WO2024089213A1 - Method for determining charge states of battery cells - Google Patents

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WO2024089213A1 PCT/EP2023/080005 EP2023080005W WO2024089213A1 WO 2024089213 A1 WO2024089213 A1 WO 2024089213A1 EP 2023080005 W EP2023080005 W EP 2023080005W WO 2024089213 A1 WO2024089213 A1 WO 2024089213A1
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Heiko Witzenhausen
Johannes Schmalstieg
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Abstract

The invention relates to a method for determining charge states of battery cells (1, 2, 3) of a chargeable battery (100) having a plurality of battery cells (1, 2, 3) during a charging process. At least one first voltage (V1) of a first battery cell (1) and a second voltage (V2, V3) of at least one second battery cell (2, 3), which is connected in series to the first battery cell (1), are detected during a time period of the charging process. During a constant-current charging phase (10) of the charging process, a first time (t1) is identified at which the first voltage (V1) of the first battery cell (1) reaches a predefined voltage limit value (Vt). During the constant-current charging phase (10) of the charging process, a second time (t2, t3) is identified at which the second voltage (V2, V3) of the at least one second battery cell (2, 3) reaches the predefined voltage limit value (Vt). A charging difference (ΔQ2, ΔQ3) between the second time (t2, t3) and the first time (t1) is determined.

Description

Verfahren zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen Method for determining the charge states of battery cells
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen einer aufladbaren Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen während eines Ladevorgangs. The invention relates to a method for determining charge states of battery cells of a rechargeable battery with a plurality of battery cells during a charging process.
Der Ladezustand einer Lithium-Ionen-Batterie wird üblicherweise über eine Ruhespannungskennlinie, welche eine Zuordnung von relaxierter Zellspannung zu Zell- Ladezustand darstellt, abgeleitet. Aus mehreren relaxierten Ladungszuständen und deren Ruhespannungen kann dann auf die verbleibende Kapazität der Batteriezelle, den sogenannten State of Health (SOH), rückgeschlossen werden. Voraussetzung dafür ist, dass der Zusammenhang zwischen Ladezustand und Ruhespannung eine ausreichend große Steigung aufweist. Weil zum Beispiel bei Lithium-Ionen-Batterien mit einer positiven Elektrode, der Kathode, aus Lithium-Eisenphosphat (LFP) die Ruhespannungskurve über einen weiten Teil des Nutzungsbereichs keine Steigung, sondern ein Plateau, aufweist, kann dieses Verfahren hier nur sehr eingeschränkt Anwendung finden. Vor allem dann, wenn die Batterie keinen ausreichend genauen Kapazitätsausgleich, das sogenannte Balancing, zwischen einzelnen Batteriezellen aufweist, erreichen nur wenige oder sogar nur die höchstgeladene Batteriezelle nach Ladeende der Batterie den Bereich der Ruhespannungskurve, der eine Steigung aufweist. In der Folge kann weder der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen bei vollständig geladener Batterie bestimmt werden, was für einen Kapazitätsausgleich der Batterie notwendig ist, noch auf die Kapazität der einzelnen Batteriezellen rückgeschlossen werden. The state of charge of a lithium-ion battery is usually derived from a resting voltage characteristic curve, which represents a correlation between relaxed cell voltage and cell state of charge. The remaining capacity of the battery cell, the so-called State of Health (SOH), can then be deduced from several relaxed charge states and their resting voltages. The prerequisite for this is that the relationship between the state of charge and the resting voltage has a sufficiently large slope. Because, for example, in lithium-ion batteries with a positive electrode, the cathode, made of lithium iron phosphate (LFP), the resting voltage curve does not have a slope but a plateau over a large part of the usage range, this method can only be used to a very limited extent here. In particular, if the battery does not have sufficiently precise capacity equalization, the so-called balancing, between individual battery cells, only a few or even only the most highly charged battery cells reach the area of the resting voltage curve that has a slope after the battery has finished charging. As a result, neither the state of charge of the individual battery cells can be determined when the battery is fully charged, which is necessary for balancing the capacity of the battery, nor can the capacity of the individual battery cells be determined.
Deswegen wird bei Verfahren nach dem Stand der Technik häufig darauf verzichtet, für jede einzelne Batteriezelle einen korrekten Ladezustand oder einen Alterungszustand (SOH) zu bestimmen. Danach wird nur für die Batteriezelle, die als erstes die Ladeschlussspannung erreicht, ein Ladezustand bzw. die Kapazität bestimmt. In der Folge lässt sich der Bedarf an Kapazitätsausgleich der Batterie nicht auf Einzelzellebene bestimmen und es kann nach und nach ein Auseinanderlaufen der einzelnen Zellspannungen auftreten. Das bedeutet, dass ein Ladezustand der Batteriezellen, die nie vollständig geladen werden, unbemerkt absinken kann. Das Absinken des Ladezustands wird dann vom Batteriemanagement-Algorithmus fälschlicherweise einem Kapazitätsverlust gleichgesetzt. Die Reichweite beispielsweise in einer Anwendung im Elektrofahrzeug kann deshalb unnötigerweise eingeschränkt werden. For this reason, state-of-the-art methods often do not determine a correct state of charge or state of aging (SOH) for each individual battery cell. A state of charge or capacity is then only determined for the battery cell that first reaches the end-of-charge voltage. As a result, the need for capacity compensation of the battery cannot be determined at the individual cell level and the individual cells can gradually diverge. Cell voltages can occur. This means that the charge level of the battery cells, which are never fully charged, can drop unnoticed. The drop in the charge level is then incorrectly equated by the battery management algorithm with a loss of capacity. The range in an electric vehicle application, for example, can therefore be unnecessarily limited.
Ansätze, wie für jede einzelne Batteriezelle ein Ladezustand bzw. die Kapazität bestimmt werden kann, sind im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel kann der Ladezustand im unteren Ladezustandsbereich über einen modellbasierten Zustandsschätzer vergleichsweise gut angenähert werden. Über die Identifikation der Phasenübergänge in Graphit als Aktivmaterial einer negativen Elektrode einer Batteriezelle sind Rückschlüsse auf den Anodenlithiierungsgrad und auf die Degradation der negativen Elektrode möglich. Für die Berechnung der verbleibenden Kapazität ist zusätzlich die Erkennung des Vollladezustands erforderlich, was für Einzelzellen möglich ist. Bei Batterien mit beispielsweise 200 in Serie geschalteten Batteriezellen stellt die Erkennung des vollen Ladezustands eine erhebliche Herausforderung dar, weil insbesondere bei gealterten Batterien nur noch einzelne Batteriezellen diesen Zustand erreichen. Approaches to determining the state of charge or capacity for each individual battery cell are known in the state of the art. For example, the state of charge in the lower state of charge range can be approximated relatively well using a model-based state estimator. By identifying the phase transitions in graphite as the active material of a negative electrode of a battery cell, conclusions can be drawn about the degree of anode lithiation and the degradation of the negative electrode. To calculate the remaining capacity, it is also necessary to detect the full state of charge, which is possible for individual cells. For batteries with, for example, 200 battery cells connected in series, detecting the full state of charge represents a considerable challenge because, especially in aged batteries, only individual battery cells reach this state.
Die DE 102012 214 808 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausgleichen van Ladungsunterschieden zwischen wenigstens zwei wieder aufladbaren Batteriezellen, bei dem dem Ausgangsladezustand zumindest einer der Batteriezellen eine zum Erreichen eines vorgegebenen Sollladezustands benötigte Ladungsmenge zugeordnet und die zugeordnete Ladungsmenge der einen der Batteriezellen hinzugefügt oder entnommen wird. Zum Bestimmen der benötigten Ladungsmenge wird eine Leerlaufspannung oder Ruhespannung der jeweiligen Batteriezelle herangezogen. DE 102012 214 808 A1 discloses a method for compensating for charge differences between at least two rechargeable battery cells, in which the initial charge level of at least one of the battery cells is assigned a charge quantity required to achieve a predetermined target charge level and the assigned charge quantity is added to or removed from one of the battery cells. An open circuit voltage or rest voltage of the respective battery cell is used to determine the required charge quantity.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen einer aufladbaren Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen während eines Ladevorgangs anzugeben. An object of the invention is to provide an improved method for determining charge states of battery cells of a rechargeable battery with a plurality of battery cells during a charging process.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. The above-mentioned problem is solved with the features of the independent claim.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Favorable embodiments and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen einer aufladbaren Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen während eines Ladevorgangs vorgeschlagen, wobei beim Ladevorgang sich an eine Konstantstrom-Ladephase eine Konstantspannung-Ladephase anschließt. Dabei wird zumindest eine erste Spannung einer ersten Batteriezelle und eine zweite Spannung wenigstens einer zweiten Batteriezelle, welche mit der ersten Batteriezelle in Reihe geschaltet ist, während einer Zeitdauer des Ladevorgangs erfasst. Während der Konstantstrom-Ladephase des Ladevorgangs wird ein erster Zeitpunkt identifiziert, zu dem die erste Spannung der ersten Batteriezelle einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert erreicht. Während der Konstantstrom-Ladephase des Ladevorgangs wird ein zweiter Zeitpunkt identifiziert, zu dem die zweite Spannung der wenigstens einen zweiten Batteriezelle den vorgegebenen Spannungsgrenzwert erreicht. Dabei wird eine Ladungsdifferenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt ermittelt. Der Ladezustand der wenigstens einen zweiten Batteriezelle wird aus der Ladungsdifferenz und einer Kapazität der ersten Batteriezelle nach Abschluss der Konstantstrom-Ladephase oder nach Abschluss des Ladevorgangs ermittelt. According to one aspect of the invention, a method for determining charge states of battery cells of a rechargeable battery with a plurality of battery cells during a charging process, wherein a constant-current charging phase is followed by a constant-voltage charging phase during the charging process. In this case, at least a first voltage of a first battery cell and a second voltage of at least one second battery cell, which is connected in series with the first battery cell, are recorded during a period of the charging process. During the constant-current charging phase of the charging process, a first point in time is identified at which the first voltage of the first battery cell reaches a predetermined voltage limit. During the constant-current charging phase of the charging process, a second point in time is identified at which the second voltage of the at least one second battery cell reaches the predetermined voltage limit. In this case, a charge difference between the second point in time and the first point in time is determined. The charge state of the at least one second battery cell is determined from the charge difference and a capacity of the first battery cell after completion of the constant-current charging phase or after completion of the charging process.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird in der Konstantstrom-Ladephase die Batterie mit einem nahezu konstanten Strom geladen bis beispielsweise die erste Batteriezelle einen dynamischen Spannungsgrenzwert bzw. eine Ladeschlussspannung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt haben die anderen Batteriezellen möglicherweise noch nicht den dynamischen Spannungsgrenzwert erreicht. Im Anschluss an die Konstantstrom- Ladephase folgt die Konstantspannung-Ladephase mit konstanter oberer Zellspannung. In der Konstantspannung-Ladephase wird der Ladestrom so heruntergeregelt, dass die obere Zellspannung der ersten Batteriezelle konstant bei dem dynamischen Spannungsgrenzwert bleibt. Da der Strom reduziert wird, sinken in dieser Phase üblicherweise die Spannungen der anderen Batteriezellen. Unterschreitet der Strom nun einen gewissen Schwellwert, wird die Ladung beendet und die Zellspannungen relaxieren. According to the proposed method, in the constant current charging phase the battery is charged with a nearly constant current until, for example, the first battery cell reaches a dynamic voltage limit or a final charging voltage. At this point, the other battery cells may not have reached the dynamic voltage limit yet. The constant current charging phase is followed by the constant voltage charging phase with a constant upper cell voltage. In the constant voltage charging phase the charging current is regulated down so that the upper cell voltage of the first battery cell remains constant at the dynamic voltage limit. Since the current is reduced, the voltages of the other battery cells usually drop in this phase. If the current now falls below a certain threshold, the charging is terminated and the cell voltages relax.
Es wird eine Ruhespannungskennlinie angenommen, die im Bereich des mittleren bis hohen Ladezustands einen niedrigeren Spannungslevel aufweist und erst bei vollständig geladener Batteriezelle einen hohen Spannungslevel aufweist. Ein reales Beispiel für dieses Zellverhalten stellen beispielsweise Batteriezellen mit Lithium-Eisenphosphat als Aktivmaterial auf einer Elektrode dar. Dementsprechend relaxiert die Spannung der ersten Batteriezelle nach einiger Zeit auf den hohen Spannungslevel, während die Zellspannungen der übrigen Batteriezellen zurück auf den niedrigeren Spannungslevel relaxieren. Auf Basis der Ruhespannungskennlinie kann zu diesem Zeitpunkt lediglich die Aussage getroffen werden, dass die erste Batteriezelle einen vollen Ladezustand hat. Über die anderen Batteriezellen kann den Spannungskurven lediglich entnommen werden, dass sie einen niedrigeren Ladezustand aufweisen. A resting voltage characteristic is assumed that has a lower voltage level in the medium to high state of charge range and only has a high voltage level when the battery cell is fully charged. A real example of this cell behavior is battery cells with lithium iron phosphate as the active material on an electrode. Accordingly, the voltage of the first battery cell relaxes to the high voltage level after some time, while the cell voltages of the remaining battery cells relax back to the lower voltage level. Based on the resting voltage characteristic, the only statement that can be made at this point is that the first battery cell has a full state of charge. All that can be seen from the voltage curves for the other battery cells is that they have a lower state of charge.
Um dennoch eine Aussage über den Ladezustand aller Batteriezellen treffen zu können, wird schon während der Konstantstrom-Ladephase der Zeitpunkt identifiziert, zu dem die erste Batteriezelle einen geeignet gewählten Spannungsgrenzwert überschreitet. Dieser Spannungsgrenzwert kann günstigerweise so gewählt werden, dass trotz eines möglichen ungleichgewichtigen Ladungszustands der Batteriezellen der Batterie alle Batteriezellen im Zuge einer langsamen Ladung den Spannungsgrenzwert überschreiten, bevor die erste Batteriezelle den dynamischen Spannungsgrenzwert erreicht hat. Der Parameter kann beispielsweise auch in Abhängigkeit der gemessenen Batterietemperatur definiert sein. Nun wird für jede einzelne Batteriezelle eine Ladungsdifferenz aufgezeichnet, bis die jeweilige Batteriezelle ebenfalls den Spannungsgrenzwert erreicht. Wenn dann am Ende der Relaxationsphase für die erste Batteriezelle ein exakter Ladezustand bei voller Batterie identifiziert werden kann, so kann über die jeweiligen Ladungsdifferenzen auf die jeweiligen vollen Ladungszustände der übrigen Batteriezellen geschlossen werden. In order to be able to make a statement about the charge state of all battery cells, the point in time at which the first battery cell exceeds a suitably selected voltage limit is identified during the constant current charging phase. This voltage limit can be advantageously selected so that, despite a possible unbalanced charge state of the battery cells, all battery cells exceed the voltage limit during a slow charge before the first battery cell has reached the dynamic voltage limit. The parameter can also be defined as a function of the measured battery temperature, for example. A charge difference is now recorded for each individual battery cell until the respective battery cell also reaches the voltage limit. If an exact charge state with a full battery can then be identified for the first battery cell at the end of the relaxation phase, the respective full charge states of the remaining battery cells can be determined from the respective charge differences.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens lässt sich trotz flacher Ruhespannungskennlinie aus dem dynamischen Spannungsgrenzwert der einzelnen Batteriezellen während der Ladephase auf deren Ladezustand rückschließen. Auf diese Weise kann nicht nur für die höchstgeladene Batteriezelle der Ladezustand und die Kapazität bestimmt werden. Am Ende der Ladung kann so für jede Batteriezelle ein Ziel für einen ladungsbasierten Kapazitätsausgleich angegeben werden. Dieses Ziel stellt die über sogenannte Balancing-Widerstände zu entnehmende Ladungsmenge dar, damit alle Batteriezellen beim nächsten Ladevorgang gleichzeitig den dynamischen Spannungsgrenzwert erreichen. With the help of the proposed method, the charge level of the individual battery cells can be determined from the dynamic voltage limit value during the charging phase, despite the flat rest voltage characteristic curve. In this way, the charge level and capacity can be determined not only for the most highly charged battery cell. At the end of the charge, a target for charge-based capacity balancing can be specified for each battery cell. This target represents the amount of charge to be removed via so-called balancing resistors so that all battery cells reach the dynamic voltage limit value at the same time during the next charging process.
Auf diese Weise lässt sich insbesondere für LFP-Batterien die Restkapazität und der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen exakter bestimmen und der Kapazitätsausgleich der Batterie genauer bestimmen. Daraus ergibt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine exaktere Reichweitenprognose, weniger Reichweitenkorrekturen, weniger liegenbleibende Fahrzeuge auf Grund defekter Batterien und aufgrund von präziserem Kapazitätsausgleich eine höhere Reichweite als ohne die Verwendung des Verfahrens. In this way, the remaining capacity and the state of charge of the individual battery cells can be determined more precisely, especially for LFP batteries, and the battery's capacity compensation can be determined more precisely. The proposed method therefore results in a more precise range forecast, fewer range corrections, fewer vehicles breaking down due to defective batteries and, due to more precise capacity compensation, a greater range than without the use of the method.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann aus der Ladungsdifferenz und der Kapazität der ersten Batteriezelle ein Ladezustand der wenigstens einen zweiten Batteriezelle ermittelt werden als Differenz der Kapazität der ersten Batteriezelle und der Ladungsdifferenz dividiert durch die Kapazität. Günstigerweise kann am Ende der Relaxationsphase für die erste Batteriezelle ein exakter Ladezustand bei voller Batterie identifiziert werden, sodass über die jeweiligen Ladungsdifferenzen auf die jeweiligen vollen Ladungszustände der übrigen Batteriezellen geschlossen werden kann. According to an advantageous embodiment of the method, a charge state of the at least one second battery cell can be determined from the charge difference and the capacity of the first battery cell as the difference between the capacity of the first battery cell and the Charge difference divided by the capacity. Conveniently, at the end of the relaxation phase, an exact charge state can be identified for the first battery cell when the battery is full, so that the respective full charge states of the remaining battery cells can be determined from the respective charge differences.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Kapazität der ersten Batteriezelle nach Ende einer an die Konstantspannung-Ladephase anschließenden Relaxationsphase aus einer Ruhespannung der vollständig geladenen ersten Batteriezelle ermittelt werden. Die Kapazität kann so günstigerweise bestimmt werden, da die erste Batteriezelle während der Konstantstrom-Ladephase bereits den dynamischen Spannungsgrenzwert erreicht hat. According to an advantageous embodiment of the method, the capacity of the first battery cell can be determined from a rest voltage of the fully charged first battery cell after the end of a relaxation phase following the constant voltage charging phase. The capacity can thus be advantageously determined because the first battery cell has already reached the dynamic voltage limit value during the constant current charging phase.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Kapazität der ersten Batteriezelle aus einer nach Ende der Relaxationsphase bestimmten Ruhespannung der vollständig geladenen ersten Batteriezelle und einer Kennlinie der Ruhespannung in Abhängigkeit des Ladezustandes bestimmt werden. Die Kapazität kann so günstigerweise bestimmt werden, da die erste Batteriezelle während der Konstantstrom-Ladephase bereits den dynamischen Spannungsgrenzwert erreicht hat. According to an advantageous embodiment of the method, the capacity of the first battery cell can be determined from a rest voltage of the fully charged first battery cell determined after the end of the relaxation phase and a characteristic curve of the rest voltage depending on the state of charge. The capacity can be advantageously determined in this way because the first battery cell has already reached the dynamic voltage limit value during the constant current charging phase.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Aktivmaterial der Batteriezellen auf jeweils einer Elektrode eine Ruhespannungskennlinie mit mindestens einem flachen Bereich in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batteriezelle aufweisen. Vorteilhaft kann so selbst bei Batteriezellen mit einer plateauhaften Kennlinie ein Ladezustand der Batteriezellen bestimmt werden. Dies ist mit üblichen Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich, da insbesondere bei Batterien, die keinen ausreichend genauen Kapazitätsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen aufweisen, nur wenige oder sogar nur die Batteriezelle mit dem höchsten Ladezustand nach Ladeende der Batterie den Bereich der Ruhespannungskurve erreichen, der eine Steigung aufweist. According to an advantageous embodiment of the method, an active material of the battery cells can have a rest voltage characteristic curve with at least one flat area depending on a state of charge of the battery cell on each electrode. Advantageously, a state of charge of the battery cells can be determined even in battery cells with a plateau-like characteristic curve. This is not possible with conventional methods according to the state of the art, since, particularly in the case of batteries that do not have sufficiently precise capacity compensation between individual battery cells, only a few or even only the battery cells with the highest state of charge reach the area of the rest voltage curve that has a slope after the battery has finished charging.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Batteriezellen Lithium-Eisenphosphat (LFP) als Aktivmaterial auf jeweils einer Elektrode aufweisen. According to an advantageous embodiment of the method, the battery cells can have lithium iron phosphate (LFP) as active material on one electrode each.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können während der Zeitdauer des Ladevorgangs sämtliche weitere Spannungen von sämtlichen weiteren Batteriezellen der Batterie erfasst werden, welche mit der ersten Batteriezelle in Reihe geschaltet sind. Dabei können während der Konstantstrom-Ladephase des Ladevorgangs sämtliche weiteren Zeitpunkte identifiziert werden, zu dem die sämtlichen weiteren Batteriezellen den vorgegebenen Spannungsgrenzwert erreichen und es kann die jeweilige Ladungsdifferenz zwischen dem jeweils ersten Zeitpunkt und dem jeweils weiteren Zeitpunkt ermittelt werden. Aus sämtlichen Ladungsdifferenzen kann dann eine Restkapazität der Gruppe von Batteriezellen, welche mit der ersten Batteriezelle in Reihe geschaltet sind, ermittelt werden. So können vorteilhaft die Ladezustände aller Batteriezellen der Batterie bestimmt werden. According to an advantageous embodiment of the method, during the charging process, all other voltages of all other battery cells of the battery that are connected in series with the first battery cell can be recorded. During the constant current charging phase of the charging process, all Further points in time can be identified at which all other battery cells reach the specified voltage limit and the respective charge difference between the first point in time and the subsequent point in time can be determined. From all charge differences, a residual capacity of the group of battery cells that are connected in series with the first battery cell can then be determined. In this way, the charge states of all battery cells in the battery can be advantageously determined.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur der Batterie definiert werden. Damit kann eine Temperaturabhängigkeit des Ladungsverhaltens der Batteriezellen berücksichtigt werden. According to an advantageous embodiment of the method, the voltage limit value can be defined as a function of a measured temperature of the battery. This allows a temperature dependency of the charging behavior of the battery cells to be taken into account.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Spannungsgrenzwert so gewählt werden, dass alle weiteren Batteriezellen der Batterie den Spannungsgrenzwert überschreiten, bevor die erste Batteriezelle einen dynamischen Spannungsgrenzwert, insbesondere eine Ladeschlussspannung, erreicht. Auf diese Weise kann günstigerweise der Ladezustand aller Batteriezellen der Batterie bestimmt werden. According to an advantageous embodiment of the method, the voltage limit value can be selected such that all other battery cells of the battery exceed the voltage limit value before the first battery cell reaches a dynamic voltage limit value, in particular a final charge voltage. In this way, the state of charge of all battery cells of the battery can be advantageously determined.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Konstantstrom- Ladephase mit Erreichen des dynamischen Spannungsgrenzwerts der ersten Batteriezelle beendet werden. Damit ist sichergestellt, dass zumindest der Ladezustand der einen Batteriezelle bestimmt werden kann. Der Ladezustand aller anderen Batteriezellen der Batterie lässt sich dann anhand der Ladungsdifferenzen daraus bestimmen. According to an advantageous embodiment of the method, the constant current charging phase can be ended when the dynamic voltage limit of the first battery cell is reached. This ensures that at least the charge level of one battery cell can be determined. The charge level of all other battery cells in the battery can then be determined based on the charge differences.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Batteriezellen in der Konstantspannung-Ladephase mit einer Spannung, welche dem dynamischen Spannungsgrenzwert entspricht, geladen werden. Durch die damit verbundene Reduzierung des Stroms sinken die Spannungen der anderen Batteriezellen, bis sie nach Abschalten der Ladung auf ihre Ruhespannungskennlinie relaxieren. Damit können die Ladezustände der anderen Batteriezellen bestimmt werden. According to an advantageous embodiment of the method, the battery cells can be charged in the constant voltage charging phase with a voltage that corresponds to the dynamic voltage limit value. Due to the associated reduction in current, the voltages of the other battery cells drop until they relax to their resting voltage characteristic after the charging is switched off. This allows the charge states of the other battery cells to be determined.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann als die erste Batteriezelle diejenige Batteriezelle gewählt werden, deren Spannung in der Konstantstrom-Ladephase zuerst den dynamischen Spannungsgrenzwert erreicht. Damit kann günstigerweise die Batteriezelle definiert werden, welche zu diesem Stand einen vollen Ladezustand aufweist, woraus sich dann die niedrigeren Ladezustände der anderen Batteriezellen ableiten lassen. According to an advantageous embodiment of the method, the battery cell whose voltage first reaches the dynamic voltage limit value in the constant current charging phase can be selected as the first battery cell. This advantageously enables the A battery cell can be defined which has a full charge level at this point, from which the lower charge levels of the other battery cells can then be derived.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Konstantspannung- Ladephase mit Unterschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwerts durch den Ladestrom beendet werden. Damit können die Batteriezellen nach Abschalten der Ladung auf ihre Ruhespannungskennlinie relaxieren. Damit können die Ladezustände aller Batteriezellen der Batterie bestimmt werden. According to an advantageous embodiment of the method, the constant voltage charging phase can be ended when the charging current falls below a predetermined current limit. This allows the battery cells to relax to their resting voltage characteristic after the charging is switched off. This allows the charging states of all the battery cells in the battery to be determined.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann aus einem Ladezustand der ersten Batteriezelle bei vollständig geladener Batterie und der Ladungsdifferenz ein voller Ladezustand der weiteren Batteriezellen bestimmt werden. Wenn die Ladungsmenge bekannt ist, welche die erste Batteriezelle benötigt hat, um einen vollen Ladezustand zu erreichen, dann kann diese Ladungsmenge zu der nach dem Verfahren bestimmten Ladungsdifferenz der jeweiligen Batteriezelle addiert werden, um die Ladungsmenge zu bestimmen, mit welcher die jeweilige Batteriezelle einen vollen Ladezustand erreichen würde. According to an advantageous embodiment of the method, a full charge state of the other battery cells can be determined from a charge state of the first battery cell when the battery is fully charged and the charge difference. If the amount of charge that the first battery cell needed to reach a full charge state is known, then this amount of charge can be added to the charge difference of the respective battery cell determined according to the method in order to determine the amount of charge with which the respective battery cell would reach a full charge state.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages emerge from the following description of the drawings. The drawings show an embodiment of the invention. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.
Dabei zeigen: Showing:
Fig. 1 eine Verschaltung einer Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen bei einem Ladevorgang mit einem Ladegerät zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 1 shows a circuit of a battery with a plurality of battery cells during a charging process with a charger for determining charge states of battery cells according to an embodiment of the invention;
Fig. 2 Spannungsverläufe von Batteriezellen beim Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen einer aufladbaren Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen während eines Ladevorgang mit dem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 2 shows voltage curves of battery cells when determining charge states of battery cells of a rechargeable battery with a plurality of battery cells during a charging process using the method according to an embodiment of the invention; and
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Fig. 3 is a flow chart of the method according to the invention. In the figures, identical or similar components are numbered with identical reference symbols. The figures show only examples and are not to be understood as limiting.
Figur 1 zeigt eine Verschaltung einer Batterie 100 mit einer Vielzahl von n Batteriezellen, wobei n eine natürliche Zahl darstellt, mit einem Ladegerät 200 bei einem Ladevorgang zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen 1 , 2, 3,... , n nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellen 1, 2, 3,... , n sind seriell verschaltet. Die Gesamtbatterie 100 ist an die Ladeeinheit 200 angeschlossen, um eine Ladespannung oder einen Ladestrom einzuprägen und den sich daraus ergebenden Strom oder die sich ergebende Spannung zu bestimmen. Die elektrischen Verbindungen der einzelnen Batteriezellen 1 , 2, 3, ... , n sind jeweils separat mit der Ladeeinheit 200 elektrisch gekoppelt, um die Einzelspannungen der Batteriezellen zu messen. Figure 1 shows a connection of a battery 100 with a plurality of n battery cells, where n is a natural number, with a charger 200 during a charging process for determining charge states of battery cells 1, 2, 3,..., n according to an embodiment of the invention. The battery cells 1, 2, 3,..., n are connected in series. The entire battery 100 is connected to the charging unit 200 in order to impress a charging voltage or a charging current and to determine the resulting current or the resulting voltage. The electrical connections of the individual battery cells 1, 2, 3,..., n are each separately electrically coupled to the charging unit 200 in order to measure the individual voltages of the battery cells.
Figur 2 zeigt Verläufe einer Spannung V als Funktion der Ladezeit t von beispielsweise drei Batteriezellen 1 , 2, 3 beim Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen 1, 2, 3 einer aufladbaren Batterie 100 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 1, 2, 3, ... , n während eines Ladevorgangs mit dem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure 2 shows curves of a voltage V as a function of the charging time t of, for example, three battery cells 1, 2, 3 when determining charging states of battery cells 1, 2, 3 of a rechargeable battery 100 with a plurality of battery cells 1, 2, 3, ..., n during a charging process using the method according to an embodiment of the invention.
Der Zellspannungsverlauf von beispielhaft drei in Reihe geschalteten Batteriezellen 1 , 2, 3 während einer Vollladung der Batterie 100 ist schematisch dargestellt. In der Konstantstrom-Ladephase 10 wird die Batterie 100 mit einem nahezu konstanten Strom geladen, bis die erste Batteriezelle 1 den dynamischen Spannungsgrenzwert Vd erreicht. Zu diesem Zeitpunkt haben die beiden anderen Batteriezellen 2, 3 noch nicht den dynamischen Spannungsgrenzwert Vd erreicht. The cell voltage curve of, for example, three battery cells 1, 2, 3 connected in series during a full charge of the battery 100 is shown schematically. In the constant current charging phase 10, the battery 100 is charged with an almost constant current until the first battery cell 1 reaches the dynamic voltage limit value Vd. At this point in time, the other two battery cells 2, 3 have not yet reached the dynamic voltage limit value Vd.
Im Anschluss an die Konstantstrom-Ladephase 10 folgt die Konstantspannung- Ladephase 20 mit konstanter oberer Zellspannung. In der Konstantspannung-Ladephase 20 wird der Ladestrom so heruntergeregelt, dass die obere Zellspannung Vi konstant bei Vd bleibt. Da der Strom reduziert wird, sinken in dieser Phase üblicherweise die Spannungen V2, V3 der anderen Batteriezellen 2, 3. The constant current charging phase 10 is followed by the constant voltage charging phase 20 with a constant upper cell voltage. In the constant voltage charging phase 20, the charging current is regulated down so that the upper cell voltage Vi remains constant at Vd. Since the current is reduced, the voltages V2, V3 of the other battery cells 2, 3 usually drop in this phase.
Unterschreitet der Strom nun einen gewissen Schwellwert, wird die Ladung beendet und die Zellspannungen V1 , V2, V3 relaxieren. Im dargestellten Beispiel wird eine Ruhespannungskennlinie angenommen, die im Bereich des mittleren bis hohen Ladezustands einen flachen Bereich der Ruhespannungskennlinie mit einem Spannungslevel Vp aufweist und erst bei vollständig geladener Batteriezelle 1 einen Spannungslevel Vf aufweist. If the current falls below a certain threshold, the charge is terminated and the cell voltages V1, V2, V3 relax. In the example shown, a rest voltage characteristic is assumed, which has a flat area of the rest voltage characteristic with a voltage level V p and only reaches a voltage level Vf when battery cell 1 is fully charged.
Ein reales Beispiel für dieses Zellverhalten stellen Batteriezellen mit Lithium- Eisenphosphat als Aktivmaterial auf einer Elektrode dar. Dementsprechend relaxiert i nach einiger Zeit auf Vf, während die Zellspannungen der beiden übrigen Batteriezellen 2, 3 zurück auf Vp relaxieren. A real example of this cell behavior is battery cells with lithium iron phosphate as active material on an electrode. Accordingly, i relaxes to Vf after some time, while the cell voltages of the two remaining battery cells 2, 3 relax back to V p .
Auf Basis der Ruhespannungskennlinie kann zu diesem Zeitpunkt lediglich die Aussage getroffen werden, dass die Batteriezelle 1 einen vollen Ladezustand hat. Über die Batteriezellen 2 und 3 kann den Spannungskurven lediglich entnommen werden, dass sie einen niedrigeren Ladezustand aufweisen. Based on the rest voltage characteristic curve, the only statement that can be made at this point is that battery cell 1 has a full charge level. Regarding battery cells 2 and 3, the only thing that can be determined from the voltage curves is that they have a lower charge level.
Um dennoch eine Aussage über den Ladezustand aller Batteriezellen 1 , 2, 3 treffen zu können, wird schon während der Konstantstrom-Ladephase 10 der Zeitpunkt identifiziert, zu dem die erste Batteriezelle 1 einen geeignet gewählten Spannungsgrenzwert Vt überschreitet. In order to be able to make a statement about the state of charge of all battery cells 1, 2, 3, the point in time at which the first battery cell 1 exceeds a suitably selected voltage limit value V t is already identified during the constant current charging phase 10.
Dieser Spannungsgrenzwert Vt kann günstigerweise so gewählt werden, dass trotz eines möglichen ungleichgewichtigen Ladungszustands der Batteriezellen 1, 2, 3 der Batterie 100 alle Batteriezellen 1 , 2, 3 im Zuge einer langsamen Ladung den Spannungsgrenzwert Vt überschreiten, bevor die erste Batteriezelle 1 den dynamischen Spannungsgrenzwert Vd erreicht hat. This voltage limit value V t can advantageously be selected such that, despite a possible unbalanced state of charge of the battery cells 1, 2, 3 of the battery 100, all battery cells 1, 2, 3 exceed the voltage limit value Vt during a slow charge before the first battery cell 1 has reached the dynamic voltage limit value Vd.
Der Parameter kann auch in Abhängigkeit der gemessenen Batterietemperatur definiert sein. The parameter can also be defined depending on the measured battery temperature.
Nun wird für jede einzelne Batteriezelle 2, 3 die Ladungsdifferenz AQ2, AQ3 aufgezeichnet, bis die jeweilige Batteriezelle 2, 3 ebenfalls den Spannungsgrenzwert Vt erreicht. Wenn dann am Ende der Relaxationsphase 30 für Batteriezelle 1 ein exakter Ladezustand bei voller Batterie 100 identifiziert werden kann, so kann über die jeweiligen Ladungsdifferenzen AQ2, AQ3 auf die jeweiligen vollen Ladungszustände der übrigen Batteriezellen 2, 3 geschlossen werden. Wenn beispielsweise nach einer Ladung von 100 Ah die Batteriezelle 1 bei 100% Ladezustand angelangt ist, dann wäre die Batteriezelle 2 nach einer Ladung mit 100 Ah + AQ2 bei 100% Ladezustand angelangt, auch wenn dieser Zustand in der Verschaltung als Batterie 100 nicht erreichbar ist. In Figur 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Now the charge difference AQ2, AQ 3 is recorded for each individual battery cell 2, 3 until the respective battery cell 2, 3 also reaches the voltage limit value V t . If an exact charge state with a full battery 100 can then be identified for battery cell 1 at the end of the relaxation phase 30, the respective full charge states of the remaining battery cells 2, 3 can be determined from the respective charge differences AQ2, AQ 3. If, for example, after a charge of 100 Ah, battery cell 1 has reached 100% charge, then battery cell 2 would have reached 100% charge after a charge with 100 Ah + AQ 2 , even if this state cannot be reached in the circuit as battery 100. Figure 3 shows a flow chart of the method according to the invention.
Das Verfahren dient zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen 1 , 2. 3 einer aufladbaren Batterie 100 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 1, 2, 3 während eines Ladevorgangs, wobei beim Ladevorgang sich an eine Konstantstrom-Ladephase 10 eine Konstantspannung-Ladephase 20 anschließt. The method is used to determine charge states of battery cells 1, 2, 3 of a rechargeable battery 100 with a plurality of battery cells 1, 2, 3 during a charging process, wherein a constant current charging phase 10 is followed by a constant voltage charging phase 20 during the charging process.
Dabei werden in einem ersten Schritt S100 zumindest eine erste Spannung Vi einer ersten Batteriezelle 1 und eine zweite Spannung V2, V3 wenigstens einer zweiten Batteriezelle 2, 3, welche mit der ersten Batteriezelle 1 in Reihe geschaltet ist, während einer Zeitdauer des Ladevorgangs erfasst. In a first step S100, at least a first voltage Vi of a first battery cell 1 and a second voltage V2, V3 of at least a second battery cell 2, 3, which is connected in series with the first battery cell 1, are recorded during a period of the charging process.
Im nächsten Schritt S102 wird dabei während der Konstantstrom-Ladephase des Ladevorgangs ein erster Zeitpunkt ti identifiziert, zu dem die erste Spannung V1 der ersten Batteriezelle 1 einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert Vt erreicht. Als die erste Batteriezelle 1 kann zweckmäßigerweise diejenige Batteriezelle 1 , 2, 3 gewählt werden, deren Spannung in der Konstantstrom-Ladephase 10 zuerst den dynamischen Spannungsgrenzwert Vd erreicht. In the next step S102, a first point in time ti is identified during the constant current charging phase of the charging process, at which the first voltage V1 of the first battery cell 1 reaches a predetermined voltage limit value V t . The battery cell 1, 2, 3 whose voltage first reaches the dynamic voltage limit value Vd in the constant current charging phase 10 can expediently be selected as the first battery cell 1.
Danach wird in Schritt S104, während der Konstantstrom-Ladephase 10 des Ladevorgangs, ein zweiter Zeitpunkt t2 identifiziert, zu dem die zweite Spannung V2 der wenigstens einen zweiten Batteriezelle 2 den vorgegebenen Spannungsgrenzwert Vt erreicht. Thereafter, in step S104, during the constant current charging phase 10 of the charging process, a second point in time t2 is identified at which the second voltage V2 of the at least one second battery cell 2 reaches the predetermined voltage limit value V t .
In Schritt S106 wird dazu eine Ladungsdifferenz AQ2 zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem ersten Zeitpunkt ti ermittelt. In step S106, a charge difference AQ2 between the second time t2 and the first time ti is determined.
Die Schritte S104 und S106 werden für die weiteren Batteriezellen 3 bis n der Batterie 100 wiederholt, bis die Zeitpunkte t3 bis tn bestimmt sind und daraus die Ladungsdifferenzen AQ3 bis AQn abgeleitet sind. Steps S104 and S106 are repeated for the other battery cells 3 to n of the battery 100 until the times t 3 to t n are determined and the charge differences AQ3 to AQ n are derived therefrom.
Der Ladezustand der Batteriezellen 2 bis n kann so nach Abschluss der Konstantstrom- Ladephase 10 oder nach Beendigung des Ladevorgangs ermittelt werden als Differenz der Kapazität der ersten Batteriezelle 1 und der Ladungsdifferenz AQ2 bis AQn dividiert durch die Kapazität. Die Kapazität der ersten Batteriezelle 1 wird dabei nach Ende der an die Konstantspannung-Ladephase 20 anschließenden Relaxationsphase 30 aus einer nach Ende der Relaxationsphase 30 bestimmten Ruhespannung der vollständig geladenen ersten Batteriezelle Vf und einer Kennlinie der Ruhespannung in Abhängigkeit des Ladezustandes bestimmt. The state of charge of the battery cells 2 to n can thus be determined after completion of the constant current charging phase 10 or after termination of the charging process as the difference between the capacity of the first battery cell 1 and the charge difference AQ2 to AQ n divided by the capacity. The capacity of the first battery cell 1 is determined after the end of the relaxation phase 30 following the constant voltage charging phase 20 from a rest voltage of the fully charged first battery cell Vf determined after the end of the relaxation phase 30 and a characteristic curve of the rest voltage as a function of the state of charge.
Die Konstantstrom-Ladephase 10 kann mit Erreichen des dynamischen Spannungsgrenzwerts Vd der ersten Batteriezelle 1 beendet werden. The constant current charging phase 10 can be terminated when the dynamic voltage limit Vd of the first battery cell 1 is reached.
In der Konstantspannung-Ladephase 20 werden die Batteriezellen 1 , 2, 3 bis n mit einer Spannung, welche dem dynamischen Spannungsgrenzwert Vd entspricht, geladen. In the constant voltage charging phase 20, the battery cells 1, 2, 3 to n are charged with a voltage which corresponds to the dynamic voltage limit value Vd.
Die Konstantspannung-Ladephase 20 kann mit Unterschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwerts durch den Ladestrom beendet werden. The constant voltage charging phase 20 can be terminated when the charging current falls below a predetermined current limit.
In Schritt S108 wird abschließend der Ladezustand der Batteriezellen 2 bis n aus den Ladungsdifferenzen AQ2 bis AQn und der Kapazität der ersten Batteriezelle 1 ermittelt. Finally, in step S108, the state of charge of the battery cells 2 to n is determined from the charge differences AQ2 to AQ n and the capacity of the first battery cell 1.
Auf diese Weise können vorteilhaft während der Zeitdauer t des Ladevorgangs nach der ersten Batteriezelle 1 sämtliche weiteren Spannungen V2 bis Vn von sämtlichen weiteren Batteriezellen 2 bis n der Batterie 100 erfasst werden, welche mit der ersten Batteriezelle 1 in Reihe geschaltet sind. Dabei können während der Konstantstrom-Ladephase 10 des Ladevorgangs sämtliche weiteren Zeitpunkte t2 bis tn identifiziert werden, zu dem die sämtlichen weiteren Batteriezellen 2 bis n den vorgegebenen Spannungsgrenzwert Vt erreichen und die jeweilige Ladungsdifferenz AQ2 bis AQn zwischen dem jeweils ersten Zeitpunkt ti und dem jeweils weiteren Zeitpunkt t2 bis tn ermittelt werden. Aus sämtlichen Ladungsdifferenzen AQ2 bis AQn kann dann eine Restkapazität der Gruppe von Batteriezellen 2 bis n, welche mit der ersten Batteriezelle 1 in Reihe geschaltet sind, ermittelt werden. In this way, during the time period t of the charging process after the first battery cell 1, all further voltages V2 to V n of all further battery cells 2 to n of the battery 100 that are connected in series with the first battery cell 1 can advantageously be recorded. During the constant current charging phase 10 of the charging process, all further points in time t2 to t n at which all further battery cells 2 to n reach the predetermined voltage limit value V t can be identified and the respective charge difference AQ2 to AQ n between the respective first point in time ti and the respective further point in time t2 to t n can be determined. A remaining capacity of the group of battery cells 2 to n that are connected in series with the first battery cell 1 can then be determined from all charge differences AQ2 to AQ n .
Aus einem Ladezustand der ersten Batteriezelle 1 bei vollständig geladener Batterie 100 und der Ladungsdifferenz AQ2 bis AQn kann ein voller Ladezustand der weiteren Batteriezellen 2 bis n bestimmt werden. From a state of charge of the first battery cell 1 with a fully charged battery 100 and the charge difference AQ2 to AQ n, a full state of charge of the other battery cells 2 to n can be determined.
Ein Aktivmaterial der Batteriezellen 1 , 2, 3 auf jeweils einer Elektrode kann dabei bevorzugt eine Ruhespannungskennlinie mit mindestens einem flachen Bereich in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batteriezelle aufweisen. Beispielsweise kann das Aktivmaterial aus Lithium-Eisenphosphat gebildet sein. An active material of the battery cells 1, 2, 3 on each electrode can preferably have a rest voltage characteristic with at least one flat area in Dependence on the state of charge of the battery cell. For example, the active material can be made of lithium iron phosphate.
Der Spannungsgrenzwert Vt kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren zweckmäßig so gewählt werden, dass alle weiteren Batteriezellen 2, 3 der Batterie 100 den Spannungsgrenzwert Vt überschreiten, bevor die erste Batteriezelle 1 einen dynamischen Spannungsgrenzwert Vd, insbesondere eine Ladeschlussspannung, erreicht. In the proposed method, the voltage limit value V t can be expediently selected such that all further battery cells 2, 3 of the battery 100 exceed the voltage limit value V t before the first battery cell 1 reaches a dynamic voltage limit value Vd, in particular a final charge voltage.
Der Spannungsgrenzwert Vt kann beispielsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur der Batterie 100 definiert werden, um die Temperaturabhängigkeit der Ladevorgänge zu berücksichtigen. The voltage limit value V t can, for example, be defined as a function of a measured temperature of the battery 100 in order to take into account the temperature dependence of the charging processes.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 erste Batteriezelle 1 first battery cell
2 zweite Batteriezelle 2 second battery cell
3 dritte Batteriezelle 3 third battery cell
10 Konstantstrom-Ladephase 10 Constant current charging phase
20 Konstantspannung-Ladephase 20 Constant voltage charging phase
30 Relaxationsphase 30 Relaxation phase
100 Batterie 100 Battery
200 Ladeeinheit 200 loading units
V Spannung V Voltage
Vi Spannung erste Batteriezelle Vi voltage first battery cell
V2 Spannung zweite Batteriezelle V2 Voltage second battery cell
V3 Spannung dritte Batteriezelle V3 Voltage third battery cell
Vn Spannung n-te Batteriezelle V n voltage n-th battery cell
Vd dynamischer Spannungsgrenzwert Vd dynamic voltage limit
Vf Ruhespannung einer vollständig geladenen Batteriezelle Vf Rest voltage of a fully charged battery cell
Vp Ruhespannung einer Batteriezelle im flachen Bereich einer Ruhespannungskennlinie t Spannungsgrenzwert ti Zeitpunkt erste Batteriezelle t2 Zeitpunkt zweite Batteriezelle tß Zeitpunkt dritte Batteriezelle tn Zeitpunkt n-te Batteriezelle t Ladezeit V p Open circuit voltage of a battery cell in the flat area of an open circuit voltage characteristic curve t Voltage limit ti Time of first battery cell t2 Time of second battery cell tß Time of third battery cell t n Time of nth battery cell t Charging time

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Ermitteln von Ladezuständen von Batteriezellen (1 , 2. 3) einer aufladbaren Batterie (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (1 , 2, 3) während eines Ladevorgangs, wobei beim Ladevorgang sich an eine Konstantstrom- Ladephase (10) eine Konstantspannung-Ladephase (20) anschließt, wobei zumindest eine erste Spannung (Vi) einer ersten Batteriezelle (1) und eine zweite Spannung (V2, V3) wenigstens einer zweiten Batteriezelle (2, 3), welche mit der ersten Batteriezelle (1) in Reihe geschaltet ist, während einer Zeitdauer des Ladevorgangs erfasst wird, wobei während der Konstantstrom-Ladephase (10) des Ladevorgangs ein erster Zeitpunkt (ti) identifiziert wird, zu dem die erste Spannung (V1) der ersten Batteriezelle (1) einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreicht, wobei während der Konstantstrom-Ladephase (10) des Ladevorgangs ein zweiter Zeitpunkt (t2, t3) identifiziert wird, zu dem die zweite Spannung (V2, V3) der wenigstens einen zweiten Batteriezelle (2, 3) den vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreicht, wobei eine Ladungsdifferenz (AQ2, AQ3) zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t2, t3) und dem ersten Zeitpunkt (ti) ermittelt wird, wobei der Ladezustand der wenigstens einen zweiten Batteriezelle (2, 3) aus der Ladungsdifferenz (AQ2, AQ3) und einer Kapazität der ersten Batteriezelle (1) nach Abschluss der Konstantstrom-Ladephase (10) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei aus der Ladungsdifferenz (AQ2, AQ3) und der Kapazität der ersten Batteriezelle (1) ein Ladezustand der wenigstens einen zweiten Batteriezelle (2, 3) ermittelt wird als Differenz der Kapazität der ersten Batteriezelle (1) und der Ladungsdifferenz (AQ2, AQ3)) dividiert durch die Kapazität. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kapazität der ersten Batteriezelle (1) nach Ende einer an die Konstantspannung-Ladephase (20) anschließenden Relaxationsphase (30) aus einer Ruhespannung der vollständig geladenen ersten Batteriezelle (Vf) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kapazität der ersten Batteriezelle (1) aus einer nach Ende der Relaxationsphase (30) bestimmten Ruhespannung der vollständig geladenen ersten Batteriezelle (Vf) und einer Kennlinie der Ruhespannung in Abhängigkeit des Ladezustandes bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Aktivmaterial der Batteriezellen (1 , 2, 3) auf jeweils einer Elektrode eine Ruhespannungskennlinie mit mindestens einem flachen Bereich in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batteriezelle (1 , 2, 3) aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1, 2, 3) Lithium-Eisenphosphat als Aktivmaterial auf jeweils einer Elektrode aufweisen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Zeitdauer (t) des Ladevorgangs sämtliche weitere Spannungen (V2, V3) von sämtlichen weiteren Batteriezellen (2, 3) der Batterie (100) erfasst werden, welche mit der ersten Batteriezelle (1) in Reihe geschaltet sind, wobei während der Konstantstrom-Ladephase (10) des Ladevorgangs sämtliche weiteren Zeitpunkte (t2, ts) identifiziert werden, zu dem die sämtlichen weiteren Batteriezellen (2, 3) den vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreichen und die jeweilige Ladungsdifferenz (AQ2, AQ3) zwischen dem jeweils ersten Zeitpunkt (ti) und dem jeweils weiteren Zeitpunkt (t2, ts) ermittelt wird, wobei aus sämtlichen Ladungsdifferenzen (AQ2, AQ3) eine Restkapazität der Gruppe von Batteriezellen (2, 3), welche mit der ersten Batteriezelle (1) in Reihe geschaltet sind, ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsgrenzwert (Vt) in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur der Batterie (100) definiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsgrenzwert (Vt) so gewählt wird, dass alle weiteren Batteriezellen (2, 3) der Batterie (100) den Spannungsgrenzwert (Vt) überschreiten, bevor die erste Batteriezelle (1) einen dynamischen Spannungsgrenzwert (Vd), insbesondere eine Ladeschlussspannung, erreicht. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Konstantstrom-Ladephase (10) mit Erreichen des dynamischen Spannungsgrenzwerts (Vd) der ersten Batteriezelle (1) beendet wird. Patent claims Method for determining charge states of battery cells (1, 2, 3) of a rechargeable battery (100) with a plurality of battery cells (1, 2, 3) during a charging process, wherein during the charging process a constant current charging phase (10) is followed by a constant voltage charging phase (20), wherein at least a first voltage (Vi) of a first battery cell (1) and a second voltage (V2, V3) of at least a second battery cell (2, 3) which is connected in series with the first battery cell (1) are detected during a period of the charging process, wherein during the constant current charging phase (10) of the charging process a first point in time (ti) is identified at which the first voltage (V1) of the first battery cell (1) reaches a predetermined voltage limit value (V t ), wherein during the constant current charging phase (10) of the charging process a second point in time (t2, t 3 ) is identified at which the second voltage (V2, V3) of the at least one second battery cell (2, 3) reaches the predetermined voltage limit value (V t ), wherein a charge difference (AQ2, AQ3) between the second point in time (t2, t 3 ) and the first point in time (ti) is determined, wherein the charge state of the at least one second battery cell (2, 3) is determined from the charge difference (AQ2, AQ3) and a capacity of the first battery cell (1) after completion of the constant current charging phase (10). Method according to claim 1, wherein a charge state of the at least one second battery cell (2, 3) is determined from the charge difference (AQ2, AQ3) and the capacity of the first battery cell (1) as the difference between the capacity of the first battery cell (1) and the charge difference (AQ2, AQ3)) divided by the capacity. Method according to claim 1 or 2, wherein the capacity of the first battery cell (1) is determined from a rest voltage of the fully charged first battery cell (Vf) after the end of a relaxation phase (30) following the constant voltage charging phase (20). Method according to claim 3, wherein the capacity of the first battery cell (1) is determined from a rest voltage of the fully charged first battery cell (Vf) determined after the end of the relaxation phase (30) and a characteristic curve of the rest voltage as a function of the state of charge. Method according to one of the preceding claims, wherein an active material of the battery cells (1, 2, 3) has a rest voltage characteristic curve with at least one flat region on each electrode as a function of a state of charge of the battery cell (1, 2, 3). Method according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1, 2, 3) have lithium iron phosphate as the active material on each electrode. Method according to one of the preceding claims, wherein during the time period (t) of the charging process all further voltages (V2, V3) of all further battery cells (2, 3) of the battery (100) which are connected in series with the first battery cell (1) are recorded, wherein during the constant current charging phase (10) of the charging process all further points in time (t2, ts) are identified at which all further battery cells (2, 3) reach the predetermined voltage limit value (V t ) and the respective charge difference (AQ2, AQ3) between the respective first point in time (ti) and the respective further point in time (t2, ts) is determined, wherein a residual capacity of the group of battery cells (2, 3) which are connected in series with the first battery cell (1) is determined from all charge differences (AQ2, AQ3). Method according to one of the preceding claims, wherein the voltage limit value (V t ) is defined as a function of a measured temperature of the battery (100). Method according to one of the preceding claims, wherein the voltage limit value (V t ) is selected such that all further battery cells (2, 3) of the battery (100) exceed the voltage limit value (V t ) before the first battery cell (1) reaches a dynamic voltage limit value (Vd), in particular a final charging voltage. Method according to claim 9, wherein the constant current charging phase (10) is ended when the dynamic voltage limit value (Vd) of the first battery cell (1) is reached.
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