DE102019211913A1 - Method for determining an aging condition of a battery, control unit and vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batterie (105) in einem Fahrzeug, wobei der Alterungszustandes (SoH) der Batterie (105) mittels eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand (ΔR) und den Alterungszustand (SoH) korreliert (200, 210). Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät (120), welches zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet ist, als auch ein Fahrzeug, umfassend wenigstens ein solches Steuergerät (120).The invention relates to a method for determining an aging state of a battery (105) in a vehicle, the aging state (SoH) of the battery (105) using a map which correlates the internal resistance (ΔR) and the aging state (SoH) (200, 210 ). The invention further relates to a control device (120) which is designed to carry out the method, and also to a vehicle comprising at least one such control device (120).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batterie in einem Fahrzeug, wobei der Alterungszustand SoH der Batterie mittels eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand und den Alterungszustand SoH korreliert, abgeleitet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet ist, als auch ein Fahrzeug, umfassend wenigstens ein solches Steuergerät.The invention relates to a method for determining an aging condition of a battery in a vehicle, the aging condition SoH the battery by means of a map which shows the internal resistance and the state of aging SoH correlated, is derived. Furthermore, the invention relates to a control device which is designed to carry out the method, and also to a vehicle comprising at least one such control device.

Um den Restwert einer wiederaufladbaren Batterie, auch Akkumulator, zu bestimmen und um deren sicheren Betrieb der Batterie zu gewährleisten, ist es regelmäßig notwendig, deren Alterungszustand, den so genannten „State of Health“ (SoH) möglichst genau abzuschätzen. Üblicherweise wird der SoH bestimmt durch einen (Teil-)Lade-/Entladevorgang. Für die Bestimmung mittels Ladevorgang ist eine hohe Genauigkeit des Stromsensors notwendig. Ebenso ist ein großer Ladehub notwendig, um eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen.In order to determine the residual value of a rechargeable battery, including the accumulator, and to ensure its safe operation of the battery, it is regularly necessary to determine its aging state, the so-called "State of Health" ( SoH ) to estimate as accurately as possible. Usually the SoH determined by a (partial) loading / unloading process. A high accuracy of the current sensor is necessary for the determination by means of the charging process. A large loading stroke is also necessary to achieve sufficient accuracy.

Jedoch altern Batterien im hohen Ladezustand besonders stark, weshalb teilweise darauf verzichtet wird, Batterien voll zu laden. Häufig gibt es auch eine, beispielsweise durch einen Nutzer definierte, obere Ladegrenze, die beispielsweise bei der Anwendung als Fahrzeugbatterie für tägliche Fahrten genug Reichweite zur Verfügung stellt oder bei der Anwendung in Unterhaltungselektronik, wie Notebooks, Mobiltelefonen oder Ähnlichem, die tägliche Nutzung ermöglicht. So kommt es häufig vor, dass eine Batterie selten, oder nie, mit einem großen Ladehub geladen wird, so dass keine gültige Bestimmung des Alterungszustandes möglich ist.However, batteries age particularly quickly when they are in a high state of charge, which is why it is sometimes not necessary to fully charge batteries. Often there is also an upper charging limit, for example defined by a user, which, for example, provides sufficient range for use as a vehicle battery for daily journeys or enables daily use when used in consumer electronics, such as notebooks, cell phones or the like. It often happens that a battery is rarely, or never, charged with a large charging stroke, so that a valid determination of the state of aging is not possible.

DE 10 2011 077 448 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abschätzen mindestens einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers beschreibenden Zustandsgröße durch Vergleich von mindestens einer durch Messung ermittelten ersten Betriebsgröße von mehreren Betriebsgrößen des Energiespeichers mit mindestens einer entsprechenden Vergleichsgröße. DE 10 2011 077 448 A1 describes a method for estimating at least one state variable describing the state of an electrical energy store by comparing at least one first operating quantity determined by measurement of a plurality of operating quantities of the energy store with at least one corresponding comparison quantity.

EP 1 961 621 A1 beschreibt ein Batteriezustandsbeurteilungsverfahren, mit dem ein Zustand einer Blei-Säure-Batterie durch Messen von Spannungen ohne Messen von Strömen beurteilt werden soll. EP 1 961 621 A1 describes a battery state judgment method by which a state of a lead-acid battery is to be judged by measuring voltages without measuring currents.

EP 2 846 395 A2 beschreibt ein Batteriepack mit einer Batterie, die mit einer Last und einer Ladevorrichtung gekoppelt ist und mit mindestens einer Batteriezelle und einer Batteriemanagementeinheit zum Steuern des Ladens der Batterie von der Ladevorrichtung und des Entladens der Batterie, um einen Gesundheitszustand der Zelle zu bestimmen. EP 2 846 395 A2 describes a battery pack having a battery coupled to a load and a charger and having at least one battery cell and a battery management unit for controlling the charging of the battery from the charger and the discharge of the battery to determine a health condition of the cell.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, die Nachteile der Verfahren aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu überwinden.The object of the present invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages of the methods from the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Folgenden beschriebene Verfahren, Steuergerät und Fahrzeug gelöst. Die in der Beschreibung und den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.This object is achieved according to the invention by the method, control unit and vehicle described below. The features listed individually in the description and the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and / or details from the figures, further embodiment variants of the invention being shown.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batterie beschrieben, umfassend die Schritte:

  • - Bestimmen einer Innenwiderstandsgröße;
  • - Ableiten des Alterungszustandes der Batterie aus der Innenwiderstandsgröße;
  • - Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes SoH einer Batterie in einem Fahrzeug umfassend die Schritte:
  • - Bestimmen einer Lastspannung bei Fahrzeugbetrieb;
  • - Relaxation der Lastspannung nach dem Fahrzeugbetrieb;
  • - Bestimmen einer Leerlaufspannung OCV nach der Relaxation;
  • - Bestimmen eines Innenwiderstands ΔR aus der Lastspannung und der Leerlaufspannung;
  • - Ableiten des Alterungszustandes SoH der Batterie mittels eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH miteinander korreliert.
According to a first aspect, a method for determining an aging state of a battery is described, comprising the steps:
  • - determining an internal resistance quantity;
  • - Deriving the aging condition of the battery from the internal resistance value;
  • - Procedure for determining an aging condition SoH a battery in a vehicle comprising the steps:
  • - determining a load voltage during vehicle operation;
  • - relaxation of the load voltage after vehicle operation;
  • - Determine an open circuit voltage OCV after relaxation;
  • - Determine an internal resistance ΔR from the load voltage and the open circuit voltage;
  • - Deriving the state of aging SoH the battery by means of a map which shows the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated with each other.

Anhand der Überspannung und des Stroms bei Entladung wird der Innenwiderstand der Zelle bestimmt, bevorzugt mittels der folgenden Gleichung: R 0 % = Δ U Δ I = U r e l a x e d U e n d   o f   D C H I D C H .

Figure DE102019211913A1_0001
The internal resistance of the cell is determined on the basis of the overvoltage and the current during discharge, preferably using the following equation: R 0 % = Δ U Δ I. = U r e l a x e d - U e n d O f D C. H I. D C. H .
Figure DE102019211913A1_0001

Hierbei steht ΔU für die Überspannung.It says ΔU for the surge.

Sofern im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung vom Alterungszustand SoH die Rede ist, ist bevorzugt der Alterungszustand SoH bei OCV Bedingungen gemeint, also SoHOCV . Bevorzugt bildet der SoHOCV die mobile Lithium Konzentration ab.If in the context of the present invention of the state of aging SoH is talked about, preferably the state of aging SoH at OCV Conditions meant SoH OCV . Preferably forms the SoH OCV the mobile lithium concentration.

Es wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nun eine starke Korrelation zwischen dem bereits erwähnten Innenwiderstand und dem Alterungszustand SoH gefunden. Mittels Messungen von kalendarisch gealterten Zellen konnte gezeigt werden, dass ein allgemeiner Trend eines abnehmenden Innenwiderstands bei Entladeschluss mit abnehmendem SoH besteht. Durch diese Erkenntnis wird ermöglicht, ein entsprechendes Kennfeld, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH korreliert, im Kennfeldspeicher einer Kontrolleinheit, auch als Steuereinheit oder Steuergerät bezeichnet, eines Fahrzeugs abzulegen und mittels dieses Kennfeldes aus dem erhaltenen Innenwiderstand ΔR den Alterungszustand SoH zu ermitteln. Hierbei macht man sich die bereits erwähnte deutliche Abhängigkeit von Innenwiderstand und SoH zunutze.In connection with the present invention, there has now been a strong correlation between the internal resistance already mentioned and the state of aging SoH found. Measurements of calendar-aged cells showed that a general trend of decreasing internal resistance at the end of discharge with decreasing SoH consists. This knowledge enables a corresponding map, which shows the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated, to be stored in the map memory of a control unit, also referred to as a control unit or control unit, of a vehicle and by means of this map from the internal resistance obtained ΔR the state of aging SoH to determine. Here you make the already mentioned clear dependence on internal resistance and SoH advantage.

Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Rede von einer Batterie ist, so ist genauer gesagt ein Akkumulator gemeint. Eine Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens eine elektrochemische Zelle, die entladen und aufgeladen werden kann.Insofar as there is talk of a battery in connection with the present invention, more precisely an accumulator is meant. A battery in the sense of the present invention comprises at least one electrochemical cell that can be discharged and charged.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Batterie ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Der Begriff Lithium-Ionen-Akkumulator wird gemäß der vorliegenden Erfindung als Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in der elektrochemischen Zelle verwendet. Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt können Lithiumionen enthalten.According to a particularly preferred embodiment, the battery is a lithium-ion accumulator. According to the present invention, the term lithium-ion battery is used as a generic term for batteries based on lithium compounds in the electrochemical cell. The reactive materials in both the negative and positive electrodes and the electrolyte can contain lithium ions.

Die Reaktanten bei den elektrochemischen Reaktionen in einer Lithiumionenbatterie sind die negative und die positive Elektrode und der Elektrolyt liefert ein leitfähiges Medium, damit sich Lithiumionen zwischen den Elektroden bewegen können. Elektrische Energie fließt von oder in die Batterie, wenn Elektronen während der Entladung beziehungsweise Ladung durch einen externen Stromkreis fließen.The reactants in the electrochemical reactions in a lithium ion battery are the negative and the positive electrode and the electrolyte provides a conductive medium so that lithium ions can move between the electrodes. Electrical energy flows from or into the battery if electrons flow through an external circuit during discharge or charging.

Beide Elektroden ermöglichen es Lithiumionen, sich in ihre Strukturen hinein und aus ihnen heraus zu bewegen. Während der Entladung bewegen sich die (positiven) Lithiumionen von der negativen Elektrode (Anode - üblicherweise Graphit) zur positiven Elektrode (Kathode - Bildung einer Lithiumverbindung) durch den Elektrolyten, während die Elektronen in der gleichen Richtung durch den externen Stromkreis fließen. Wenn sich die Zelle auflädt, geschieht das Gegenteil: Lithiumionen und Elektronen bewegen sich in einem Zustand höherer Energie zurück in die negative Elektrode.Both electrodes allow lithium ions to move in and out of their structures. During the discharge, the (positive) lithium ions move from the negative electrode (anode - usually graphite) to the positive electrode (cathode - formation of a lithium compound) through the electrolyte, while the electrons flow in the same direction through the external circuit. The opposite happens when the cell charges: lithium ions and electrons move back into the negative electrode in a state of higher energy.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Bestimmen der Überspannung ΔU bei einem bestimmten Ladezustand SoC stattfindet, insbesondere bei 50 %, 30 %, besonders bevorzugt bei 20 %. Die Bedingung kann dabei umfassen, dass der genannte Wert des Batteriezustands entweder über- oder unterschritten wird. Weiterhin kann die Umschaltung über einen Bereich, insbesondere ausgehend von den genannten Batteriezuständen, kontinuierlich stattfinden. Dazu kann durch Interpolation, insbesondere lineare Interpolation, zwischen den mittels des ersten und des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Batteriealterungen von dem einen Verfahren auf das andere Verfahren umgeschaltet werden. Insbesondere beginnt die Umschaltung bei Über- oder Unterschreiten der genannten Ladezustände als Bedingung und endet bei Erreichen eines zweiten Ladezustands, der von dem ersten insbesondere um 30 %, bevorzugt 20 %, besonders bevorzugt 10 % unterschiedlich ist.According to a preferred embodiment, a method is described in which the overvoltage is determined ΔU at a certain charge level SoC takes place, in particular at 50%, 30%, particularly preferably at 20%. The condition can include that the stated value of the battery state is either exceeded or undershot. Furthermore, the switchover can take place continuously over a range, in particular based on the battery states mentioned. For this purpose, interpolation, in particular linear interpolation, can be used to switch between the battery ages determined by means of the first method and the method according to the invention from one method to the other. In particular, the switchover begins as a condition when the above-mentioned charging states are exceeded or undershot and ends when a second charging state is reached, which differs from the first in particular by 30%, preferably 20%, particularly preferably 10%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei der Ladungszustand SoC 0 % bis 20 % beträgt. According to a preferred embodiment, a method is described in which the state of charge SoC Is 0% to 20%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Ableiten des Alterungszustandes SoH der Batterie mittels des Kennfeldes bei Entladeschluss stattfindet.According to a preferred embodiment, a method is described in which the derivation of the aging state SoH the battery takes place by means of the map at the end of discharge.

Als Entladeschluss wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Zeitpunkt beim Entladevorgang bezeichnet, bei dem die Spannung, bevorzugt die Lastspannung bei Entladung, unter einen bestimmten Grenzwert fällt. Im allgemeinsten Fall handelt es sich um die Stelle der Stromspannungskennlinie, bei der die Kennlinie der Spannung, insbesondere der Lastspannung, bei niedrigen Ladungszuständen SoC anfängt stärker abzufallen.In connection with the present invention, the end of discharge refers to the point in time during the discharge process at which the voltage, preferably the load voltage when discharging, falls below a certain limit value. In the most general case, it is the location of the current-voltage characteristic, at which the characteristic of the voltage, in particular the load voltage, at low charge states SoC begins to fall off more.

Weiter insbesondere stellt der Endladeschluss einen Grenzwert dar, der als „cut-off“-Wert bezeichnet werden kann, und bezeichnet die minimale Spannung beim Entladevorgang und damit den Entladeschluss. Der „cut-off“ verhindert eine zu starke Entladung der Zelle. Üblicherweise fällt die Kennlinie der Spannung, insbesondere der Lastspannung, bei niedrigen Ladungszuständen SoC stark ab. Anders ausgedrückt bildet die Spannungskennlinie bei Entladung in Abhängigkeit vom Ladungszustand SoC eine abfallende „Flanke“ bei niedrigen Ladungszuständen. Bevorzugt wird der „cut-off“-Wert innerhalb dieser abfallenden „Flanke“ gewählt. Beispielshaft kann ein Wert von 2,5 Volt genannt werden.Furthermore, in particular, the end of discharge represents a limit value, which can be referred to as a “cut-off” value, and denotes the minimum voltage during the discharge process and thus the end of discharge. The "cut-off" prevents the cell from over-discharging. Usually the characteristic curve of the voltage, in particular the load voltage, drops at low charge states SoC sharply. In other words, the voltage characteristic curve for discharge depends on the state of charge SoC a falling "edge" at low charge states. The "cut-off" value is preferably selected within this falling "edge". A value of 2.5 volts can be mentioned as an example.

Es wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nun eine starke Korrelation zwischen dem bereits erwähnten Innenwiderstand und dem Alterungszustand SoH gefunden. Mittels Messungen von kalendarisch gealterten Zellen konnte gezeigt werden, dass ein allgemeiner Trend eines abnehmenden Innenwiderstands mit abnehmendem SoH besteht. Diese deutliche Korrelation wurde insbesondere bei Entladeschluss festgestellt. Der entsprechende Widerstandswert bei Entladeschluss wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch mit ΔR0% bezeichnet.In connection with the present invention, there has now been a strong correlation between the internal resistance already mentioned and the state of aging SoH found. Measurements of calendar-aged cells have shown that a general trend of decreasing internal resistance with decreasing SoH consists. This clear correlation was found especially at the end of discharge. The corresponding resistance value at the end of discharge is also used in connection with the present invention ΔR 0% designated.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Kennfeld bestimmt wird wenigstens durch die Schritte:

  • - Bestimmen einer Leerlaufspannung OCV in Abhängigkeit vom Alterungszustand SoH der Batterie;
  • - Bestimmen einer Lastspannung in Abhängigkeit vom Alterungszustand SoH der Batterie;
  • - Ermitteln einer Überspannung ΔU als Differenz der Lastspannung und der Leerlaufspannung OCV;
  • - Ermitteln des Innenwiderstandes ΔR auf Grundlage der Überspannung.
According to a further preferred embodiment, a method is described, the characteristic diagram being determined at least by the steps:
  • - Determine an open circuit voltage OCV depending on the state of aging SoH the battery;
  • - Determining a load voltage depending on the state of aging SoH the battery;
  • - Determine an overvoltage ΔU as the difference between the load voltage and the open circuit voltage OCV ;
  • - Determine the internal resistance ΔR based on the surge.

Anhand der Überspannung und des Stroms wird der Innenwiderstand bestimmt.The internal resistance is determined based on the overvoltage and the current.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Kennfeld in Abhängigkeit vom Ladungszustand SoC der Batterie bestimmt wird.According to a further embodiment, a method is described, the characteristic map depending on the charge state SoC the battery is determined.

Um eine möglichst umfassende Information über die Spannungscharakteristika zu erhalten, wird das Kennfeld bei unterschiedlichen SoC der Batterie bestimmt. Insgesamt kann so die Genauigkeit des Kennfeldes und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verbessert werden. In order to obtain the most comprehensive information possible about the voltage characteristics, the map is made for different SoC of the battery. Overall, the accuracy of the characteristic diagram and thus also the accuracy of the determination of the aging condition of the battery can be improved in accordance with the method according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Kennfeld in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt wird.According to a further embodiment, a method is described, the characteristic diagram being determined as a function of the temperature.

Um eine möglichst umfassende Information über die Spannungscharakteristika zu erhalten, wird das Kennfeld bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Insgesamt kann so die Genauigkeit des Kennfeldes und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verbessert werden. Die Temperatur ist insbesondere beachtlich, da das Kennfeld den Innenwiderstand der Zelle abbildet, der auf den Überspannungen beruht, welche als kinetische Parameter temperaturabhängig sind.The map is determined at different temperatures in order to obtain the most comprehensive information possible about the voltage characteristics. Overall, the accuracy of the characteristic diagram and thus also the accuracy of the determination of the aging condition of the battery can be improved in accordance with the method according to the invention. The temperature is particularly noteworthy since the characteristic diagram shows the internal resistance of the cell, which is based on the overvoltages, which are temperature-dependent as kinetic parameters.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei die Vollzell-Leerlaufspannung OCV aus der Leerlaufspannung OCV der Anode und der Leerlaufspannung OCV der Kathode konstruiert wird.According to a further preferred embodiment, a method is described in which the full-cell open-circuit voltage OCV from the open circuit voltage OCV the anode and the open circuit voltage OCV the cathode is constructed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei die Vollzell-Lastspannung aus der Lastspannung der Anode und der Lastspannung der Kathode konstruiert wird.According to a further preferred embodiment, a method is described in which the full-cell load voltage is constructed from the load voltage of the anode and the load voltage of the cathode.

Gemäß einer Ausführungsform findet die Bestimmung der Leerlaufspannung wie folgt statt: Zur Sicherstellung, dass die OCV Spannung möglichst unter Lastfreiheit gemessen wird, kann die OCV durch eine externe zusätzliche Spannungsmessung erfolgen, wenn die Batterie seit längerer Zeit, bevorzugt wenigstens 10 Minuten, abgeschaltet war. According to one embodiment, the determination of the open circuit voltage takes place as follows: To ensure that the OCV If possible, voltage is measured under no load OCV by an external additional voltage measurement if the battery has been switched off for a long time, preferably at least 10 minutes.

Besonders bevorzugt wird gemäß einer ersten Ausführungsform die Leerlaufspannung gemessen, nachdem die Batterie lange Zeit gar nicht belastet wurde. Hierbei muss die zu identifizierende Batterie vom System idealerweise vom System „abgekoppelt“ sein und es darf kein Stromfluss in die oder aus der Zelle erfolgen. Dies erhöht die Genauigkeit der Methode.According to a first embodiment, the open circuit voltage is particularly preferably measured after the battery has not been loaded for a long time. Here, the battery to be identified must ideally be “disconnected” from the system and there must be no current flow into or out of the cell. This increases the accuracy of the method.

Für den Fall eines Systems mit Niederspannungsnetz wird ein bevorzugtes Messverfahren im Folgenden beschrieben: Die Spannungsmessung erfolgt über ein im Fahrzeug vorhandenes Niederspannungsnetz. Die Hochvolt-Batterie wird hierzu nicht eingeschaltet und war vor der Messung für einen möglichst langen Zeitraum, zum Beispiel mindestens 10 Minuten, abgeschaltet. Die Spannungsmessung kann für die Batterie, ein oder mehrere Module oder nur ein oder mehrere Einzelzellen erfolgen.In the case of a system with a low-voltage network, a preferred measurement method is described below: The voltage measurement is carried out via a low-voltage network in the vehicle. The high-voltage battery is not switched on for this purpose and was switched off for as long as possible, for example at least 10 minutes, before the measurement. The voltage measurement can take place for the battery, one or more modules or just one or more individual cells.

Für den Fall eines Systems ohne Niederspannungsnetz wird ein bevorzugtes Messverfahren im Folgenden beschrieben: Da die Hochvoltbatterie nicht belastet werden darf, benötigt das System für die Spannungsmessung ein eigenes Messsystem mit autarker Energieversorgung. Das Messsystem kann beispielsweise über Pufferkondensatoren betrieben werden, die nach Ankopplung des Hochvoltsystems entsprechend wieder geladen werden.In the case of a system without a low-voltage network, a preferred measurement method is described below: Since the high-voltage battery must not be loaded, the system requires a separate measurement system with a self-sufficient energy supply for voltage measurement. The measuring system can be operated, for example, via buffer capacitors, which are recharged accordingly after the high-voltage system has been connected.

Ist eine Messung der tatsächlichen OCV nicht möglich, kann eine Spannung verwendet, die gemessen wurde, nachdem die Batterie für einen möglichst lange Zeitraum mit nur einem möglichst geringen Strom belastet wurde.Is a measurement of the actual OCV not possible, a voltage can be used that was measured after the battery has been loaded with as little current as possible for as long as possible.

Diese hier beschriebene erste Ausführungsform zur Messung der Leerlaufspannung ermöglicht eine besonders hohe Genauigkeit.This first embodiment described here for measuring the open circuit voltage enables particularly high accuracy.

Besonders bevorzugt wird gemäß einer weiteren Ausführungsform die Leerlaufspannung gemessen, wenn die Zelle bevorzugt wenigstens 10 Minuten mit einem Strom kleiner eines definierten Grenzstroms belastet wurde. Bespielhaft wird ein Grenzstrom von kleiner als C50 angeben, also einer Entladung der Batterie mit diesem Strom in mehr als 50 Stunden, wenn dieser Strom konstant anliegen würdeAccording to a further embodiment, the open circuit voltage is particularly preferably measured when the cell has preferably been loaded with a current of less than a defined limit current for at least 10 minutes. A limit current of less than is exemplary C50 indicate, i.e. a discharge of the battery with this current in more than 50 hours if this current would be constantly present

Diese weitere Ausführungsform ist weniger genau als die erste Ausführungsform, kann aber schnell und effizient durchgeführt werden.This further embodiment is less accurate than the first embodiment, but can be done quickly and efficiently.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine weitere Verbesserung der Genauigkeit für die Bestimmung der Leerlauf-Spannung mittels einer Abschätzung der relaxierten Spannung durch Extrapolation des Spannungsverlaufs außerhalb der Pausenzeit erreicht.According to a further preferred embodiment, a further improvement in the accuracy for the determination of the open circuit voltage is achieved by estimating the relaxed voltage by extrapolation of the voltage curve outside the pause time.

Gemäß einem allgemeineren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren umfassend die Schritte:

  • - Messung und/oder Berechnung und/oder Bestimmung wenigstens einer Zustandsgröße einer Batterie
  • - Berechnung und/oder Bestimmung einer weiteren Größe unter Berücksichtigung der wenigstens einen Zustandsgröße
In a more general aspect, the invention relates to a method comprising the steps:
  • - Measurement and / or calculation and / or determination of at least one state variable of a battery
  • - Calculation and / or determination of a further variable, taking into account the at least one state variable

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann die Zustandsgröße die Differenz des Innenwiderstands der Batterie sein. Die weitere Größe kann ein Alterungszustand der Batterie, insbesondere der State-of-Health, SoH, der Batterie sein.In the context of the present invention, the state variable can be the difference in the internal resistance of the battery. The further size can be an aging state of the battery, in particular the state of health, SoH , the battery.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

  • - Bestimmung der Überspannungen bei Entladeschluss
  • - Berechnung des Innenwiderstandes
  • - Abgleich des Innenwiderstandes mit einem Kennfeld zur Bestimmung des SoH
In a preferred embodiment, the method comprises the steps:
  • - Determination of overvoltages at the end of discharge
  • - Calculation of the internal resistance
  • - Comparison of the internal resistance with a map to determine the SoH

Bevorzugt finden die zuletzt genannten Schritte beim Fahren und/oder beim Betrieb des Fahrzeuges statt.The last-mentioned steps preferably take place when driving and / or operating the vehicle.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren vorbereitete Messungen, welche auch Teil des Verfahrens, insbesondere Verfahrensschritte, sein können:

  • Das Kennfeld kann dabei auch für unterschiedliche Temperaturen und SoCs bestimmt werden. Das Modell kann auch um weitere Alterungsmechanismen ergänzt werden, wie einem Anstieg des Innenwiderstandes und/oder Verlust von Aktivmaterial.
In a preferred embodiment, the method comprises prepared measurements, which can also be part of the method, in particular method steps:
  • The map can also be used for different temperatures and SoCs be determined. The model can also be supplemented by other aging mechanisms, such as an increase in internal resistance and / or loss of active material.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Batteriealterung, umfassend wenigstens die folgenden Verfahrensschritte:

  • Bestimmung eines Batteriealterungszustandes mittels eines ersten Verfahrens. Bei Eintreten einer von dem Batteriezustand abhängigen Bedingung, disktrete oder kontinuierliche Umschaltung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Batteriealterung. Dabei kann der Batteriezustand beispielsweise ein bestimmter Ladezustand SoC, insbesondere 50 %, bevorzugt 30 %, besonders bevorzugt 20 % sein. Die Bedingung kann dabei umfassen, dass der genannte Wert des Batteriezustands entweder über- oder unterschritten wird. Weiterhin kann die Umschaltung über einen Bereich, insbesondere ausgehend von den genannten Batteriezuständen, kontinuierlich stattfinden. Dazu kann durch Interpolation, insbesondere lineare Interpolation, zwischen den mittels des ersten und des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Batteriealterungen von dem einen Verfahren auf das andere Verfahren umgeschaltet werden. Insbesondere beginnt die Umschaltung bei Über- oder Unterschreiten der genannten Ladezustände als Bedingung und endet bei Erreichen eines zweiten Ladezustands, der von dem ersten insbesondere um 30 %, bevorzugt 20 %, besonders bevorzugt 10 % unterschiedlich ist.
The invention also relates to a method for determining battery aging, comprising at least the following method steps:
  • Determining a battery aging condition using a first method. When a condition dependent on the battery condition occurs, discrete or continuous switchover to the method according to the invention for determining a battery aging. The battery status can be, for example, a specific charge status SoC , in particular 50%, preferably 30%, particularly preferably 20%. The condition can include that the stated value of the battery state is either exceeded or undershot. Furthermore, the switchover can take place continuously over a range, in particular based on the battery states mentioned. For this purpose, interpolation, in particular linear interpolation, can be used to switch between the battery ages determined by means of the first method and the method according to the invention from one method to the other. In particular, the switchover begins as a condition when the above-mentioned charging states are exceeded or undershot and ends when a second charging state is reached, which differs from the first in particular by 30%, preferably 20%, particularly preferably 10%.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuergerät beschrieben, welches zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Steuergerät und Kontrolleinheit synonym verwendet.According to a further embodiment, a control device is described which is designed to carry out the method according to the invention. In connection with the present invention, the terms control unit and control unit are used synonymously.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Fahrzeug beschrieben, umfassend wenigstens ein solches Steuergerät.According to a further embodiment, a vehicle is described comprising at least one such control unit.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1a ein Verfahren zur Bestimmung der Leerlaufspannung OCV gemäß einer Ausführungsform;
  • 1b ein Verfahren zur Bestimmung der Lastspannung gemäß einer Ausführungsform;
  • 2a ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH miteinander korreliert;
  • 2b ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH miteinander korreliert in Abhängigkeit vom Ladungszustand SoC der Batterie;
  • 3 ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 ein System zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 ein System zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 eine Abhängigkeit des Innenwiderstandes ΔR vom Alterungszustand SoH der Zelle;
  • 7a Kennlinien der Halbzellen und der Vollzelle sowohl als OCV als auch bei Entladung und
  • 7b eine Veränderung der Kennlinien der Halbzellen als auch der Vollzelle sowohl als OCV als auch bei Entladung nach anodischer Lithium-Entnahme.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1a a method for determining the open circuit voltage OCV according to one embodiment;
  • 1b a method for determining the load voltage according to an embodiment;
  • 2a a method for determining a map, which the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated with each other;
  • 2 B a method for determining a map, which the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlates with each other depending on the state of charge SoC the battery;
  • 3rd a method for determining the aging condition of the battery according to an embodiment of the invention;
  • 4th a system for determining the aging condition of the battery according to an embodiment of the invention;
  • 5 a system for determining the aging condition of the battery according to a further embodiment of the invention;
  • 6 a dependence of the internal resistance ΔR from the state of aging SoH the cell;
  • 7a Characteristic curves of the half cells and the full cell both as OCV as well as at discharge and
  • 7b a change in the characteristics of the half cells and the full cell both as OCV as well as when discharging after anodic lithium removal.

1a zeigt die Bestimmung der Leerlaufspannung OCV gemäß einer Ausführungsform zur Ermittlung eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR mit dem Alterungszustand SoH korreliert. 1b zeigt die Bestimmung der Lastspannung gemäß einer Ausführungsform zur Ermittlung eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR mit dem Alterungszustand SoH korreliert. Die bevorzugten Schritte hierzu werden im Folgenden im Detail beschrieben:

  • Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert, dass als vorbereitende Maßnahme ein Kennfeld bestimmt wird, welches den Innenwiderstand ΔR mit dem Alterungszustand SoH korreliert. Mittels des Kennfeldes kann, nach Inbetriebnahme des Fahrzeugs, der Alterungszustand der Batterie nach Bestimmung des Innenwiderstands ΔR ermittelt werden. Um das Kennfeld zu ermitteln, werden zunächst die Leerlaufspannung OCV und die Lastspannung 20b bestimmt. Das Bestimmen der Leerlaufspannung OCV ist in 1a gezeigt.
1a shows the determination of the open circuit voltage OCV According to an embodiment for determining a map which shows the internal resistance ΔR with the state of aging SoH correlated. 1b shows the determination of the load voltage according to an embodiment for determining a map, which the internal resistance ΔR with the state of aging SoH correlated. The preferred steps for this are described in detail below:
  • The method according to the invention requires that, as a preparatory measure, a map is determined which shows the internal resistance ΔR with the state of aging SoH correlated. After starting the vehicle, the map can be used to determine the aging condition of the battery after determining the internal resistance ΔR be determined. In order to determine the map, first the open circuit voltage OCV and the load voltage 20b certainly. Determining the open circuit voltage OCV is in 1a shown.

Die Leerlaufspannung OCV, genauer gesagt die Vollzell-Leerlaufspannung 20a, kann aus der Leerlaufspannung OCV der Anode 10a und der Leerlaufspannung OCV der Kathode 15a konstruiert werden, gemäß der folgenden Gleichung Eq 1a: O C V F u l l ( S o C o c v ) = O C V C a t h ( S o C o c v ) O C V A n ( S o C o c v ) .

Figure DE102019211913A1_0002
The open circuit voltage OCV , more precisely the full cell open circuit voltage 20a , can from the open circuit voltage OCV the anode 10a and the open circuit voltage OCV the cathode 15a can be constructed according to the following equation Eq 1a: O C. V F u l l ( S O C. O c v ) = O C. V C. a t H ( S O C. O c v ) - O C. V A n ( S O C. O c v ) .
Figure DE102019211913A1_0002

Wie sich aus der Gleichung Eq 1a ergibt, ist die Leerlaufspannung abhängig vom Ladungszustand der Zelle. Bevorzugt werden Messungen der Leerlaufspannung bei unterschiedlichen Ladungszuständen durchgeführt. Insbesondere wird die Leerlaufspannung bevorzugt bei Ladezuständen von 0 bis 20 % SoCocv bestimmt. Ferner sollte die Messung bevorzugt bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Variation der Ladezyklen stattfinden. Alternativ oder zusätzlich zu der Messung der Halbzellen kann auch eine Messung der Leerlaufspannung OCV der Vollzelle stattfinden. Findet die Messung der Leerlaufspannung der Vollzelle zusätzlich zur Messung der Halbzellen statt, kann diese zur Überprüfung der konstruierten Spannung verwendet werden. Für standarisierte Zellen kann die Leerlaufspannung OCV aus der Literatur 5a entnommen werden.As can be seen from equation Eq 1a, the open circuit voltage is dependent on the state of charge of the cell. Measurements of the open circuit voltage at different charge states are preferably carried out. In particular, the open circuit voltage is preferably determined for states of charge of 0 to 20% SoCocv. Furthermore, the measurement should preferably take place at different temperatures. In addition, the charging cycles can also be varied. As an alternative or in addition to the measurement of the half cells, a measurement of the open circuit voltage can also be carried out OCV the full cell. If the open-circuit voltage of the full cell is measured in addition to the measurement of the half-cells, this can be used to check the constructed voltage. For standardized cells, the open circuit voltage can OCV from the literature 5a be removed.

Das Bestimmen der Lastspannung ist in 1b gezeigt. Die Lastspannung, genauer gesagt die Vollzell-Lastspannung 20b, kann aus der Lastspannung der Anode 10b und der Lastspannung der Kathode 15b konstruiert werden, gemäß der folgenden Gleichung Eq 1b: U D C H , F u l l ( S o C o c v ) = U D C H , C a t h ( S o C o c v ) U D C H , A n ( S o C o c v ) .

Figure DE102019211913A1_0003
The determination of the load voltage is in 1b shown. The load voltage, more precisely the full cell load voltage 20b , can be determined from the load voltage of the anode 10b and the load voltage of the cathode 15b can be constructed according to the following equation Eq 1b: U D C. H , F u l l ( S O C. O c v ) = U D C. H , C. a t H ( S O C. O c v ) - U D C. H , A n ( S O C. O c v ) .
Figure DE102019211913A1_0003

Wie sich aus der Gleichung ergibt, ist die Lastspannung abhängig vom Ladungszustand der Zelle. Bevorzugt werden Messungen der Lastspannung bei unterschiedlichen Ladungszuständen durchgeführt. Insbesondere wird die Lastspannung bevorzugt bei Ladezuständen von 0 bis 20 % SoCocv bestimmt.As can be seen from the equation, the load voltage depends on the state of charge of the cell. Measurements of the load voltage at different charge states are preferably carried out. In particular, the load voltage is preferably determined for states of charge of 0 to 20% SoCocv.

Ferner sollte die Messung bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen, da insbesondere die Lastspannung je nach Temperatur unterschiedlich sein kann. Darüber hinaus kann auch eine Variation der Ladezyklen stattfinden. Alternativ oder zusätzlich zu der Messung der Halbzellen kann auch eine Messung der Lastspannung der Vollzelle stattfinden. Findet die Messung der Lastspannung der Vollzelle zusätzlich zur Messung der Halbzellen statt, kann diese zur Überprüfung der konstruierten Spannung verwendet werden. Für standarisierte Zellen kann die Lastspannung aus der Literatur 5b entnommen werden.Furthermore, the measurement should take place at different temperatures, since in particular the load voltage can vary depending on the temperature. In addition, the charging cycles can also be varied. As an alternative or in addition to the measurement of the half cells, the load voltage of the full cell can also be measured. If the measurement of the load voltage of the full cell takes place in addition to the measurement of the half cells, this can be used to check the constructed voltage. For standardized cells, the load voltage can be found in the literature 5b be removed.

2a zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes bei Entladeschluss, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH miteinander korreliert. 2b zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH miteinander korreliert in Abhängigkeit vom Ladungszustand SoC der Batterie. Die bevorzugten Schritte hierzu werden im Folgenden im Detail beschrieben:

  • Das Kennfeld 31a bei Entladeschluss kann bestimmt werden, nach dem Bestimmen der Leerlaufspannung 20a und ein Bestimmen der Lastspannung 20b, wie dies in 1a und 1b beschrieben worden ist. Hieraus lässt sich nun eine Überspannung ΔU als Differenz der Lastspannung 20a und der Leerlaufspannung 20b ermitteln und damit der Innenwiderstand ΔR auf Grundlage der Überspannung ΔU und unter Berücksichtigung des Entladestroms. Der Innenwiderstand ist zunächst in Abhängigkeit des Alterungszustandes SoH bestimmt worden, 30a. Durch Invertieren erhält man ein Kennfeld 31a, welches den Alterungszustand SoH in Abhängigkeit vom Innenwiderstand ΔR darstellt. Dieses Kennfeld 31a wird im Kennfeldspeicher 35a des Fahrzeuges abgelegt und kann zur Bestimmung des Alterungszustandes SoC der Batterie 105 gemäß der Verfahren gemäß der Erfindung genutzt werden.
2a shows a method for determining a map at the end of discharge, which the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated with each other. 2 B shows a method for determining a map, which the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlates with each other depending on the state of charge SoC the battery. The preferred steps for this are described in detail below:
  • The map 31a at the end of discharge can be determined after determining the open circuit voltage 20a and determining the load voltage 20b how this in 1a and 1b has been described. An overvoltage can now be derived from this ΔU as the difference in load voltage 20a and the open circuit voltage 20b determine and thus the internal resistance ΔR based on the surge ΔU and taking into account the discharge current. The internal resistance is initially dependent on the Aging condition SoH been determined 30a . A map is obtained by inverting 31a which indicates the state of aging SoH depending on the internal resistance ΔR represents. This map 31a is in the map memory 35a of the vehicle and can be used to determine the state of aging SoC the battery 105 be used according to the method according to the invention.

Während in 2a das Kennfeld 31a allgemein bestimmt worden ist, kann das Kennfeld 31b auch bevorzugt in Abhängigkeit des Ladungszustandes SoC bestimmt werden. Dies ist in 2b gezeigt. Zunächst erfolgt ein Bestimmen der Leerlaufspannung 20a und ein Bestimmen der Lastspannung 20b, wie dies in 1a und 1b beschrieben worden ist. Hieraus lässt sich nun eine Überspannung ΔU als Differenz der Lastspannung 20a und der Leerlaufspannung 20b ermitteln und damit der Innenwiderstand ΔR auf Grundlage der Überspannung ΔU und des Entladestroms. Für unterschiedliche Ladungszustände SoC ergeben sich mitunter unterschiedliche Werte. Der Innenwiderstand ist damit zunächst in Abhängigkeit des Alterungszustandes SoH und in Abhängigkeit des Ladungszustandes SoC bestimmt worden, 30b. Durch Invertieren erhält man ein Kennfeld 31b, welches den Alterungszustand SoH in Abhängigkeit vom Innenwiderstand ΔR und Ladungszustand SoC darstellt. Dieses Kennfeld 31b wird im Kennfeldspeicher 35b des Fahrzeuges abgelegt und kann zur Bestimmung des Alterungszustandes SoC der Batterie 105 gemäß der Verfahren gemäß der Erfindung genutzt werden.While in 2a the map 31a has been generally determined, the map 31b also preferably depending on the state of charge SoC be determined. This is in 2 B shown. First, the open circuit voltage is determined 20a and determining the load voltage 20b how this in 1a and 1b has been described. An overvoltage can now be derived from this ΔU as the difference in load voltage 20a and the open circuit voltage 20b determine and thus the internal resistance ΔR based on the surge ΔU and the discharge current. For different charge states SoC there are sometimes different values. The internal resistance is initially dependent on the state of aging SoH and depending on the state of charge SoC been determined 30b . A map is obtained by inverting 31b which indicates the state of aging SoH depending on the internal resistance ΔR and state of charge SoC represents. This map 31b is in the map memory 35b of the vehicle and can be used to determine the state of aging SoC the battery 105 be used according to the method according to the invention.

3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Beim Fahren 40 wird die Lastspannung gemessen, 42. Außerhalb des Betriebes des Fahrzeugs kann die Batteriespannung relaxieren, 44. Anders ausgedrückt stellt sich eine Zellspannung ein, die im Wesentlichen der Gleichgewichtsspannung der Zelle entspricht. Bevorzugt sollte die Relaxationszeit wenigstens 30 Minuten betragen. Die gemessene Spannung entspricht dann im Wesentlichen der Leerlaufspannung OCV, 46. Aus der Leerlaufspannung und der Lastspannung kann der Innenwiderstand bestimmt werden. Hierzu wird die Überspannung anhand der folgenden Gleichung 2a ermittelt Eq 2a: Δ U = U r e l a x e d U e n d   o f   D C H ,

Figure DE102019211913A1_0004
3rd shows a method for determining the aging state of the battery according to an embodiment of the invention. While driving 40 the load voltage is measured, 42 . The battery voltage can relax outside the operation of the vehicle, 44 . In other words, a cell voltage arises which essentially corresponds to the equilibrium voltage of the cell. The relaxation time should preferably be at least 30 minutes. The measured voltage then essentially corresponds to the open circuit voltage OCV , 46 . The internal resistance can be determined from the open circuit voltage and the load voltage. For this purpose, the overvoltage is determined using the following equation 2a Eq 2a : Δ U = U r e l a x e d - U e n d O f D C. H ,
Figure DE102019211913A1_0004

Anhand der Überspannung und dem Strom bei Entladung wird der Innenwiderstand der Zelle bestimmt mittels der folgenden Gleichung 2b, Eq 2: R 0 % = Δ R Δ I = U r e l a x e d U e n d   o f   D C H I D C H .

Figure DE102019211913A1_0005
Based on the overvoltage and the current at discharge, the internal resistance of the cell is determined using the following equation 2b, Eq 2nd : R 0 % = Δ R Δ I. = U r e l a x e d - U e n d O f D C. H I. D C. H .
Figure DE102019211913A1_0005

Ein Kennfeld, welches den Innenwiderstand ΔR mit dem Alterungszustand korreliert, wurde (wie bereits zuvor mittels 1 und 2 beschrieben) bestimmt und im Kennfeldspeicher des Fahrzeugs abgelegt, 47. Mittels des Kennfeldes kann aus dem erhaltenen Innenwiderstand ΔR der Alterungszustand ermittelt werden, 48.A map showing the internal resistance ΔR correlated with the state of aging, was (as before using 1 and 2nd described) and stored in the map memory of the vehicle, 47 . Using the map, the internal resistance obtained can be used ΔR the state of aging can be determined 48 .

4 zeigt ein System zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie 105 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System umfasst ein Ladegerät 100, mittels welchem die Batterie 105 geladen werden kann. Die Batterie umfasst eine elektrochemische Zelle 110. Ferner sind Messgeräte vorgesehen. Insbesondere kann mittels des Spannungsmessgerätes 111 die Batteriespannung gemessen werden. Dies ermöglicht die Bestimmung der Leerlaufspannung und der Lastspannung. Ein Strommessgerät 112 erlaubt, die vorliegenden Ströme zu messen. Ferner ist ein Temperaturmessgerät 113 vorgesehen, um die Temperatur zu kontrollieren. Die Informationen, die von den Messgeräten 111, 112, 113 erfasst werden, werden zu einer Kontrolleinheit 120 übermittelt. Aus der Leerlaufspannung und der Lastspannung und dem bei Entladung gemessenen Strom kann der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle 110 bestimmt werden. Das Kennfeld, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH korreliert, wird dann im Kennfeldspeicher der Kontrolleinheit 120 abgelegt. Mittels des Kennfeldes kann aus dem erhaltenen Innenwiderstand ΔR der Alterungszustand der Batterie 105 ermittelt werden. Dieser wird dem Fahrzeugführer über den Bildschirm 130 angezeigt. 4th shows a system for determining the aging condition of the battery 105 according to an embodiment of the invention. The system includes a charger 100 , by means of which the battery 105 can be loaded. The battery contains an electrochemical cell 110 . Measuring devices are also provided. In particular, by means of the voltage measuring device 111 the battery voltage can be measured. This enables the determination of the open circuit voltage and the load voltage. An ammeter 112 allowed to measure the existing currents. Furthermore, a Temperature measuring device 113 provided to control the temperature. The information provided by the measuring devices 111 , 112 , 113 recorded become a control unit 120 transmitted. The internal resistance of the electrochemical cell can be determined from the open circuit voltage and the load voltage and the current measured during discharge 110 be determined. The map, which shows the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated, is then in the map memory of the control unit 120 filed. Using the map, the internal resistance obtained can be used ΔR the aging of the battery 105 be determined. This is shown to the driver on the screen 130 displayed.

5 zeigt ein System zur Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie 105 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das System umfasst ein Ladegerät 100, mittels welchem die Batterie 105 geladen werden kann. Die Batterie umfasst mehrere elektrochemische Zellen 110a, 110b, 110c. Ferner sind in jeder der Zellen Messgeräte vorgesehen. Insbesondere kann mittels des Spannungsmessgerätes 111 die Batteriespannung gemessen werden. Dies ermöglicht die Bestimmung der Leerlaufspannung und der Lastspannung. Ein Strommessgerät 112 erlaubt, die vorliegenden Ströme zu messen. Ferner ist ein Temperaturmessgerät 113 vorgesehen, um die Temperatur zu kontrollieren. Die Informationen, die von den Messgeräten 111, 112, 113 für jede der Zellen 110a, 110b und 110c erfasst werden, werden zu einer Kontrolleinheit 120 übermittelt. Aus der Leerlaufspannung und der Lastspannung und dem bei Entladung gemessenen Strom kann der Innenwiderstand der elektrochemischen Zellen 110a, 110b und 110c bestimmt werden. Das Kennfeld, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH korreliert, ist im Kennfeldspeicher der Kontrolleinheit 120 abgelegt. Mittels des Kennfeldes kann aus dem erhaltenen Innenwiderstand ΔR der Alterungszustand SoH jeder der Zellen 110a, 110b, 110c einzeln und damit auch der gesamten Batterie 105 ermittelt werden. Dieser wird dem Fahrzeugführer über den Bildschirm 130 angezeigt. 5 shows a system for determining the aging condition of the battery 105 according to a further embodiment of the invention. The system includes a charger 100 , by means of which the battery 105 can be loaded. The battery contains several electrochemical cells 110a , 110b , 110c . Measuring devices are also provided in each of the cells. In particular, by means of the voltage measuring device 111 the battery voltage can be measured. This enables the determination of the open circuit voltage and the load voltage. An ammeter 112 allowed to measure the existing currents. There is also a temperature measuring device 113 provided to control the temperature. The information provided by the measuring devices 111 , 112 , 113 for each of the cells 110a , 110b and 110c recorded become a control unit 120 transmitted. The internal resistance of the electrochemical cells can be determined from the open circuit voltage and the load voltage and the current measured during discharge 110a , 110b and 110c be determined. The map, which shows the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated, is in the map memory of the control unit 120 filed. Using the map, the internal resistance obtained can be used ΔR the state of aging SoH each of the cells 110a , 110b , 110c individually and therefore also the entire battery 105 be determined. This is shown to the driver on the screen 130 displayed.

6 zeigt die Abhängigkeit des Innenwiderstandes ΔR vom Alterungszustand SoH der Zelle. Es sind kalendarische Messungen 200 von Zellen, die bei unterschiedlichen Ladungszuständen und einer Temperatur von 23 °C gelagert wurden, gezeigt. Zudem ist eine Modellkennlinie 210 gezeigt. Die Modellkennlinie 210 und die kalendarischen Messungen stimmen gut überein. Die Figur zeigt gut den allgemeinen Trend eines abnehmenden Innenwiderstands bei Entladeschluss mit abnehmendem SoH, also mit abnehmender Menge mobilen Lithiums in der Zelle. Wird ein entsprechendes Kennfeld, welches den Innenwiderstand ΔR und den Alterungszustand SoH korreliert, im Kennfeldspeicher einer Kontrolleinheit eines Fahrzeugs abgelegt, kann mittels dieses Kennfeldes aus dem erhaltenen Innenwiderstand ΔR der Alterungszustand SoH, gemäß dem Verfahren der Erfindung, ermittelt werden. Hierbei macht man sich die deutliche Abhängigkeit von Innenwiderstand und SoH zunutze. 6 shows the dependence of the internal resistance ΔR from the state of aging SoH the cell. They are calendar measurements 200 of cells that were stored at different charge states and a temperature of 23 ° C. There is also a model characteristic 210 shown. The model characteristic 210 and the calendar measurements are in good agreement. The figure shows the general trend of decreasing internal resistance at the end of discharge with decreasing SoH with a decreasing amount of mobile lithium in the cell. Is a corresponding map showing the internal resistance ΔR and the state of aging SoH correlated, stored in the map memory of a control unit of a vehicle, can be obtained from the internal resistance obtained using this map ΔR the state of aging SoH , according to the method of the invention. Here you make the clear dependence on internal resistance and SoH advantage.

7a zeigt nun die Kennlinien der Halbzellen und der Vollzelle sowohl als OCV als auch bei Entladung. Die Batterie ist im Neuzustand. Die Spannungskennlinie OCV der Kathode 220 und die Spannungskennlinie der Kathode bei Entladung 222 sind gezeigt. Ferner ist die Spannungskennlinie OCV der Anode 230 gezeigt. Aus der Spannungskennlinie OCV der Anode 230 und der Spannungskennlinie OCV der Kathode 220 lässt sich die Spannungskennlinie OCV der Vollzelle 240 konstruieren. Für die anodische Spannungskennlinie wurde gefunden, dass die Überspannungen in guter Näherung vernachlässigt werden können. Für die Anode ist daher nur die Spannungskennlinie OCV gezeigt, von der im Zuge der hier verwendeten Näherung angenommen wird, dass diese mit der Spannungskennlinie bei Entladung im Wesentlichen übereinstimmt. Aus der Spannungskennlinie der Kathode bei Entladung 222 und der Spannungskennlinie OCV der Anode 230 lässt sich daher die Spannungskennlinie der Vollzelle 242 bei Entladung konstruieren. Bevorzugt findet auch eine Messung der Spannungskennlinien der Vollzelle statt - zwecks Kontrolle der konstruierten Kennlinien. Vorliegend ist ein unterer Spannungsgrenzwert von 2,5 V eingestellt. Dieser Spannungswert markiert hier den Entladeschluss. Der Figur kann entnommen werden, dass, während die Spannungskennlinie OCV der Vollzelle 240 einen Ladungszustand SoC von nahezu 0 % aufweist, die Spannungskennlinie der Vollzelle bei Entladung 242 einen Ladungszustand SoC aufweist, der höher liegt. Insgesamt ist damit die nutzbare Kapazität CStd geringer als die Kapazität unter OCV Bedingungen Cocv. Diese Ladungskapazitäten sind in der Abbildung durch die horizontalen Pfeile gezeigt. Ferner ist die Überspannung ΔU eingezeichnet, die sich als Differenz der Spannung OCV der Vollzelle und der Spannung der Vollzelle bei Entladung am Entladeschluss, also bei 2,5 V, ergibt. 7a now shows the characteristics of the half cells and the full cell both as OCV as well as when discharging. The battery is in new condition. The voltage characteristic OCV the cathode 220 and the voltage characteristic of the cathode when discharged 222 are shown. Furthermore, the voltage characteristic OCV the anode 230 shown. From the voltage characteristic OCV the anode 230 and the voltage characteristic OCV the cathode 220 the voltage characteristic OCV the full cell 240 to construct. It was found for the anodic voltage characteristic that the overvoltages can be neglected to a good approximation. Therefore, only the voltage characteristic is for the anode OCV shown, which is assumed in the course of the approximation used here that this essentially coincides with the voltage characteristic when discharging. From the voltage characteristic of the cathode when discharging 222 and the voltage characteristic OCV the anode 230 therefore the voltage characteristic of the full cell 242 construct on discharge. The voltage characteristic curves of the full cell are preferably also measured - for the purpose of checking the constructed characteristic curves. In the present case, a lower voltage limit of 2.5 V has been set. This voltage value marks the end of discharge here. The figure can be seen that while the voltage characteristic OCV the full cell 240 a state of charge SoC of almost 0%, the voltage characteristic of the full cell when discharged 242 a state of charge SoC which is higher. Overall, this is the usable capacity C hours less than the capacity below OCV conditions Cocv . These charge capacities are shown in the figure by the horizontal arrows. Furthermore, the overvoltage ΔU plotted as the difference in voltage OCV the full cell and the voltage of the full cell when discharging at the end of discharge, i.e. at 2.5 V.

7b zeigt nun die Veränderung der Kennlinien der Halbzellen als auch der Vollzelle sowohl als OCV als auch bei Entladung nach anodischer Lithium-Entnahme. 7b now shows the change in the characteristics of the half cells as well as the full cell both as OCV as well as when discharging after anodic lithium removal.

7b zeigt wie im Falle von 7a die Spannungskennlinien der Batterie im Neuzustand. Die Spannungskennlinie OCV der Vollzelle 240 beziehungsweise die Spannungskennlinie der Vollzelle bei Entladung 242 lässt sich wie oben beschrieben konstruieren. Nun ist gezeigt, wie eine Verminderung der mobilen Lithiumkonzentration an der Anode im Falle einer Batteriealterung zu einer Verschiebung der Kennlinien führt. Die Figur zeigt die nach rechts (allgemeiner formuliert: die Anode verschoben in Richtung niedrigerer Kathoden-Lithiierung) verschobene Spannungskennlinie OCV der Anode 230`, die aus der Lithiumentnahme resultiert, die verschobene Spannungskennlinie OCV der Vollzelle 240` und die verschobene Spannungskennlinie der Vollzelle bei Entladung 242'. Auch die verschobenen Kennlinien der Vollzelle 240' und 242' ergeben sich wie beschrieben aus den Spannungen der Halbzellen. Die Überspannung ΔU nach Batteriealterung ist eingezeichnet, die sich als Differenz der verschobenen Spannung OCV der Vollzelle und der Spannung der Vollzelle bei Entladung am Entladeschluss, also hier bei 2,5 V, ergibt. Ersichtlich ist, dass die Überspannung ΔU im Vergleich zu dem in 7a beschrieben Fall der neuen, das heißt nicht-gealterten, Zelle geringer ist. Die geringere Überspannung entspricht einem geringeren Innenwiderstand ΔR, der sich bei Berücksichtigung der Stromstärke aus der Überspannung bestimmen lässt. Diese Korrelation von Innenwiderstand und mobiler Lithiumkonzentration, die den Alterungszustand SoH beschreibt, wurde bereits zu 6 diskutiert. 7b shows like in the case of 7a the voltage characteristics of the battery when new. The voltage characteristic OCV the full cell 240 or the voltage characteristic of the full cell when discharging 242 can be constructed as described above. It is now shown how a reduction in the mobile lithium concentration at the anode leads to a shift in the characteristic curves in the event of battery aging. The figure shows the voltage characteristic shifted to the right (more generally formulated: the anode shifted in the direction of lower cathode lithiation) OCV the anode 230` resulting from the removal of lithium, the shifted voltage characteristic OCV the full cell 240` and the shifted voltage characteristic of the full cell when discharged 242 ' . Even the shifted characteristics of the full cell 240 ' and 242 ' result from the voltages of the half cells as described. The surge ΔU after battery aging it is shown as the difference in the shifted voltage OCV the full cell and the voltage of the full cell when discharging at the end of discharge, i.e. here at 2.5 V. It is evident that the surge ΔU compared to that in 7a described case of the new, i.e. non-aged, cell is less. The lower overvoltage corresponds to a lower internal resistance ΔR , which can be determined from the overvoltage, taking into account the current strength. This correlation of internal resistance and mobile lithium concentration, reflecting the aging condition SoH has already been described 6 discussed.

Bezugszeichenliste Reference symbol list

SoHSoH
AlterungszustandState of aging
SoCSoC
LadungszustandState of charge
OCVOCV
LeerlaufspannungOpen circuit voltage
ΔRΔR
Innenwiderstand Internal resistance
5a5a
OCV Vollzelle Literatur OCV Full cell literature
5b5b
Lastspannung Vollzelle LiteraturLoad voltage full cell literature
10a10a
Leerlaufspannung OCV AnodeOpen circuit voltage OCV anode
10b10b
Lastspannung AnodeAnode load voltage
15a15a
Leerlaufspannung OCV KathodeOpen circuit voltage OCV cathode
15b15b
Lastspannung KathodeLoad voltage cathode
20a20a
Leerlaufspannung OCV konstruiertOpen circuit voltage OCV constructed
20b20b
Lastspannung konstruiert Constructed load voltage
Eq1aEq1a
Gleichung 1aEquation 1a
Eq1bEq1b
Gleichung 1bEquation 1b
Eq2Eq2
Gleichung 2 Equation 2
30a30a
Kennfeld R(SoH)Map R ( SoH )
30b30b
Kennfeld R(SoH, SoC)Map R ( SoH , SoC )
31a31a
invertiertes Kennfeld SoH(R)inverted map SoH ( R )
31b31b
invertiertes Kennfeld SoH(R, SoC)inverted map SoH ( R , SoC )
35a35a
Speicher mit KennfeldMemory with map
35b35b
Speicher mit KennfeldMemory with map
4040
FahrenDrive
4242
Lastspannung messenMeasure load voltage
4444
RelaxationRelaxation
4646
Leerlaufspannung OCV Spannung messenOpen circuit voltage OCV measure the voltage
4747
Kennfeld R(SoC) bestimmenMap R ( SoC ) determine
4848
SoH bestimmen durch Abgleich mit Kennfeld SoH determine by comparison with map
100100
Ladegerätcharger
105105
Batteriebattery
110, 110a, 110b, 110c110, 110a, 110b, 110c
elektrochemische Zelleelectrochemical cell
111111
SpannungsmessgerätTension meter
112112
StrommessgerätAmmeter
113113
TemperaturmessgerätTemperature measuring device
120120
Kontrolleinheit / SteuergerätControl unit / control unit
130130
Bildschirm screen
200200
kalendarische Kennlinie ΔR gegen SoH calendar characteristic ΔR against SoH
210210
Modell-Kennlinie ΔR gegen SoH Model characteristic curve ΔR against SoH
220220
Spannungskennlinie OCV KathodeVoltage characteristic OCV cathode
222222
Spannungskennlinie Kathode bei EntladungVoltage characteristic curve cathode during discharge
230 230
Spannungskennlinie OCV AnodeVoltage characteristic OCV anode
230`230`
verschobene Spannungskennlinie OCV Anodeshifted voltage characteristic OCV anode
240240
Spannungskennlinie OCV VollzelleVoltage characteristic OCV Full cell
240`240`
verschobene Spannungskennlinie OCV Vollzelleshifted voltage characteristic OCV Full cell
242242
Spannungskennlinie Vollzelle bei EntladungFull cell voltage characteristic during discharge
242`242`
verschobene Spannungskennlinie bei Entladungshifted voltage characteristic during discharge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batterie (105) in einem Fahrzeug umfassend die Schritte: - Bestimmen (42) einer Lastspannung bei Fahrzeugbetrieb (40); - Relaxation (44) der Batterie (105) nach dem Fahrzeugbetrieb; - Bestimmen (46) einer Leerlaufspannung (OCV) nach der Relaxation; - Bestimmen eines Innenwiderstands (ΔR) aus der Lastspannung und der Leerlaufspannung (OCV); - Ableiten (48) des Alterungszustandes (SoH) der Batterie (105) mittels eines Kennfeldes (31a, 31b), welches den Innenwiderstand (ΔR) und den Alterungszustand miteinander korreliert.Method for determining an aging state of a battery (105) in a vehicle, comprising the steps: - determining (42) a load voltage during vehicle operation (40); - Relaxation (44) of the battery (105) after vehicle operation; - determining (46) an open circuit voltage (OCV) after relaxation; - determining an internal resistance (ΔR) from the load voltage and the open circuit voltage (OCV); - Deriving (48) the aging condition (SoH) of the battery (105) by means of a map (31a, 31b) which correlates the internal resistance (ΔR) and the aging condition with one another. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch 1, wobei der Ladungszustand (SoC) höchstens 20 % beträgt.Procedure according to the previous one Claim 1 , where the state of charge (SoC) is at most 20%. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kennfeld (31a, 31b) bestimmt wird durch die Schritte: - Bestimmen (48) einer Vollzell-Leerlaufspannung (OCV) in Abhängigkeit vom Alterungszustand (SoH) der Batterie (105); - Bestimmen (48) einer Vollzell-Lastspannung in Abhängigkeit vom Alterungszustand (SoH) der Batterie (105); - Ermitteln einer Überspannung (ΔU) als Differenz der Lastspannung und der Leerlaufspannung (OCV); - Ermitteln des Innenwiderstandes (ΔR) auf Grundlage der Überspannung.Method according to one of the preceding claims, wherein the characteristic diagram (31a, 31b) is determined by the steps: - determining (48) a full cell open circuit voltage (OCV) as a function of the aging state (SoH) of the battery (105); - determining (48) a full cell load voltage as a function of the aging state (SoH) of the battery (105); - Determining an overvoltage (ΔU) as the difference between the load voltage and the open circuit voltage (OCV); - Determine the internal resistance (ΔR) based on the overvoltage. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch 3, wobei das Kennfeld (31a, 31b) in Abhängigkeit vom Ladungszustand (SoC) der Batterie (105) bestimmt wird.Procedure according to the previous one Claim 3 , wherein the map (31a, 31b) is determined as a function of the state of charge (SoC) of the battery (105). Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, wobei die Vollzell-Leerlaufspannung (OCV) aus der Leerlaufspannung (OCV) der Anode (10a) und der Leerlaufspannung (OCV) der Kathode (15a) konstruiert wird.Method according to one of the two previous Claims 3 or 4th , wherein the full cell open circuit voltage (OCV) is constructed from the open circuit voltage (OCV) of the anode (10a) and the open circuit voltage (OCV) of the cathode (15a). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Vollzell-Lastspannung aus der Lastspannung der Anode (10b) und der Lastspannung der Kathode (15b) konstruiert wird.Method according to one of the preceding Claims 3 to 5 , wherein the full-cell load voltage is constructed from the load voltage of the anode (10b) and the load voltage of the cathode (15b). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (105) ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the battery (105) is a lithium-ion accumulator. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (42) der Lastspannung bei Entladeschluss stattfindet.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination (42) of the load voltage takes place at the end of discharge. Steuergerät (120), welches zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Control device (120) which is designed to carry out the method according to one of the preceding claims. Fahrzeug, umfassend wenigstens ein Steuergerät (120) gemäß Anspruch 9.Vehicle, comprising at least one control unit (120) according to Claim 9 .
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