DE102020005011A1

DE102020005011A1 - Ermitteln einer von einem Alterungszustand einer Batterie abhängigen Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie

Info

Publication number: DE102020005011A1
Application number: DE102020005011.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Bernreuter; Matthias Warmuth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer von einem Alterungszustand einer Batterie abhängigen Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48), bei dem die Batterie bis zu einer maximalen Leerlaufspannung aufgeladen wird, bis zur ersten elektrischen Leerlaufspannung (OCV1) entladen und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine erste elektrische Ladung ermittelt wird, anhand einer Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) abhängig von der ersten Leerlaufspannung (OCV1) eine erste elektrische Referenzladung (QBOL1) ermittelt und ein erster Quotient aus der ersten elektrischen Ladung (Q1) und der ersten elektrischen Referenzladung (QBOL1) ermittelt wird, die Batterie bis zur zweiten elektrischen Leerlaufspannung (OCV2) weiter entladen wird und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine zweite elektrische Ladung (Q2) ermittelt wird, anhand der Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie eine zweite elektrische Referenzladung (QBOL2) ermittelt und ein zweiter Quotient aus der zweiten elektrischen Ladung (Q2) und der zweiten elektrischen Referenzladung (QBOL2) ermittelt wird, wobei abhängig von dem ersten und dem zweiten Quotienten die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln einer von einem Alterungszustand einer Batterie abhängigen Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie, bei dem eine erste elektrische Leerlaufspannung erfasst und die Batterie ausgehend von der ersten Leerlaufspannung entladen wird, wobei ein elektrischer Batteriestrom erfasst wird, bis eine zweite elektrische Leerlaufspannung erfasst wird, wobei abhängig von dem erfassten Batteriestrom eine elektrische Ladung ermittelt und abhängig von der elektrischen Ladung die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie bestimmt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladungszustands einer Batterie, wobei eine elektrische Leerlaufspannung der Batterie erfasst und anhand einer Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie abhängig von der erfassten elektrischen Leerlaufspannung ein Ladungszustand der Batterie ermittelt wird.
Batterien werden in vielfältigsten Anwendungen im Stand der Technik eingesetzt, um eine Versorgung mit elektrischer Energie bereitstellen zu können. Dies gilt insbesondere für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, bei denen eine Fahrzeugbatterie die elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder auch ein Elektrofahrzeug sein. Nicht nur aber besonders für den Betrieb von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist es wichtig zu wissen, wie groß eine Reichweite des Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung eines aktuellen Ladungszustands der Batterie ist.
Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Reichweite anhand eines Ladungszustands der Batterie zu ermitteln. Dabei wird in der Regel genutzt, dass die Leerlaufspannung vom Ladungszustand der Batterie abhängig ist. Daher kann eine Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie genutzt werden, anhand derer es möglich ist, auf den aktuellen Ladungszustand der Batterie zurückzuschließen, wenn eine entsprechende Leerlaufspannung der Batterie erfasst wird. Die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie kann darüber hinaus eine elektrische Kapazität der Batterie berücksichtigen. Die Leerlaufspannung einer Batterie ist die elektrische Spannung, die an Anschlussklemmen der Batterie bereitgestellt wird, wenn ein Batteriestrom sehr klein, vorzugsweise im Wesentlichen etwa null ist. Anhand der Kennlinie der entsprechenden Batterie kann somit der entsprechende Ladungszustand berechnet werden.
Eine Batterie im Sinne dieser Offenbarung meint insbesondere eine wieder aufladbare Batterie. Eine derartige Batterie weist zumindest eine Batteriezelle auf. Insbesondere wenn die Batterie als Fahrzeugbatterie konstruiert ist, weist sie eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die je nach Anwendung zumindest teilweise in Reihe geschaltet sein können. Darüber hinaus kann ergänzend oder alternativ auch eine Parallelschaltung der Batteriezellen vorgesehen sein. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel zumindest eine galvanische Zelle, die wenigstens zwei Elektroden aufweist, die mit Anschlusskontakten der Batteriezelle elektrisch verbunden sind. Die Elektroden stehen über einen Elektrolyten miteinander elektrochemisch in Wechselwirkung, sodass die galvanische Zelle elektrochemisch Energie zu speichern vermag. Eine galvanische Zelle kann zum Beispiel eine Blei-Säure-Zelle, eine Lithium-Ion-Zelle, eine Cadmium-Nickel-Zelle oder dergleichen sein. Abhängig von der vorgenannten Zellchemie können jeweilige Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien ermittelt werden. Diese Kennlinien sind in der Regel abhängig von einer aktuellen Kapazität der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie insgesamt.
Es hat sich im praktischen Gebrauch gezeigt, dass unter anderem die tatsächlich verfügbare aktuelle Kapazität der Batterie von einer Alterung der Batterie abhängig ist und üblicherweise mit zunehmender Alterung kleiner wird. Dies hat Auswirkungen auf die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie. In vielen Fällen steht die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie lediglich für eine neuwertige, im Wesentlichen nicht gealterte Batterie zur Verfügung. Mit zunehmender Alterung führt dies dazu, dass die hiermit bezüglich einer erfassten Leerlaufspannung ermittelte elektrische Ladung der Batterie größer ermittelte wird, als sie tatsächlich zur Verfügung steht. Dadurch ergibt sich das Problem, dass eine Verfügbarkeit von durch die Batterie im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitzustellender elektrischer Ladung, und infolgedessen auch des Kraftfahrzeugs, insbesondere in Bezug auf eine Reichweite des Kraftfahrzuegs, zu hoch eingeschätzt wird, sodass die Gefahr besteht, dass insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ein vorgegebener beziehungsweise gewünschter Zielpunkt beziehungsweise ein Reiseziel nicht erreicht werden kann. Im ungünstigsten Fall kann dies dazu führen, dass das Kraftfahrzeug liegen bleibt. Dies erweist sich als besonders ungünstig, wenn dann auch noch keine Ladestation zur Verfügung steht. Die vorgenannte Problematik gilt natürlich nicht nur für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, sondern auch für beliebige weitere Anwendungen, die entsprechend Batterien benutzen.
Um die vorgenannte Problematik zu reduzieren, ist beispielsweise aus der DE 10 2010 019 128 B4 eine Kapazitätsbestimmung automotiver Batterien bekannt. Diese Lehre offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie, indem eine erste Ruhespannungsphase erkannt wird, ein Batteriestrom bis zu einer zweiten Ruhespannungsphase integriert wird, und die Batteriekapazität aus dem integrierten Batteriestrom geteilt durch eine Ladungszustandsdifferenz berechnet wird, wobei die Ladungszustandsdifferenz anhand einer Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kurve ermittelt wird und wobei die erste und/oder die zweite Ruhespannungsphase in einem alterungunsabhängigen Bereich der Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie liegt.
Auch wenn die Lehre der DE 10 2010 019 128 B4 eine deutliche Verbesserung in Bezug auf das Ermitteln einer aktuellen elektrischen Ladung der Batterie ermöglicht, so verbleibt weiterhin Verbesserungsbedarf.
Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen werden Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien in einer Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs gespeichert, um den Ladungszustand, insbesondere einen aktuellen Ladungszustand, und/oder eine aktuelle Kapazität der Batterie zu berechnen. Aufgrund von Alterungseffekten, beispielsweise bei einer Lithium-Ion-Batterie durch einen Verlust von aktivem Lithium, einer Anoden- und/oder Kathodenschädigung und/oder dergleichen, verändert sich das Verhalten der Batterie in Bezug auf die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie mit zunehmender Betriebsdauer. Dies führt zu einem Verlust an Genauigkeit für das Ermitteln des elektrischen Ladungszustands und/oder der elektrischen Kapazität der Batterie beziehungsweise einer Batteriezelle. Dies betrifft darüber hinaus auch nachgeordnete, insbesondere kundenspezifische Funktionen wie die Reichweitenbestimmung, eine Ladezeit für ein Aufladen der Batterie, eine abrufbare Leistung, eine Vorhersage einer Dickenänderung von Batteriezellen und/oder dergleichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das Ermitteln einer aktuellen elektrischen Ladung und/oder einer aktuellen elektrischen Kapazität einer Batterie zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Batterie bis zu einer maximalen Leerlaufspannung, die durch eine Batteriezellenchemie der Batterie bestimmt ist, aufgeladen wird, die Batterie ausgehend von der maximalen Leerlaufspannung bis zur ersten elektrischen Leerlaufspannung entladen und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine erste elektrische Ladung ermittelt wird, anhand einer Referenz-Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie der Batterie für einen nicht gealterten Zustand abhängig von der ersten Leerlaufspannung eine erste elektrische Referenzladung ermittelt und ein erster Quotient aus der ersten elektrischen Ladung und der ersten elektrischen Referenzladung ermittelt wird, die Batterie ausgehend von der ersten elektrischen Leerlaufspannung bis zur zweiten elektrischen Leerlaufspannung weiter entladen wird und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine zweite elektrische Ladung ermittelt wird, anhand der Referenz-Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie abhängig von der zweiten elektrischen Leerlaufspannung eine zweite elektrische Referenzladung ermittelt und ein zweiter Quotient aus der zweiten elektrischen Ladung und der zweiten elektrischen Referenzladung ermittelt wird, wobei abhängig von dem ersten und dem zweiten Quotienten die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie bestimmt wird.
In Bezug auf den zweiten Aspekt wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt wird.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass für die Bestimmung der Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie nicht sämtliche erfassten Leerlaufspannungen benötigt werden. Dabei nutzt die Erfindung unter anderem den Gedanken, dass für unterschiedlichste Alterungszustände der Batterie entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien verfügbar sind. Diese können zum Beispiel anhand von Laborversuchen beziehungsweise Messungen oder auch bei im Rahmen einer Wartung oder dergleichen aus erfassten Zuständen der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle ermittelt sein. Die alterungsabhängigen Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien können zum Beispiel in einer entsprechenden Datenbank gespeichert sein, die vorzugsweise bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug von einer Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs umfasst sein kann. Zumindest teilweise kann die Datenbank jedoch durch eine Zentrale bereitgestellt sein, die von einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen die entsprechenden Daten empfängt, auswertet und entsprechende Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien bestimmt. Diese können dann wiederum den jeweiligen Kraftfahrzeugen zur Verfügung gestellt werden, insbesondere den jeweiligen Fahrzeugsteuerungen.
Der Ladungszustand der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle gibt an, wieviel elektrische Ladung die Batterie im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitzustellen vermag. Der Ladungszustand kann jedoch auch als relativer Ladungszustand angegeben sein, bei dem die elektrische Ladung auf eine elektrische Kapazität der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle bezogen ist. Der Ladungszustand kann in diesem Fall zum Beispiel ein Verhältnis einer aktuell verfügbaren elektrischen Ladung in Bezug auf eine maximal mögliche elektrische Ladung der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle sein. Die maximal mögliche elektrische Ladung ist im Wesentlichen abhängig von der Kapazität.
Die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie, auch SOC (englisch: state of charge) - OCV (englisch: open circuit voltage) -Kennlinie genannt, ermöglicht eine Berechnung eines Ladungszustands der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle abhängig von der Leerlaufspannung.
Die maximale Leerlaufspannung bei einer Lithium-Ion-Zelle beträgt etwa 4,2 V, wenn sie im Wesentlichen voll ausgeladen ist. Basierend hierauf stellt die Batterie eine maximale Leerlaufspannung abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen der Batterie bereit. Diese Leerlaufspannung ist somit durch Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen als auch durch die Batteriezellchemie, hier die Lithium-Ion-Technologie, bestimmt. Bei alternativen Batteriezellenchemien variiert diese maximale Leerlaufspannung entsprechend.
Die Erfindung nutzt weiterhin die Erkenntnis, dass die maximale Leerlaufspannung von der Alterung der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle vergleichsweise unabhängig ist. Dies ergibt sich aufgrund des elektrochemischen Verhaltens der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie. Es ist daher ein Gedanke der Erfindung, ausgehend von einem hierdurch bestimmten ersten Ladungszustand der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle, nämlich dem im Wesentlichen voll aufgeladenen Ladungszustand, bei dem die maximale Leerlaufspannung der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle vorliegt, die Verfahrensführung gemäß der Erfindung vorzusehen.
Ausgehend von der maximalen Leerlaufspannung schlägt die Erfindung somit vor, die Batterie beziehungsweise der Batteriezelle bis zu einer ersten elektrischen Leerlaufspannung zu entladen und während dieses Entladevorgangs den Batteriestrom mittels eines geeigneten Stromsensors zu erfassen. Der Batteriestrom wird hierbei vorzugsweise integriert, sodass eine erste elektrische Ladung ermittelt werden kann. Zugleich wird anhand einer Referenz-Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie der Batterie, die für einen nicht gealterten Zustand der Batterie ermittelt wurde, abhängig von der ersten Leerlaufspannung eine erste elektrische Referenzladung ermittelt. Die erste elektrische Ladung und die erste elektrische Referenzladung dienen dazu, einen ersten Quotienten zu ermitteln, der auch als erster Ladefaktor bezeichnet werden kann. Ausgehend von der ersten elektrischen Leerlaufspannung wird die Batterie bis zu einer zweiten elektrischen Leerlaufspannung weiter entladen. Aus dem hierbei erfassten Batteriestrom wird eine zweite elektrische Ladung ermittelt. Anhand der Referenz-Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie wird abhängig von der zweiten elektrischen Leerlaufspannung eine zweite elektrische Leerlaufspannung ermittelt und ein zweiter Quotient beziehungsweise zweiter Ladefaktor aus der zweiten elektrischen Ladung und der zweiten elektrischen Referenzladung ermittelt. Abhängig von dem ersten und dem zweiten Quotienten wird dann die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie bestimmt. Dies kann durch eine geeignete Auswahl aus den durch die Fahrzeugsteuerung bereitstellbaren Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien erfolgen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Diagrammdarstellung eines Fehlertoleranzbandes einer Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie für eine Lithium-Ion-Batteriezelle ermittelt gemäß dem Stand der Technik sowie grafische Darstellungen von Fehlern bei einer Ermittlung von Ladungszuständen der Batteriezelle;
2 eine schematische Diagrammdarstellung von alterungsabhängigen Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien der Batteriezelle gemäß 1 bei alterungsbedingten Reduzierungen der elektrischen Kapazität der Batteriezelle aufgrund einer Alterung einer Kathode;
3 eine schematische Diagrammdarstellung wie 2, bei der die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien von einer Alterung basierend auf einem Lithium-Verlust basieren;
4 eine schematische dreidimensionale Diagrammdarstellung abgeleitet aus einer Kombination der Diagrammdarstellungen gemäß der 2 und 3; und
5 eine schematische Diagrammdarstellung wie 1 basierend auf einer Bestimmung von Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien unter Berücksichtigung von 4.

1 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung eines Fehlerbandes 10 von Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien für eine nicht dargestellte Batteriezelle einer ebenfalls nicht dargestellten Fahrzeugbatterie, die als Lithium-Ion-Batteriezelle ausgebildet ist. Die Fahrzeugbatterie dient der Versorgung einer nicht dargestellten elektrischen Antriebseinrichtung eines ebenfalls nicht dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Ein Graph 48 innerhalb des Fehlerbandes 10 stellt eine einzelne Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie für einen spezifischen Alterungszustand der Batteriezelle dar. In dem Diagramm in 1 ist die Abszisse einem relativen Ladungszustand der Batteriezelle zugeordnet, wohingegen eine linke Ordinate der Leerlaufspannung in Volt und eine rechte Ordinate einer relativen Ladungszustandsdifferenz zugeordnet ist. Sowohl der Graph 48 als auch das Fehlerband 10 beziehen sich auf einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem relativen Ladungszustand. Das Fehlerband 10 ist ermittelt aus einer Abweichung über 2000 Einzeluntersuchungen und ist simuliert basierend auf Halbzellpotentialen, bei denen eine Alterung bis etwa 80 Prozent (Englisch: state of health, SOH) vorliegt.
Darüber hinaus sind im Diagramm gemäß 1 mit einem Graphen 20 ein Fehler bezüglich des Ladungszustands abhängig von einer Alterung der Batteriezelle beim Entladen und mit einem Graphen 18 ein derartiger Fehler beim Laden der Batteriezelle dargestellt. Ein Graph 22 zeigt einen Fehler mit einer diskontinuierlichen Regression in Bezug auf das Entladen der Batteriezelle. Ein Graph 24 zeigt einen Fehler mit einem Minimum-Finder und Leerlaufspannungsschätzer (kontinuierlich). Ein Graph 26 stellt einen Fehler mit einem Minimum-Finder (diskontinuierlich) dar. Graphen 12, 14, 16 beziehen sich auf die entsprechenden Graphen 22, 24, 26 und stellen entsprechende Werte bei einem relativen Ladungszustand von etwa null dar. Diese Graphen stellen einen Zusammenhang zwischen der relativen Ladungszustandsdifferenz und dem relativen Ladungszustand her.
Aus 1 sind Bereiche ersichtlich, in denen sich die Alterung auf die Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie gering auswirkt. Diese Bereiche sind in dem Diagramm gemäß 1 mit I beziehungsweise II bezeichnet. Der Bereich I erstreckt sich von einem relativen Ladungszustandsbereich von etwa 0,87 bis etwa 1. Der Bereich II erstreckt sich von einem relativen Ladungszustandsbereich von etwa 0,18 bis etwa 0,32. Diese Werte können abhängig von Konstruktionen und Zellchemie der Batteriezelle natürlich variieren.
Im Stand der Technik ist es üblich, das gesamte Fehlerband 10 zu berücksichtigen, wenn ein aktueller Ladungszustand der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle ermittelt werden soll. Durch die Erfindung ist es möglich, dass nicht das gesamte Fehlerband 10 berücksichtigt zu werden braucht, sondern nur bestimmte, günstige Ladungszustands-Fehlerbereiche. Dadurch kann dem Grunde nach etwa beispielsweise eine Halbierung des Fehlers in Bezug auf den Ladungszustand beziehungsweise die elektrische Kapazität der Batteriezelle erreicht werden, und zwar beispielsweise mit Angabe eines Maximalfehlers. Bei einer Kombination mit einem Leerlaufspannungsschätzer kann sogar eine quasi-kontinuierliche Ermittlung erreicht werden. Der Leerlaufspannungsschätzer (OCV-Schätzer) kann durch eine Rechnereinheit gebildet sein, die aus einer momentan unter Einwirkung eines Batteriezellenstroms erfassten elektrischen Batteriezellenspannung auf die zugehörige Leerlaufspannung der Batteriezelle zurückschließen kann. Dadurch kann eine quasi-kontinuierliche Arbeitsweise erreicht werden, im Unterschied zu einer diskontinuierlichen Arbeitsweise bei einer unmittelbaren Erfassung der Leerlaufspannung.
2 zeigt eine weitere schematische Diagrammdarstellung, bei der die Abszisse der Leerlaufspannung in Volt und die Ordinate dem ersten Ladungsfaktor beziehungsweise Quotienten zugeordnet ist, der sich aus der ersten ermittelten Ladung im Verhältnis zur ersten Referenzladung ergibt.
Mit einem Graphen 28 ist ein entsprechender Verlauf für eine neuwertige Batteriezelle dargestellt, die im Wesentlichen bislang keiner Alterung unterliegt (Englisch: begin of life; BOL). Es handelt sich hierbei um die ermittelte elektrische Ladung über der entsprechenden Referenzladung bei einer zugeordneten Leerlaufspannung, beispielsweise nach einer vorherigen vollständigen Aufladung der Batteriezelle. Mit 30 ist eine Schar von Leerlaufspannungs-Quotienten-Verläufen dargestellt, die sich hauptsächlich auf einen Verlust in Bezug auf die Kathode beziehen.
3 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung wie 2, bei der ein Graph 32 entsprechend dem Graphen 28 in 2 die Verhältnisse zum Beginn einer Nutzung einer neuwertigen Batteriezelle darstellt. Eine Schar von Graphen 34 zeigt entsprechende Leerlaufspannungs-Quotienten-Verläufe abhängig von der Alterung der Batteriezelle, wobei sich diese Graphen hauptsächlich auf einen Verlust an Lithium beziehen. In 2 und 3 nimmt der Quotient mit zunehmender Alterung der Batteriezelle ab.
Aus den 1 und 2 ist ersichtlich, dass sich die Schar von Graphen 30 gemäß 2 und die Schar von Graphen 34 gemäß 3 in einem Bereich des Quotienten zwischen etwa 0,8 und etwa 1 stark überlagern. Dagegen kann in einem Bereich des Quotienten von etwa 0,7 bis 0,8 eine eindeutige Zuordnung zu Batteriezellen mit dominantem Kathodenverlust erkannt werden. Allerdings ist auch hier eine Zuordnung von Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien schwierig, weil auch hier wieder eine exakte Bestimmung einer Referenzkapazität Cref der Batteriezelle erforderlich ist, wie anhand von 1 erläutert. Die Referenzkapazität kann wie folgt aus dem Batteriestrom I(t) ermittelt werden: $C r e f = \frac{\int I (t) \cdot d t}{d S O C}$
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Batterie zunächst bis zu einer maximalen Leerlaufspannung, die durch eine Batteriezellenchemie der Batterie bestimmt ist, aufgeladen wird, die Batterie ausgehend von der maximalen Leerlaufspannung bis zur ersten elektrischen Leerlaufspannung entladen und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine erste elektrische Ladung ermittelt wird, anhand einer Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie der Batterie für einen nicht gealterten Zustand abhängig von der ersten Leerlaufspannung eine erste elektrische Referenzladung ermittelt und ein erster Quotient aus der ersten elektrischen Ladung und der ersten elektrischen Referenzladung ermittelt wird, die Batterie ausgehend von der ersten elektrischen Leerlaufspannung bis zur zweiten elektrischen Leerlaufspannung weiter entladen wird und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine zweite elektrische Ladung ermittelt wird, anhand der Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie abhängig von der zweiten elektrischen Leerlaufspannung eine zweite elektrische Referenzladung ermittelt und ein zweiter Quotient aus der zweiten elektrischen Ladung und der zweiten elektrischen Referenzladung ermittelt wird, wobei abhängig von dem ersten und dem zweiten Quotienten die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie bestimmt wird. Dabei werden die elektrischen Leerlaufspannungen in einem ersten und einem zweiten Bereich I und II der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie erfasst, in denen eine geringe Abhängigkeit der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie von einer Alterung der Batterie besteht.
Das bedeutet, dass der jeweilige Ladungsfaktor beziehungsweise der jeweilige Quotient über zwei vorzugsweise voneinander unterschiedliche Leerlaufspannungsbereiche ermittelt wird. Dadurch ist hier eine eindeutige Zuordnung zu einer jeweiligen Ladezustandskurve beziehungsweise Leerlaufspanungs-Ladezustands-Kennlinie möglich, wie dies anhand der dreidimensionalen schematischen Diagrammdarstellung gemäß 4 ersichtlich ist. Die Referenzkapazität kann dann nämlich über zwei Alterungsbereiche mit einem kleinen Ladungszustandstoleranzfehler genauer ermittelt werden, wie aus der Zusammenschau der 1 und 3 ersichtlich ist. Dabei kann eine Eingrenzung der möglichen SOC-Kurven über die obige Herangehensweise genutzt werden (4). Eine Rekonstruktion der Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinien kann mittels Regressionsverfahren sowohl über beispielsweise den Ladungszustand und die Leerlaufspannung als auch mit Punkt-für-Punkt-Zuordnungen über Messungen von den Leerlaufspannungen und Ladungsdurchsätzen zwischen den unterschiedlichen erfassten Leerlaufspannungen ermittelt werden (Ruhespannungsphasen beziehungsweise Spannungswerte die einen relaxierten Zustand der Batteriezelle anzeigen).
Aus 4 ist ferner ersichtlich, dass eine dreidimensionale Kurvenschar 36 die unterschiedliche Alterungszustände der Batteriezelle darzustellen vermag. Ein oberer Bereich 38 der Kurvenschar 36 bezieht sich dabei überwiegend auf einen Lithiumverlust, wohingegen ein unterer Bereich 40 sich überwiegend auf einen entsprechenden Kathodenverlust bezieht.
5 zeigt nun in einer Diagrammdarstellung wie 1 die Auswirkungen der Anwendung der Erfindung. Mit 42 ist wieder ein Fehlerband dargestellt. Es ist ersichtlich, dass dieses Fehlerband deutlich schmaler ist, als das Fehlerband 10 gemäß 1. Mit 48 ist wieder ein einzelner Graph dargestellt, der eine Leerlaufspannungs-Ladungszustands-Kennlinie innerhalb des Fehlerbands 42 repräsentiert. Der Graph 44 bezieht sich wieder auf eine Fehlerdarstellung beim Entladen, wohingegen der Graph 46 eine Fehlerdarstellung beim Laden zeigt.
Wie aus den Fig. ersichtlich ist, kann eine Reduzierung des Fehlers insbesondere auch während des bestimmungsgemäßen Betriebs erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für eine Kapazitätsbestimmung der Batteriezelle, ZDW und Schädigungsdiagnose. Insbesondere braucht ein Nutzer eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs unter Nutzung der Erfindung hierfür nicht eine Werkstatt aufzusuchen, sondern das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine entsprechende Verfahrensführung bereits während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Kraftfahrzeugs durchzuführen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass beginnend bei einem OCV-Wert, idealerweise in einem OCV-Bereich, der wenig von der Alterung in Bezug auf einen SOC-Wert beeinflusst ist, beispielsweise ein SOC-Wert kleiner als etwa 3%, eine Ladung Q₁ bis zu einem ersten weiteren OCV₁-Wert ermittelt wird, und dann bis zu einem weiteren zweiten OCV₂-Wert mit einer Ladung Q₂, beginnend bei einem Start OCV als Integrationsstartwert. Aus einem Verhältnis von Q₁ zu Q₂, und zwar einem doppelten Quotienten gemäß (Q₁/QBOL)/(Q₂/QBOL) kann auf eine SOC-OCV-Kurve oder einen entsprechenden Kurvenbereich geschlossen werden, wie anhand der 4 und 5 ersichtlich ist. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung kann sowohl bei einem Aufladen der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle als auch bei einem Entladen der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle durchgeführt werden.
Ist das Verhältnis aus Q₁ und Q₂ ermittelt, kann aus den Diagrammen gemäß der 4 und 5 über den Wert von OCV₁ und OCV₁ die OCV-Kurve zugeordnet werden, wobei QBOL₁ und QBOL₂ entsprechend aus BOL-Werten zurück gerechnet werden können.
Dies kann anhand der BOL-SOC-OVC-Kurve also der Ladung, die bei OCV₁ und OCV₂ entsprechend relativ zu einem Startwert geflossen wäre, wenn keine Alterung der Zelle vorgelegen hätte, erfolgen. Damit kann dann der doppelte Quotient bestimmt werden und damit können gealterte Kennlinien zugeordnet werden, die dem aktuellen Alterungszustand der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie entsprechen (4, 5). Werden beispielsweise bei einer Kapazitätsbestimmung (1) zusätzliche Kennlinienbereiche mit geringer Alterung verwendet, kann der Fehler weiter minimiert werden.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Fehlerband
12: Graph
14: Graph
16: Graph
18: Graph
20: Graph
22: Graph
24: Graph
26: Graph
28: Graph
30: Leerlaufspannungs-Quotienten-Verlauf
32: Graph
34: Graph
36: Kurvenschar
38: Bereich
40: Bereich
42: Fehlerband
44: Graph
46: Graph
48: Graph
Q1: Ladung
QBOL1: Referenzladung
OCV1: Leerlaufspannung
Q2: Ladung
QBOL2: Referenzladung
OCV2: Leerlaufspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010019128 B4 [0006, 0007]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer von einem Alterungszustand einer Batterie abhängigen Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48), bei dem eine erste elektrische Leerlaufspannung erfasst und die Batterie ausgehend von der ersten Leerlaufspannung entladen wird, wobei ein elektrischer Batteriestrom erfasst wird, bis eine zweite elektrische Leerlaufspannung erfasst wird, wobei abhängig von dem erfassten Batteriestrom eine elektrische Ladung ermittelt und abhängig von der elektrischen Ladung die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (36) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie bis zu einer maximalen Leerlaufspannung, die durch eine Batteriezellenchemie der Batterie bestimmt ist, aufgeladen wird, die Batterie ausgehend von der maximalen Leerlaufspannung bis zur ersten elektrischen Leerlaufspannung (OCV1) entladen und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine erste elektrische Ladung ermittelt wird, anhand einer Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) der Batterie für einen nicht gealterten Zustand abhängig von der ersten Leerlaufspannung (OCV1) eine erste elektrische Referenzladung (QBOL1) ermittelt und ein erster Quotient aus der ersten elektrischen Ladung (Q1) und der ersten elektrischen Referenzladung (QBOL1) ermittelt wird, die Batterie ausgehend von der ersten elektrischen Leerlaufspannung (OCV1) bis zur zweiten elektrischen Leerlaufspannung (OCV2) weiter entladen wird und aus dem hierbei erfassten Batteriestrom eine zweite elektrische Ladung (Q2) ermittelt wird, anhand der Referenz-Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie abhängig von der zweiten elektrischen Leerlaufspannung (OCV2) eine zweite elektrische Referenzladung (QBOL2) ermittelt und ein zweiter Quotient aus der zweiten elektrischen Ladung (Q2) und der zweiten elektrischen Referenzladung (QBOL2) ermittelt wird, wobei abhängig von dem ersten und dem zweiten Quotienten die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der elektrischen Leerlaufspannungen (OCV1, OCV2) in einem ersten Bereich (I, II) der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) erfasst wird, in dem eine geringe Abhängigkeit der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) von einer Alterung der Batterie besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils andere der elektrischen Leerlaufspannungen (OCV1, OCV2) in einem zweiten Bereich der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) erfasst wird, in dem eine große Abhängigkeit der Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) von einer Alterung der Batterie besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) aus einer Mehrzahl von vorgegebenen, jeweiligen Alterungszuständen zugeordneten Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinien (48) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem ersten und dem zweiten Quotienten ein Bezugsquotient ermittelt wird, wobei die entsprechende alterungsabhängige Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) anhand des Bezugsquotienten bestimmt wird.
Verfahren zum Ermitteln eines Ladungszustands einer Batterie, wobei eine elektrische Leerlaufspannung (OCV) der Batterie erfasst und anhand einer Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) abhängig von der erfassten elektrischen Leerlaufspannung (OCV) ein Ladungszustand der Batterie ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufspanungs-Ladungszustands-Kennlinie (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt wird.