DE102022004020A1 - Method for determining the charge states of battery cells - Google Patents

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Heiko Witzenhausen
Johannes Schmalstieg
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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. Dabei wird zumindest eine erste Spannung (V1) 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. Während einer Konstantstrom-Ladephase (10) des Ladevorgangs wird ein erster Zeitpunkt (t1) identifiziert, zu dem die erste Spannung (V1) der ersten Batteriezelle (1) einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreicht. Während der Konstantstrom-Ladephase (10) des Ladevorgangs wird ein zweiter Zeitpunkt (t2, t3) identifiziert, zu dem die zweite Spannung (V2, V3) der wenigstens einen zweiten Batteriezelle (2, 3) den vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreicht. Dabei wird eine Ladungsdifferenz (ΔQ2, ΔQ3) zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t2, t3) und dem ersten Zeitpunkt (t1) ermittelt.The invention relates to a 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. At least a 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 with the first battery cell (1), are recorded during a period of the charging process. During a constant current charging phase (10) of the charging process, a first point in time (t1) is identified at which the first voltage (V1) of the first battery cell (1) reaches a predetermined voltage limit value (Vt). During the constant current charging phase (10) of the charging process, a second point in time (t2, t3) 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 (Vt). A charge difference (ΔQ2, ΔQ3) is determined between the second time (t2, t3) and the first time (t1).

Description

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.This is why 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 battery's need for capacity equalization cannot be determined at the individual cell level and the individual cell voltages can gradually diverge. This means that the state of charge of battery cells that are never fully charged can drop unnoticed. The drop in the state of charge 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 10 2012 214 808 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausgleichen von 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.The EN 10 2012 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 is proposed 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 a 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 value. 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 value. 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.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.

Über die anderen Batteriezellen kann den Spannungskurven lediglich entnommen werden, dass sie einen niedrigeren Ladezustand aufweisen.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. 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 deduced 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 be conveniently determined in this way because the first battery cell has already reached the dynamic voltage limit 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 duration of 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 other points in time at which all other battery cells reach the specified voltage limit can be identified and the respective charge difference between the first point in time and the subsequent point in time can be determined. A residual capacity of the group of battery cells that are connected in series with the first battery cell can then be determined from all of the charge differences. In this way, the charge states of all battery cells of the battery can advantageously be 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 makes it possible to advantageously define the battery cell which has a full charge state at this point, from which the lower charge states 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 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 charge state of the first battery cell with a fully charged battery and the charge difference, a full charge state of the other battery cells can be determined. 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:

  • 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;
  • 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
  • 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Showing:
  • 1 a connection 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;
  • 2 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
  • 3 a flow chart of the method according to the invention.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, identical or similar components are numbered with identical reference symbols. The figures merely show examples and are not to be understood as limiting.

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. 1 shows a connection of a battery 100 with a plurality of n battery cells, where n represents 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.

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. 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 V d . At this point in time, the other two battery cells 2, 3 have not yet reached the dynamic voltage limit value V d .

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 V1 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 V 1 remains constant at V d . Since the current is reduced, the voltages V 2 , V 3 of the other battery cells 2, 3 usually fall 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 now falls below a certain threshold value, the charging is terminated and the cell voltages V 1 , V 2 , V 3 relax. In the example shown, a resting voltage characteristic is assumed which has a flat area of the resting voltage characteristic with a voltage level V p in the range of the medium to high state of charge and only has a voltage level V f 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 V1 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 the active material on an electrode. Accordingly, V 1 relaxes to V f 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 V t can be conveniently selected so that despite a possible unbalanced charge state of the Battery cells 1, 2, 3 of the battery 100 all battery cells 1, 2, 3 exceed the voltage limit V t during a slow charge before the first battery cell 1 has reached the dynamic voltage limit V d .

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 ΔQ2, ΔQ3 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 ΔQ2, ΔQ3 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 + ΔQ2 bei 100% Ladezustand angelangt, auch wenn dieser Zustand in der Verschaltung als Batterie 100 nicht erreichbar ist.Now the charge difference ΔQ 2 , ΔQ 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 ΔQ 2 , ΔQ 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 + ΔQ 2 , even if this state cannot be reached in the circuit as battery 100.

In 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.In 3 A flow chart of the method according to the invention is shown.

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 V1 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 V 1 of a first battery cell 1 and a second voltage V 2 , V 3 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 t1 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 t 1 is identified during the constant current charging phase of the charging process, at which the first voltage V 1 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 V d 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 t 2 is identified at which the second voltage V 2 of the at least one second battery cell 2 reaches the predetermined voltage limit value V t .

In Schritt S106 wird dazu eine Ladungsdifferenz ΔQ2 zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem ersten Zeitpunkt t1 ermittelt.In step S106, a charge difference ΔQ 2 between the second time t 2 and the first time t 1 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 ΔQ3 bis ΔQn 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 ΔQ 3 to ΔQ 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 ΔQ2 bis ΔQn dividiert durch die Kapazität.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 ΔQ 2 to ΔQ n divided by the capacity.

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 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 value V d 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 V d .

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 ΔQ2 bis ΔQn 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 ΔQ 2 to ΔQ 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 ΔQ2 bis ΔQn zwischen dem jeweils ersten Zeitpunkt t1 und dem jeweils weiteren Zeitpunkt t2 bis tn ermittelt werden. Aus sämtlichen Ladungsdifferenzen ΔQ2 bis ΔQn 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 V 2 to V n of all further battery cells 2 to n of the battery 100, which 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 t 2 to t n can be identified at which all further battery cells 2 to n reach the predetermined voltage limit value V t and the respective charge difference ΔQ 2 to ΔQ n between the respective first point in time t 1 and the respective further point in time point t 2 to t n . From all charge differences ΔQ 2 to ΔQ n, a remaining capacity of the group of battery cells 2 to n, which are connected in series with the first battery cell 1, can then be determined.

Aus einem Ladezustand der ersten Batteriezelle 1 bei vollständig geladener Batterie 100 und der Ladungsdifferenz ΔQ2 bis ΔQn 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 ΔQ 2 to ΔQ 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 depending on a 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 V d , in particular a final charging 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.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
erste Batteriezellefirst battery cell
22
zweite Batteriezellesecond battery cell
33
dritte Batteriezellethird battery cell
1010
Konstantstrom-LadephaseConstant current charging phase
2020
Konstantspannung-LadephaseConstant voltage charging phase
3030
RelaxationsphaseRelaxation phase
100100
Batteriebattery
200200
LadeeinheitLoading unit
VV
SpannungTension
V1V1
Spannung erste BatteriezelleVoltage first battery cell
V2V2
Spannung zweite BatteriezelleVoltage second battery cell
V3V3
Spannung dritte BatteriezelleVoltage third battery cell
VnVn
Spannung n-te BatteriezelleVoltage n-th battery cell
VdVd
dynamischer Spannungsgrenzwertdynamic voltage limit
VfVf
Ruhespannung einer vollständig geladenen BatteriezelleResting voltage of a fully charged battery cell
VpVP
Ruhespannung einer Batteriezelle im flachen Bereich einer RuhespannungskennlinieOpen-circuit voltage of a battery cell in the flat area of an open-circuit voltage characteristic curve
VtVt
SpannungsgrenzwertVoltage limit
t1t1
Zeitpunkt erste BatteriezelleTime of first battery cell
t2t2
Zeitpunkt zweite BatteriezelleTime of second battery cell
t3t3
Zeitpunkt dritte BatteriezelleTime of third battery cell
tntn
Zeitpunkt n-te BatteriezelleTime n-th battery cell
tt
LadezeitLoading time

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012214808 A1 [0005]DE 102012214808 A1 [0005]

Claims (10)

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 (V1) 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 (t1) 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 (ΔQ2, ΔQ3) zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t2, t3) und dem ersten Zeitpunkt (t1) ermittelt wird, wobei der Ladezustand der wenigstens einen zweiten Batteriezelle (2, 3) aus der Ladungsdifferenz (ΔQ2, ΔQ3) und einer Kapazität der ersten Batteriezelle (1) nach Abschluss der Konstantstrom-Ladephase (10) ermittelt wird,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 (V 1 ) of a first battery cell (1) and a second voltage (V 2 , V 3 ) 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 (t 1 ) is identified at which the first voltage (V 1 ) 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 (t 2 , t 3 ) is identified at which the second voltage (V 2 , V 3 ) of the at least one second battery cell (2, 3) reaches the predetermined voltage limit value (V t ), wherein a charge difference (ΔQ 2 , ΔQ 3 ) between the second time (t 2 , t 3 ) and the first time (t 1 ) is determined, wherein the charge state of the at least one second battery cell (2, 3) is determined from the charge difference (ΔQ 2 , ΔQ 3 ) and a capacity of the first battery cell (1) after completion of the constant current charging phase (10), Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus der Ladungsdifferenz (ΔQ2, ΔQ3) 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 (ΔQ2, ΔQ3)) dividiert durch die Kapazität.Procedure according to Claim 1 , wherein a charge state of the at least one second battery cell (2, 3 ) is determined from the charge difference (ΔQ 2 , ΔQ 3 ) 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 (ΔQ 2 , ΔQ 3 )) divided by the capacity. 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.Procedure 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 (V f ) after the end of a relaxation phase (30) following the constant voltage charging phase (20). 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.Procedure 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 (V f ) 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. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein an active material of the battery cells (1, 2, 3) has on each electrode a rest voltage characteristic with at least one flat region depending on a state of charge of the battery cell (1, 2, 3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1, 2, 3) Lithium-Eisenphosphat als Aktivmaterial auf jeweils einer Elektrode aufweisen.Method according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1, 2, 3) each have lithium iron phosphate as active material on one electrode. 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, t3) identifiziert werden, zu dem die sämtlichen weiteren Batteriezellen (2, 3) den vorgegebenen Spannungsgrenzwert (Vt) erreichen und die jeweilige Ladungsdifferenz (ΔQ2, ΔQ3) zwischen dem jeweils ersten Zeitpunkt (t1) und dem jeweils weiteren Zeitpunkt (t2, t3) ermittelt wird, wobei aus sämtlichen Ladungsdifferenzen (ΔQ2, ΔQ3) eine Restkapazität der Gruppe von Batteriezellen (2, 3), welche mit der ersten Batteriezelle (1) in Reihe geschaltet sind, ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein during the time period (t) of the charging process, all further voltages (V 2 , V 3 ) 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 (t 2 , t 3 ) are identified at which all further battery cells (2, 3) reach the predetermined voltage limit value (Vt) and the respective charge difference (ΔQ 2 , ΔQ 3 ) between the respective first point in time (t 1 ) and the respective further point in time (t 2 , t 3 ) 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 (ΔQ 2 , ΔQ 3 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsgrenzwert (Vt) in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur der Batterie (100) definiert wird.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). 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.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 (V d ), in particular a final charge voltage. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Konstantstrom-Ladephase (10) mit Erreichen des dynamischen Spannungsgrenzwerts (Vd) der ersten Batteriezelle (1) beendet wird.Procedure according to Claim 9 , wherein the constant current charging phase (10) is terminated when the dynamic voltage limit value (V d ) of the first battery cell (1) is reached.
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