WO2013159979A1 - Method and apparatus for determining a state of charge of a battery, and battery - Google Patents

Method and apparatus for determining a state of charge of a battery, and battery Download PDF

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WO2013159979A1
WO2013159979A1 PCT/EP2013/054894 EP2013054894W WO2013159979A1 WO 2013159979 A1 WO2013159979 A1 WO 2013159979A1 EP 2013054894 W EP2013054894 W EP 2013054894W WO 2013159979 A1 WO2013159979 A1 WO 2013159979A1
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battery
voltage
cell
charge
battery cell
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PCT/EP2013/054894
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Martin Tenzer
Joerg Poehler
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a state of charge of a battery, further to a device for determining a state of charge of a battery and to a battery.
  • the present invention proposes a method for determining a state of charge of a battery, furthermore a device for determining a state of charge of a battery and a battery according to the main claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • a battery can be combined from two different cell types.
  • While a majority of the cells may belong to a first cell type and have a very low voltage drop in a large capacitance range, For example, a small portion of the cells may belong to a second cell type and have a well measurable voltage drop over the same capacitance range.
  • all cells are discharged approximately equally. From the voltage drop and thus the state of charge of the well-detectable cells can be concluded that the state of charge of the entire battery.
  • Voltage characteristic and a series-connected second battery cell having a different from the first voltage characteristic second voltage characteristic comprises the following step:
  • An apparatus for determining a state of charge of a battery which has at least one string of at least one first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected in series with a second voltage characteristic different from the first voltage characteristic, has the following feature: a device for determining the state of charge of the battery using a voltage of the second battery cell.
  • a battery has the following feature: a string of a first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected in series with a second voltage characteristic that differs from the first voltage characteristic.
  • a battery can be understood as meaning an electrochemical energy store in which electrical energy can be stored chemically and chemical energy can be delivered as electrical energy. Under a state of charge of the battery can be understood a residual capacity of the battery to provide electrical energy.
  • the battery can be a variety of Have battery cells, each of which can provide a cell voltage.
  • a strand may be an electrical circuit arrangement of a plurality of battery cells whose cell voltages are added to a total voltage of the battery. The cell voltage is dependent on a combination of materials of the chemical energy storage in the battery cell. When the battery cell is fully charged, the cell voltage may correspond to a nominal voltage of the battery cell. As the discharge progresses, the battery cell can provide a residual voltage as the cell voltage. The residual stress can be related to the
  • a first voltage characteristic may have an approximately horizontal course over a large capacitance range and / or a very small change in the cell voltage across the large one
  • Capacity range represent.
  • a second voltage characteristic may, for example, have an approximately constant slope over a large capacitance range and / or represent a decreasing cell voltage with decreasing residual capacitance.
  • the voltage used to determine the state of charge of the battery may represent the cell voltage of the battery cell with decreasing characteristic.
  • the tension can be between the poles of the
  • the state of charge of the battery can be determined using the voltage and a stored processing instruction.
  • the processing rule may relate the cell voltage of the second battery cell to the state of charge of the first one
  • Map battery cell At least one further strand can be connected in parallel with the strand.
  • the strands can have the same capacity.
  • a plurality of second battery cells In a strand a plurality of second battery cells can be arranged.
  • a capacity of the first battery cell may be adapted to a capacity of the second battery cell. Under a capacity can be a maximum
  • Amount of energy to be understood which can be stored by the battery cell.
  • the battery cells have the same capacities and are evenly charged or discharged, the battery cells have largely consistent charging states during operation.
  • the capacities of the battery cells in operation may be within a tolerance of, for example, ten percent, five percent, or two percent.
  • the first battery cell may have a first cell chemistry and the second battery cell may have a second cell chemistry, wherein the first cell chemistry is different from the second cell chemistry.
  • the battery cells can store the electrical energy in different chemical compounds. Different processes can take place in the battery cells in order to provide the electrical energy.
  • the first battery cell may have a first rated voltage.
  • the second battery cell may have a second rated voltage.
  • Rated voltage may differ from the second rated voltage.
  • a nominal voltage can be a maximum voltage of a battery cell when the battery cell is fully charged.
  • the second rated voltage may be greater than the first rated voltage.
  • the voltages shortly before a voltage dip in the case of mostly depleted batteries can be approximately the same size.
  • Cell compensation electronics be switched.
  • Cell balancing electronics may be a means for compensating for differences in the internal resistance of the battery cells.
  • the cell balancing electronics can adapt a charging current through the second battery cell to a charging profile of the first battery cell.
  • the second battery cell can be designed to be interchangeable.
  • the second battery cell can be designed to be interchangeable.
  • Battery cell may be subject to higher wear than the first one
  • the second battery cell may be provided for scheduled replacement.
  • a first pole of the second battery cell can be connected to a first measuring terminal for connecting a first input of a voltage measuring device.
  • a second pole of the second battery cell may be connected to a second measuring terminal for
  • the first battery cell can be designed without measuring connections. By measuring connections, which can lead to an interface, the voltage of the second battery cell can be tapped from outside the battery, and so, for example, several batteries are monitored with a device.
  • the battery may include a voltage measuring device for measuring the voltage and a device for determining a state of charge of the battery according to the approach presented here, wherein a first input of the
  • Voltage meter is connected to the first measuring port and a second input of the voltmeter is connected to the second measuring port.
  • An output of the voltage meter may be connected to the device for outputting a value of the voltage.
  • State of charge monitoring can be arranged inside the battery.
  • a signal can be given that represents the state of charge of the battery to allow easy monitoring of the battery from the outside.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • FIG. 1 is an illustration of a battery and a device for determining a state of charge of the battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for determining a
  • FIG 4 is an illustration of various characteristics of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an illustration of a battery 100 and a device 102 for determining a state of charge of the battery 100 in accordance with a
  • the battery 100 has two strings connected in parallel.
  • the strands have, each connected in series, a plurality of first battery cells 104 and a second
  • the first battery cells 104 have a first voltage characteristic and a first rated voltage.
  • the second battery cells 106 have a second voltage characteristic and a second nominal voltage. The first
  • Battery cells 104 and the second battery cells 106 have the same rated capacity.
  • the nominal voltages of the battery cells 104, 106 of a strand add up to a nominal voltage of the battery 100.
  • the second battery cell 106 of one of the strands has a first measuring connection, which leads from a positive pole of the second battery cell 106 to an interface on a shell of the battery 100. From a negative pole of the second battery cell 106, a second measuring line leads to the interface. At the interface parallel to the second battery cell 106, a voltage measuring device 108 is connected to tap a cell voltage U of the second battery cell 106 and a voltage value of Cell voltage U provide. The voltmeter 108 may also be disposed within the battery 100.
  • the device 102 is connected to the voltmeter 108.
  • the device 102 has a device 110 for determining the state of charge of the battery 100.
  • the device 110 may receive the voltage value and determine the state of charge of the battery 100 using the cell voltage U of the second battery cell 106.
  • the first voltage characteristic of the first battery cells 104 has at least one flat portion that extends over a wide capacitance range of the first battery cells 104. Within the flat portion, the cell voltage of the first battery cells 104 has almost no change. Therefore, due to the cell voltage, it is hardly possible to draw any conclusions about a remaining residual capacity in the first battery cells 104.
  • the second voltage characteristic of the second battery cells 106 has a marked slope over a large capacitance range. In this way, the cell voltage U of the second battery cell 106 can be assigned a remaining capacity of the second battery cell 106. Since the first battery cells 104 and the second battery cells 106 are designed to be the same
  • the method 200 includes a step 202 of determining.
  • the method may be performed on a battery as shown in FIG.
  • the battery has at least one strand of at least one first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected thereto in series with a second voltage characteristic.
  • a voltage value of the second battery cell is received, the state of charge of the battery is determined using the voltage of the second battery cell, and a value representing the state of charge is provided. It can from the voltage of the second battery cell a current capacity of the second battery cell can be determined. Based on the capacity of the second battery cell, the capacity of the battery can be determined.
  • FIG. 2 shows a method for determining the
  • the state of charge (SOC) of a battery is measured by measuring the rest voltage across the entire battery or on individual cells. If a measurement at a certain time is only possible under load, then the quiescent voltage can be calculated from the measured voltage, the current flow and the resistance. This calculation can be corrected later, as soon as a reconciliation with the measurement of the SOC
  • the flow of current can be integrated into or out of the battery in order to gain information about the state of charge.
  • the error of the current measurement accumulates steadily due to the integration, it is necessary to always match this methodology with the state of charge calculated from the rest voltage.
  • the approach presented here also makes it easy and reliable to determine the state of charge, even if the cells of the battery have a very flat voltage characteristic (eg LiFeP0 4 and also lithium-sulfur). This is done by a suitable interconnection of cells with different cell chemistry. It exploits that N cells with flatter
  • Voltage characteristic under consideration of suitable boundary conditions with a cell of different cell chemistry - whose voltage characteristic is not flat - can be combined in a series circuit.
  • the described method 200 is suitable in principle for any application of lithium-ion batteries, in which an accurate determination of the state of charge is desirable, which includes almost any application.
  • the invention is suitable for plug-in hybrid and electric vehicles, since there a reliable and reliable determination of the battery state of charge is required at any time.
  • FIG. 3 shows an illustration of a battery 100 according to a
  • the battery 100 has a strand 300.
  • the battery has a plurality of first battery cells 104 connected in series.
  • a second battery cell 106 is connected to the first battery cells 104 in series.
  • the second battery cell 106 is designed as a replaceable unit in order to make the battery 100 service-friendly.
  • a number N of the first battery cells 104 results from a desired total voltage of the battery, since in a series circuit the individual voltages are added to the total voltage.
  • the first battery cells 104 may be lithium sulfur cells (Li S) with a rated voltage of 2.1 volts per cell 104 are executed.
  • the second battery cell 106 may be implemented, for example, as a lithium nickel cobalt manganese oxide cell (Li (NixCo Y Mnz) 0 2 or LI NCM) having a rated voltage of 3.7 volts.
  • the lithium sulfur cells 104 with Li-sulfur chemistry have a partially flat
  • the first battery cells 104 may be implemented as lithium iron phosphorus oxide (LiFePO 4 ) at a rated voltage of 3.3 volts per cell.
  • the second battery cell 106 may as in the first wiring example as a lithium nickel cobalt manganese oxide cell
  • Li (Ni (Ni x Co Y Mn z ) 0 2 or LI NCM) are carried out with a rated voltage of 3.7 volts.
  • the first cells 104 with LiFeP0 4 chemistry have a flat voltage characteristic.
  • the state of charge of a battery 100 consisting of cells 104 with a flat voltage characteristic can be easily determined by connecting at least one cell 106 with different cell chemistry in series, as shown in FIG. It is important that the cells 106 of the
  • Charge state measurement on the first cell 106 automatically a very accurate Estimation of the state of charge of the remaining cells 104 and thus also of the entire series string. Furthermore, it would be ideal if the
  • Internal resistances of the cells 104, 106 are in a suitable relationship to each other, so that set at the end of the typical for lithium technology Constant Current Constant Voltage charging the upper cut-off voltages to the cell chemistry. Alternatively, this can also be realized via a suitable cell compensation electronics.
  • this cell 106 can be implemented as an exchangeable unit. This makes it possible to easily replace this cell 106 as needed, for. As part of a regular customer service on the vehicle. The cost of this replacement is very low compared to the high benefit of the much more accurate charge state estimation.
  • a so-called EV battery Electric Vehicle Battery
  • a cell 106 with different cell chemistry can be integrated into each of the series strands 300 to there accurate and reliable
  • the entire battery 100 consists of only two strings 300 connected in parallel, which are in turn made up of 142 cells 104, 106 in series.
  • just two cells are 106 with other cell chemistry needed to significantly improve the state of charge determination.
  • the approach presented here can u.a. when using lithium-ion batteries 100 in power tools, gardening tools, computers, PDAs and cell phones, in hybrid and plug-in hybrid and electric vehicles.
  • FIG. 4 shows a representation of various characteristic curves 400a, 400b, 400c of battery cells according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic representation of an exemplary
  • the voltage characteristic 400a is associated with a battery cell of the type Li (Ni x Co y Mn z ) 0 2 and has a linearly falling characteristic.
  • Voltage characteristic 400b is a battery cell type LiFeP0 4 with a largely linear characteristic and the voltage characteristic 400c is a battery cell of the type Lilthium sulfur with a largely linear
  • the voltage characteristic 400a, 400b, 400c are plotted in a graph showing a capacity of 100 to zero percent on the abscissa. On the ordinate a cell voltage U in volts is plotted. Common to all voltage characteristics 400a, 400b, 400c is a point of zero volt voltage and zero percent capacitance. The voltage characteristic 400a increases sharply from zero percent to about 15% capacity. Subsequently, the voltage characteristic 400a runs up to approximately 60% capacity with a small slope and between 60% and 100% capacity slightly steeper. Conversely, the voltage characteristic 400a has a linear progression in a range between 20% and 100% of the maximum capacitance, with the voltage in the region decreasing by about a third, starting from 100% capacitance.
  • the voltage characteristic 400b rises very steeply up to approx. Five percent capacity and then runs approx Abscissa. Between 95% and 100% capacity, the voltage increases again strongly.
  • the voltage characteristic 400c increases strongly up to approx. 10% capacity. Between 10% and approx. 70%, the voltage characteristic 400c runs flat. By 70% capacity, the voltage characteristic 400c jumps to a higher voltage. At the higher voltage level, the characteristic curve 400c again runs flat up to approx. 95% capacity, in order to increase strongly again up to 100% capacity.
  • Voltage characteristic 400c thus has a stepped course with two plateaus in the range between 10% and 95% of the capacity.

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Abstract

The invention relates to a method for determining a state of charge of a battery (100) which has at least one string consisting of at least one first battery cell (104) with a first voltage characteristic and a second battery cell (106) which is connected in series with the first battery cell and has a second voltage characteristic. The method has a step of determining the state of charge of the battery (100) using a voltage (U) of the second battery cell (106).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie und Batterie  Method and device for determining a state of charge of a battery and a battery
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, weiterhin auf eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie sowie auf eine Batterie. The present invention relates to a method for determining a state of charge of a battery, further to a device for determining a state of charge of a battery and to a battery.
Bei einer herkömmlichen Batterie ist ein großer messtechnischer Aufwand nötig, um einen Ladezustand der Batterie zu bestimmen, da die Batterie über weite Strecken eine nahezu konstante Spannung bereitstellt, während eine Kapazität der Batterie abnimmt. In a conventional battery, a large metrological effort is required to determine a state of charge of the battery, since the battery provides a nearly constant voltage over long distances, while a capacity of the battery decreases.
Die DE 10 2009 046 964 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Zuständen einer Vielzahl von Energiezellenelementen einer DE 10 2009 046 964 A1 describes a method for determining states of a plurality of energy cell elements of a
Energiezellenvorrichtung. Energy cell device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie sowie eine Batterie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, the present invention proposes a method for determining a state of charge of a battery, furthermore a device for determining a state of charge of a battery and a battery according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Eine Batterie kann aus zwei verschiedenen Zelltypen kombiniert werden. A battery can be combined from two different cell types.
Während ein Großteil der Zellen zu einem ersten Zelltyp gehören kann und in einem großen Kapazitätsbereich einen sehr geringen Spannungsabfall aufweist, kann ein kleiner Teil der Zellen zu einem zweiten Zelltyp gehören und einen gut messbaren Spannungsabfall über den gleichen Kapazitätsbereich aufweisen. Bei passend miteinander kombinierten Dimensionen der Zelltypen werden alle Zellen näherungsweise gleich entladen. Von dem Spannungsabfall und damit dem Ladezustand der gut erfassbaren Zellen kann auf den Ladezustand der gesamten Batterie geschlossen werden. While a majority of the cells may belong to a first cell type and have a very low voltage drop in a large capacitance range, For example, a small portion of the cells may belong to a second cell type and have a well measurable voltage drop over the same capacitance range. When the dimensions of the cell types are suitably combined, all cells are discharged approximately equally. From the voltage drop and thus the state of charge of the well-detectable cells can be concluded that the state of charge of the entire battery.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, die zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten A method for determining a state of charge of a battery, the at least one strand of at least one first battery cell with a first
Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie aufweist, weist den folgenden Schritt auf: Voltage characteristic and a series-connected second battery cell having a different from the first voltage characteristic second voltage characteristic, comprises the following step:
Ermitteln des Ladezustands der Batterie unter Verwendung einer Spannung der zweiten Batteriezelle. Determining the state of charge of the battery using a voltage of the second battery cell.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, die zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie aufweist, weist das folgende Merkmal auf: eine Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie unter Verwendung einer Spannung der zweiten Batteriezelle. An apparatus for determining a state of charge of a battery, which has at least one string of at least one first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected in series with a second voltage characteristic different from the first voltage characteristic, has the following feature: a device for determining the state of charge of the battery using a voltage of the second battery cell.
Eine Batterie weist das folgende Merkmal auf: einen Strang aus einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie unterscheidenden zweiten Spannungskennlinie. A battery has the following feature: a string of a first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected in series with a second voltage characteristic that differs from the first voltage characteristic.
Unter einer Batterie kann ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden werden, in dem elektrische Energie chemisch gespeichert werden kann und chemische Energie als elektrische Energie abgegeben werden kann. Unter einem Ladezustand der Batterie kann eine Restkapazität der Batterie verstanden werden, elektrische Energie bereitzustellen. Die Batterie kann eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, die je eine Zellenspannung bereitstellen können. Ein Strang kann eine elektrische Schaltungsanordnung mehrerer Batteriezellen sein, deren Zellenspannungen zu einer Gesamtspannung der Batterie aufaddiert werden. Die Zellenspannung ist abhängig von einer Materialkombination der chemischen Energiespeicher in der Batteriezelle. Bei vollgeladener Batteriezelle kann die Zellenspannung einer Nennspannung der Batteriezelle entsprechen. Bei fortschreitender Entladung kann die Batteriezelle als Zellenspannung eine Restspannung bereitstellen. Die Restspannung kann in Bezug zu dem A battery can be understood as meaning an electrochemical energy store in which electrical energy can be stored chemically and chemical energy can be delivered as electrical energy. Under a state of charge of the battery can be understood a residual capacity of the battery to provide electrical energy. The battery can be a variety of Have battery cells, each of which can provide a cell voltage. A strand may be an electrical circuit arrangement of a plurality of battery cells whose cell voltages are added to a total voltage of the battery. The cell voltage is dependent on a combination of materials of the chemical energy storage in the battery cell. When the battery cell is fully charged, the cell voltage may correspond to a nominal voltage of the battery cell. As the discharge progresses, the battery cell can provide a residual voltage as the cell voltage. The residual stress can be related to the
Ladezustand dargestellt werden und eine Spannungskennlinie der Batteriezelle ergeben. Eine erste Spannungskennlinie kann beispielsweise einen annähernd waagerechten Verlauf über einen großen Kapazitätsbereich aufweisen und/oder eine sehr geringe Änderung der Zellspannung über den großen Charge state are presented and give a voltage characteristic of the battery cell. For example, a first voltage characteristic may have an approximately horizontal course over a large capacitance range and / or a very small change in the cell voltage across the large one
Kapazitätsbereich repräsentieren. Eine zweite Spannungskennlinie kann beispielsweise eine näherungsweise konstante Steigung über einen großen Kapazitätsbereich aufweisen und/oder eine sinkende Zellspannung bei fallender Restkapazität repräsentieren. Die zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie verwendete Spannung kann die Zellspannung der Batteriezelle mit fallender Kennlinie repräsentieren. Die Spannung kann zwischen den Polen der Capacity range represent. A second voltage characteristic may, for example, have an approximately constant slope over a large capacitance range and / or represent a decreasing cell voltage with decreasing residual capacitance. The voltage used to determine the state of charge of the battery may represent the cell voltage of the battery cell with decreasing characteristic. The tension can be between the poles of the
Batteriezelle abgegriffen werden. Der Ladezustand der Batterie kann unter Verwendung der Spannung und einer hinterlegten Verarbeitungsvorschrift ermittelt werden. Die Verarbeitungsvorschrift kann einen Zusammenhang der Zellspannung der zweiten Batteriezelle mit dem Ladezustand der ersten Battery cell are tapped. The state of charge of the battery can be determined using the voltage and a stored processing instruction. The processing rule may relate the cell voltage of the second battery cell to the state of charge of the first one
Batteriezelle abbilden. Parallel zu dem Strang kann zumindest ein weiterer Strang geschaltet sein. Die Stränge können die gleiche Kapazität aufweisen. In einem Strang können mehrere zweite Batteriezellen angeordnet sein. Map battery cell. At least one further strand can be connected in parallel with the strand. The strands can have the same capacity. In a strand a plurality of second battery cells can be arranged.
Eine Kapazität der ersten Batteriezelle kann an eine Kapazität der zweiten Batteriezelle angepasst sein. Unter einer Kapazität kann eine maximale A capacity of the first battery cell may be adapted to a capacity of the second battery cell. Under a capacity can be a maximum
Energiemenge verstanden werden, die von der Batteriezelle gespeichert werden kann. Wenn die Batteriezellen gleiche Kapazitäten aufweisen und gleichmäßig geladen bzw. entladen werden, weisen die Batteriezellen im Betrieb weitgehend übereinstimmende Ladezustände auf. Beispielsweise können die Kapazitäten der Batteriezellen im Betrieb innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise zehn Prozent, fünf Prozent oder zwei Prozent übereinstimmen. Die erste Batteriezelle kann eine erste Zellchemie und die zweite Batteriezelle kann eine zweite Zellchemie aufweisen, wobei sich die erste Zellchemie von der zweiten Zellchemie unterscheidet. Die Batteriezellen können die elektrische Energie in unterschiedlichen chemischen Verbindungen speichern. In den Batteriezellen können unterschiedliche Prozesse ablaufen, um die elektrische Energie bereitzustellen. Amount of energy to be understood, which can be stored by the battery cell. When the battery cells have the same capacities and are evenly charged or discharged, the battery cells have largely consistent charging states during operation. For example, the capacities of the battery cells in operation may be within a tolerance of, for example, ten percent, five percent, or two percent. The first battery cell may have a first cell chemistry and the second battery cell may have a second cell chemistry, wherein the first cell chemistry is different from the second cell chemistry. The battery cells can store the electrical energy in different chemical compounds. Different processes can take place in the battery cells in order to provide the electrical energy.
Die erste Batteriezelle kann eine erste Nennspannung aufweisen. Die zweite Batteriezelle kann eine zweite Nennspannung aufweisen. Die erste The first battery cell may have a first rated voltage. The second battery cell may have a second rated voltage. The first
Nennspannung kann sich von der zweiten Nennspannung unterscheiden. Eine Nennspannung kann eine Maximalspannung einer Batteriezelle bei voll aufgeladener Batteriezelle sein. Die zweite Nennspannung kann größer sein als die erste Nennspannung. Die Spannungen kurz vor einem Spannungseinbruch bei großteils entleerten Batterien können näherungsweise gleich groß sein. Rated voltage may differ from the second rated voltage. A nominal voltage can be a maximum voltage of a battery cell when the battery cell is fully charged. The second rated voltage may be greater than the first rated voltage. The voltages shortly before a voltage dip in the case of mostly depleted batteries can be approximately the same size.
In dem Strang kann parallel zu der zweiten Batteriezelle eine In the strand can parallel to the second battery cell a
Zellausgleichselektronik geschaltet sein. Eine Zellausgleichselektronik kann eine Einrichtung zum Ausgleichen von Unterschieden im Innenwiderstand der Batteriezellen sein. Die Zellausgleichselektronik kann einen Ladestrom durch die zweite Batteriezelle an ein Ladeprofil der ersten Batteriezelle anpassen. Cell compensation electronics be switched. Cell balancing electronics may be a means for compensating for differences in the internal resistance of the battery cells. The cell balancing electronics can adapt a charging current through the second battery cell to a charging profile of the first battery cell.
Die zweite Batteriezelle kann austauschbar ausgeführt sein. Die zweite The second battery cell can be designed to be interchangeable. The second
Batteriezelle kann einem höheren Verschleiß unterliegen, als die erste Battery cell may be subject to higher wear than the first one
Batteriezelle. Um eine Lebensdauer der Batterie insgesamt zu erhöhen, kann die zweite Batteriezelle zum planmäßigen Austausch vorgesehen sein. Battery cell. In order to increase the life of the battery as a whole, the second battery cell may be provided for scheduled replacement.
Zum Messen einer Spannung der ersten Batteriezelle kann ein erster Pol der zweiten Batteriezelle mit einem ersten Messanschluss zum Anschließen eines ersten Eingangs eines Spannungsmessgeräts verschaltet sein. Ein zweiter Pol der zweiten Batteriezelle kann mit einem zweiten Messanschluss zum For measuring a voltage of the first battery cell, a first pole of the second battery cell can be connected to a first measuring terminal for connecting a first input of a voltage measuring device. A second pole of the second battery cell may be connected to a second measuring terminal for
Anschließen eines zweiten Eingangs des Spannungsmessgeräts verschaltet sein. Die erste Batteriezelle kann ohne Messanschlüsse ausgeführt sein. Durch Messanschlüsse, die zu einer Schnittstelle führen können, kann die Spannung der zweiten Batteriezelle von außerhalb der Batterie abgegriffen werden, und so beispielsweise mehrere Batterien mit einer Vorrichtung überwacht werden. Die Batterie kann ein Spannungsmessgerät zum Messen der Spannung und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweisen, wobei ein erster Eingang des Connecting a second input of the voltmeter be interconnected. The first battery cell can be designed without measuring connections. By measuring connections, which can lead to an interface, the voltage of the second battery cell can be tapped from outside the battery, and so, for example, several batteries are monitored with a device. The battery may include a voltage measuring device for measuring the voltage and a device for determining a state of charge of the battery according to the approach presented here, wherein a first input of the
Spannungsmessgeräts mit dem ersten Messanschluss verbunden ist und ein zweiter Eingang des Spannungsmessgeräts mit dem zweiten Messanschluss verbunden ist. Ein Ausgang des Spannungsmessgeräts kann zum Ausgeben eines Werts der Spannung mit der Vorrichtung verbunden sein. Die Voltage meter is connected to the first measuring port and a second input of the voltmeter is connected to the second measuring port. An output of the voltage meter may be connected to the device for outputting a value of the voltage. The
Ladezustandsüberwachung kann innerhalb der Batterie angeordnet sein. Damit kann beispielsweise ein Signal abgegeben werden, das den Ladezustand der Batterie repräsentiert, um eine leichte Überwachung der Batterie von außen zu ermöglichen. State of charge monitoring can be arranged inside the battery. Thus, for example, a signal can be given that represents the state of charge of the battery to allow easy monitoring of the battery from the outside.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Darstellung einer Batterie und einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 is an illustration of a battery and a device for determining a state of charge of the battery according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines 2 is a flow chart of a method for determining a
Ladezustands einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und State of charge of a battery according to an embodiment of the present invention; 3 is an illustration of a battery according to an embodiment of the present invention; and
Fig. 4 eine Darstellung verschiedener Kennlinien von Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4 is an illustration of various characteristics of battery cells according to an embodiment of the present invention.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar elements shown in the various figures and similar will be used
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Reference numeral used, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Batterie 100 und einer Vorrichtung 102 zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie 100 gemäß einem 1 shows an illustration of a battery 100 and a device 102 for determining a state of charge of the battery 100 in accordance with a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 100 weist zwei parallel verschaltete Stränge auf. Die Stränge weisen, jeweils in Reihe geschaltet, eine Vielzahl von ersten Batteriezellen 104 und eine zweite Embodiment of the present invention. The battery 100 has two strings connected in parallel. The strands have, each connected in series, a plurality of first battery cells 104 and a second
Batteriezelle 106 auf. Battery cell 106 on.
Die ersten Batteriezellen 104 weisen eine erste Spannungskennlinie und eine erste Nennspannung auf. Die zweiten Batteriezellen 106 weisen eine zweite Spannungskennlinie und eine zweite Nennspannung auf. Die ersten The first battery cells 104 have a first voltage characteristic and a first rated voltage. The second battery cells 106 have a second voltage characteristic and a second nominal voltage. The first
Batteriezellen 104 und die zweiten Batteriezellen 106 weisen die gleiche Nennkapazität auf. Die Nennspannungen der Batteriezellen 104, 106 eines Stranges addieren sich zu einer Nennspannung der Batterie 100. Die Battery cells 104 and the second battery cells 106 have the same rated capacity. The nominal voltages of the battery cells 104, 106 of a strand add up to a nominal voltage of the battery 100. The
Nennkapazitäten aller Batteriezellen 104, 106 der Batterie 100 addieren sich zu einer Nennkapazität der Batterie 100. Rated capacities of all battery cells 104, 106 of the battery 100 add up to a nominal capacity of the battery 100.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die zweite Batteriezelle 106 eines der Stränge einen ersten Messanschluss auf, der von einem Pluspol der zweiten Batteriezelle 106 zu einer Schnittstelle an einer Hülle der Batterie 100 führt. Von einem Minuspol der zweiten Batteriezelle 106 führt eine zweite Messleitung zu der Schnittstelle. An der Schnittstelle ist parallel zu der zweiten Batteriezelle 106 ein Spannungsmessgerät 108 angeschlossen, um eine Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 abzugreifen und einen Spannungswert der Zellspannung U bereitzustellen. Das Spannungsmessgerät 108 kann auch innerhalb der Batterie 100 angeordnet sein. In this exemplary embodiment, the second battery cell 106 of one of the strands has a first measuring connection, which leads from a positive pole of the second battery cell 106 to an interface on a shell of the battery 100. From a negative pole of the second battery cell 106, a second measuring line leads to the interface. At the interface parallel to the second battery cell 106, a voltage measuring device 108 is connected to tap a cell voltage U of the second battery cell 106 and a voltage value of Cell voltage U provide. The voltmeter 108 may also be disposed within the battery 100.
Die Vorrichtung 102 ist mit dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Die Vorrichtung 102 weist eine Einrichtung 1 10 zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie 100 auf. Die Einrichtung 1 10 kann den Spannungswert empfangen und unter Verwendung der Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 den Ladezustand der Batterie 100 ermitteln. The device 102 is connected to the voltmeter 108. The device 102 has a device 110 for determining the state of charge of the battery 100. The device 110 may receive the voltage value and determine the state of charge of the battery 100 using the cell voltage U of the second battery cell 106.
Die erste Spannungskennlinie der ersten Batteriezellen 104 weist zumindest einen flachen Abschnitt auf, der sich über einen weiten Kapazitätsbereich der ersten Batteriezellen 104 erstreckt. Innerhalb des flachen Abschnitts weist die Zellspannung der ersten Batteriezellen 104 nahezu keine Änderung auf. Deshalb kann aufgrund der Zellspannung kaum ein Rückschluss auf eine verbleibende Restkapazität in den ersten Batteriezellen 104 gezogen werden. Die zweite Spannungskennlinie der zweiten Batteriezellen 106 weist über einen großen Kapazitätsbereich eine ausgeprägte Steigung auf. Damit kann der Zellspannung U der zweiten Batteriezelle 106 eine verbleibende Restkapazität der zweiten Batteriezelle 106 zugeordnet werden. Da die ersten Batteriezellen 104 und die zweiten Batteriezellen 106 so ausgelegt sind, dass sie die gleiche The first voltage characteristic of the first battery cells 104 has at least one flat portion that extends over a wide capacitance range of the first battery cells 104. Within the flat portion, the cell voltage of the first battery cells 104 has almost no change. Therefore, due to the cell voltage, it is hardly possible to draw any conclusions about a remaining residual capacity in the first battery cells 104. The second voltage characteristic of the second battery cells 106 has a marked slope over a large capacitance range. In this way, the cell voltage U of the second battery cell 106 can be assigned a remaining capacity of the second battery cell 106. Since the first battery cells 104 and the second battery cells 106 are designed to be the same
Speicherfähigkeit für elektrische Energie aufweisen, also die gleiche Kapazität haben, werden sie gleich entladen oder gleich geladen. Dadurch kann von der ermittelten aktuellen Kapazität der zweiten Batteriezelle 106 auf die aktuelle Gesamtkapazität der Batterie 100 geschlossen werden. Have storage capacity for electrical energy, so have the same capacity, they are equal to discharge or the same charge. As a result, it is possible to deduce the current total capacity of the battery 100 from the determined current capacity of the second battery cell 106.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Ermitteins auf. Das Verfahren kann an einer Batterie, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ausgeführt werden. Die Batterie weist dazu zumindest einen Strang aus zumindest einer ersten Batteriezelle mit einer ersten Spannungskennlinie und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle mit einer zweiten Spannungskennlinie auf. Im Schritt des Ermitteins 202 wird ein Spannungswert der zweiten Batteriezelle empfangen, der Ladezustand der Batterie unter Verwendung der Spannung der zweiten Batteriezelle ermittelt und ein den Ladezustand repräsentierender Wert bereitgestellt. Dabei kann aus der Spannung der zweiten Batteriezelle eine aktuelle Kapazität der zweiten Batteriezelle ermittelt werden. Basierend auf der Kapazität der zweiten Batteriezelle kann die Kapazität der Batterie ermittelt werden. 2 shows a flowchart of a method 200 for determining a state of charge of a battery according to an embodiment of the present invention. The method 200 includes a step 202 of determining. The method may be performed on a battery as shown in FIG. For this purpose, the battery has at least one strand of at least one first battery cell with a first voltage characteristic and a second battery cell connected thereto in series with a second voltage characteristic. In the determining step 202, a voltage value of the second battery cell is received, the state of charge of the battery is determined using the voltage of the second battery cell, and a value representing the state of charge is provided. It can from the voltage of the second battery cell a current capacity of the second battery cell can be determined. Based on the capacity of the second battery cell, the capacity of the battery can be determined.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 ein Verfahren zur Bestimmung des In other words, FIG. 2 shows a method for determining the
Ladezustandes bei Batterien mit flacher Spannungskennlinie durch geeignete Verschaltung von Batteriezellen mit unterschiedlicher Zellchemie. Gezeigt ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, bestehend aus mehreren Batteriezellen, deren Spannungskennlinien flach verlaufen, wodurch die übliche Bestimmung des Ladezustands durch Messen der Ruhespannung nicht sinnvoll bzw. ausschließlich mit hochgenauer und sehr teurer Messtechnik möglich wäre. State of charge for batteries with a flat voltage characteristic by suitable connection of battery cells with different cell chemistry. Shown is a method for determining the state of charge of a battery, consisting of several battery cells whose voltage characteristics are flat, whereby the usual determination of the state of charge by measuring the quiescent voltage would not make sense or exclusively with high-precision and very expensive measurement technology would be possible.
Üblicherweise wird der Ladezustand (State of Charge - SOC) einer Batterie durch Messen der Ruhespannung an der gesamten Batterie oder an einzelnen Zellen vorgenommen. Ist eine Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt nur unter Last möglich, so lässt sich die Ruhespannung aus der gemessenen Spannung, dem Stromfluss und dem Widerstand errechnen. Diese Rechnung kann später korrigiert werden, sobald wieder ein Abgleich mit der Messung der Usually, the state of charge (SOC) of a battery is measured by measuring the rest voltage across the entire battery or on individual cells. If a measurement at a certain time is only possible under load, then the quiescent voltage can be calculated from the measured voltage, the current flow and the resistance. This calculation can be corrected later, as soon as a reconciliation with the measurement of the
Ruhespannung (ohne Last) möglich ist. Rest tension (without load) is possible.
Daneben kann der Stromfluss in die Batterie bzw. aus ihr heraus integriert werden, um darüber eine Aussage über den Ladezustand zu gewinnen. Da sich durch die Integration jedoch der Fehler der Strommessung stetig aufsummiert, ist es notwendig, diese Methodik stets mit dem aus der Ruhespannung berechneten Ladezustand abzugleichen. In addition, the flow of current can be integrated into or out of the battery in order to gain information about the state of charge. However, since the error of the current measurement accumulates steadily due to the integration, it is necessary to always match this methodology with the state of charge calculated from the rest voltage.
Die äußerst wichtige Korrelation zwischen Ruhespannung und Ladezustand ist jedoch nur möglich, wenn die Ruhespannungskennlinie (Open Circuit Voltage - OCV) als Funktion des Ladezustand eine hinreichende Steigung aufweist, d. h. d(Uocv) / d(SOC) Ψ 0. Allerdings weisen einige wichtige elektrochemische Systeme eine sehr flache Spannungskennlinie auf. z. B. LiFeP04 und auch Lithium-Schwefel (2 Li + S - However, the extremely important correlation between open circuit voltage and state of charge is only possible if the Open Circuit Voltage (OCV) has a sufficient slope as a function of the state of charge, ie d (Uocv) / d (SOC) Ψ 0. However, some important electrochemical systems have a very flat voltage characteristic. z. B. LiFeP0 4 and also lithium-sulfur (2 Li + S -
Li2S) wie in Fig. 4 dargestellt. Bislang ist eine Verwendung dieser wichtigen elektrochemischen Systeme in Batterien, deren Ladezustand möglichst genau geschätzt werden muss (z. B. Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeug), nur erschwert möglich. Li 2 S) as shown in Fig. 4. Until now, the use of these important electrochemical systems in batteries whose state of charge must be estimated as accurately as possible (eg plug-in hybrid and electric vehicle) is difficult.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Ladezustandsbestimmung auch dann einfach und zuverlässig, wenn die Zellen der Batterie über eine sehr flache Spanungskennlinie (z. B. LiFeP04 und auch Lithium-Schwefel) verfügen. Dies geschieht durch eine geeignete Verschaltung von Zellen mit unterschiedlicher Zellchemie. Dabei wird ausgenutzt, dass N Zellen mit flacher The approach presented here also makes it easy and reliable to determine the state of charge, even if the cells of the battery have a very flat voltage characteristic (eg LiFeP0 4 and also lithium-sulfur). This is done by a suitable interconnection of cells with different cell chemistry. It exploits that N cells with flatter
Spannungskennlinie unter Beachtung geeigneter Randbedingungen mit einer Zelle unterschiedlicher Zellchemie - deren Spannungskennlinie nicht flach ist - in einer Reihenschaltung kombiniert werden können. Das beschriebene Verfahren 200 eignet sich prinzipiell für jede Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien, bei der eine genaue Bestimmung des Ladezustands wünschenswert ist, was nahezu jede Anwendung mit einschließt. In besonders hohem Maße ist die Erfindung für Plug-in-Hybrid- sowie Elektrofahrzeuge geeignet, da dort eine zuverlässige und belastbare Ermittlung des Batterieladezustands zu jedem Zeitpunkt erforderlich ist. Voltage characteristic under consideration of suitable boundary conditions with a cell of different cell chemistry - whose voltage characteristic is not flat - can be combined in a series circuit. The described method 200 is suitable in principle for any application of lithium-ion batteries, in which an accurate determination of the state of charge is desirable, which includes almost any application. To a particularly high degree, the invention is suitable for plug-in hybrid and electric vehicles, since there a reliable and reliable determination of the battery state of charge is required at any time.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Batterie 100 gemäß einem 3 shows an illustration of a battery 100 according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 100 weist einen Strang 300 auf. Die Batterie weist eine Vielzahl von ersten Batteriezellen 104 auf, die in Reihe geschaltet sind. Zu den ersten Batteriezellen 104 in Reihe ist eine zweite Batteriezelle 106 geschaltet. Die zweite Batteriezelle 106 ist als austauschbare Einheit ausgeführt, um die Batterie 100 servicefreundlich zu gestalten. Eine Anzahl N der ersten Batteriezellen 104 ergibt sich aus einer gewünschten Gesamtspannung der Batterie, da in einer Reihenschaltung die Einzelspannungen zu der Gesamtspannung addiert werden. Embodiment of the present invention. The battery 100 has a strand 300. The battery has a plurality of first battery cells 104 connected in series. To the first battery cells 104 in series, a second battery cell 106 is connected. The second battery cell 106 is designed as a replaceable unit in order to make the battery 100 service-friendly. A number N of the first battery cells 104 results from a desired total voltage of the battery, since in a series circuit the individual voltages are added to the total voltage.
In einem ersten Verschaltungsbeispiel können die ersten Batteriezellen 104 als Lithium Schwefel Zellen (Li S) mit einer Nennspannung von 2, 1 Volt pro Zelle 104 ausgeführt werden. Die zweite Batteriezelle 106 kann beispielsweise als Lithium Nickel Kobalt Mangan Oxid Zelle (Li(NixCoYMnz)02 oder LI NCM) mit einer Nennspannung von 3,7 Volt ausgeführt werden. Dabei weisen die Lithium Schwefel Zellen 104 mit Li-Schwefel-Chemie eine partiell flache In a first wiring example, the first battery cells 104 may be lithium sulfur cells (Li S) with a rated voltage of 2.1 volts per cell 104 are executed. The second battery cell 106 may be implemented, for example, as a lithium nickel cobalt manganese oxide cell (Li (NixCo Y Mnz) 0 2 or LI NCM) having a rated voltage of 3.7 volts. The lithium sulfur cells 104 with Li-sulfur chemistry have a partially flat
Spannungskennlinie auf, während die LI NCM Zelle 106 mit NCM-Chemie eine linear fallende Spannungskennlinie aufweist. Voltage characteristic, while the LI NCM cell 106 with NCM chemistry has a linearly decreasing voltage characteristic.
In einem zweiten Verschaltungsbeispiel können die ersten Batteriezellen 104 als Lithium Eisen Phosphor Oxid (LiFeP04) mit einer Nennspannung von 3,3 Volt pro Zelle ausgeführt werden. Die zweite Batteriezelle 106 kann wie im ersten Verschaltungsbeispiel als Lithium Nickel Kobalt Mangan Oxid Zelle In a second wiring example, the first battery cells 104 may be implemented as lithium iron phosphorus oxide (LiFePO 4 ) at a rated voltage of 3.3 volts per cell. The second battery cell 106 may as in the first wiring example as a lithium nickel cobalt manganese oxide cell
(Li(NixCoYMnz)02 oder LI NCM) mit einer Nennspannung von 3,7 Volt ausgeführt werden. Dabei weisen die ersten Zellen 104 mit LiFeP04-Chemie eine flache Spannungskennlinie auf. (Li (Ni x Co Y Mn z ) 0 2 or LI NCM) are carried out with a rated voltage of 3.7 volts. In this case, the first cells 104 with LiFeP0 4 chemistry have a flat voltage characteristic.
Der Ladezustand einer Batterie 100, bestehend aus Zellen 104 mit flacher Spannungskennlinie, kann dadurch leicht bestimmt werden, dass zumindest eine Zelle 106 mit unterschiedlicher Zellchemie in Reihe dazu geschaltet wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Wichtig ist hierbei, dass die Zellen 106 der The state of charge of a battery 100 consisting of cells 104 with a flat voltage characteristic can be easily determined by connecting at least one cell 106 with different cell chemistry in series, as shown in FIG. It is important that the cells 106 of the
unterschiedlichen Zellchemie über die gleiche Kapazität verfügen, wie auch die restlichen N Zellen 104. In der Reihenschaltung der Zellen 104, 106 addieren sich die Spannungen, sodass die unterschiedliche Zellchemie hier bei einem großen Reihenstrang keinerlei Probleme bereitet. Auch unterschiedliche have the same capacity as the remaining N cells 104. In the series connection of the cells 104, 106, the voltages add up so that the different cell chemistry here in a large series strand prepares no problems. Also different
Zellspannungen können so einfach aufsummiert werden. Der Strom ist in der gesamten Reihenschaltung gleich. Bei gleicher Kapazität der ersten Zelle 106 (mit anderer Zellchemie) führt nun der gleiche Strom- und damit auch die gleiche Kapazitäts-Rate dazu, dass sich der Ladezustand der ersten Zelle 106 in genau demselben Maße ändert wie auch der Ladezustand der weiteren N Zellen 104. Wenn nun die erste Zelle 106 so beschaffen ist, dass sie eine mit dem Cell voltages can be summed up so easily. The current is the same throughout the series connection. With the same capacity of the first cell 106 (with different cell chemistry), the same current and hence the same capacitance rate mean that the state of charge of the first cell 106 changes to exactly the same extent as does the state of charge of the further N cells 104 Now if the first cell 106 is such that it has one with the
Ladezustand linear abfallende Spannungskennlinie aufweist (vgl. Fig. 4), z. B. Li- NCM, so kann der Ladezustand dieser Zelle 106 im Batterie-Management- System leicht bestimmt werden. Aufgrund des gleichen Stroms und der gleichen Kapazität im ganzen Reihenstrang kann nun mit sehr hoher Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass der Ladezustand der restlichen N Zellen 104 genauso groß ist. Auf diese Weise ermöglicht die einfache Charging state linearly sloping voltage characteristic has (see Fig. 4), z. B. Li-NCM, the state of charge of this cell 106 can be easily determined in the battery management system. Due to the same current and the same capacitance in the entire series string can now be assumed with very high accuracy that the state of charge of the remaining N cells 104 is the same size. In this way allows the easy
Ladezustandsmessung an der ersten Zelle 106 automatisch eine sehr genaue Abschätzung des Ladezustands der verbleibenden Zellen 104 und damit auch des gesamten Reihenstrangs. Weiterhin wäre es ideal, wenn die Charge state measurement on the first cell 106 automatically a very accurate Estimation of the state of charge of the remaining cells 104 and thus also of the entire series string. Furthermore, it would be ideal if the
Innenwiderstände der Zellen 104, 106 in einem geeigneten Verhältnis zueinander stehen, damit sich am Ende des für die Lithium-Technik typischen Constant- Current-Constant-Voltage Ladevorgangs die oberen Abschaltspannungen passend zur Zellchemie einstellen. Alternativ kann dies auch über eine geeignete Zellausgleichselektronik realisiert werden. Internal resistances of the cells 104, 106 are in a suitable relationship to each other, so that set at the end of the typical for lithium technology Constant Current Constant Voltage charging the upper cut-off voltages to the cell chemistry. Alternatively, this can also be realized via a suitable cell compensation electronics.
Um evtl. auftretende Alterungsphänomene, die bei der ersten Zelle 106 in anderem Maße auftreten könnten als bei den restlichen Zellen 104, zu kompensieren, lässt sich diese Zelle 106 als austauschbare Einheit ausführen. Dadurch ist es möglich, diese Zelle 106 bei Bedarf leicht auszutauschen, z. B. im Rahmen eines regelmäßigen Kundendienstes am Fahrzeug. Die Kosten für diesen Austausch sind sehr gering im Vergleich zum hohen Nutzen der hierdurch deutlich genaueren Ladezustandsabschätzung. In order to compensate for any aging phenomena which could occur in the first cell 106 to a degree different from that for the remaining cells 104, this cell 106 can be implemented as an exchangeable unit. This makes it possible to easily replace this cell 106 as needed, for. As part of a regular customer service on the vehicle. The cost of this replacement is very low compared to the high benefit of the much more accurate charge state estimation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Batterie 100 eines Elektrofahrzeugs, einer sogenannten EV-Batterie (Electric Vehicle Batterie), die im Allgemeinen aus mehreren parallel verschalteten Reihensträngen 300 besteht, kann eine solche Zelle 106 mit unterschiedlicher Zellchemie in jeden der Reihenstränge 300 integriert werden, um dort eine genaue und verlässliche According to one embodiment of a battery 100 of an electric vehicle, a so-called EV battery (Electric Vehicle Battery), which generally consists of a plurality of series strands 300 connected in parallel, such a cell 106 with different cell chemistry can be integrated into each of the series strands 300 to there accurate and reliable
Ladezustandsabschätzung zu ermöglichen. To enable state of charge estimation.
Der Aufwand hierfür ist sehr gering, wie folgende Abschätzung für eine EV- Batterie 100 aus Li-Schwefel-Zellen zeigt. Als Annahme wird eine Kapazität der Einzelzelle 104, 106 mit 40 Ah (übliche Größe) zugrunde gelegt. Ein angestrebter Energieinhalt der Batterie 100 ist 24 kWh bei einer mittleren Zellspannung von 2,1 V bei US. The effort for this is very small, as the following estimate for an EV battery 100 from Li-sulfur cells shows. As an assumption, a capacity of the single cell 104, 106 with 40 Ah (usual size) is used. A targeted energy content of the battery 100 is 24 kWh at a mean cell voltage of 2.1 V at US.
Aus den genannten, realistischen Annahmen ergibt sich ein Energieinhalt pro Zelle 104, 106 von 84 Wh. Für die Gesamtenergie der Batterie 100 sind somit 286 Zellen 104, 106 notwendig. Um durch Reihenschaltung auf die im From the above, realistic assumptions results in an energy content per cell 104, 106 of 84 Wh. For the total energy of the battery 100 thus 286 cells 104, 106 are necessary. To connect to the in
Elektrofahrzeug übliche Spannung von ca. 300 V zu kommen, sind rund 142 Zellen 104, 106 in Reihe nötig. Somit besteht die gesamte Batterie 100 aus nur zwei parallel geschalteten Strängen 300, die wiederum aus 142 Zellen 104, 106 in Reihe aufgebaut sind. In diesem Beispiel sind gerade einmal zwei Zellen 106 mit anderer Zellchemie nötig, um die Ladezustandsbestimmung deutlich zu verbessern. To come electric vehicle usual voltage of about 300 V, about 142 cells 104, 106 in series are needed. Thus, the entire battery 100 consists of only two strings 300 connected in parallel, which are in turn made up of 142 cells 104, 106 in series. In this example, just two cells are 106 with other cell chemistry needed to significantly improve the state of charge determination.
Der hier vorgestellte Ansatz lässt sich u.a. beim Einsatz von Lithium-Ionen- Batterien 100 in Elektrowerkzeugen, Gartengeräten, Computern, PDAs und Mobiltelefonen, in Hybrid- und Plug-in Hybrid- sowie in Elektrofahrzeugen anwenden. The approach presented here can u.a. when using lithium-ion batteries 100 in power tools, gardening tools, computers, PDAs and cell phones, in hybrid and plug-in hybrid and electric vehicles.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung verschiedener Kennlinien 400a, 400b, 400c von Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften 4 shows a representation of various characteristic curves 400a, 400b, 400c of battery cells according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic representation of an exemplary
Spannungskennlinie 400a einer zweiten Batteriezelle 106 und zwei beispielhafte Spannungskennlinien 400b, 400c von ersten Batteriezellen 104, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben sind. Voltage characteristic 400a of a second battery cell 106 and two exemplary voltage characteristics 400b, 400c of first battery cells 104, as described with reference to the preceding figures.
Die Spannungskennlinie 400a ist einer Batteriezelle vom Typ Li(NixCoyMnz)02 zugeordnet und weist eine linear fallende Charakteristik auf. Die The voltage characteristic 400a is associated with a battery cell of the type Li (Ni x Co y Mn z ) 0 2 and has a linearly falling characteristic. The
Spannungskennlinie 400b ist einer Batteriezelle vom Typ LiFeP04 mit einer weitgehend linearen Charakteristik und die Spannungskennlinie 400c ist einer Batteriezelle vom Typ Lilthium Schwefel mit einer weitgehend linearen Voltage characteristic 400b is a battery cell type LiFeP0 4 with a largely linear characteristic and the voltage characteristic 400c is a battery cell of the type Lilthium sulfur with a largely linear
Charakteristik auf den Plateaus zugeordnet. Characteristic assigned to the plateaus.
Die Spannungskennlinie 400a, 400b, 400c sind in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse eine Kapazität von 100 bis null Prozent zeigt. Auf der Ordinate ist eine Zellspannung U in Volt aufgetragen. Allen Spannungskennlinie 400a, 400b, 400c gemeinsam ist ein Punkt von null Volt Spannung und null Prozent Kapazität. Die Spannungskennlinie 400a steigt von null Prozent bis ca. 15% Kapazität stark an. Anschließend verläuft die Spannungskennlinie 400a bis ca. 60% Kapazität mit geringer Steigung und zwischen 60% und 100% Kapazität etwas steiler. Annäherungsweise weist die weist die Spannungskennlinie 400a in einem Bereich zwischen 20% und 100% der maximalen Kapazität einen linearen Verlauf auf, wobei sich die Spannung in dem Bereich, ausgehend von 100% Kapazität, um ungefähr ein Drittel verringert. The voltage characteristic 400a, 400b, 400c are plotted in a graph showing a capacity of 100 to zero percent on the abscissa. On the ordinate a cell voltage U in volts is plotted. Common to all voltage characteristics 400a, 400b, 400c is a point of zero volt voltage and zero percent capacitance. The voltage characteristic 400a increases sharply from zero percent to about 15% capacity. Subsequently, the voltage characteristic 400a runs up to approximately 60% capacity with a small slope and between 60% and 100% capacity slightly steeper. Conversely, the voltage characteristic 400a has a linear progression in a range between 20% and 100% of the maximum capacitance, with the voltage in the region decreasing by about a third, starting from 100% capacitance.
Die Spannungskennlinie 400b steigt bis ca. fünf Prozent Kapazität sehr steil an und verläuft anschließend bis ca. 95% Kapazität annähernd parallel zur Abszisse. Zwischen 95% und 100% Kapazität steigt die Spannung erneut stark an. The voltage characteristic 400b rises very steeply up to approx. Five percent capacity and then runs approx Abscissa. Between 95% and 100% capacity, the voltage increases again strongly.
Die Spannungskennlinie 400c steigt bis ca. 10% Kapazität stark an. Zwischen 10% und ca. 70% verläuft die Spannungskennlinie 400c flach. Um 70% Kapazität weist die Spannungskennlinie 400c einen Sprung auf eine höhere Spannung auf. Auf dem höheren Spannungsniveau verläuft die Kennlinie 400c erneut flach bis ca. 95% Kapazität, um bis 100% Kapazität erneut stark anzusteigen. Die The voltage characteristic 400c increases strongly up to approx. 10% capacity. Between 10% and approx. 70%, the voltage characteristic 400c runs flat. By 70% capacity, the voltage characteristic 400c jumps to a higher voltage. At the higher voltage level, the characteristic curve 400c again runs flat up to approx. 95% capacity, in order to increase strongly again up to 100% capacity. The
Spannungskennlinie 400c weist somit im Bereich zwischen 10% und 95% der Kapazität einen stufenförmigen Verlauf mit zwei Plateaus auf. Voltage characteristic 400c thus has a stepped course with two plateaus in the range between 10% and 95% of the capacity.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren (200) zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie (100), die zumindest einen Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten A method (200) for determining a state of charge of a battery (100) comprising at least one string (300) of at least one first battery cell (104) having a first voltage characteristic (400b, 400c) and a second battery cell (106 ) having a second one different from the first voltage characteristic (400b, 400c)
Spannungskennlinie (400a) aufweist, wobei das Verfahren (200) den folgenden Schritt aufweist:  Voltage characteristic (400a), the method (200) comprising the following step:
Ermitteln (202) des Ladezustands der Batterie (100) unter Verwendung einer Spannung (U) der zweiten Batteriezelle (106). Determining (202) the state of charge of the battery (100) using a voltage (U) of the second battery cell (106).
2. Vorrichtung (102) zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie (100), die zumindest einen Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten 2. Device (102) for determining a state of charge of a battery (100) comprising at least one string (300) of at least one first battery cell (104) having a first voltage characteristic (400b, 400c) and a second battery cell (106 ) having a second one different from the first voltage characteristic (400b, 400c)
Spannungskennlinie (400a) aufweist, wobei die Vorrichtung (102) das folgende Merkmal aufweist: eine Einrichtung (1 10) zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie (100) unter Verwendung einer Spannung (U) der zweiten Batteriezelle (106).  Voltage characteristic (400a), the device (102) comprising the following feature: means (110) for determining the state of charge of the battery (100) using a voltage (U) of the second battery cell (106).
3. Batterie (100) mit folgendem Merkmal: einem Strang (300) aus zumindest einer ersten Batteriezelle (104) mit einer ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) und einer dazu in Reihe A battery (100) comprising: a string (300) of at least a first battery cell (104) having a first voltage characteristic (400b, 400c) and one in series therewith
geschalteten zweiten Batteriezelle (106) mit einer sich von der ersten Spannungskennlinie (400b, 400c) unterscheidenden zweiten  connected second battery cell (106) with a second of the first voltage characteristic (400b, 400c) different
Spannungskennlinie (400a). Voltage characteristic (400a).
4. Batterie (100) gemäß Anspruch 3, bei der eine Kapazität der ersten 4. Battery (100) according to claim 3, wherein a capacity of the first
Batteriezelle (104) an eine Kapazität der zweiten Batteriezelle (106) angepasst ist.  Battery cell (104) is adapted to a capacity of the second battery cell (106).
5. Batterie (100) gemäß Anspruch 4, bei der die erste Batteriezelle (104) eine erste Zellchemie und die zweite Batteriezelle (106) eine zweite Zellchemie aufweisen, wobei sich die erste Zellchemie von der zweiten Zellchemie unterscheidet. The battery (100) of claim 4, wherein the first battery cell (104) has a first cell chemistry and the second battery cell (106) has a second cell chemistry, wherein the first cell chemistry is different from the second cell chemistry.
6. Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der die erste 6. Battery (100) according to one of claims 4 to 5, wherein the first
Batteriezelle (104) eine erste Nennspannung aufweist und die zweite Batteriezelle (106) eine zweite Nennspannung aufweist, wobei die sich die erste Nennspannung von der zweiten Nennspannung unterscheidet.  Battery cell (104) has a first rated voltage and the second battery cell (106) has a second rated voltage, wherein the first rated voltage is different from the second rated voltage.
7. Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der in dem Strang (300) parallel zu der zweiten Batteriezelle (106) eine Zellausgleichselektronik geschaltet ist. 7. Battery (100) according to one of claims 4 to 6, wherein in the strand (300) parallel to the second battery cell (106), a cell compensation electronics is connected.
8. Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die zweite 8. Battery (100) according to one of claims 4 to 7, wherein the second
Batteriezelle (106) austauschbar ausgeführt ist.  Battery cell (106) is made interchangeable.
9. Batterie (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der zum Messen einer Spannung (U) der ersten Batteriezelle (106) ein erster Pol der zweiten Batteriezelle (106) mit einem ersten Messanschluss zum Anschließen eines ersten Eingangs eines Spannungsmessgeräts (108) verschaltet ist und ein zweiter Pol der zweiten Batteriezelle (106) mit einem zweiten Messanschluss zum Anschließen eines zweiten Eingangs des Spannungsmessgeräts (108) verschaltet ist. 9. Battery (100) according to claim 4, wherein for measuring a voltage (U) of the first battery cell (106) a first pole of the second battery cell (106) is provided with a first measuring terminal for connecting a first input of a voltage measuring device ( 108) and a second pole of the second battery cell (106) is connected to a second measuring connection for connecting a second input of the voltage measuring device (108).
10. Batterie (100) gemäß Anspruch 9 mit dem Spannungsmessgerät (108) zum Messen der Spannung (U) und einer Vorrichtung (102) zum Bestimmen eines Ladezustands der Batterie (100) gemäß Anspruch 2, wobei ein erster Eingang des Spannungsmessgeräts (108) mit dem ersten Messanschluss verbunden ist, ein zweiter Eingang des Spannungsmessgeräts (108) mit dem zweiten Messanschluss verbunden ist und ein Ausgang des 10. Battery (100) according to claim 9 with the voltage measuring device (108) for measuring the voltage (U) and a device (102) for determining a state of charge of the battery (100) according to claim 2, wherein a first input of the voltage measuring device (108). is connected to the first measuring terminal, a second input of the voltage measuring device (108) is connected to the second measuring terminal and an output of the
Spannungsmessgeräts (108) zum Ausgeben eines Werts der Spannung (U) mit der Vorrichtung (102) verbunden ist.  Voltage meter (108) for outputting a value of the voltage (U) is connected to the device (102).
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