrum, for example DOD and SOC and temperature. If, for example, the battery is operated particularly frequently at a certain operating point, the aging of the battery can progress more rapidly. These dependencies are described by the parameters of the aging model. The load spectrum can therefore correspond to a statistical statement about the operating profile, i.e. a histogram. The load spectrum could e.g. be configured in a calendar or with respect to charge-discharge cycles.

Das Alterungsmodell könnte alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Histogrammbasierten Implementierung des Alterungsmodell auch ein Ereignis-basiertes Alterungsmodell berücksichtigen. Dabei können zum Beispiel bestimmte Ereignisse, zum Beispiel das individuelle Auftreten von Spannungs- oder Stromspitzen etc., zum Bestimmen des Alterungswerts der Batterie berücksichtigt werden. Wiederum kann die Stärke der Alterung aufgrund eines erkannten Ereignisses durch einen entsprechenden Parameter beschrieben werden.As an alternative or in addition to such a histogram-based implementation of the aging model, the aging model could also take into account an event-based aging model. For example, certain events, for example the individual occurrence of voltage or current peaks, etc., can be taken into account to determine the aging value of the battery. Again, the strength of the aging based on a recognized event can be described by a corresponding parameter.

In verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen werden Techniken erläutert, um ein oder mehrere Parameterwerte eines Alterungsmodells zu bestimmen. Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, die ein oder mehreren Parameterwerte auf Grundlage von Labormessungen zu bestimmen. Im Allgemeinen kann eine Labormessung unterschieden werden von einer Messung während des Feldbetriebs. Beispielsweise kann im Rahmen einer Labormessung eine größere Anzahl von Sensoren zum überwachen von Betriebscharakteristiken einer entsprechenden Laboreinheit der Batterie zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann im Rahmen einer Labormessung das Lastprofil, dem die Batterie ausgesetzt ist, vorgegeben werden. Beispielsweise kann im Rahmen einer Labormessung eine besonders lange oder umfangreiche Messung durchgeführt werden. Beispielsweise können besonders genaue Sensoren im Rahmen einer Labormessung verwendet werden, das heißt zum Beispiel Temperatur-stabilisierte Sensoren, die zum Beispiel einen Stromfluss mit besonders großer Genauigkeit messen können. Während des Feldbetriebs ist die entsprechende Feldeinheit der Batterie hingegen typischerweise mit einer externen Last verbunden, die nicht oder nur in begrenztem Maß gesteuert werden kann. Damit kann es manchmal nicht oder nur eingeschränkt möglich sein, bestimmte gewünschte Betriebspunkte gezielt einzustellen. Vielmehr kann die Belastung der Feldeinheit der Batterie diktiert sein durch das Lastprofil der Last.In various examples described herein, techniques are explained for assigning one or more parameter values of an aging model determine. The techniques described herein make it possible to determine the one or more parameter values based on laboratory measurements. In general, a laboratory measurement can be distinguished from a measurement during field operation. For example, within the framework of a laboratory measurement, a larger number of sensors can be available for monitoring the operating characteristics of a corresponding laboratory unit of the battery. For example, the load profile to which the battery is exposed can be specified as part of a laboratory measurement. For example, a particularly long or extensive measurement can be carried out as part of a laboratory measurement. For example, particularly precise sensors can be used in the context of a laboratory measurement, that is to say, for example, temperature-stabilized sensors which, for example, can measure a current flow with particularly great accuracy. During field operation, on the other hand, the corresponding field unit of the battery is typically connected to an external load which cannot be controlled or can only be controlled to a limited extent. This means that it is sometimes impossible or only possible to a limited extent to set certain desired operating points in a targeted manner. Rather, the load on the field unit of the battery can be dictated by the load profile of the load.

Verschiedene Beispiele beruhen auf der Erkenntnis, dass es auch im Zusammenhang mit Labormessungen erstrebenswert sein kann, diese möglichst zeitsparend und effizient durchzuführen. Gleichzeitig sollte eine hohe Genauigkeit im Zusammenhang mit dem Durchführen der Labormessung erreicht werden, um derart ein oder mehrere Parameterwerte des Alterungsmodells besonders genau zu bestimmen. Solche und weitere Vorteile können mittels der hierin beschriebenen Techniken erzielt werden.Various examples are based on the knowledge that in connection with laboratory measurements it can be desirable to carry out these as time-saving and efficiently as possible. At the same time, a high level of accuracy should be achieved in connection with the performance of the laboratory measurement in order to determine one or more parameter values of the aging model particularly precisely in this way. These and other advantages can be achieved using the techniques described herein.

Verschiedenen hierin beschriebenen Techniken verwenden eine besonders genaue Messung für den Zellstromfluss einer Batterie, z.B. einer Laboreinheit der Batterie im Rahmen einer Labormessung. Dies bedeutet, dass der Zellstromfluss mit einer besonders hohen absoluten Genauigkeit gemessen werden kann. Dabei kann die Genauigkeit, je nach Implementierung, zum Beispiel nicht schlechter als 3 % sein, optional nicht schlechter als 0,3 Prozent, weiter optional nicht schlechter als 0,01 %. Beispielsweise können geeignete, hochgenaue Strommessgeräte verwendet werden. Typischerweise kann eine solche Genauigkeit für die Messung des Zellstromfluss durch ein oder mehrere Zellen einer Batterie nicht im Feldbetrieb erreicht werden. Deshalb wird in den verschiedenen hierin beschriebenen Techniken eine Labormessung verwendet, um die Parameterwerte des Alterungsmodells zu bestimmen. Nachfolgend werden solche hochgenauen Messungen des Zellstromfluss der Einfachheit wegen als High Precision Coulomb (HPC)-Labormessung bezeichnet. Beispielsweise könnten zur Implementierung der HPC-Labormessungen Techniken eingesetzt werden, wie sie hier beschrieben sind: Smith, A. J., et al. „Precision measurements of the coulombic efficiency of lithium-ion batteries and of electrode materials for lithium-ion batteries.“ Journal of The Electrochemical Society 157.2 (2010): A196-A202. Dort sind z.B. in Tabelle I Messgenauigkeiten für die Zellstrommessung, die Spannungsmessung, die Zeitauflösung und die Temperaturstabilität beschrieben, die erforderlich sind, um den Ladungsfluss in/aus einer Zelle mit einer Genauigkeit von ±0,01 % zu bestimmen. In den verschiedenen hierin beschriebenen Techniken können solche Messgenauigkeiten verwendet werden. Dazu können hochgenaue Multimeter/Voltmeter wie beispielsweise Keithley Corp. 2750 verwendet werden, bzw. hochgenaue Stromquellen wie z.B. Keithley Corp. 6220. Es kann eine Temperaturstabilisierung mit einem Regelkreis verwendet werden.Various techniques described herein use a particularly accurate measurement of the cell current flow of a battery, e.g. a laboratory unit of the battery as part of a laboratory measurement. This means that the cell current flow can be measured with a particularly high level of absolute accuracy. Depending on the implementation, the accuracy can for example be no worse than 3%, optionally no worse than 0.3 percent, further optionally no worse than 0.01%. For example, suitable, high-precision current measuring devices can be used. Typically, such an accuracy for measuring the cell current flow through one or more cells of a battery cannot be achieved in field operation. Therefore, laboratory measurement is used in the various techniques described herein to determine the parameter values of the aging model. In the following, such highly precise measurements of the cell current flow are referred to as High Precision Coulomb (HPC) laboratory measurements for the sake of simplicity. For example, techniques as described herein could be used to implement the HPC laboratory measurements: Smith, A. J., et al. "Precision measurements of the coulombic efficiency of lithium-ion batteries and of electrode materials for lithium-ion batteries." Journal of The Electrochemical Society 157.2 (2010): A196-A202. There are e.g. Table I describes the measurement accuracies for the cell current measurement, the voltage measurement, the time resolution and the temperature stability, which are required to determine the charge flow in / out of a cell with an accuracy of ± 0.01%. Such measurement accuracies can be used in the various techniques described herein. High-precision multimeters / voltmeters such as Keithley Corp. 2750 or high-precision power sources such as Keithley Corp. 6220. Temperature stabilization with a control loop can be used.

Aufgrund der besonders hohen Genauigkeit, die durch die HPC-Labormessungen erreicht wird, kann es oftmals entbehrlich sein, eine besonders lange Zeitdauer zum Durchführen der Messung (Messzeitdauer) vorzusehen bzw. es kann entbehrlich sein, bei einer zyklisierten Messung eine besonders große Anzahl von Ladungs-Entladungszyklen zu verwenden. Zum Beispiel kann im Allgemeinen die Messzeitdauer nicht größer als zwei Tage sein. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass eine Anzahl der Ladungs-Entladungszyklen der HPC-Messung nicht größer als 100 ist, optional nicht größer als 50 ist.Due to the particularly high accuracy that is achieved by the HPC laboratory measurements, it can often be dispensable to provide a particularly long period of time for performing the measurement (measurement period) or it can be dispensable for a particularly large number of charges in the case of cyclized measurement - Use discharge cycles. For example, in general, the measurement period cannot be longer than two days. Alternatively or additionally, it would be possible for a number of charge-discharge cycles of the HPC measurement to be no greater than 100, optionally no greater than 50.

Als allgemeine Regel kann die HPC-Labormessungen dazu verwendet werden, einen zyklisierten Alterungswert der Batterie in einem belasteten Betrieb mit Ladungs-Entladungszyklen zu bestimmen. Der zyklisierte Alterungswert könnte z.B. einer Abnahme des SOH in Abhängigkeit vom Ladungs-Entladungszyklus entsprechen. Dazu könnte zum Beispiel eine Coulomb-Effizienz (CE) der Ladungs-Entladungszyklen bestimmt werden. Die CE ist typischerweise definiert als das Verhältnis zwischen von der negativen Elektrode entnommene negative Ladung während der Entladung, geteilt durch die Ladung die auf die negative Elektrode während der Ladung übertragen wird. Ein von Eins abweichender CE indiziert dabei z.B. den Verbrauch von Lithium an der negativen Elektrode durch Ausbildung eines passivierenden Films (engl. solid electrolyte interphase, SEI). Dieses verbrauchte Lithium steht - zumindest unmittelbar - nicht mehr für die Interkalation bzw. den Ladungsaustausch zwischen positiver und negativer Elektrode zur Verfügung. Damit nimmt die Gesamtkapazität in Abhängigkeit vom CE ab. Auch andere Alterungsprozesse - über SEI hinaus -, die den SOH herabsetzen, werden oftmals durch CE indiziert.As a general rule, the HPC laboratory measurements can be used to determine a cyclized aging value of the battery in a loaded operation with charge-discharge cycles. The cyclized aging value could e.g. correspond to a decrease in SOH as a function of the charge-discharge cycle. For this purpose, a Coulomb efficiency (CE) of the charge-discharge cycles could be determined, for example. The CE is typically defined as the ratio of the negative charge withdrawn from the negative electrode during discharge divided by the charge transferred to the negative electrode during charging. A CE other than one indicates e.g. the consumption of lithium at the negative electrode through the formation of a passivating film (solid electrolyte interphase, SEI). This consumed lithium is - at least immediately - no longer available for intercalation or charge exchange between the positive and negative electrodes. This means that the total capacity decreases depending on the CE. Other aging processes - beyond SEI - that lower the SOH are often indicated by CE.

Im Allgemeinen kann die CE oder ein anderer Alterungswert der HPC-Labormessung dazu verwendet werden, unterschiedliche Beiträge zum Alterungsprozess aufzulösen. Insbesondere könnte es möglich sein, im Zusammenhang mit Lithium-Plating unterschiedliche Prozesse, je nach Betriebspunkt der Batterie, zu unterscheiden. So ist es zum Beispiel bekannt, dass sich Lithium an der negativen Elektrode abscheiden kann. Diese Abscheidung kann irreversibel sein und es können sich persistente Lithium-Ablagerungen bilden. Das entsprechende Lithium steht dann nicht mehr für die Interkalation bzw. den Ladungsaustausch zwischen der negativen und der positiven Elektrode zur Verfügung. In einem weiteren Prozess kann es aber möglich sein, dass das Lithium aus der Lithium-Ablagerung wieder für die Interkalation zur Verfügung steht. Dann ist die Lithium-Ablagerung reversibel. In noch einem weiteren Beispiel wäre es möglich, dass das Lithium mit dem Elektrolyt der wiederaufladbaren Batterie eine chemische Reaktion durchführt und somit irreversibel verloren geht. Entsprechende Prozesse sind zum Beispiel beschrieben und untersucht in: Zinth, Veronika, et al. „Lithium plating in lithium-ion batteries at sub-ambient temperatures investigated by in situ neutron diffraction.“ Journal of Power Sources 271 (2014): 152-159 . Mittels der hierin beschriebenen Techniken, insbesondere mittels einer HPC-Messung kann es möglich sein, zwischen solch unterschiedlichen Prozessen im Zusammenhang mit dem Lithium-Plating zu unterscheiden. Durch Berücksichtigung solcher unterschiedlicher Prozesse kann der zyklisierte Alterungswert besonders genau bestimmt werden und Parameterwerte für das Alterungsmodell können möglichst genau abgeschätzt werden.In general, the CE or another aging value of the HPC laboratory measurement can be used to resolve different contributions to the aging process. In particular, it might be possible to differentiate between different processes in connection with lithium plating, depending on the operating point of the battery. For example, it is known that lithium can deposit on the negative electrode. This deposition can be irreversible and persistent lithium deposits can form. The corresponding lithium is then no longer available for intercalation or charge exchange between the negative and positive electrodes. In a further process, however, it may be possible that the lithium from the lithium deposit is available again for the intercalation. Then the lithium deposit is reversible. In yet another example, it would be possible for the lithium to carry out a chemical reaction with the electrolyte of the rechargeable battery and thus to be irreversibly lost. Corresponding processes are described and examined, for example, in: Zinth, Veronika, et al. "Lithium plating in lithium-ion batteries at sub-ambient temperatures investigated by in situ neutron diffraction." Journal of Power Sources 271 (2014): 152-159 . By means of the techniques described herein, in particular by means of an HPC measurement, it may be possible to differentiate between such different processes in connection with lithium plating. By taking into account such different processes, the cyclized aging value can be determined particularly precisely and parameter values for the aging model can be estimated as precisely as possible.

Es wäre in anderen Beispielen aber auch möglich, alternativ oder zusätzlich zu einem zyklisierten Alterungswert der Batterie einen kalendarischen Alterungswert der Batterie zu bestimmen. Dazu kann ein Ausgleichsstrom einer zeitunabhängigen (d.h. konstanten bzw. konstant gehaltenen) Zellspannung in einem unbelasteten Betrieb der Zelle verwendet werden. Das bedeutet, dass die Abnahme des SOH durch kalendarische Alterung bestimmt werden kann. Entsprechende Ausgleichsströme - die sich in Anbetracht der fest vorgegebenen Zellspannung einstellen - werden manchmal auch als engl. „floating currents“ bezeichnet. Siehe z.B. Lewerenz, Meinert, et al. „New method evaluating currents keeping the voltage constant for fast and highly resolved measurement of Arrhenius relation and capacity fade.“ Journal of Power Sources 353 (2017): 144-151 . Je nachdem, wie lange die Messzeitdauer dimensioniert wird, kann es hier auch erstrebenswert sein, eine besonders hohe Genauigkeit für die Messung des Zellstromflusses zu verwenden, z.B. nicht schlechter als 0,01 %.In other examples, however, it would also be possible, as an alternative or in addition to a cyclized aging value of the battery, to determine a calendar aging value of the battery. For this purpose, a compensating current of a time-independent (ie constant or constant) cell voltage can be used in an unloaded operation of the cell. This means that the decrease in the SOH can be determined by calendar aging. Corresponding equalizing currents - which occur in view of the fixed cell voltage - are sometimes also called English. "Floating currents" called. See e.g. Lewerenz, Meinert, et al. "New method evaluating currents keeping the voltage constant for fast and highly resolved measurement of Arrhenius relation and capacity fade." Journal of Power Sources 353 (2017): 144-151 . Depending on how long the measurement duration is dimensioned, it can also be desirable here to use a particularly high level of accuracy for measuring the cell current flow, for example not worse than 0.01%.

Durch die hohe Genauigkeit der HPC-Messung kann - trotz kurzer Messzeitdauer bzw. wenigen Ladungs-Entladungszyklen - die Abnahme des SOH über die Lebensdauer einer Feldeinheit genau vorhergesagt werden. Damit können die Parameterwerte des Alterungsmodells bestimmt werden, wobei das Alterungsmodell eine Gültigkeit über im Wesentlichen die gesamte Lebensdauer der Feldeinheit aufweisen kann. Dies bedeutet also, dass durch die hochgenaue, aber kurze Labormessung die Abnahme des SOH bei fortschreitender Lebenszeit vorhergesagt werden kann.Due to the high accuracy of the HPC measurement, the decrease in SOH over the service life of a field unit can be precisely predicted - despite the short measurement period or few charge-discharge cycles. The parameter values of the aging model can thus be determined, the aging model being able to have a validity over essentially the entire service life of the field unit. This means that the highly accurate but short laboratory measurement can predict the decrease in the SOH with advancing lifetime.

1 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einem System 80. Das System 80 umfasst einen Server 81, der mit einer Datenbank 82 verbunden ist. Außerdem umfasst das System 80 Kommunikationsverbindungen 49 zwischen dem Server 81 und jeder von mehreren Batterien 91-96. Die Kommunikationsverbindungen 49 könnten zum Beispiel über ein Mobilfunknetzwerk implementiert werden. 1 illustrates aspects related to a system 80 . The system 80 includes a server 81 who is using a database 82 connected is. The system also includes 80 Communication links 49 between the server 81 and each of several batteries 91-96 . The communication links 49 could for example be implemented over a cellular network.

Die Batterien 91-96 implementieren Feldeinheiten. Das bedeutet, dass die Batterien 91-96 jeweils unterschiedliche Instanzen ein und desselben Typs in einem Feldbetrieb sein können. Zum Beispiel könnten die Batterien 91-96 in Fahrzeugen oder portablen Geräten verbaut sein.The batteries 91-96 implement field units. That means the batteries 91-96 each different instances of one and the same type can be in a field operation. For example, the batteries could 91-96 be installed in vehicles or portable devices.

In 1 ist beispielhaft illustriert, dass die Batterien 91-96 über die Kommunikationsverbindungen 49 Zustandsdaten 41 an den Server 81 senden können. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Zustandsdaten 41 indikativ für ein oder mehrere Betriebswerte der jeweiligen Batterie 91-96 sind. Die Zustandsdaten 41 könnten Ereignis-getrieben gesendet werden oder gemäß einem vorgegebenen Zeitschema.In 1 is exemplified that the batteries 91-96 via the communication links 49 Status data 41 to the server 81 can send. For example, it would be possible that the status data 41 indicative of one or more operating values of the respective battery 91-96 are. The status data 41 could be sent event-driven or according to a predetermined time schedule.

Als allgemeine Regel können die Betriebswerte zum Beispiel indikativ für den Ist-Wert des SOH der jeweiligen Batterie 91-96 sein. Die Betriebswerte können also zum Beispiel indikativ für die Kapazität der jeweiligen Batterie 91-96 sein. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebswerte auch indikativ für den Ist-Wert der Impedanz der jeweiligen Batterie 91-96 sein. Alternativ oder zusätzlich wäre es aber auch möglich, dass die Betriebswerte indikativ für ein Betriebsprofil der jeweiligen Batterie 91-96 sind. Zum Beispiel könnte ein Ereignis-bezogenes Betriebsprofil und/oder ein kollektives Betriebsprofil durch die Betriebswerte indiziert werden.As a general rule, the operating values can, for example, be indicative of the actual value of the SOH of the respective battery 91-96 his. The operating values can therefore be indicative of the capacity of the respective battery, for example 91-96 his. Alternatively or in addition, the operating values can also be indicative of the actual value of the impedance of the respective battery 91-96 his. Alternatively or additionally, however, it would also be possible for the operating values to be indicative of an operating profile of the respective battery 91-96 are. For example, an event-related operating profile and / or a collective operating profile could be indexed by the operating values.

In 1 ist auch beispielhaft illustriert, dass der Server 81 über die Kommunikationsverbindungen 49 Steuerdaten 42 an die Batterien 91-96 senden kann. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Steuerdaten 42 ein oder mehrere Betriebsgrenzen für den zukünftigen Betrieb der jeweiligen Batterie 91-96 indizieren. Zum Beispiel könnten die Steuerdaten ein oder mehrere Steuerparameter für ein Thermomanagement der jeweiligen Batterie 91-96 und/oder ein Lademanagement der jeweiligen Batterie 91-96 indizieren. Durch Verwendung der Steuerdaten 42 kann der Server 81 also den Betrieb der Batterien 91-96 beeinflussen bzw. steuern.In 1 is also exemplified that the server 81 via the communication links 49 Tax data 42 to the batteries 91-96 can send. For example, it would be possible that the tax data 42 one or more operating limits for the future operation of the respective battery 91-96 index. For example, the tax data could be a or several control parameters for thermal management of the respective battery 91-96 and / or charge management for the respective battery 91-96 index. By using the tax data 42 can the server 81 so the operation of the batteries 91-96 influence or control.

In 1 ist außerdem für jede der Batterien 91-96 schematisch der jeweilige SOH 99 illustriert. Als allgemeine Regel kann der SOH 99 einer Batterie 91-96 je nach Implementierung ein oder mehrere unterschiedliche Kenngrößen umfassen. Typische Kenngrößen des SOH 99 können beispielsweise sein: elektrische Kapazität, d. h. die maximal mögliche gespeicherte Ladung; und/oder elektrische Impedanz, d. h. der Frequenzgang des Widerstands bzw. Wechselstromwiderstand als Verhältnis zwischen elektrischer Spannung und elektrischer Stromstärke.In 1 is also for each of the batteries 91-96 schematically the respective SOH 99 illustrated. As a general rule, the SOH 99 a battery 91-96 include one or more different parameters depending on the implementation. Typical parameters of the SOH 99 can be, for example: electrical capacity, ie the maximum possible stored charge; and / or electrical impedance, ie the frequency response of the resistance or alternating current resistance as the ratio between electrical voltage and electrical current strength.

Nachfolgend werden Techniken zur Zustandsvorhersage beschrieben, die es ermöglichen, den SOH 99 für jede der Batterien 91-96 während des Feldeinsatzes der Batterien 91-96 genau zu bestimmen und/oder für ein Vorhersageintervall zu prädizieren. Dies bedeutet, dass zum Beispiel die elektrische Impedanz und/oder die elektrische Kapazität bestimmt und/oder vorhergesagt werden können.State prediction techniques that enable the SOH 99 for each of the batteries 91-96 during field use of the batteries 91-96 to be precisely determined and / or to be predicted for a prediction interval. This means that, for example, the electrical impedance and / or the electrical capacitance can be determined and / or predicted.

Allgemein formuliert werden nachfolgend Techniken beschrieben, die eine Überwachung der Alterung von Feldeinheiten von Batterien, beispielsweise der Batterien 91-96 ermöglichen. Diese Überwachung beruht auf der Verwendung eines Alterungsmodells. Das Alterungsmodell kann in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen auf einem Prozessor des Servers 81 ausgeführt werden. Dazu können z.B. die Zustandsdaten 41 verwendet werden. Dann könnte im Rahmen der Steuerdaten 42 etwa in Abhängigkeit vom berechneten SOH 99 eine Anpassung des Betriebsprofils der jeweiligen Batterie 91-96 vorgenommen werden. In anderen Beispielen könnte das Alterungsmodell aber auch lokal auf einem Prozessor eines Managementsystems, das mit der jeweiligen Batterie 91-96 assoziiert ist, ausgeführt werden.In general terms, techniques are described below which monitor the aging of field units of batteries, for example the batteries 91-96 enable. This monitoring is based on the use of an aging model. In the various examples described herein, the aging model can be run on a processor of the server 81 are executed. The status data 41 be used. Then it could be in the context of the tax data 42 about depending on the calculated SOH 99 an adaptation of the operating profile of the respective battery 91-96 be made. In other examples, the aging model could also be locally on a processor of a management system that works with the respective battery 91-96 is associated to be executed.

Das Alterungsmodell kann mittels ein oder mehreren Labormessungen konfiguriert werden. Das bedeutet insbesondere, dass ein oder mehrere Parameterwerte des Alterungsmodells bestimmt werden können. Dazu können Alterungswerte aus den ein oder mehreren Labormessungen abgeleitet werden, und zwar für unterschiedliche Betriebspunkte der Batterie.The aging model can be configured using one or more laboratory measurements. This means in particular that one or more parameter values of the aging model can be determined. For this purpose, aging values can be derived from the one or more laboratory measurements, specifically for different operating points of the battery.

Die Betriebspunkte können die verschiedenen Randbedingungen des Betriebs der Batterie bezeichnen. Beispiele für Betriebspunkte umfassen Stressfaktoren wie Entladungstiefe (engl. depth of discharge, DOD) und/oder Ladungszustand (engl. state of charge, SOC) und/oder Temperatur und/oder Ladungsrate, um nur einige Beispiele zu nennen. Anhand der Alterungswerte können dann, jeweils für die verschiedenen Betriebspunkte, die ein oder mehreren Parameterwerte des Alterungsmodells bestimmt werden.The operating points can designate the various boundary conditions for operating the battery. Examples of operating points include stress factors such as depth of discharge (DOD) and / or state of charge (SOC) and / or temperature and / or charge rate, to name just a few examples. On the basis of the aging values, the one or more parameter values of the aging model can then be determined in each case for the various operating points.

Details im Zusammenhang mit der Labormessung sind auch im Zusammenhang mit 2 dargestellt.Details related to the laboratory measurement are also related to 2 shown.

2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele. In 2 sind Details im Zusammenhang mit einer Labormessung in Block 1001 und einer Betriebsphase in Block 1002 dargestellt. 2 Figure 3 is a flow diagram of a method according to various examples. In 2 are details in connection with a laboratory measurement in block 1001 and an operating phase in block 1002 shown.

Zum Beispiel können im Rahmen der Labormessung in Block 1001 eine oder mehrere Laboreinheiten einer Batterie untersucht werden. Dazu kann Labor-Messausrüstung verwendet werden, zum Beispiel hochgenaue Spannungsquellen oder hochgenaue Multimeter. Typischerweise sind die Laboreinheiten der Batterien im Rahmen der Labormessung in Block 1001 mit einem steuerbaren Verbraucher bzw. einer steuerbaren Last verbunden, sodass das Belastungsprofil vorgegeben werden kann. Außerdem kann eine externe Temperaturregulierung verwendet werden. Das bedeutet, dass gezielt ein oder mehrere Betriebspunkte der Batterie aktiviert werden können.For example, in the context of laboratory measurements in block 1001 one or more laboratory units of a battery are examined. Laboratory measuring equipment can be used for this, for example high-precision voltage sources or high-precision multimeters. Typically, the laboratory units of the batteries are in block as part of the laboratory measurement 1001 connected to a controllable consumer or a controllable load, so that the load profile can be specified. In addition, external temperature regulation can be used. This means that one or more operating points of the battery can be activated in a targeted manner.

In der Betriebsphase in Block 1002 sind Feldeinheiten der Batterie jedoch nicht oder nur eingeschränkt für Labor-Messausrüstung zugänglich. Außerdem kann das Belastungsprofil nicht oder nur eingeschränkt vorgegeben werden, sodass a-priori nicht vorhergesagt werden kann, bei welchen Betriebspunkten die entsprechende Feldeinheit der Batterie betrieben werden wird.In the operational phase in block 1002 However, field units of the battery are not or only to a limited extent accessible for laboratory measuring equipment. In addition, the load profile cannot be specified or can only be specified to a limited extent, so that a priori cannot be predicted at which operating points the corresponding field unit of the battery will be operated.

In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen werden auf Grundlage von ein oder mehreren Labormessungen an Laboreinheiten einer Batterie in Block 1001 Parameterwerte eines Alterungsmodells bestimmt, wobei dann während Block 1002 die Alterung von Feldeinheiten der Batterie basierend auf dem zuvor konfigurierten Alterungsmodell überwacht werden kann. Dabei können die Alterungswerte für mehrere Betriebspunkte der Batterie bestimmt werden und die Parameterwerte unter Berücksichtigung entsprechender Abweichungen zwischen den Betriebspunkten, sodass auch für unterschiedliche Betriebspunkte im Block 1002 jeweils die Alterung genau überwacht werden kann.In the various examples described herein, based on one or more laboratory measurements on laboratory units of a battery in block 1001 Parameter values of an aging model are determined, then during block 1002 the aging of field units of the battery can be monitored based on the previously configured aging model. The aging values can be determined for several operating points of the battery and the parameter values taking into account corresponding deviations between the operating points, so that also for different operating points in the block 1002 the aging can be precisely monitored in each case.

Als allgemeine Regel kann es mittels des Alterungswerts möglich sein, das Verhalten der Batterie - z.B. insbesondere den SOH - für verschiedene Betriebsprofile zu prognostizieren.As a general rule, the aging value can be used to determine the behavior of the battery - e.g. especially the SOH - to forecast for different company profiles.

3 illustriert ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren aus 3 kann zum Beispiel eine konkrete Implementierung des Verfahrens aus 2 darstellen. 3 illustrates a flow chart of a method according to various examples. The procedure out 3 For example, a specific implementation of the method can be made 2 represent.

Zunächst erfolgt in Block 1051 das Bestimmen von Alterungswerten für eine Laboreinheit einer wieder aufladbaren Batterie. Dies erfolgt bei mehreren Betriebspunkten, d. h. zum Beispiel für unterschiedliche Stressfaktoren wie DOD oder SOC, oder für unterschiedliche Temperaturen bzw. unterschiedliche Laderaten.First takes place in block 1051 determining aging values for a laboratory unit of a rechargeable battery. This takes place at several operating points, ie for example for different stress factors such as DOD or SOC, or for different temperatures or different charging rates.

Insbesondere erfolgt das Bestimmen der Alterungswerte in Block 1051 mittels einer HPC-Labormessung.In particular, the aging values are determined in blocks 1051 by means of an HPC laboratory measurement.

Anschließend erfolgt in Block 1052 das Bestimmen von Parameterwerten eines Alterungsmodells in Abhängigkeit von den Alterungswerten aus Block 1051. Insbesondere können die Parameterwerte zum Beispiel unter Berücksichtigung der Veränderung der Alterungswerte von Betriebspunkt zu Betriebspunkt bestimmt werden. Zum Beispiel wäre es möglich, im Rahmen des Alterungsmodells zu berücksichtigen, dass der SOH für einen Betrieb der Batterie bei einem ersten Betriebspunkt vergleichsweise stark abnimmt, im Vergleich zum Betrieb der Batterie bei einem anderen, zweiten Betriebspunkt. Ein entsprechend strukturiertes Lastkollektiv kann verwendet werden. Zum Beispiel könnte in einem einfachen Beispiel die CE aus der HPC-Messung als Alterungswert verwendet werden und es könnte dann angenommen werden, dass eine größere Differenz der CE gegenüber Eins einer stärkeren Alterung der Batterie entspricht. Als allgemeine Regel könnten also die Parameterwerte des Alterungsmodells durch einen Vergleich der Alterungswerte der HPC-Labormessung bei verschiedenen Betriebspunkten erhalten werden. Derart kann jedenfalls eine qualitative, relative Aussage über die Alterung im Rahmen des Alterungsmodells getroffen werden. Es wären aber auch quantitative Aussgen möglich.This is followed by a block 1052 the determination of parameter values of an aging model as a function of the aging values from block 1051 . In particular, the parameter values can be determined, for example, taking into account the change in the aging values from operating point to operating point. For example, in the context of the aging model, it would be possible to take into account that the SOH for operating the battery at a first operating point decreases comparatively strongly compared to operating the battery at a different, second operating point. An appropriately structured load spectrum can be used. For example, in a simple example, the CE from the HPC measurement could be used as the aging value, and it could then be assumed that a greater difference in CE from one corresponds to greater aging of the battery. As a general rule, the parameter values of the aging model could be obtained by comparing the aging values of the HPC laboratory measurement at different operating points. In this way, in any case, a qualitative, relative statement can be made about aging in the context of the aging model. However, quantitative assessments would also be possible.

Block 1051 und Block 1052 können insbesondere im Rahmen von Block 1001 (vergleiche 2) ausgeführt werden.block 1051 and block 1052 can in particular in the context of block 1001 (compare 2 ) are executed.

Anschließend wird in Block 1053 die Alterung von Feldeinheiten der Batterie basierend auf dem Alterungsmodell, für das die Parameterwerte in Block 1052 bestimmt wurden, überwacht. Block 1053 kann zum Beispiel im Rahmen von Block 1002 (vergleiche 2) ausgeführt werden, z.B. auf dem Server 81 unter Verwendung einer entsprechenden Konfiguration, die in der Datenbank 82 abgelegt ist.Then in block 1053 the aging of field units of the battery based on the aging model for which the parameter values in block 1052 determined. block 1053 can for example under block 1002 (compare 2 ), e.g. on the server 81 using an appropriate configuration that is in the database 82 is filed.

4 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit unterschiedlichen Betriebspunkten 501, 502. In 4 sind insbesondere Ergebnisse der HPC-Labormessung aus Block 1051 (vergleiche 3), d. h. Alterungswerte 509, für die verschiedenen Betriebspunkte 501, 502 - im Beispiel der 4 DOD und SOC - dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass - je nach DOD und SOC - die Alterung der Batterie unterschiedlich stark voranschreitet. 4th illustrates aspects related to different operating points 501 , 502 . In 4th are in particular the results of the HPC laboratory measurement from Block 1051 (compare 3 ), ie aging values 509 , for the various operating points 501 , 502 - in the example of 4th DOD and SOC - shown. From this it can be seen that - depending on the DOD and SOC - the aging of the battery progresses at different rates.

Ein entsprechend der Betriebspunkt-Matrix in 4 strukturiertes Lastkollektiv (d.h. Häufigkeit des Betriebs der Batterie bei den entsprechenden Betriebspunkten 501, 502) könnte dann mit den verschiedenen Alterungswerten 509 multipliziert werden, um die Stärke der Alterung abzuschätzen.A corresponding to the operating point matrix in 4th structured load spectrum (ie frequency of operation of the battery at the corresponding operating points 501 , 502 ) could then with the different aging values 509 can be multiplied to estimate the severity of aging.

5 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Alterungsmodell 180. Insbesondere illustriert 5 die durch das Alterungsmodell 180 vorhergesagte Alterung - d. h. Abnahme des SOH 99 - als Funktion der Zeit. Zum Beispiel könnte bis zur IST-Zeit 155 - d. h. während einem Betriebszeitraum 151 - ein Belastungsprofil 91-95 der jeweiligen Batterie erhalten werden (etwa ein entsprechendes Lastkollektiv oder aber auch oder alternativ Ereignisse des Belastungsprofils), und daraus die Betriebspunkte 501, 502 extrahiert werden. Durch das Alterungsmodell 180 kann dann die Abnahme des SOH 99 vorhergesagt werden. 5 illustrates aspects related to the aging model 180 . In particular illustrated 5 those through the aging model 180 predicted aging - i.e. decrease in SOH 99 - as a function of time. For example, could be up to the ACTUAL time 155 - ie during an operating period 151 - an exposure profile 91-95 of the respective battery (for example a corresponding load spectrum or also or alternatively events of the load profile), and from this the operating points 501 , 502 extracted. Through the aging model 180 can then decrease the SOH 99 be predicted.

Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Abnahme des SOH 99 qualitativ oder quantitativ vorhergesagt wird. Zum Beispiel könnte eine qualitative Vorhersage gegenüber einem Referenz-Betriebsprofil verwendet werden, beispielsweise wenn eine quantitative Aussage nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.In general it would be possible that the decrease of the SOH 99 is predicted qualitatively or quantitatively. For example, a qualitative prediction could be used against a reference operating profile, for example if a quantitative statement is not possible or only possible to a limited extent.

Das Alterungsmodell kann auch für ein Vorhersageintervall 152 verwendet werden, beispielsweise um für unterschiedliche prädizierte Betriebsprofile 181-183 den SOH 99 vorherzusagen bzw. zu prognostizieren, vgl. 5. Dann könnte über geeignete Steuerdaten 49 das Betriebsprofil der Batterien 91-96 beeinflusst werden.The aging model can also be used for a prediction interval 152 be used, for example, for different predicted operating profiles 181-183 the SOH 99 to predict or forecast, cf. 5 . Then you could have appropriate tax information 49 the operating profile of the batteries 91-96 to be influenced.

6 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit der HPC-Labormessung aus Block 1051. Insbesondere illustriert 6, wie ein zyklisierterAlterungswert - hier in Form die CE 552 - mittels der HPC-Labormessung bestimmt werden kann. Aus 6 ist ersichtlich, dass die CE 552 für eine Anzahl von ca. 20 Ladung-Entladungszyklen 551 bestimmt wird. Als allgemeine Regel kann die HPC-Labormessung zum Bestimmen eines zyklisierten Alterungswerts der Batterie verwendet werden, wobei die Anzahl der Ladungs-Entladungszyklen nicht größer als 100 ist, optional nicht größer als 50. derart kann die Messzeitdauer der HPC-Labormessung begrenzt werden. Es ist aufgrund der hohen Genauigkeit der Zellstromflussmessung möglich, durch Betrachtung der CE 552 für die vergleichsweise geringe Anzahl von Ladung-Entladungszyklen bereits eine zuverlässige Aussage für die Alterung über die gesamte Lebenszeit (typischerweise deutlich mehr als 500 oder 1000 Ladung-Entladungszyklen) zu treffen. 6th illustrates aspects related to the HPC laboratory measurement from Block 1051 . In particular illustrated 6th , like a cyclized aging value - here in the form of the CE 552 - can be determined by means of the HPC laboratory measurement. Out 6th it can be seen that the CE 552 for a number of approx. 20th Charge-discharge cycles 551 is determined. As a general rule, the HPC laboratory measurement can be used to determine a cyclized aging value of the battery, with the number of charge-discharge cycles no greater than 100 is, optionally not greater than 50 . in this way, the duration of the HPC laboratory measurement can be limited. It is possible due to the high accuracy of the cell current flow measurement by considering the CE 552 for the comparatively low number of charge-discharge cycles already a reliable statement for the aging over the entire lifetime (typically significantly more than 500 or 1000 Charge-discharge cycles).

Dabei ergibt sich eine Abweichung 557 zwischen den CE 552 für unterschiedliche Betriebspunkte (z.B. für unterschiedliche SOC 501 - DOD 502 Paare, vgl. 4). Diese Abweichung 557 kann durch Vergleich der CEs 552 ermittelt werden. Z.B. könnten dann die Parameterwerte des Alterungsmodells in Abhängigkeit von diesem Vergleich, d.h. in Abhängigkeit von der Abweichung 557, bestimmt werden.This results in a deviation 557 between the CE 552 for different operating points (e.g. for different SOC 501 - DOD 502 Couples, cf. 4th ). This deviation 557 can by comparing the CEs 552 be determined. For example, the parameter values of the aging model could then be as a function of this comparison, that is to say as a function of the deviation 557 , be determined.

Während im Zusammenhang mit 6 ein zyklisierter Alterungswert beschrieben wurde, hier die CE 552, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, einen kalendarischen Alterungswert zu bestimmen. Ein entsprechendes Beispiel ist in 7 dargestellt.While related to 6th a cyclized aging value was described, here the CE 552 , it would also be possible in other examples to determine a calendar aging value. A corresponding example is in 7th shown.

7 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit der HPC-Labormessung aus Block 1051. Insbesondere illustriert 7, wie ein kalendarischen Alterungswert mittels der HPC-Labormessung bestimmt werden kann. 7 ist ein Schaltbild: dabei wird die Batterie 90 bei einer zeitunabhängigen, aufgeprägten Zellspannung 604, hier bereitgestellt durch eine hochgenaue Spannungsquelle 602, betrieben. Gleichzeitig wird durch ein Strommessgerät 601 ein Ausgleichsstrom 603 im unbelasteten Betrieb gemessen. Die Magnitude des Ausgleichsstroms 603 kann dann eine Alterungsrate indizieren, woraus wiederum der Alterungswert ermittelt werden kann. In dem die Spannung 604 und der Strom 603 besonders genau eingestellt bzw. gemessen werden können, kann auch mit einer vergleichsweise begrenzten Messzeitdauer eine gute Aussage über die Alterung der Batterie über die gesamte Lebensdauer getroffen werden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Messzeitdauer nicht größer als zwei Tage ist, wobei die typische Lebenszeitdauer im Bereich von Jahren liegt. 7th illustrates aspects related to the HPC laboratory measurement from Block 1051 . In particular illustrated 7th how a calendar aging value can be determined using the HPC laboratory measurement. 7th is a circuit diagram: this is where the battery 90 with a time-independent, impressed cell voltage 604 , here provided by a high-precision voltage source 602 , operated. At the same time, an ammeter 601 an equalizing current 603 measured in unloaded operation. The magnitude of the equalizing current 603 can then indicate an aging rate, from which in turn the aging value can be determined. In which the tension 604 and the stream 603 can be set or measured particularly precisely, a good statement about the aging of the battery over the entire service life can also be made with a comparatively limited measurement period. For example, it would be possible for the measurement duration to be no longer than two days, with the typical lifetime being in the range of years.

Aus den Beispielen der 6 und der 7 ist ersichtlich, dass es möglich sein kann, mittels der HPC-Labormessung mit einer kurzen Messzeitdauer bzw. einer begrenzten Anzahl von Ladung-Entladungszyklen eine Aussage über die Alterung der Batterie über die gesamte Lebensdauer zu treffen. Während dies in manchen Beispielen mit hoher Genauigkeit möglich sein kann, kann in anderen Beispielen die Genauigkeit einer solchen Hochrechnung bzw. Interpolation von einer kurzen Messzeitdauer auf eine lange Lebensdauer eine begrenzte Genauigkeit aufweisen. In einem solchen Fall kann es manchmal erstrebenswert sein, die HPC-Labormessung mit einer Langzeit-Labormessung zu kombinieren. Ein solches Szenario ist in 8 dargestellt.From the examples of the 6th and the 7th It can be seen that it may be possible to make a statement about the aging of the battery over its entire service life using the HPC laboratory measurement with a short measurement period or a limited number of charge-discharge cycles. While this can be possible with high accuracy in some examples, in other examples the accuracy of such an extrapolation or interpolation from a short measurement period to a long service life can have a limited accuracy. In such a case it can sometimes be worthwhile to combine the HPC laboratory measurement with a long-term laboratory measurement. One such scenario is in 8th shown.

8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Beispielsweise könnte das Verfahren gemäß 8 als Teil der Labormessungen in Block 1001 (vergleiche 2) durchgeführt werden. 8th Figure 3 is a flow diagram of an exemplary method. For example, the method according to 8th as part of the laboratory measurements in block 1001 (compare 2 ) be performed.

In Block 1011 wird eine HPC-Labormessung durchgeführt und dadurch ein Alterungswert bestimmt. Insoweit entspricht Block 1011 Block 1051 (vergleiche 3).In block 1011 an HPC laboratory measurement is carried out to determine an aging value. To that extent, block corresponds 1011 block 1051 (compare 3 ).

Anschließend wird in Block 1012 noch eine Langzeit-Labormessung durchgeführt. Die Langzeit-Labormessung ist dadurch charakterisiert, dass die Messzeitdauer signifikant größer ist, als die Messzeitdauer der HPC-Labormessung aus Block 1011. Zum Beispiel könnten - wenn ein zyklisierter Alterungswert bestimmt wird - eine viel größere Anzahl von Ladung-Entladungszyklen im Rahmen von Block 1012 durchgeführt werden, als im Rahmen von Block 1011. Es wäre im Allgemeinen auch möglich, dass die Zellstrommessung im Rahmen der Langzeit-Labormessung aus Block 1012 mit einer geringeren Genauigkeit durchgeführt wird, als die Zellstrommessung im Rahmen der HPC-Labormessung aus Block 1011. Dies liegt an der Erkenntnis, dass eine Vorhersage oder Interpolation auf eine längere Lebensdauer auf Grundlage von Messwerten aus einer kürzeren Messzeitdauer im Rahmen der Langzeit-Labormessung in Block 1012 entbehrlich sein kann, weil die Messzeitdauer selbst genügend groß dimensioniert ist.Then in block 1012 a long-term laboratory measurement was carried out. The long-term laboratory measurement is characterized by the fact that the measurement period is significantly longer than the measurement period of the HPC laboratory measurement from block 1011 . For example, if a cyclized aging value is determined, there could be a much larger number of charge-discharge cycles in the context of Block 1012 be performed as part of block 1011 . In general, it would also be possible for the cell current measurement to be carried out as part of the long-term laboratory measurement from Block 1012 is carried out with a lower accuracy than the cell current measurement in the context of the HPC laboratory measurement from Block 1011 . This is due to the knowledge that a prediction or interpolation for a longer service life based on measured values from a shorter measurement period in the context of the long-term laboratory measurement in block 1012 can be dispensable because the measurement time itself is dimensioned sufficiently large.

In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die Langzeit-Labormessung aus Block 1012 auf Grundlage der HPC-Labormessung aus Block 1011 konfiguriert wird. So wäre es zum Beispiel möglich, dass eine Konfiguration der Langzeit-Labormessung basierend auf den Alterungswerten aus der HPC-Labormessung bestimmt wird. Dann können weitere oder angepasste Alterungswerte der Batterie mittels der Langzeit-Labormessung unter Verwendung der entsprechenden Konfiguration bestimmt werden. Das Alterungsmodell kann dann auch in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Langzeit-Labormessung angepasst werden. Dies bedeutet zum Beispiel, dass die Parameterwerte des Alterungsmodells und/oder weitere Parameterwerte des Alterungsmodells basierend auf den weiteren Alterungswerten aus der Langzeit-Labormessung in Block 1012 bestimmt werden können.In some examples it would be possible that the long-term laboratory measurement from Block 1012 based on the HPC laboratory measurement from block 1011 configured. For example, it would be possible for a configuration of the long-term laboratory measurement to be determined based on the aging values from the HPC laboratory measurement. Then further or adapted aging values of the battery can be determined by means of the long-term laboratory measurement using the corresponding configuration. The aging model can then also be adapted as a function of the results of the long-term laboratory measurement. This means, for example, that the parameter values of the aging model and / or further parameter values of the aging model based on the further aging values from the long-term laboratory measurement in block 1012 can be determined.

Solchen Techniken liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Parameterraum von möglichen Betriebspunkten oftmals sehr groß sein kann. Da jede individuelle Langzeit-Labormessung bei einem zugehörigen Betriebspunkt eine signifikante Messzeitdauer aufweist, kann die Abdeckung des gesamten Parameterraums ohne a-priori-Wissen vergleichsweise lange Zeit in Anspruch nehmen bzw. besonders aufwendig sein. In dem jedoch entsprechendes a-priori-Wissen durch die HPC-Labormessung zur Konfiguration der Langzeit-Labormessung herangezogen wird, kann der Parameterraum besonders effizient durch die Langzeit-Labormessung abgetastet werden.Such techniques are based on the knowledge that the parameter range of possible operating points can often be very large. Since each individual long-term laboratory measurement has a significant measurement duration at an associated operating point, covering the entire parameter space without a priori knowledge can take a comparatively long time or be particularly complex. However, in the corresponding a priori Knowledge from the HPC laboratory measurement is used to configure the long-term laboratory measurement, the parameter space can be scanned particularly efficiently using the long-term laboratory measurement.

Dabei bestehen im Allgemeinen unterschiedliche Möglichkeiten und Strategien, um die Konfiguration der Langzeit-Labormessung auf Grundlage des Ergebnisses der HPC-Labormessung durchzuführen. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Konfiguration eine entsprechende Vielzahl von Betriebspunkten beschreibt, bei der die weiteren Alterungswerte mittels der Langzeit-Labormessung bestimmt werden.There are generally different options and strategies for configuring the long-term laboratory measurement based on the results of the HPC laboratory measurement. For example, it would be possible for the configuration to describe a corresponding number of operating points at which the further aging values are determined by means of the long-term laboratory measurement.

Als allgemeine Regel können die HPC-Labormessung und die Langzeit-Labormessung bei (zumindest teilweise) verschiedenen Betriebspunkten durchgeführt werden. Die HPC-Labormessung könnte z.B. bei mehr Betriebspunkten durchgeführt werden, als die Langzeit-Labormessung.As a general rule, the HPC laboratory measurement and the long-term laboratory measurement can be carried out at (at least partially) different operating points. The HPC laboratory measurement could e.g. can be carried out at more operating points than the long-term laboratory measurement.

Das bedeutet in anderen Worten, dass aus dem gesamten Parameterraum von möglichen Betriebspunkten eine bestimmte Untermenge von Betriebspunkten ausgewählt werden kann, wobei dann bei den Betriebspunkten aus dieser Untermenge die Langzeit-Labormessung durchgeführt wird. Derart kann die gesamte Komplexität der Langzeit-Labormessung durch eine Reduktion der abzutastenden Betriebspunkte reduziert werden.In other words, this means that a specific subset of operating points can be selected from the entire parameter space of possible operating points, the long-term laboratory measurement then being carried out at the operating points from this subset. In this way, the overall complexity of long-term laboratory measurements can be reduced by reducing the operating points to be scanned.

Dabei können wiederum unterschiedliche Strategien zur Auswahl der Untermenge von Betriebspunkten aus dem gesamten Parameterraum von möglichen Betriebspunkten angewendet werden. So wäre es zum Beispiel möglich, dass eine Änderungsrate der Alterungswerte als Funktion der Betriebspunkte bestimmt wird, anhand der Ergebnisse der HPC-Labormessung. Dann könnte eine Dichte der Betriebspunkte in der Untermenge der Betriebspunkte, die für die Langzeit-Labormessung verwendet wird, basierend auf dieser Änderungsrate bestimmt werden. Zum Beispiel könnte die Untermenge eine größere (kleinere) Dichte der Betriebspunkte für größere (kleinere) Änderungsraten aufweisen. Dies ist zum Beispiel in 9 illustriert. Dort sind unterschiedliche ausgewählte Betriebspunkte 580 im zweidimensionalen Parameterraum für SOC 501 und DOD 502 dargestellt. Aus 9 ist ersichtlich, dass die Dichte der Betriebspunkte 580 dort groß ist, wo die Änderungsrate des mittels der HPC-Labormessung bestimmten Alterungswerts, hier CE 552, groß ist. Dadurch wird gewährleistet, dass mittels der Langzeit-Labormessung Bereiche großer Dynamik genau vermessen werden, wobei Bereiche geringerer Dynamik weniger dicht abgetastet werden. Dadurch kann die gesamte Komplexität reduziert werden.In turn, different strategies for selecting the subset of operating points from the entire parameter space of possible operating points can be used. For example, it would be possible to determine a rate of change of the aging values as a function of the operating points, based on the results of the HPC laboratory measurement. A density of the operating points in the subset of the operating points that is used for the long-term laboratory measurement could then be determined based on this rate of change. For example, the subset could have a larger (smaller) density of operating points for larger (smaller) rates of change. This is for example in 9 illustrated. There are different selected operating points 580 in the two-dimensional parameter space for SOC 501 and DOD 502 shown. Out 9 it can be seen that the density of the operating points 580 where the rate of change of the aging value determined by means of the HPC laboratory measurement, here CE 552 , is great. This ensures that, by means of the long-term laboratory measurement, areas of high dynamics are measured precisely, with areas of lower dynamics being scanned less densely. This can reduce the overall complexity.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.Of course, the features of the embodiments and aspects of the invention described above can be combined with one another. In particular, the features can be used not only in the combinations described, but also in other combinations or on their own, without departing from the field of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Ecker, Madeleine, et al. "Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data." Journal of Power Sources 215 (2012): 248-257 [0014]
Ploehn, Harry J., Premanand Ramadass, and Ralph E. White. "Solvent diffusion model for aging of lithium-ion battery cells." Journal of The Electrochemical Society 151.3 (2004): A456-A462 [0014]
Zinth, Veronika, et al. "Lithium plating in lithium-ion batteries at sub-ambient temperatures investigated by in situ neutron diffraction." Journal of Power Sources 271 (2014): 152-159 [0022]
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Claims

Procedure that includes: - Determination of aging values (509) for a laboratory unit of a rechargeable battery at a large number of operating points (501, 502) by means of a high precision Coulomb, HPC, laboratory measurement of a cell current flow of the laboratory unit of the battery, - determining parameter values of an aging model (180) based on the aging values for the plurality of operating points, and - Monitoring the aging of field units of the battery based on the aging model.

Procedure according to Claim 1 , the parameter values of the aging model being obtained from the multiplicity of operating points by comparing (557) the aging values (552) at different operating points.

Procedure according to Claim 1 or 2 , the HPC laboratory measurement being used to determine at least one cyclized aging value of the battery in a loaded operation with charge-discharge cycles (551), wherein the number of charge-discharge cycles of the HPC measurement for the at least one cyclized aging value is optionally not greater than 100, optionally not greater than 50.

Procedure according to Claim 3 , wherein the at least one cyclized aging value describes a Coulomb efficiency (552) of the charge-discharge cycles.

Procedure according to Claim 3 or 4th wherein the at least one cyclized aging value describes one or more of the following elements: intercalation of deposited lithium into the negative electrode; Deposition of lithium on the negative electrode or the positive electrode; Reaction of deposited lithium with an electrolyte.

Method according to one of the preceding claims, wherein the HPC laboratory measurement is used to determine at least one calendar aging value of the battery based on an equalizing current (603) of a time-independent cell voltage (604) in an unloaded operation, with a measurement period optionally not greater than 2 days is.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the method further comprises: - Determination of a configuration (580) of a further laboratory measurement (1012) of the cell current flow based on the aging values (552), the further laboratory measurement being different from the HPC laboratory measurement, - Determination of further aging values of the battery by means of the further laboratory measurement using the configuration (580), and - Determination of the parameter values or further parameter values of the aging model based on the further aging values.

Procedure according to Claim 7 , the configuration of a further plurality of operating points being described at which the further aging values are determined.

Procedure according to Claim 8 wherein the method further comprises: determining a rate of change of the aging values as a function of the operating points from the plurality of operating points, and determining a density of operating points from the further plurality of operating points based on the rate of change.

Method according to one of the preceding claims, wherein an accuracy of the HPC laboratory measurement for the cell current flow is not worse than 3%, optionally not worse than 0.01%.

Method according to one of the preceding claims, wherein the operating points specify one or more of the following variables: Charge rate; Discharge rate; Depth of discharge; Load depth; Temperature.