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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität einer HV-Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines teil- oder vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Um den genauen Ladezustand (SoC, state of charge) einer HV-Batterie zu bestimmen, wird üblicherweise ein sogenannter OCV-Abgleich (OCV: open circuit voltage - offene Klemmspannung bzw. Leerlaufspannung) vollzogen. Dazu wird nach einer gewissen lastfreien Ruhephase Leerlaufspannung an den Einzelzellen der HV-Batterie gemessen. Einer gemessenen Leerlaufspannung ist ein bestimmter SOC-Wert zugeordnet, wobei der Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und SOC durch die sogenannte OCV-Kennlinie bestimmt ist.
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Zur Bestimmung der Batteriekapazität wird ein OCV-Abgleich vor und nach einem hinsichtlich der Batteriekapazität größeren SOC-Hub vollzogen, während für die Dauer des erfolgenden SOC-Hubs, also während eines Lade- oder Entladevorgangs der HV-Batterie, das dazugehörige Stromintegral ermittelt wird. Aus dem ermittelten Stromintegral und den genau bestimmten Leerlaufspannungen kann die aktuelle Batteriekapazität berechnet werden. Eine Aktualisierung des Wertes der Batteriekapazität, welche über die Lebensdauer der HV-Batterie abnimmt, ist von großer Bedeutung, da dieser beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug einen für dessen Reichweite maßgeblichen Parameter darstellt.
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Bei der soeben skizzierten und aus dem Stand der Technik bekannten Methode zur Bestimmung einer Batteriekapazität besteht das Problem, dass OCV-Kennlinien gewisser Zellchemien eine Hysterese aufweisen. Das bedeutet, dass sich abhängig von der Historie einer vorher stattgefundenen Batteriebelastung durch Lade- und Entladevorgänge eine andere Leerlaufspannung einstellt. Beispielsweise ist bekannt, dass nach einer Ladebelastung liegt die Leerlaufspannung höher ist als nach einer Entladebelastung.
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Eine Fahrt mit einem Elektrofahrzeug ist für gewöhnlich durch abwechselnde und unterschiedlich intensive Ladebelastungen (Rekuperationsphasen) und Entladebelastungen (Beschleunigungen, Konstantfahrt) charakterisiert. Die nominell vom Hersteller angegebene Lade-OCV-Kennlinie (einen reinen Ladevorgang charakterisierende OCV-Kennlinie) gilt erst nach einer gewissen Zeit (z.B. einige Minuten), während der eine gewisse Ladelast (z.B. einige Ampere Ladestrom) anliegt. Analog dazu gilt die Entlade-OCV-Kennlinie (einen reinen Entladevorgang charakterisierende OCV-Kennlinie) gilt erst nach einer gewissen Zeit (z.B. einige Minuten), während der eine gewisse Entladelast (z.B. einige Ampere Entladestrom) anliegt. Wird beim Fahren, wie üblich, zwischen Laden und Entladen gewechselt und es folgt keine Ruhephase, führt die Verwendung einer der beiden OCV-Kennlinien bei einem OCV-Abgleich aufgrund einer Hysterese der OCV-Kennlinie zu verfälschten Leerlaufspannungswerten. Die auf Basis dieser Werte ermittelten SOC-Werte sind dann ebenfalls ungenau, im Extremfall im zweistelligen Prozentbereich, wodurch letztendlich auch die Kapazitätsbestimmung ein ungenaues Ergebnis liefert (einige %-Punkte). Bei den heutzutage in Elektrofahrzeugen eingesetzten Traktionsbatterien kann das eine Verfälschung der Reichweitenangabe im zweistelligen Kilometerbereich bedeuten, was für einen Fahrer eines dadurch möglicherweise kurz vor der Haustür liegengebliebenen Elektrofahrzeugs sehr ärgerlich sein kann.
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Zur Lösung dieser Problematik schlägt Druckschrift
DE 10 2016 119 121 A1 beispielsweise vor, ein Laden einer Traktionsbatterie nur dann vorzunehmen, wenn diese relaxiert ist, was mittels eines gespeicherten Batterieprofils oder Ablaufen einer dazu gehörenden Relaxationszeit bestimmt werden kann. Falls die Traktionsbatterie als relaxiert befunden wird, kann das Laden sofort beginnen. Falls die Batterie nicht relaxiert ist, wird das Laden der Batterie für die Relaxationsperiode aufgeschoben. Die Batteriekapazität wird schließlich basierend auf dem Ladezustand zu Beginn des Ladens, dem Ladestrom und dem Ladezustand an dem Ende des Ladens bestimmt.
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Ferner ist aus
DE 10 2020 127 773 A1 ein Verfahren zum Ermitteln einer Kapazität einer Batteriezellenanordnung eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem während eines Betriebs der Batteriezellenanordnung durch eine Prozessorschaltung mittels Stromstärkedaten einer Messschaltung detektiert wird, dass ein von Null verschiedener Batteriestrom der Batteriezellenanordnung ein Konstantstrom ist. Zusätzlich oder alternativ dazu wird ein solcher Konstantstrom gezielt eingestellt, indem durch die Prozessorschaltung mittels eines Steuersignals an eine Steuerschaltung der Konstantstrom als der Batteriestrom eingestellt wird. Es wird also ein Konstantstrom abgewartet oder gezielt eingestellt. Ferner wird bei detektiertem und/oder eingestelltem Konstantstrom eine vorbestimmte Wartedauer abgewartet, bis die durch den Stofftransport innerhalb der Zelle bedingten Konzentrationsgradienten und die dadurch resultierenden Überspannungen näherungsweise konstant sind. Nach Abwarten der Wartedauer ergibt sich also eine näherungsweise konstante Überspannung. Dann wird (bei fließendem Konstantstrom) anhand von Spannungswertdaten der Messschaltung ein Wert des zeitlichen Gradienten der Batteriespannung ermittelt, welcher mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift einem Kapazitätswert zugeordnet wird.
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Druckschrift
US 2006/0244458 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Batteriekapazität, bei dem zur Ermittlung der SOC-Werte ein erster OCV-Wert gemessen, dann ein Test mit dynamischen Spannungsmustern (z.B. eine Entladung während der Fahrt) durchgeführt und dann eine Relaxationszeit abgewartet wird, bevor ein zweiter OCV-Wert gemessen wird. Die mittels Entlade-Kapazitätsmessung ermittelten OCV-Werte werden auf Basis einer zuvor experimentell ermittelten Tabelle in entsprechende SOC-Werte umgewandelt, um daraus schlussendlich die aktuelle Batteriekapazität zu bestimmen.
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Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ein Verfahren für ein möglichst genaues Bestimmen einer Kapazität einer HV-Batterie bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für eine präzisere Bestimmung der Kapazität der Traktionsbatterie auf Basis der OCV-Kennlinie diese die Vorgeschichte der Traktionsbatterie berücksichtigen muss. Zudem weisen Batterien auf Basis moderner Zellchemien allesamt eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Spannungshysterese der OCV-Spannung auf, so dass selbst nach Abwarten einer ausreichend langen Relaxationszeit die OCV-Spannung der Batterie bei einem mittels eines Ladevorgangs erreichten Ladestands höher liegt als die OCV-Spannung beim gleichen, jedoch durch einen Entladevorgang erreichten Ladestand.
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Zusätzlich zu dieser grundsätzlich bekannten Spannungshysterese wird die OCV-Kennlinie jedoch durch zahlreiche weitere Parameter bestimmt. Eine erste Gruppe kann solche Parameter aufweisen, die mit der Zellchemie der Batteriezellen abhängen. Ein beispielhafter Parameter aus der ersten Gruppe kann die Batteriegesundheit (state of health, SoH) angeben. Durch diesen Wert wird (in Prozent) die alterungsbedinge Abnahme der Batteriekapazität gegenüber ihrer Nennkapazität quantifiziert. Eine zweite Gruppe von Parametern kann Betriebs- bzw. Umgebungsparameter der Batterie aufweisen. Beispielhafte Parameter aus der zweiten Gruppe können ein Stromintegral, maximale Leistungswerte innerhalb eines vorbestimmten zurückliegenden Zeitraumes und/oder die mittlere Temperatur der Batteriezellen aufweisen.
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Durch Monitoring der Betriebsparameter während der Fahrt und damit während des Betriebs der Batterie kann ihr Gesamtzustand verfolgt werden, um zum Zeitpunkt der Bestimmung der OCV-Spannung eine optimal passende OCV-Kennlinie zu verwenden, welche von der Belastungs-Vorgeschichte abhängt und durch Parameter der ersten und/oder der zweiten Gruppe beschrieben wird.
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Um die optimale, also eine den aktuellen Zustand der Zellchemie und die vergangenen Betriebsparameter berücksichtigende OCV-Kennlinie zu verwenden, kann diese aus einer Mehrzahl von OCV-Kennlinien ausgewählt werden, die im Vorfeld experimentell ermittelt oder simuliert worden sind. Anders ausgedrückt kann die Gruppe der im überwachten Betriebsabschnitt der Batterie ermittelten Betriebsparameter und Zellchemieparameter im Rahmen eines Optimierungsproblems einer Gruppe von Betriebsparametern und Zellchemieparametern einer vorliegenden OCV-Kennlinie mit der größten Ähnlichkeit zugeordnet werden, um eine am besten passende OCV-Kennlinie auszuwählen. Anders ausgedrückt kann diejenige vorher experimentell oder mittels einer Simulation ermittele OCV-Kennlinie verwendet werden, bei der die dazugehörigen Parameter (Zellchemieparameter und Betriebsparameter) möglichst nahe an den im überwachten Betriebsabschnitt der Batterie ermittelten Betriebsparametern liegen.
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Die einzelnen Betriebsparameter und Zellchemieparameter können mit einem Gewichtungsfaktor versehen sein, welcher ausdrückt, welchen Einfluss eine vorliegende Abweichung auf den Verlauf der OCV-Kennlinie hat. Beispielswiese kann eine Variation der Temperatur der Batterie einen schwächeren Effekt auf den Verlauf der OCV-Kennlinie haben als das Vorliegen von Batterieströmen nahe des Maximalstroms. Daher kann beim Auswählen der geeigneten OCV-Kennlinie eine kleinere Abweichung in diesem mit dem stärkeren Einfluss behafteten Betriebsparameter angestrebt werden.
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Die Simulation der OCV-Kennlinien kann auf Basis eines Modells der Batterie erfolgen, welches ausgehend von Zellchemieparametern und Betriebsparametern die in einer Batteriezelle stattfindenden elektrochemischen Prozesse simuliert und daraus die dazugehörige OCV-Kennlinie berechnet.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität einer Traktionsbatterie bereitgestellt. Die OCV-Kennlinie der Batterie, welche die Beziehung zwischen dem Ladestand und der OCV-Spannung angibt, kann eine Hysterese aufweisen. In einem ersten Schritt kann das Verfahren Herbeiführen und/oder Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer aufweisen, während der ein Batteriestrom unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Während der vorbestimmten Zeitdauer kann insbesondere ein sehr geringer bis vernachlässigbarer Batteriestrom fließen, so dass in dieser Zeit die Zellechemie zu ihrem Gleichgewichtszustand finden kann. Dadurch kann ein möglichst unverfälschter OCV-Spannungswert ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Auswählen einer OCV-Kennlinie aus einer Gruppe von OCV-Kennlinien auf Basis von mindestens zwei Parametern auf, wobei mindestens ein Parameter eine Zellcharakteristik von in der Traktionsbatterie verwendeten Batteriezellen beschreibt und mindestens ein weiterer Parameter einen Betriebsparameter der Traktionsbatterie vor der vorbestimmten Zeitdauer und/oder während der vorbestimmten Zeitdauer beschreibt. Bei dem mindestens einen Betriebsparameter handelt es sich um einen Wert, welcher von der Betriebshistorie der Batterie abhängt. Hierbei kann, je nach dem, wie hoch der Schwellenwert für den Batteriestrom während der vorbestimmten Zeitdauer gewählt ist, die vorbestimmte Zeitdauer bei dieser Betrachtung weggelassen werden oder mitberücksichtigt werden. Wenn beispielsweise während der vorbestimmten Zeitdauer das Elektrofahrzeug auf einem Parkplatz steht und nur das Multimediasystem betrieben wird, so kann der dafür aus der Traktionsbatterie fließende Batteriestrom und sein Einfluss auf die Batteriezellchemie vernachlässigt werden.
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Generell können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Betriebsparameter selbst oder damit korrelierte Kennwerte verwendet werden. Beispielsweise können in einer Ausführungsform des Verfahrens in der Gruppe von OCV-Kennlinien fünf unterschiedliche Untergruppen von OCV-Kennlinien vorliegen, wobei die Betriebstemperatur, bei der in jeder Untergruppe die OCV-Kennlinien aufgezeichnet worden sind, von Untergruppe zu Untergruppe um 5°C steigt (also je eine Gruppe für die Betriebstemperaturen 15°C, 20°C, 25°C, 30°C und 35°C).
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Bestimmen eines OCV-Spannungswertes der Traktionsbatterie nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer und schließlich Bestimmen der Kapazität der Batterie auf Basis der ausgewählten OCV-Kennlinie auf.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann der Schwellenwert Null entsprechen. In diesem Fall fließt kein Strom zur oder von der Batterie und die vorbestimmte Zeitdauer kann als eine Relaxationszeit der Batterie betrachtet werden. Hierbei muss jedoch nicht notwendigerweise die tatsächlich physikalische Relaxationszeit abgewartet werden. Es kann genügen, wenn eine Zeitdauer abgewartet wird, nach der die Veränderung des OCV-Spannungswertes unter einen Grenzwert fällt, also sich nur noch derart langsam verändert, dass ein weiteres Warten keinen nennenswerten Genauigkeitsvorteil für die Bestimmung des OCV-Spannungswertes bringt. Diese Zeitdauer kann als praktische Relaxationszeit betrachtet werden.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann während der vorbestimmten Zeitdauer eine Richtung des Stromflusses, sofern von Null verschieden, gleichbleiben. Anders ausgedrückt kann während der vorbestimmten Zeitdauer entweder ein Ladevorgang oder ein Entladevorgang mit einem nur geringen Stromfluss stattfinden, wobei dieser von Phasen unterbrochen sein kann, wo gar kein Strom fließt. Im normalen Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs wird die darin angeordnete Traktionsbatterie üblicherweise wechselnd entladen, um den Antriebsstrang mit Leistung zu versorgen, und durch Rekuperationsbremsen geladen. Diese beiden Vorgänge wechseln sich in unregelmäßigen Abständen kontinuierlich ab, so dass hier von selbst die vorbestimmte Zeitdauer nicht vorliegt, während der ein Batteriestromfluss (ggfs. mit Unterbrechungen auf Nullwert) nur in eine Richtung erfolgt. Diese sich im normalen Fahrbetreib eines Elektrofahrzeugs abwechselnden Lade- und Endladeströme bedingen Gradienten innerhalb der Batteriechemie der Batteriezellen, die Messungen der Leerlaufspannung verfälschen. Durch Minimieren des Stromflusses und durch Beschränken seines Flusses auf nur eine Richtung können die Gradienten gering bis vernachlässigbar ausfallen. Beispielsweise kann eine Passabfahrt im Berggelände so eingerichtet werden, dass die vorbestimmte Zeitdauer in dieser untergebracht wird. Hierzu kann die sowohl die Leistungseingabe als auch die Rekuperation auf ein Minimum reduziert werden, um am Ende der Passabfahrt einen relativ präzisen OCV-Spannungswert zu bestimmen. Im Optimalfall findet währen der vorbestimmten Zeitdauer kein Stromfluss zur oder von der Batterie statt. Anders ausgedrückt kann während der vorbestimmten Zeitdauer die Leistungsabgabe und Leistungsaufnahme der Batterie gezielt beschränkt werden (oder sogar auf Null forciert werden).
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann ein erster Parameter einem Kennwert entsprechen oder mit diesem korreliert sein, welcher den Alterungszustand der Traktionsbatterie angibt. Hierbei kann es sich um die bereits zuvor erwähnte Batteriegesundheit (state of health, SoH) handeln.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann ein zweiter Parameter einen Wert aufweisen, welcher i) mit einem Integral des Batteriestromflusses korreliert ist oder diesem entspricht, ii) mit der vorbestimmten Zeitdauer korreliert ist oder dieser entspricht, oder iii) mit einem Temperaturwert der Traktionsbatterie korreliert ist oder diesem entspricht. Weiterhin können die Werte der Maximalströme sowie deren Häufigkeit und Dauern berücksichtigt werden. Generell kommen alle Werte in Frage, welche den elektrochemischen Zustand der Batterie nennenswert beeinflussen.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann ein zweiter Parameter einer Ladeleistung während eines erfolgten Ladevorgangs entsprechen oder mit dieser korreliert sein. Der Ladevorgang kann, beispielsweise unmittelbar, vor dem Beginn der vorbestimmten Zeitdauer stattgefunden haben.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können die OCV-Kennlinien in der Gruppe von OCV-Kennlinien experimentell ermittelten oder simulierten OCV-Kennlinien entsprechen. Bei dieser Ermittlung können unterschiedliche Betriebsparameter und Zellchemiecharakteristika an der Batterie eingestellt werden und durch Entladen oder Laden der Batterie in kleinen Schritten können die jeweiligen OCV-Kennlinien ermittelt werden, wobei nach jedem kleinen Entlade- oder Ladeschritt eine Zeit abgewartet wird, welche der vorbestimmten Zeitdauer entspricht und im Optimalfall der Relaxationszeit entspricht. Insbesondere beim Laden können Ladeleistungen eingestellt werden, die typischen Ladeleistungen an Ladesäulen entsprechen (z.B. 11 kW (AC), 22 kW (AC), 225 kW (DC)), um insbesondere nach Ladevorgängen eine sehr gut passende OCV-Kennlinie auswählen und so eine möglichst genaue Bestimmung der Kapazität durchführen zu können.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Steuervorrichtung für eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs bereitgestellt, die eingerichtet ist die Kapazität der Traktionsbatterie gemäß dem zuvor in verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Verfahren zu bestimmen. Die Steuervorrichtung kann einem Batteriesteuergerät entsprechen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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1 zeigt ein Diagramm, in dem eine Gruppe von unterschiedlichen OCV-Kennlinien veranschaulicht ist.
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In dem in 1 gezeigten Diagramm ist eine beispielhafte Gruppe von OCV-Kennlinien 31-33, 41-43 einer HV-Batterie veranschaulicht, wobei auf der x-Achse 1 der SOC-Grad und auf der y-Achse 2 die OCV-Spannung (offene Klemmspannung aufgetragen) sind. Die OCV-Kennlinien 31-33 entsprechen solchen, die bei einem Ladevorgang aufgezeichnet worden sind. Analog dazu entsprechen die OCV-Kennlinien 41-43 solchen, die bei einem Entladevorgang aufgezeichnet worden sind.
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Grundsätzlich kann die Anzahl der entladenden OCV-Kennlinien 41-43 der Anzahl der ladenden OCV-Kennlinien 31-33 entsprechen oder von dieser unterschiedlich sein.
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Jeder OCV-Kennlinie 31-33, 41-43 ist ein Parametertupel (P1, P2, ... Pn) zugeordnet, welcher je nach Ausführungsform des Verfahrens mindestens einen Zellchemieparameter und einen Betriebsparameter umfasst. Im gezeigten Beispiel unterscheiden sich die OCV-Kennlinien 31-33, 41-43 jeweils paarweise nur hinsichtlich der Richtung des Ladestroms, haben aber ansonsten die gleichen Parameter.
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Ferner sind entlang der dritten ladenden OCV-Kennlinie 33 die experimentell eingestellten Ladepunkte 5 angedeutet. Bei der experimentellen Bestimmung der OCV-Kennlinie 33 wird an jedem der Ladepunkte der Ladevorgang unterbrochen, um eine vorbestimmte Zeitdauer abzuwarten und dann eine Messung der OCV-Spannung vorzunehmen. Zusätzlich kann untersucht werden, wie sich die OCV-Spannung während des Verlaufs der vorbestimmten Zeitdauer verändert, um das Relaxationsverhalten zu untersuchen. Dadurch kann eine sinnvolle Zeitskala für die vorbestimmte Zeitdauer gefunden werden, welche einen praktikablen Kompromiss zwischen Genauigkeit der endgültigen OCV-Spannung und der Länge der Zeitdauer darstellt. Insbesondere kann die vorbestimmte Zeitdauer selbst einen Betriebsparameter darstellen und bereits in den OCV-Kennlinien 31-33, 41-43, auf die das hierin beschriebene Verfahren zurückgreift, berücksichtigt sein. So können die OCV-Kennlinien in Untergruppen vorliegen, wobei jede Untergruppe eine andere vorbestimmte Zeitdauer repräsentiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016119121 A1 [0006]
- DE 102020127773 A1 [0007]
- US 2006/0244458 A1 [0008]
