EP3414582A1 - Verfahren und system zur bewertung einer elektrochemischen speichereinheit - Google Patents

Verfahren und system zur bewertung einer elektrochemischen speichereinheit

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Publication number
EP3414582A1
EP3414582A1 EP17720036.7A EP17720036A EP3414582A1 EP 3414582 A1 EP3414582 A1 EP 3414582A1 EP 17720036 A EP17720036 A EP 17720036A EP 3414582 A1 EP3414582 A1 EP 3414582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
storage unit
electrochemical storage
aging
electrochemical
model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17720036.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Kohs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ct Battery GmbH
Original Assignee
Ctc Cartech Co GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ctc Cartech Co GmbH filed Critical Ctc Cartech Co GmbH
Publication of EP3414582A1 publication Critical patent/EP3414582A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/12—Recording operating variables ; Monitoring of operating variables
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/16—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to battery ageing, e.g. to the number of charging cycles or the state of health [SoH]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating a state, in particular an aging state and / or a value, of an electrochemical storage unit used in at least one memory-specific application and a system for carrying out such a method.
  • electrochemical storage units such as lithium-ion batteries, as used today in the vehicle sector
  • aging behavior which depends very much on the chemical-physical structure of the storage unit and the use profile of the storage unit.
  • stochastic processes in the chemical system of the storage unit which depend on the specific individual case and influence the aging behavior of the storage unit.
  • Not directly measurable battery state variables such as the state of charge or the internal resistance, significantly affect the battery behavior and are therefore important parameters for a charge control and a discharge monitoring.
  • a certain state of charge is also useful information for the user. So this can adjust its user behavior to the state of charge and extend in this way the life of the storage unit.
  • the object of the invention is to provide a method which allows the evaluation of a state, in particular an aging state and / or a value, of an electrochemical storage unit for at least one memory-specific application.
  • Another object is to provide a system for carrying out such a method.
  • a method for evaluating a state, in particular an aging state and / or a value, of an electrochemical storage unit which is used in at least one memory-specific application.
  • the method comprises (i) detecting at least one parameter of the aging state of the electrochemical storage unit at a first time; and (ii) aligning the detected parameters with a battery model of the electrochemical storage unit to derive aging factors, the battery model comprising an electrochemical model and / or an empirical model.
  • the method further comprises (iii) detecting at least one electrical load profile of one or more electrochemical storage devices characteristic of the memory-specific application when operating in the memory-specific application; (iv) weighting the detected load profile for the specific application to analyze the interdependencies of the determinable parameters of the electrochemical storage unit; and (v) predicting the state of the storage-specific electrochemical storage unit based on the aging factors for a future time, which aging factors are correlated with operation of the electrochemical storage unit in the storage-specific application.
  • the method according to the invention serves to evaluate a state, which is referred to below as “state of battery” or SOB and characterizes a general performance of the electrochemical storage unit, and in particular includes an aging state, which is also known as “state of health” or SOH , Which aging condition is still acceptable for which application may depend on the specific application. For example, a battery that only has 80% SOB in the automotive sector already lead to a retirement.
  • the method may serve as an alternative or in addition to the evaluation of a state which in particular identifies a value of the electrochemical storage unit, which is referred to below as "state of value” or SOV specific application n, while the state SOV (n) denotes the value of the electrochemical storage unit for a specific application of n applications, in particular a residual value of the electrochemical storage unit
  • SOV also serves to decide in which application the batteries are new Use have a maximum residual value.
  • a specific application is to be understood as an application for which the electrochemical storage unit is designed, for example as a traction battery for driving a vehicle, as a hybrid battery for driving a hybrid vehicle with at least a second drive source for the vehicle, as a stationary battery for supplying stationary consumers.
  • the requirements for the electrochemical storage unit in various applications differ significantly, which goes into the design of the electrochemical storage unit.
  • Use of the electrochemical storage unit in an application that is not specific to the electrochemical storage unit, ie, not provided, may be associated with performance degradation, and in particular loss of life, to destruction of the battery.
  • the method according to the invention is based on several steps. In a first step, a battery model is developed, for example with the help of statistically planned aging tests in the laboratory.
  • the model describes the aging of an electrochemical storage unit depending on the battery condition and external aging factors by operating the electrochemical storage unit in its specific application.
  • at least one test stand is connected to a central server with a database on which the battery model runs centrally.
  • the database can advantageously be designed as a self-learning database. Measured values generated by the test bench from an electrochemical storage unit are loaded onto the server.
  • the battery model is adapted by processing the measured values, for example by generating corresponding data in a self-learning database.
  • a lifetime of the storage unit in a specific application can be predicted.
  • the battery model in the first step, can be created with high accuracy, in which a balance of the desired accuracy against the time required is taken.
  • the current aging state or value of the storage unit can be determined relatively quickly, for example in a rapid test.
  • the prognosis for further aging can then be used to make a long-term prediction about the development of the further aging state or the development of value. In this way, a reliable aging model of the electrochemical storage unit for operation in a specific application can be derived.
  • battery parameters are determined by the method according to the invention. From the change of these parameters an aging state SOB is determined. The effects of external aging factors on these parameters are modeled by the empirical model. The SOB can then be represented as a function of time.
  • An empirical-electrochemical model of the memory unit has the advantages that it has a relation to physics, is transferable to different battery types, is statistically verified, includes orthogonality of the parameters and requires little testing effort through statistical experimental design. Parameters of an aging state of the electrochemical storage unit may be, for example, an ohmic resistance, or an electrical residual capacity.
  • Measurement data of a voltage profile in the case of a rectangular pulse or of an impedance spectrum can be matched with an electrochemical and / or empirical battery model and the aging parameters determined using electrochemical equivalent circuit diagrams, for example considering a Warburg impedance commonly used for electrochemical systems for improved description charge diffusion, a Butler-Volmer equation for a charge transfer reaction, a Nernst equation for the overvoltage at the electrodes, a second Fick's law for the spherical diffusion at the electrodes, as well as a Faraday impedance of the electrode surfaces.
  • a measurement of electrochemical effects thus provides, for example, the effect of a Li ion concentration on the electrode potential, the capacitance distribution due to electrode porosity, and the like
  • Solid electrolyte interface layer also referred to as the "solid electrolyte interface” (SEI) layer, which can occur in Li-ion systems.
  • the aging state SOB due to an aging parameter A can namely
  • (G1) l A iSOL -A iEOL l Aj E OL be determined.
  • i denotes the index of an aging parameter A (for example, ohmic resistance) of the electrochemical storage unit.
  • the size SOL (
  • the aging state is related to, for example, the ohmic resistance, the thickness of the SEI, the
  • Double-layer capacity of the anode of the storage unit may depend on external aging factors of the storage unit, which may include, for example, the depth of discharge, maximum state of charge (SOC) charge state, charge rate, discharge rate, temperature, etc. Because of the variety of parameters, statistical planning may be used For the evaluation, an empirical aging model can be used for the evaluation.
  • SOC maximum state of charge
  • the change in a SOB parameter ⁇ per unit time ⁇ t can be determined as a function of the external aging factors
  • the coefficients E m represent external aging factors such as the depth of discharge (DOD) and ⁇ m linear regression coefficients, using statistically planned aging cycles (variation of E,) in the laboratory and measurements in the field, eg from a battery management system (BMS) are determined in the vehicle.
  • DOD depth of discharge
  • BMS battery management system
  • the time unit ⁇ t can be chosen so that a precise analysis is possible.
  • the sum represents a linear combination of different functions depending on the aging factors and their interactions.
  • ⁇ ( ⁇ ) ⁇ 10 + cinBi + 12 B 2 + a 13 e Bl + a 14 B 2 + ⁇ (G3)
  • the coefficients Bi represent battery state parameters such as battery voltage or temperature and a m linear regression coefficients, which are determined by statistically planned aging cycles (variation of E,) in the laboratory and measurements in the field (eg BMS in the vehicle).
  • the aging of the storage unit is taken into account via the aging factors E m and in the second term the variation of the battery state via the battery state parameters Bi.
  • the impact of a specific application can be considered through analysis of a load profile specific to the application.
  • the aging parameters depth of discharge, maximum SOC, charge rate, discharge rate, temperature
  • the analysis of the mutual dependencies and the comparison with the load profile can thus lead to an extension of the battery model. For example, this can be expressed as follows:
  • the application-specific coefficients ⁇ , ⁇ can be determined, for example, from an analysis of a load profile of the application n.
  • application n may be characterized by a number of aging parameters such as depth of discharge, maximum SOC, charge rate, rate of discharge, temperature.
  • depth of discharge maximum SOC
  • charge rate charge rate
  • rate of discharge temperature
  • knowledge of nonlinear dependence and interactions of these parameters is important. For example, an average current strength is not meaningful when larger current fluctuations occur and a non-linear dependence of the current on the time is suspected.
  • this frequency distribution can then be weighted via the current strengths in order to derive a weighted frequency distribution therefrom.
  • individual regions of the weighted frequency distribution can be formed and an average value can be formed over these regions.
  • An application-specific coefficient can then be determined from this mean value. For the example with the current distribution, the coefficient ⁇ , ⁇ results as the mean value in relation to the maximum current: loading (G8)
  • E m represents an external aging factor
  • the characteristics of the battery model allow a measurement of SOB parameters at each battery condition as well as a determination of battery aging by a specific application.
  • the calculation of the SOB can be done over time.
  • Each external aging factor causes a change in the SOB.
  • SOBi is such a function of time in which the respective aging factor has loaded the battery.
  • the aging parameter A and thus also the aging state SOB are thus dependent on the time t. This implies, for example:
  • the development of the aging parameter A over time t depends on the application.
  • the influence of the current, the current integral over a duration t, of a first application may be different from that of a second application.
  • EOL is defined in advance or taken from the data sheet of the battery, and ßim are determined by aging tests.
  • Battery condition parameters Bi are set via a statistically determined measurement series.
  • an application-specific aging state then applies, for example:
  • the SOB can also be determined by cumulative aging.
  • Each external aging factor causes a change in the SOB.
  • SOBi is such a function of accumulated aging by the respective aging factor. Cumulative aging can thus be expressed as an integral over the aging factors E m :
  • the SOB parameter ohmic internal resistance changes due to the external aging factor temperature.
  • the SOBRohm is a cumulative aging kiem function.
  • the value of the electrochemical storage unit depends on a guaranteed / predicted number of days No over which the storage unit is operated and on the total cost of the storage unit K. This results in an initial value W z per day:
  • the residual value can be determined on the basis of storage-specific costs and a residual service life of the electrochemical storage unit predicted from the battery state (SOB).
  • a prediction of the number of (residual) cycles NRz (n) and the remaining lifetime in application n can be made from the battery state SOBi (Bi, Em (n)) for determining the application-specific aging the residual value SOV for the application n is determined as the value of the memory unit.
  • the product is formed for this purpose:
  • the aging factors for the operation of the memory unit in the memory-specific application can be cumulated over a remaining time of the electrochemical storage unit.
  • the remaining term can be referred to, for example, as expected remaining operating time.
  • application-specific aging factors can be taken into greater consideration and, in addition, a general statement about the presumably still possible operation of the storage unit in the application can be made.
  • at least one of the physical properties of the electrochemical storage unit may be used to determine the aging state of the storage unit: (i) ohmic resistance, (ii) electrical capacitance, (iii) pulsed discharge or charge waveform, or (iv) electrical impedance , From these
  • Measurements can be obtained using electrochemical models SOB parameters. These aging parameters can be determined by comparing the measured data with the battery model.
  • the ohmic resistance of the electrochemical storage unit can be relatively easily measured with a favorable measurement technique, wherein the memory unit usually provides the values via a control unit. Such a control unit is often referred to in batteries as the battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the ohmic resistance can be measured as a voltage drop directly after a change in the current, for example a current pulse. At a load resistance, the voltage drop can be determined with impressed current, resulting in, after successful
  • the electrical capacitance can also be determined in a simple manner indirectly via resistance and impedance or directly via current integration. Thus, the capacity can be determined as dependent on current and temperature size.
  • a voltage curve with pulse-shaped discharge requires a more complex measuring technique, since high-resolution, for example in the microsecond range, voltage values and current values must be recorded.
  • ohmic resistance, double-layer capacitance and diffusion values can be determined, whereby measurements of the diffusion values take place over a relatively long period of time, up to days.
  • Impedance measurements are important because electrochemical processes in the electrochemical storage device are frequency dependent.
  • the detection of the parameters for matching with an electrochemical model of the electrochemical storage unit for determining external aging factors can be carried out by means of a statistical experimental design.
  • An empirical-electrochemical model of the memory unit which allows the correlation of electrochemical processes with the parameters, has the advantages that it has a reference to physics, is transferable to different types of batteries, is statistically protected, contains orthogonality of the parameters and low test cost required by statistical experimental design.
  • the matching of the acquired parameters with an empirical model of the electrochemical storage unit may include comparison with an empirical aging model. This avoids complex electrochemical modeling, the parameters of which could only be determined very inaccurately and with considerable effort.
  • the balancing of the determinable parameters of the electrochemical storage unit with the battery model can include a specific weighting of the parameters of the electrochemical storage unit detected in the load profile for the memory-specific application.
  • the impact of a specific application can be considered through analysis of a load profile specific to the application. Load profiles can make very different demands on the operating parameters of the memory unit for different applications, so that a corresponding weighting is advantageous.
  • the type of weighting depends favorably on the battery model. Thus, different areas of the aging parameters can be recorded as a histogram and then weighted according to the battery model.
  • the electrochemical model and / or the empirical model of the electrochemical storage unit can be adapted on the basis of measured aging conditions and / or accumulated aging factors of the electrochemical storage unit.
  • flat-rate time effects of the aging of storage units can be statistically better detected and also the battery models are not overly expensive in the detailing.
  • a system is proposed for evaluating a state, in particular an aging state and / or a value, in particular a residual value, of an electrochemical storage unit which is used in at least one memory-specific application, with at least one central database having at least one battery model which comprises an electrochemical model and / or an empirical model of the electrochemical storage unit.
  • the system further comprises one or more of the components, (i) at least one test stand for receiving a plurality of aging state parameters of the electrochemical storage unit, (ii) at least one workshop tester, and (iii) at least one memory system for operating the electrochemical storage unit.
  • the system is provided to carry out a method as described above, wherein the database is provided for storing parameters of the electrochemical storage unit acquired with the components.
  • a test stand can in particular serve to capture the essential information for evaluating an aging state of a memory unit by recording not only electrical parameters such as impedances or charge / discharge cycles of the memory unit with great accuracy, but also, for example, the memory unit under certain thermal boundary conditions is examined and / or electrical load profiles are recorded. Therefore, a test bench usually also includes at least one heat chamber and / or electrical load components in addition to the necessary electrical measuring devices. In particular, parameters of models can be determined and / or verified with a test bench.
  • electrical parameters such as impedance and / or current / voltage curve of the memory unit can be detected in a fast and effective manner via interfaces to the control unit of the memory unit, in particular in the installed state of the memory unit, for example in a vehicle, and / or ongoing operation of a particular operating condition, be determined.
  • the database can be provided as a self-learning database. This allows measurement data from storage units to be continuously fed into the system and further refine the models with the recorded measurement data. Due to a large number of storage units aged under different conditions, outliers of individual storage units can be filtered out and general statements made for the modeling. The models of the storage units thus gain ever greater significance.
  • the electrochemical model and / or the empirical model for adaptation can be provided by the detected parameters of the electrochemical storage unit.
  • Measurement data of the memory unit serve to continuously improve the informative value of the battery models, which run in the database of the system.
  • the database may be provided for generating test plans and for evaluating parameters of an operation of the electrochemical storage unit, in particular a field operation. Due to the ongoing improvement of the models in the database, it can make a continuously improved statement about suitable test plans for recording parameters of the memory unit as well as for the evaluation of the parameters. In particular, information from storage units which are operated in the field under real conditions can contribute to this. It is particularly advantageous if this information about the operation in the field over longer periods of time to the database of the system to be fed back.
  • the test stand can at least for determining an impedance of the electrochemical storage unit, and / or a thermal conditioning of the electrochemical storage unit and / or a determination of electrical load profiles of the electrochemical
  • the workshop testing device may include diagnostic tools with interfaces to an electronic control unit of the electrochemical storage unit, wherein the workshop testing device is provided for determining an impedance and / or for determining a current / voltage curve of the electrochemical storage unit.
  • the storage system can be provided for operating a pre-aged electrochemical storage unit.
  • a pre-aged storage unit can be operated, wherein the storage system can be connected to the database of the system so as to be able to select favorable operating parameters for operating the storage unit in order to ensure a favorable residual maturity of the storage unit.
  • FIG. 1 shows a system for evaluating a state, in particular one
  • an electrochemical storage unit Aging state and / or a value, an electrochemical storage unit according to an embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a first step of the method according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further step of the method according to the invention.
  • Fig. 10 shows a system according to an embodiment of the invention with a test stand with climatic chambers and impedance meter.
  • FIG. 1 shows a system 20 according to an exemplary embodiment of the invention for evaluating a state, in particular an aging state and / or a value, of an electrochemical storage unit 10 that is present in at least one of the embodiments memory-specific application 58 is used.
  • the system 20 comprises at least one central database 22 with at least one battery model 13, which comprises an electrochemical model 14 and / or an empirical model 16 of the electrochemical storage unit 10.
  • the system 20 further includes a test bench 24 for receiving a plurality of parameters 30 of a
  • the database 22 is provided for storing component 30 detected parameters of the electrochemical storage unit 30.
  • the electrochemical model 14 and / or the empirical model 16 are provided for adaptation by the detected parameters 30 of the electrochemical storage unit 10.
  • the database 22 is provided as a self-learning database 22 so as to be able to continuously improve the electrochemical and / or empirical battery models 14, 16 implemented thereon with the recorded measurement data from memory units 10.
  • the database 22 is further provided for generating test plans and for evaluating parameters 30 of an operation of the electrochemical storage unit 10, in particular a field operation.
  • the test stand 24 is at least for determining an impedance of the electrochemical storage unit 10, and / or a thermal conditioning of the electrochemical storage unit 10 and / or a determination of electrical load profiles 62 of the electrochemical
  • Memory unit 10 is provided.
  • the workshop testing device 26 includes diagnostic tools with interfaces to an electronic control unit of the electrochemical storage unit 10, wherein the workshop testing device 26 is provided in particular for determining an impedance and / or for determining a current / voltage curve of the electrochemical storage unit 10.
  • FIG. 2 shows a method sequence according to an exemplary embodiment of the invention for a specific application 58 with the representation of the essential method steps.
  • Measured values 30 for a parameter A of the memory unit 10, such as ohmic resistance or impedance, are determined by a suitable measuring method 50, which may be, for example, an impedance measurement. With the index i, the parameters A are numbered consecutively.
  • the storage unit 10 for example, characterized by aging parameters such as ohmic resistance R 0 hm, or electrical capacitance, in this case be at least one of the physical properties of the electrochemical storage unit 10 voltage waveform in pulse-shaped discharge or charge, electrical
  • Impedance or the characteristics determined from the modeling of the measurement results of the voltage measurement according to pulse-shaped charge and discharge as well as the impedance measurement.
  • an initial is set in the analysis 52
  • a further refined aging state 36, SOBi (Bi, E m ), is calculated according to equation G19 in order to determine the aging state 38, SOB, (Bi, E m.) Associated with the specific application 58 for a specific application 58, n (n)), according to equation G20.
  • the influence of the cost 60 for this application 58, n leads to the value 40, SOV (n), of the memory unit 10 according to equation G17.
  • the value 40, SOV is determined on the basis of storage-specific costs and a residual life of the electrochemical storage unit 10 predicted from the initial aging state 32, SOBi.
  • FIG. 3 shows the method sequence of FIG. 2 for the specific application 58, n, with representation of the model approaches.
  • Matching the acquired measurements 30 with an empirical model 16 of the electrochemical storage unit 10 involves matching with an empirical aging model 18.
  • the electrochemical model 14 and / or the empirical model 16 of the electrochemical storage unit 10 is calculated on the basis of measured accumulated aging factors 42 (FIG 6) of the electrochemical storage unit 10 again adapted. With the help of the electrochemical model 14 battery parameters are determined. From the change of these parameters, a SOB 32 is calculated. The effects of external aging factors 42 on these parameters are modeled by the empirical model 16.
  • the refined aging state 34, SOBi (Bi), as well as the further aging state 36, SOBi (Bi, E m ), can then be represented as a function of time.
  • the electrochemical storage unit 10 with the battery model 13 in this case comprises a specific for the memory-specific application 58 weights measured in the load profile 62 parameter 30 of the electrochemical storage unit 10, as shown in the following Figure 4.
  • the specific residual value 64 for the specific application 58, n can thus be over the value
  • FIG. 4 shows a histogram of a weighted load profile 62 using the example of a current measurement.
  • Application-specific coefficients ⁇ , ⁇ for a memory-specific application 58, n can be determined, for example, from the analysis of a load profile 62 of the application 58, n.
  • the application 58, n may for example be characterized by a series of Aging parameters such as depth of discharge, maximum SOC, charge rate, discharge rate, temperature. For accurate characterization, knowledge of nonlinear dependence and interactions of these parameters is important. For example, an average current strength is not meaningful when larger current fluctuations occur and a non-linear dependence of the current on the time is suspected.
  • a load profile 62 in the form of a histogram at current intervals over time and thus to register a frequency distribution 80 of measured values 30, such as current values.
  • this frequency distribution 80 can then be weighted via the current strengths in order to derive therefrom a weighted frequency distribution 82.
  • individual regions 86 of the weighted frequency distribution 82 may be formed and averages over these regions 86 may be formed.
  • Application-specific coefficients can then be determined from these mean values. For the example with the current distribution, the result is a coefficient ⁇ , ⁇ as the mean value of the current in relation to the maximum current:
  • frequency values 80 of current values are plotted at intervals. These frequency values 80 are weighted with a weighting function 84 which is specific to the application 58 under consideration. This weighting results in weighted frequency values 82. These weighted frequency values 82 have then been subdivided into individual averaging areas 86, such as an area 86, T n , iaden, for charging a battery, and an area 86, T n , for which Discharging the battery over which averaging areas 86, the weighted frequency values 82 are averaged, to derive the
  • FIG. 5 shows an assignment of the variables determined in the method sequence according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Measured values 30 for the parameter A of the memory unit 10, the aging state 32, SOB, determined therefrom for the measured value 30 of the parameter A, and the aging state 34, SOBi (Bi) determined with the aid of the empirical model 16, are specific to the memory unit 10 and therefore assigned to this memory unit 10.
  • specific quantities are the quantities derived therefrom, such as the further refined state of aging 36, SOBi (Bi, E m ) "the aging state 38 SOBi (Bi, E m (n)) 38 related to the specific application 58 and the value 40, SOV (n),.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a first step of the method according to the invention.
  • external, in particular accumulated, aging factors 42 can act on the memory unit 10, so that after the aging process 66, the findings 52 provide the battery state-dependent aging state 32, SOB.
  • the aging factors 42 for the operation of the memory unit 10 in the memory-specific application 58 are weighted, such as in FIG.
  • an empirical aging model 18 for the influence of the external aging factors 42 can be created for the aging process 66 and thus the further refined age state 36 can be calculated using the empirical electrochemical model 14, 16.
  • SOBi (Bi, E m ) Further, as shown in FIG. 8, from the analysis of the memory-specific application 58, n, an application-specific aging state 38, SOBi (Bi, E m (n)), and a value 40, can be derived therefrom.
  • FIG. 9 shows a flow diagram of the method according to the invention for evaluating a state, in particular an aging state and / or a value, of an electrochemical storage unit 10 used in at least one memory-specific application 58.
  • step S100 at least one parameter 30 of an aging state 32 is displayed the electrochemical storage unit 10 is detected at a first time t1, followed by step S102, in which the detected parameter 30 is compared with a battery model 13 of the electrochemical storage unit 10 for deriving, in particular accumulated aging factors 42, the battery model 13 an electrochemical model 14 and / or an empirical model 16.
  • step S104 at least one electrical load profile 62 characteristic of the memory-specific application 58 of one or more electrochemical storage units 10 during operation in the memory-specific
  • step S106 the detected load profile 62 for the specific application 58 for analyzing the interdependencies the determinable parameter 30 of the electrochemical storage unit 10.
  • step S108 the state of the electrochemical storage unit 10 for the storage-specific application 58 on the basis of the aging factors 42 for a future time t2 is predicted.
  • the aging factors 42 are correlated with an operation of the electrochemical storage unit 10 in the memory-specific application 58.
  • FIG. 10 shows a system 20 according to an exemplary embodiment of the invention having a test stand 24 with climatic chambers 74 and impedance measuring device 70, which records, via a multiplexer 72, the impedances of storage units 10 which are held in the climatic chambers 74 at a defined temperature and to the database 22 of the system 20 supplies.
  • the impedance measuring device 70 is connected via the multiplexer 72 to the various storage units 10 in the climatic chambers 74.
  • the test stand 24 drives the memory units 10 and receives further measured values over a plurality of channels Ci to C n and also supplies this information to the database 22, where they are further processed in the electrochemical or empirical models 14, 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bewertung eines Zustande und/oder eines Wertes (40) einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird. Es wird wenigstens ein Parameter (30) des Alterungszustands (32) der Speichereinheit (10) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) erfasst; die erfassten Parameter (30) werden mit einem Batteriemodell (13) zum Ableiten von Alterungsfaktoren (42) abgeglichen, wobei das Batteriemodell (13) ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) umfasst; wenigstens ein für die speicherspezifische Anwendung (58) charakteristisches elektrisches Lastprofil (62) eines oder mehrerer Speichereinheiten (10) wird beim Betrieb in der Anwendung (58) erfasst; das erfasste Lastprofil (62) für die Anwendung (58) wird zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter (30) der Speichereinheit (10) gewichtet; und der Zustand der Speichereinheit (10) für die Anwendung (58) wird auf der Basis der Alterungsfaktoren (42) für einen zukünftigen Zeitpunkt (t2) prognostiziert, welche Alterungsfaktoren (42) mit einem Betrieb (10) in der speicherspezifischen Anwendung (58) korreliert sind.

Description

„
- 1 -
Beschreibung Titel
Verfahren und System zur Bewertung einer elektrochemischen Speichereinheit Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird, sowie ein System zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, dass elektrochemische Speichereinheiten, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, wie sie heute im Fahrzeugbereich eingesetzt werden, einem Alterungsverhalten unterliegen, das sehr stark vom chemischphysikalischen Aufbau der Speichereinheit sowie dem Einsatzprofil der Speichereinheit abhängt. Dazu kommen stochastische Vorgänge im chemischen System der Speichereinheit, welche von dem spezifischen Einzelfall abhängen und das Alterungsverhalten der Speichereinheit beeinflussen. Nicht direkt messbare Batteriezustandsgrößen, wie beispielsweise der Ladezustand oder der Innenwiderstand, beeinflussen wesentlich das Batterieverhalten und sind daher wichtige Parameter für eine Ladekontrolle und eine Entladeüberwachung. Ein bestimmter Ladezustand ist zudem eine nützliche Information für den Anwender. So kann dieser sein Benutzerverhalten dem Ladezustand anpassen und auf diese Weise die Lebensdauer der Speichereinheit verlängern.
Zunehmend werden auch gebrauchte Batterien, welche beispielsweise in einem Fahrzeug Verwendung fanden, nach einer Mindestlaufzeit im Fahrzeug einer anderen Verwendung, beispielsweise in einem stationären Speichersystem, zugeführt. Zur Abschätzung einer Restlebensdauer oder eines Restwertes einer solchen gebrauchten Speichereinheit ist eine Kenntnis des Zustande, insbesondere des Alterungszustands und/oder eines Wertes, der Batterie von großer Bedeutung. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, welches die Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Werts, einer elektrochemischen Speichereinheit für wenigstens eine speicherspezifische Anwendung erlaubt.
Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, ein System zur Ausführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit vorgeschlagen, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird. Das Verfahren umfasst (i) das Erfassen wenigstens eines Parameters des Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit zu einem ersten Zeitpunkt; und (ii) das Abgleichen der erfassten Parameter mit einem Batteriemodell der elektrochemischen Speichereinheit zum Ableiten von Alterungsfaktoren, wobei das Batteriemodell ein elektrochemisches Modell und/oder ein empirisches Modell umfasst. Das Verfahren umfasst weiter (iii) das Erfassen wenigstens eines für die speicherspezifische Anwendung charakteristischen elektrischen Lastprofils eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten beim Betrieb in der speicherspezifischen Anwendung; (iv) das Gewichten des erfassten Lastprofils für die spezifische Anwendung zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter der elektrochemischen Speichereinheit; sowie (v) das Prognostizieren des Zustands der elektrochemischen Speichereinheit für die speicherspezifische Anwendung auf der Basis der Alterungsfaktoren für einen zukünftigen Zeitpunkt, welche Alterungsfaktoren mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit in der speicherspezifischen Anwendung korreliert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bewertung eines Zustande, der im Folgenden als„State of battery" oder SOB bezeichnet ist und eine allgemeine Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Speichereinheit kennzeichnet, und dabei insbesondere einen Alterungszustand umfasst, der auch als„State of health" oder SOH bekannt ist. Welcher Alterungszustand für welche Anwendung noch akzeptabel ist, kann von der spezifischen Anwendung abhängen. Beispielsweise kann eine Batterie, welche nur noch 80% SOB aufweist, im Automobilbereich bereits zu einer Ausmusterung führen.
Das Verfahren kann alternativ oder zusätzlich zur Bewertung eines Zustande dienen, der insbesondere einen Wert der elektrochemischen Speichereinheit kennzeichnet, der im Folgenden als„State of value" oder SOV bezeichnet ist. Der Zustand SOB(n) kennzeichnet dabei den Alterungszustand der elektrochemischen Speichereinheit für eine spezifische Anwendung n, während der Zustand SOV(n) den Wert der elektrochemischen Speichereinheit für eine spezifische Anwendung von n Anwendungen, insbesondere einen Restwert der elektrochemischen Speichereinheit, kennzeichnet. Der SOV dient dabei auch dazu, zu entscheiden, in welcher Anwendung die Batterien als neue Verwendung einen maximalen Restwert haben.
Eine spezifische Anwendung soll verstanden werden als eine Anwendung, für welche die elektrochemische Speichereinheit ausgelegt ist, beispielsweise als Traktionsbatterie zum Antrieb eines Fahrzeugs, als Hybridbatterie für den Antrieb eines Hybridfahrzeugs mit einer wenigstens zweiten Antriebsquelle für das Fahrzeug, als stationäre Batterie zur Versorgung stationärer Verbraucher. Typischerweise unterscheiden sich die Anforderungen an die elektrochemische Speichereinheit bei verschiedenen Anwendungen deutlich, was in die Auslegung der elektrochemischen Speichereinheit eingeht. Ein Einsatz der elektrochemischen Speichereinheit in einer Anwendung, die für die elektrochemische Speichereinheit nicht spezifisch, d.h. nicht vorgesehen, ist, kann mit Leistungseinbußen und insbesondere mit Lebensdauereinbußen einhergehen bis zur Zerstörung der Batterie. Das erfindungsgemäße Verfahren baut dabei auf mehreren Schritten auf. In einem ersten Schritt wird ein Batteriemodell entwickelt, beispielsweise mit Hilfe statistisch geplanter Alterungsversuche im Labor. Das Modell beschreibt die Alterung einer elektrochemischen Speichereinheit in Abhängigkeit des Batteriezustands und externer Alterungsfaktoren durch Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit in ihrer spezifischen Anwendung. In einem zweiten Schritt wird wenigstens ein Prüfstand an einen zentralen Server mit einer Datenbank angebunden, auf dem das Batteriemodell zentral läuft. Die Datenbank kann vorteilhaft als selbstlernende Datenbank ausgeführt sein. Messwerte, die mit dem Prüfstand von einer elektrochemischen Speichereinheit erzeugt werden, werden auf den Server geladen. Das Batteriemodell wird durch Verarbeitung der Messwerte adaptiert, etwa indem entsprechende Daten in einer selbstlernenden Datenbank erzeugt werden. In einem dritten Schritt kann auf diese Weise unter Bezug auf das adaptierte Batteriemodell eine Lebensdauer der Speichereinheit in einer spezifischen Anwendung prognostiziert werden. So kann in dem ersten Schritt das Batteriemodell mit hoher Genauigkeit erstellt werden, in dem eine Abwägung der gewünschten Genauigkeit gegen den benötigten Zeitaufwand getroffen wird. Im zweiten Schritt dagegen kann der gegenwärtige Alterungszustand oder Wert der Speichereinheit relativ schnell, beispielsweise in einem Schnelltest bestimmt werden. Im dritten Schritt kann dann bei der Prognose über die weitere Alterung eine langfristige Vorhersage über die Entwicklung des weiteren Alterungszustands oder der Wertentwicklung getroffen werden. Auf diese Weise ist ein zuverlässiges Alterungsmodell der elektrochemischen Speichereinheit für den Betrieb in einer spezifischen Anwendung ableitbar.
Mit Hilfe des elektrochemischen Modells werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Batterieparameter ermittelt. Aus der Veränderung dieser Parameter wird ein Alterungszustand SOB ermittelt. Die Einflüsse externer Alterungsfaktoren auf diese Parameter werden durch das empirische Modell modelliert. Der SOB lässt sich dann als Funktion der Zeit darstellen. Ein empirisch-elektrochemisches Modell der Speichereinheit weist dabei die Vorteile auf, dass es einen Bezug zur Physik hat, übertragbar auf unterschiedliche Batterietypen ist, statistisch abgesichert ist, Orthogonalität der Parameter beinhaltet und geringen Testaufwand durch statistische Versuchsplanung erfordert. Parameter eines Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit können beispielsweise ein ohmscher Widerstand, oder eine elektrische Rest- Kapazität sein. Messdaten eines Spannungsverlauf bei einem Rechteckpuls, oder eines Imdedanzspektrums können mit einem elektrochemischen und/oder einem empirischen Batteriemodell abgeglichen und daraus die Alterungsparameter bestimmt werden, wobei dabei elektrochemische Ersatzschaltbilder verwendet werden können, beispielsweise unter Berücksichtigung einer, für elektrochemische Systeme gebräuchliche, Warburgimpedanz zur verbesserten Beschreibung der Diffusion der Ladungsträger, einer Butler-Volmer-Gleichung für eine Ladungsübergangsreaktion, einer Nernst-Gleichung für die Überspannung an den Elektroden, einem zweiten Fick'sches Gesetz für die kugelförmige Diffusion an den Elektroden, sowie einer Faraday'schen Impedanz der Elektrodenoberflächen. Eine Messung elektrochemischer Effekte liefert so beispielsweise die Auswirkung einer Li-Ionen-Konzentration auf das Elektrodenpotential, die Kapazitätsverteilung durch Elektrodenporosität, sowie das
Wachstum einer Fest-Elektrolyt-Zwischenschicht, auch als „solid electrolyte interface" (SEI)-Schicht bezeichnet, die bei Li-Ionen-Systemen auftreten kann.
Dadurch ist eine Berechnung der spezifischen SOB-Werte für einen Parameter möglich. Der Alterungszustand SOB, auf Grund eines Alterungsparameters A kann nämlich zu
SQB _ IAj-AiE0L| _ |AAj— AAj E0L | (G1 ) lAiSOL-AiEOL l Aj EOL ermittelt werden. Dabei bezeichnet i den Index eines Alterungsparameters A (z.B. ohmscher Widerstand) der elektrochemischen Speichereinheit. Die Größe SOL (=
„start of life"), bezeichnet einen Ausgangszustand und die Größe EOL (=„end of life") ein Kriterium für das Ende der Lebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit für diesen Parameter A. Das Symbol Δ kennzeichnet eine Differenz zum Ausgangszustand. Der Alterungszustand ist so bezogen auf beispielsweise den ohmschen Widerstand, die Dicke der SEI, die
Doppelschichtkapazität der Anode der Speichereinheit. Elektrochemische Prozesse können von externen Alterungsfaktoren der Speichereinheit abhängen, welche beispielsweise die Entladetiefe, den maximalen Ladungszustand „State of Charge" (SOC), die Laderate, die Entladerate, die Temperatur umfassen können. Auf Grund der Vielzahl der Parameter kann über eine statistische Versuchsplanung deren Einfluss auf den Zielparameter inklusive der Wechselwirkungen bestimmt werden. Zur Auswertung kann dabei ein empirisches Alterungsmodell herangezogen werden.
Beispielsweise kann die Änderung eines SOB-Parameter ΔΑ pro Zeiteinheit At in Abhängigkeit von den externen Alterungsfaktoren bestimmt werden zu
ΔΑί(Δΐ) = ß10 Ei + ß14E2 + - (G2)
m
wobei die Koeffizienten Em externe Alterungsfaktoren wie beispielsweise die Entladetiefe (DOD =„depth of discharge") und ßm lineare Regressionskoeffizienten darstellen, die mithilfe statistisch geplanter Alterungszyklen (Variation der E, ) im Labor und aus Messungen im Feld, z.B. aus einem Batteriemanagementsystem (BMS) im Fahrzeug ermittelt werden.
Die Zeiteinheit At kann dabei je nach Möglichkeit zur Messung der Werte so gewählt werden, dass eine genaue Analyse möglich ist.
Zum Zeitpunkt t = Σ Μ = beträgt die Änderung des SOB-Parameters AA^t) =
ΔΑ-
Σ"^~- lm Grenzfall für sehr kleine At geht diese Summe in ein Integral über.
Die Summe stellt eine Linearkombination aus unterschiedlichen Funktionen, die von den Alterungsfaktoren und deren Wechselwirkungen abhängen, dar.
Ein Einfluss des Batteriezustands auf die SOB-Parameter A lässt sich über die statistische Versuchsplanung herstellen, womit die Änderung eines SOB- Parameters Aj pro Zeiteinheit At beispielsweise wie folgt dargestellt werden kann:
ΔΑί(Δί) = α10 + cinBi + 12B 2 + a13eBl + a14B2 + ··· (G3)
+ a15B1B2 wobei die Koeffizienten Bi Battenezustandsparameter wie Batteriespannung oder Temperatur und am lineare Regressionskoeffizienten darstellen, die mithilfe statistisch geplanter Alterungszyklen (Variation der E,) im Labor und aus Messungen im Feld (z.B. BMS im Fahrzeug) ermittelt werden.
Wenn die Koeffizienten linear unabhängig sind, sind die Einflüsse trennbar. Die Bestimmung der Koeffizienten erfolgt bei unterschiedlichen Batteriezuständen. Mit der Definition des Alterungszustands SOB, kann ein verfeinerter Alterungszustand SOBi in Abhängigkeit von Batteriezustandsparametern Bi zu einem beliebigen Zeitpunkt t zwischen einem Zeitpunkt t1 = SOL und einem Zeitpunkt t2 = EOL berechnet werden. Beispielsweise kann dies mit der Formel berechnet werden:
Unter Zusammenfassung mehrerer Funktionen ergibt sich daraus beispielsweise in Kurzschreibweise:
I ΣΔΪΣΙ «iif(Bi) - AiEQL|
SOB,- = (G5)
|AAi E0L| wobei f(Bi) eine allgemeine Funktion von Bi ist, welche eine Linearkombination aus unterschiedlichen Funktionen, die von den Batteriezuständen und deren Wechselwirkungen abhängen, darstellt.
Eine Erweiterung des Modells über eine Kombination der Alterungsfaktoren Em und der Battenezustandsparameter Bm kann beispielsweise wie folgt aussehen: i(B1, Em) = ßimf(Em) + > otnfCBj) (G6)
wobei im ersten Term auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens die Alterung der Speichereinheit über die Alterungsfaktoren Em berücksichtigt ist und im zweiten Term die Variation des Batteriezustands über die Battenezustandsparameter Bi. Der Einfluss einer spezifischen Anwendung kann über eine Analyse eines für die Anwendung spezifischen Lastprofils berücksichtigt werden. Die Alterungsparameter (Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur) können nichtlineare Abhängigkeiten aufweisen, so dass die Bestimmung der Wechselwirkungen nötig ist. Die Analyse der gegenseitigen Abhängigkeiten und das Abgleichen mit dem Lastprofil kann so zu einer Erweiterung des Batteriemodells führen. Beispielsweise kann dies folgendermaßen ausgedrückt werden:
AAi(Bj, Em (n)) = (G7)
wobei die Koeffizienten γ,η anwendungsspezifische Koeffizienten und Em(n) gewichtete Alterungsfaktoren für die Alterung durch den Betrieb der Speichereinheit in der Anwendung n darstellen.
Die anwendungsspezifischen Koeffizienten γ,η können beispielsweise aus einer Analyse eines Lastprofils der Anwendung n bestimmt werden. Die Anwendung n kann beispielsweise charakterisiert werden durch eine Reihe von Alterungsparametern wie Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur. Zur genauen Charakterisierung ist die Kenntnis einer nichtlinearen Abhängigkeit und von Wechselwirkungen dieser Parameter voneinander von Bedeutung. Beispielsweise ist eine mittlere Stromstärke nicht aussagekräftig, wenn größere Stromschwankungen auftreten und eine nichtlineare Abhängigkeit des Stroms von der Zeit vermutet wird. So kann es vorteilhaft sein, ein Lastprofil in der Form eines Histogramms von Stromintervallen über die Zeit aufzunehmen und so eine Häufigkeitsverteilung, bzw. eine Verteilung der Dauer von Stromwerten in bestimmten Bereichen, zu registrieren. Anhand eines vorliegenden Batteriemodells kann dann diese Häufigkeitsverteilung über die Stromstärken gewichtet werden, um daraus eine gewichtete Häufigkeitsverteilung abzuleiten. So können einzelne Bereiche der gewichteten Häufigkeitsverteilung gebildet werden und ein Mittelwert über diese Bereiche gebildet werden. Aus diesem Mittelwert lässt sich dann ein anwendungsspezifischer Koeffizient bestimmen, Für das Beispiel mit der Stromverteilung ergibt sich so der Koeffizient γ,η als Mittelwert im Verhältnis zum Maximalstrom: _ 'n.laden (G8)
'n.laden.max
Damit lässt sich ein gewichteter Alterungsfaktor Em, welcher von der Anwendung n abhängt, beispielsweise wie folgt darstellen: m(n) = ynEm (G9)
wobei Em einen externen Alterungsfaktor darstellt.
Die Eigenschaften des Batteriemodells erlauben eine Messung der SOB Parameter bei jedem Batteriezustand sowie eine Bestimmung der Batteriealterung durch eine spezifische Anwendung.
Die Berechnung des SOB kann über die Zeit erfolgen. Jeder externe Alterungsfaktor bewirkt eine Veränderung des SOB. SOBi ist so eine Funktion der Zeit, in welcher der jeweilige Alterungsfaktor die Batterie belastet hat. Der Alterungsparameter A und damit auch der Alterungszustand SOB, sind so von der Zeit t abhängig. Damit folgt beispielsweise:
SOBi = 'Αί(ΐ);Α Α ίΕΟίΊ (G10) für einen Index i des Alterungsparameters A.
Die Entwicklung des Alterungsparameters A über die Zeit t hängt von der Anwendung ab. Beispielsweise kann der Einfluss des Stroms, das Stromintegral über eine Dauer t, einer ersten Anwendung verschieden von dem einer zweiten Anwendung sein.
Die Bestimmung der Änderung der externen Alterungsfaktoren ΔΑ kann nach Gleichung G6 allgemein ausgedrückt werden mit: a„B1 (G11 ) wobei f(Bi) = Bi und f(Em) = Em angenommen wird. Damit ergibt sich der verfeinerte Alterungszustand beispielsweise zu:
Messung und Auswertung des Parameters A ergeben ΔΑ (t). A SOL stellt den Startwert dar, dementsprechend gilt ΔΑ SOL = 0. AA,EOL wird vorab definiert bzw. aus dem Datenblatt der Batterie übernommen, an und ßim werden über Alterungsversuche bestimmt. Batteriezustandsparameter Bi werden über eine statistisch ermittelte Messreihe eingestellt.
Für eine spezifische Anwendung n gilt dann ein anwendungsspezifischer Alterungszustand beispielsweise:
mit den anwendungsspezifischen Koeffizienten γ,.
Die Berechnung des Gesamtalterungszustands SOBges ergibt sich beispielsweise zu:
SOBges (Bj, Em) (G14)
wobei N die Gesamtzahl der betrachteten Parameter A umfasst. Alternativ zur Darstellung und Berechnung in Abhängigkeit von der Zeit lässt sich der SOB auch über die kumulierte Alterung bestimmen. Jeder externe Alterungsfaktor bewirkt eine Veränderung des SOB. SOBi ist so eine Funktion der kumulierten Alterung durch den jeweiligen Alterungsfaktor. Die kumulierte Alterung lässt sich so als Integral über die Alterungsfaktoren Em ausdrücken:
Beispielsweise ändert sich der SOB-Parameter ohmscher Innenwiderstand auf Grund des externen Alterungsfaktors Temperatur. Damit ist der SOBRohm eine Funktion der kumulierten Alterung Kiem .
Der Wert der elektrochemischen Speichereinheit hängt ab von einer garantierten/prognostizierten Anzahl Tage No, über welche die Speichereinheit betrieben wird und von den Gesamtkosten der Speichereinheit K. Daraus ergibt sich ein initialer Wert Wz pro Tag:
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Restwert auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem Batteriezustand (SOB) prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit bestimmt werden.
Über die Verknüpfung mit dem SOB lässt sich aus dem Batteriezustand SOBi(Bi,Em(n)) für die Bestimmung der anwendungsspezifischen Alterung eine Vorhersage über die Anzahl der (Rest-) Zyklen NRz(n) und die Restlebensdauer in der Anwendung n treffen und so als Wert der Speichereinheit der Restwert SOV für die Anwendung n bestimmen. Beispielsweise wird dazu das Produkt gebildet:
SOV(n) = Wz x NRZ(n) (G17)
Dabei sind allerdings noch keine Aufwendungen für eine Umrüstung der Batterie für die Verwendung in der Anwendung n berücksichtigt. Zusammenfassend ergeben sich so für die Bestimmung des Zustands der elektrochemischen Speichereinheit folgende Beziehungen für den verfeinerten Alterungszustand für den weiter verfeinerten Alterungszustand: für den anwendungsspezifischen Alterungszustand: und für den Gesamtalterungszustand:
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Alterungsfaktoren für den Betrieb der Speichereinheit in der speicherspezifischen Anwendung über eine Restlaufzeit der elektrochemischen Speichereinheit kumuliert werden. Die Restlaufzeit kann beispielsweise als voraussichtliche restliche Betriebsdauer bezeichnet werden. Auf diese Weise lassen sich anwendungsspezifische Alterungsfaktoren stärker berücksichtigen und außerdem eine pauschale Aussage über den voraussichtlich noch möglichen Betrieb der Speichereinheit in der Anwendung treffen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann zum Bestimmen des Alterungszustands der Speichereinheit wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit (i) ohmscher Widerstand ohm, (ü) elektrische Kapazität, (iii) Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung, oder (iv) elektrische Impedanz verwendet werden. Aus diesen
Messungen können mithilfe elektrochemischer Modelle SOB-Parameter gewonnen werden. Diese Alterungsparameter lassen sich durch Abgleich der Messdaten mit dem Batteriemodell bestimmen. Der ohmsche Widerstand der elektrochemischen Speichereinheit lässt sich mit einer günstigen Messtechnik relativ einfach messen, wobei die Speichereinheit üblicherweise die Werte über eine Steuereinheit bereitstellt. Eine solche Steuereinheit wird bei Batterien häufig als battery management system (BMS) bezeichnet. Der ohmsche Widerstand kann als Spannungsabfall direkt nach einer Änderung des Stroms, beispielsweise einem Strompuls, gemessen werden. An einem Lastwiderstand lässt sich der Spannungsabfall bei eingeprägtem Strom bestimmen, woraus sich, nach erfolgter
Messung der Leerlaufspannung, der Innenwiderstand der Speichereinheit bestimmen lässt. Auch die elektrische Kapazität lässt sich auf einfache Weise indirekt über Widerstand und Impedanz bestimmen oder direkt über Stromintegration. So kann die Kapazität als von Strom und Temperatur abhängige Größe bestimmt werden. Ein Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung erfordert eine aufwändigere Messtechnik, da zeitlich hochaufgelöst, beispielsweise im Mikrosekundenbereich, Spannungswerte und Stromwerte aufgenommen werden müssen. So können ohmscher Widerstand, Doppelschichtkapazität und Diffusionswerte bestimmt werden, wobei Messungen der Diffusionswerte über einen relativ langen Zeitraum, bis zu Tagen, erfolgen.
Auch für Impedanzmessungen ist eine zeitlich schnelle Messtechnik erforderlich, welche induktives Verhalten, Doppelschichtkapazitäten, Durchtrittswiderstände und Diffusion bestimmen kann. Impedanzmessungen sind von Bedeutung, da elektrochemische Vorgänge in der elektrochemischen Speichereinheit frequenzabhängig verlaufen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mit das Erfassen der Parameter zum Abgleichen mit einem elektrochemischen Modell der elektrochemischen Speichereinheit zur Bestimmung externer Alterungsfaktoren mittels einer statistischen Versuchsplanung erfolgen. Ein empirisch-elektrochemisches Modell der Speichereinheit, welches das Korrelieren von elektrochemischen Prozessen mit den Parametern erlaubt, weist dabei die Vorteile auf, dass es einen Bezug zur Physik hat, übertragbar auf unterschiedliche Batterietypen ist, statistisch abgesichert ist, Orthogonalität der Parameter beinhaltet und geringen Testaufwand durch statistische Versuchsplanung erfordert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abgleichen der erfassten Parameter mit einem empirischen Modell der elektrochemischen Speichereinheit das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell umfassen. So lassen sich komplexe elektrochemische Modellierungen vermeiden, deren Parameter nur sehr ungenau und mit erheblichem Aufwand bestimmt werden könnten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abgleichen der bestimmbaren Parameter der elektrochemischen Speichereinheit mit dem Batteriemodell ein für die speicherspezifische Anwendung spezifisches Gewichten der im Lastprofil erfassten Parameter der elektrochemischen Speichereinheit umfassen. Der Einfluss einer spezifischen Anwendung kann über eine Analyse eines für die Anwendung spezifischen Lastprofils berücksichtigt werden. Lastprofile können für verschiedene Anwendungen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Betriebsparameter der Speichereinheit stellen, so dass eine entsprechende Gewichtung von Vorteil ist. Die Art der Gewichtung richtet sich dabei günstigerweise nach dem Batteriemodell. Es können so verschiedene Bereiche der Alterungsparameter als Histogramm aufgezeichnet und dann entsprechend dem Batteriemodell gewichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das elektrochemische Modell und/oder das empirische Modell der elektrochemischen Speichereinheit auf der Basis gemessener Alterungszustände und/oder kumulierter Alterungsfaktoren der elektrochemischen Speichereinheit angepasst werden. Auf diese Weise lassen sich pauschale Zeiteffekte der Alterung von Speichereinheiten statistisch besser erfassen und außerdem werden die Batteriemodelle nicht übermäßig aufwendig in der Detaillierung. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, insbesondere eines Restwertes, einer elektrochemischen Speichereinheit vorgeschlagen, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird, mit wenigstens einer zentralen Datenbank mit wenigstens einem Batteriemodell, welches ein elektrochemischen Modell und/oder ein empirisches Modell der elektrochemischen Speichereinheit umfasst. Das System umfasst weiter eine oder mehrere der Komponenten, (i) wenigstens einen Prüfstand zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern eines Alterungszustands der elektrochemischen Speichereinheit, (ii) wenigstens ein Werkstatt-Prüfgerät, und (iii) wenigstens ein Speichersystem zum Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit. Dabei ist das System vorgesehen, ein Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen, wobei die Datenbank zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen ist.
Ein Prüfstand kann dabei insbesondere dazu dienen, die wesentlichen Informationen zur Bewertung eines Alterungszustands einer Speichereinheit zu erfassen, indem nicht nur elektrische Parameter wie Impedanzen oder Lade- /Entladezyklen der Speichereinheit mit großer Genauigkeit aufgenommen werden, sondern darüber hinaus beispielsweise die Speichereinheit unter bestimmten thermischen Randbedingungen untersucht wird und/oder elektrische Lastprofile aufgenommen werden. Ein Prüfstand umfasst deshalb üblicherweise neben den nötigen elektrischen Messgeräten auch wenigstens eine Wärmekammer und/oder elektrische Lastkomponenten. Mit einem Prüfstand können insbesondere Parameter von Modellen bestimmt und/oder verifiziert werden.
Mit Hilfe eines Werkstatt-Prüfgeräts dagegen können auf schnelle und effektive Weise über Schnittstellen zur Steuereinheit der Speichereinheit beispielsweise elektrische Parameter wie Impedanz und/oder Strom/Spannungsverlauf der Speichereinheit, insbesondere im eingebauten Zustand der Speichereinheit, beispielsweise in einem Fahrzeug, und/oder auch im laufenden Betrieb eines bestimmten Betriebszustandes, bestimmt werden. „„
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Datenbank als eine selbstlernende Datenbank vorgesehen sein. Damit können Messdaten von Speichereinheiten laufend in das System eingespeist werden und die Modelle mit den aufgenommenen Messdaten weiter verfeinert werden. Auf Grund einer Vielzahl von unter unterschiedlichen Bedingungen gealterter Speichereinheiten lassen sich so Ausreißer einzelner Speichereinheiten herausfiltern und generelle Aussagen für die Modellierung getroffen werden. Die Modelle der Speichereinheiten gewinnen so eine immer größere Aussagekraft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das elektrochemische Modell und/oder das empirische Modell zur Anpassung durch die erfassten Parameter der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen sein. Messdaten der Speichereinheit dienen so zur laufenden Verbesserung der Aussagekraft der Batteriemodelle, welche in der Datenbank des Systems laufen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Datenbank zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit, insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen sein. Auf Grund der laufenden Verbesserung der Modelle in der Datenbank kann diese eine laufend verbesserte Aussage über geeignete Testpläne zur Aufnahme von Parametern der Speichereinheit sowie zur Bewertung der Parameter treffen. Insbesondere können dazu Information von Speichereinheiten, welche im Feld betrieben unter realen Bedingungen betrieben werden, dazu beitragen. Besonders vorteilhaft ist, wenn diese Informationen über den Betrieb im Feld über größere Zeiträume an die Datenbank des Systems zurückgespeist werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Prüfstand wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit, und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen der elektrochemischen
Speichereinheit vorgesehen sein. Diese Parameter stellen die wesentlichen Informationen zur Bewertung eines Alterungszustands einer Speichereinheit dar, insbesondere, wenn sie mit großer Genauigkeit aufgenommen werden, wie es mit einem Prüfstand möglich ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Werkstatt-Prüfgerät Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit umfassen, wobei das Werkstatt-Prüfgerät zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen ist.
Mit Hilfe des Werkstatt-Prüfgeräts können die wesentlichen Parameter, welche zur Bewertung einer Speichereinheit benötigt werden, auf relativ einfache Weise und in kurzer Zeit beschafft werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Speichersystem zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit vorgesehen sein. Mit dem Speichersystem kann eine vorgealterte Speichereinheit betrieben werden, wobei das Speichersystem mit der Datenbank des Systems verbunden sein kann, um so günstige Betriebsparameter zum Betrieb der Speichereinheit auswählen zu können, um noch eine günstige Restlaufzeit der Speichereinheit zu gewährleisten.
Auf der anderen Seite können Informationen aus dem Betrieb der vorgealterten Speichereinheit in die Datenbank des Systems rückgespeist werden, um so die dort laufenden Batteriemodelle laufend zu verbessern. Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele 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.
Es zeigen beispielhaft: Fig. 1 ein System zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines
Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung für eine spezifische Anwendung mit Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte; Fig. 3 den Verfahrensablauf von Figur 2 für die spezifische Anwendung mit Darstellung der Modellansätze; Fig. 4 ein Histogramm eines gewichteten Lastprofils 62 am Beispiel
Strommessung für eine Anwendung;
Fig. 5 einen Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einer Zuordnung der bestimmten Größen;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 9 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 10 ein System nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prüfstand mit Klimakammern und Impedanzmessgerät.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Figur 1 zeigt ein System 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit 10, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung 58 verwendet wird. Das System 20 umfasst wenigstens eine zentralen Datenbank 22 mit wenigstens einem Batteriemodell 13, welches ein elektrochemisches Modell 14 und/oder ein empirisches Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst. Das System 20 umfasst ferner einen Prüfstand 24 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern 30 eines
Alterungszustands 32 der elektrochemischen Speichereinheit 10, ein Werkstatt- Prüfgerät 26, ein Speichersystem 12 zum Betrieb einer elektrochemischen Speichereinheit 10. Die Datenbank 22 ist zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern 30 der elektrochemischen Speichereinheit 30 vorgesehen.
Das elektrochemische Modell 14 und/oder das empirische Modell 16 sind zur Anpassung durch die erfassten Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen. Die Datenbank 22 ist als eine selbstlernende Datenbank 22 vorgesehen, um so die darauf implementierten elektrochemischen und/oder empirischen Batteriemodelle 14, 16 mit den aufgenommenen Messdaten von Speichereinheiten 10 laufend verbessern zu können. Die Datenbank 22 ist weiter zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern 30 eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit 10, insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen.
Der Prüfstand 24 ist wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit 10, und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit 10 und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen 62 der elektrochemischen
Speichereinheit 10 vorgesehen.
Das Werkstatt-Prüfgerät 26 umfasst Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit 10, wobei das Werkstatt-Prüfgerät 26 insbesondere zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen ist.
Das Speichersystem 12 ist insbesondere zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit 10 vorgesehen. In Figur 2 ist ein Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine spezifische Anwendung 58 mit Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte gezeigt. Es können ein oder mehrere spezifische Anwendungen 58, welche mit dem Index n bezeichnet sind, betrachtet werden.
Messwerte 30 für einen Parameter A der Speichereinheit 10, wie beispielsweise ohmscher Widerstand oder Impedanz, werden mit einem geeigneten Messverfahren 50 bestimmt, welches beispielsweise eine Impedanzmessung sein kann. Mit dem Index i sind die Parameter A durchnummeriert.
Zum Bestimmen des Alterungszustands 32, SOB,, der Speichereinheit 10, charakterisiert beispielsweise durch Alterungsparameter wie ohmscher Widerstand R0hm, oder elektrische Kapazität, werden dabei wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit 10 Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung, elektrische
Impedanz, oder die aus der Modellierung der Messergebnisse der Spannungsmessung nach pulsförmiger Ladung und Entladung sowie der Impedanzmessung bestimmten Eigenschaften verwendet. Für die Messwerte 30 jedes der Parameter A wird in der Analyse 52 ein initialer
Alterungszustand 32, SOB,, nach Gleichung G10 bestimmt. Mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung 54 werden externe, insbesondere kumulierte Alterungsfaktoren 42 (siehe Figur 6) erfasst und ausgehend vom initialen Alterungszustand 32 ein verfeinerter Alterungszustand 34, SOBi(Bi), der nach Gleichung G18 bestimmt werden kann, damit detailliert. Über den Einfluss des
Batteriezustands 56 wird daraus ein weiter verfeinerter Alterungszustand 36, SOBi(Bi,Em), nach Gleichung G19 berechnet, um damit für eine spezifische Anwendung 58, n, den auf die spezifische Anwendung 58 bezogenen Alterungszustand 38, SOB,(Bi ,Em(n)), nach Gleichung G20 zu bestimmen. Die Einfluss der Kosten 60 für diese Anwendung 58, n, führt zu dem Wert 40, SOV(n), der Speichereinheit 10 nach Gleichung G17. Der Wert 40, SOV, wird auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem initialen Alterungszustand 32, SOBi prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit 10 bestimmt.
Figur 3 zeigt den Verfahrensablauf von Figur 2 für die spezifische Anwendung 58, n, mit Darstellung der Modellansätze. Nach Aufnahme der Messwerte 30 in dem Messverfahren 50 wird mit Hilfe eines elektrochemischen Modells 14 der initiale Alterungszustand 32, SOB,, bestimmt und daraus anschließend mit Hilfe eines empirischen Modells 16 der verfeinerte Alterungszustand 34, SOBi(Bi), damit weiter detailliert. Das Abgleichen der mittels einer statistischen Versuchsplanung erfassten Messwerte 30 mit einem elektrochemischen Modell 14 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst dabei das Korrelieren von elektrochemischen Prozessen mit externen, insbesondere kumulierten Alterungsfaktoren 42 (Figur 6). Weiter wird mit Hilfe des empirischen Modells 16 der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOBi(Bi,Em), unter Berücksichtigung des Batteriezustands 56 berechnet. Das Abgleichen der erfassten Messwerte 30 mit einem empirischen Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 umfasst dabei das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell 18. Das elektrochemische Modell 14 und/oder das empirische Modell 16 der elektrochemischen Speichereinheit 10 wird auf der Basis gemessener kumulierter Alterungsfaktoren 42 (Figur 6) der elektrochemischen Speichereinheit 10 wiederum angepasst. Mit Hilfe des elektrochemischen Modells 14 werden Batterieparameter ermittelt. Aus der Veränderung dieser Parameter wird ein SOB 32 berechnet. Die Einflüsse externer Alterungsfaktoren 42 auf diese Parameter werden durch das empirische Modell 16 modelliert. Der verfeinerte Alterungszustand 34, SOBi(Bi), sowie der weiter Alterungszustand 36, SOBi(Bi,Em), lassen sich dann als Funktion der Zeit darstellen.
Mit Hilfe einer Analyse des erfassten Lastprofils 62 für die Anwendung 58, n, kann dann der auf die spezifische Anwendung 58 bezogene Alterungszustand 38, SOBi(Bi,Em(n)), bestimmt werden. Das Abgleichen der bestimmbaren Messwerte
30 der elektrochemischen Speichereinheit 10 mit dem Batteriemodell 13 umfasst dabei ein für die speicherspezifische Anwendung 58 spezifisches Gewichten der im Lastprofil 62 gemessenen Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10, wie in der folgenden Figur 4 dargestellt. Der spezifische Restwert 64 für die spezifische Anwendung 58, n, lässt sich damit über den Wert
40, SOV(n), berechnen.
In Figur 4 ist ein Histogramm eines gewichteten Lastprofils 62 am Beispiel einer Strommessung dargestellt. Anwendungsspezifische Koeffizienten γ,η für eine speicherspezifische Anwendung 58, n, können beispielsweise aus der Analyse eines Lastprofils 62 der Anwendung 58, n, bestimmt werden. Die Anwendung 58, n, kann beispielsweise charakterisiert werden durch eine Reihe von Alterungsparametern wie Entladetiefe, maximaler SOC, Laderate, Entladerate, Temperatur. Zur genauen Charakterisierung ist die Kenntnis einer nichtlineraren Abhängigkeit und von Wechselwirkungen dieser Parameter voneinander von Bedeutung. Beispielsweise ist eine mittlere Stromstärke nicht aussagekräftig, wenn größere Stromschwankungen auftreten und eine nichtlineare Abhängigkeit des Stroms von der Zeit vermutet wird. So kann es vorteilhaft sein, ein Lastprofil 62 in der Form eines Histogramms in Stromintervallen über die Zeit aufzunehmen und so eine Häufigkeitsverteilung 80 von Messwerten 30 wie beispielsweise Stromwerten zu registrieren. Anhand eines vorliegenden Batteriemodells kann dann diese Häufigkeitsverteilung 80 über die Stromstärken gewichtet werden, um daraus eine gewichtete Häufigkeitsverteilung 82 abzuleiten. So können einzelne Bereiche 86 der gewichteten Häufigkeitsverteilung 82 gebildet werden und Mittelwerte über diese Bereiche 86 gebildet werden. Aus diesen Mittelwerten lassen sich dann anwendungsspezifische Koeffizienten bestimmen, Für das Beispiel mit der Stromverteilung ergibt sich so der ein Koeffizient γ,η als Mittelwert des Stroms im Verhältnis zum Maximalstrom:
In Figur 4 sind Häufigkeitswerte 80 von Stromwerten in Intervallen aufgetragen. Diese Häufigkeitswerte 80 sind mit einer Gewichtungsfunktion 84 gewichtet, welche für die betrachtete Anwendung 58 spezifisch ist. Mit dieser Gewichtung ergeben sich gewichtete Häufigkeitswerte 82. Diese gewichteten Häufigkeitswerte 82 sind dann in einzelne Mittelungsbereiche 86 unterteilt worden, wie beispielsweise einen Bereich 86, Tn,iaden, für das Laden einer Batterie und einen Bereich 86, Tn,entiaden, für das Entladen der Batterie, über welche Mittelungsbereiche 86 die gewichteten Häufigkeitswerte 82 gemittelt werden, um daraus die
Koeffizienten γ,η als Mittelwert des Lade - bzw. Entladestroms im Verhältnis zum Maximalstrom zu bestimmen.
In Figur 5 ist eine Zuordnung der in dem Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestimmten Größen dargestellt. Messwerte 30 für den Parameter A der Speichereinheit 10, der daraus bestimmte Alterungszustand 32, SOB,, für den Messwert 30 des Parameters A, sowie der mit Hilfe des empirischen Modells 16 bestimmte Alterungszustand 34, SOBi(Bi), sind für die Speichereinheit 10 spezifisch und deshalb dieser Speichereinheit 10 zugeordnet. Für die Anwendung 58, n, spezifische Größen sind dagegen die daraus abgeleiteten Größen wie der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOBi(Bi,Em)„ der auf die spezifische Anwendung 58 bezogene Alterungszustand 38 SOBi(Bi,Em(n)) 38 und der Wert 40, SOV(n),.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem gezielten Alterungsprozess 66 können externe, insbesondere kumulierte Alterungsfaktoren 42 auf die Speichereinheit 10 einwirken, so dass nach dem Alterungsprozess 66 die Befundung 52 den batteriezustandsabhängigen Alterungszustand 32, SOB, liefert. Die Alterungsfaktoren 42 für den Betrieb der Speichereinheit 10 in der speicherspezifischen Anwendung 58 werden gewichtet, wie beispielsweise in
Figur 4 dargestellt und/oder über eine Restlaufzeit und/oder voraussichtliche Betriebsdauer der elektrochemischen Speichereinheit 10 kumuliert.
Dabei kann, wie in Figur 7 gezeigt, in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein für den Alterungsprozess 66 ein empirisches Alterungsmodell 18 für den Einfluss der externen Alterungsfaktoren 42 erstellt werden und so mit Hilfe des empirischelektrochemischen Modells 14, 16 daraus der weiter verfeinerte Alterungszustand 36, SOBi(Bi,Em), bestimmt werden. Weiter, in Figur 8 dargestellt, kann daraus über die Analyse der speicherspezifischen Anwendung 58, n, ein anwendungsspezifischer Alterungszustand 38, SOBi(Bi,Em(n)), und ein Wert 40,
SOV(n), bestimmt werden.
Figur 9 stellt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands und/oder eines Wertes, einer elektrochemischen Speichereinheit 10, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung 58 verwendet wird, dar. In Schritt S100 wird wenigstens ein Parameters 30 eines Alterungszustands 32 der elektrochemischen Speichereinheit 10 zu einem ersten Zeitpunkt t1 erfasst, gefolgt von Schritt S102, in dem der erfasste Parameter 30 mit einem Batteriemodell 13 der elektrochemischen Speichereinheit 10 zum Ableiten von insbesondere kumulierten Alterungsfaktoren 42 abgeglichen wird, wobei das Batteriemodell 13 ein elektrochemisches Modell 14 und/oder ein empirisches Modell 16 umfasst. Danach wird in Schritt S104 wenigstens ein für die speicherspezifische Anwendung 58 charakteristisches elektrisches Lastprofil 62 eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten 10 beim Betrieb in der speicherspezifischen
Anwendung 58 erfasst. In Schritt S106 wird das erfasste Lastprofil 62 für die spezifische Anwendung 58 zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter 30 der elektrochemischen Speichereinheit 10. In Schritt S108 wird der Zustand der elektrochemischen Speichereinheit 10 für die speicherspezifische Anwendung 58 auf der Basis der Alterungsfaktoren 42 für einen zukünftigen Zeitpunkt t2 prognostiziert. Die Alterungsfaktoren 42 sind dabei mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit 10 in der speicherspezifischen Anwendung 58 korreliert.
Figur 10 zeigt ein System 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prüfstand 24 mit Klimakammern 74 und Impedanzmessgerät 70, welches über einen Multiplexer 72 die Impedanzen von Speichereinheiten 10, die in den Klimakammern 74 auf einer definierten Temperatur gehalten werden, erfasst und an die Datenbank 22 des Systems 20 liefert. Das Impedanzmessgerät 70 wird über den Multiplexer 72 auf die verschiedenen Speichereinheiten 10 in den Klimakammern 74 geschaltet. Der Prüfstand 24 steuert die Speichereinheiten 10 an und nimmt weitere Messwerte über ein Mehrzahl von Kanälen Ci bis Cn auf und liefert diese Informationen ebenfalls an die Datenbank 22, wo sie in den elektrochemischen, bzw. empirischen Modellen 14, 16 weiterverarbeitet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands (32) und/oder eines Wertes (40), einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird,
umfassend
(i) Erfassen wenigstens eines Parameters (30) des Alterungszustands (32) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zu einem ersten Zeitpunkt (t1 );
(ii) Abgleichen der erfassten Parameter (30) mit einem Batteriemodell (13) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zum Ableiten von Alterungsfaktoren (42), wobei das Batteriemodell (13) ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) umfasst;
(iii) Erfassen wenigstens eines für die speicherspezifische Anwendung (58) charakteristischen elektrischen Lastprofils (62) eines oder mehrerer elektrochemischer Speichereinheiten (10) beim Betrieb in der speicherspezifischen Anwendung (58);
(iv) Gewichten des erfassten Lastprofils (62) für die spezifische Anwendung (58) zum Analysieren der gegenseitigen Abhängigkeiten der bestimmbaren Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10); und
(v) Prognostizieren des Zustande der elektrochemischen Speichereinheit (10) für die speicherspezifische Anwendung (58) auf der Basis der Alterungsfaktoren (42) für einen zukünftigen Zeitpunkt (t2), welche Alterungsfaktoren (42) mit einem Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit (10) in der speicherspezifischen Anwendung (58) korreliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Wert (40) auf der Basis von speicherspezifischen Kosten und einer aus dem Alterungszustand (32) prognostizierten Restlebensdauer der elektrochemischen Speichereinheit (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Alterungsfaktoren (42) für den Betrieb der Speichereinheit (10) in der speicherspezifischen Anwendung über eine Restlaufzeit/voraussichtliche Betriebsdauer der elektrochemischen Speichereinheit (10) kumuliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen des Alterungszustands (32) der Speichereinheit (10) wenigstens eine der physikalischen Eigenschaften der elektrochemischen Speichereinheit (10)
(i) ohmscher Widerstand (Rohm),
(ii) elektrische Kapazität,
(iii) Spannungsverlauf bei pulsförmiger Entladung oder Ladung der elektrochemischen Speichereinheit (10),
(iv) elektrische Impedanz,
verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen von Parametern (30) zum Abgleichen mit einem elektrochemischen Modell (14) der elektrochemischen Speichereinheit (10) zur Bestimmung externer Alterungsfaktoren (42) mittels einer statistischen Versuchsplanung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgleichen der erfassten Parameter (30) mit einem empirischen Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) das Abgleichen mit einem empirischen Alterungsmodell (18) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgleichen der bestimmbaren Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) mit dem Batteriemodell (13) ein für die speicherspezifische Anwendung (58) spezifisches Gewichten der im Lastprofil (62) erfassten Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrochemische Modell (14) und/oder das empirische Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) auf der Basis gemessener Alterungszustände (32) und/oder kumulierter Alterungsfaktoren (42) der elektrochemischen Speichereinheit (10) angepasst wird.
System (20) zur Bewertung eines Zustande, insbesondere eines Alterungszustands (32) und/oder eines Wertes (40), einer elektrochemischen Speichereinheit (10), die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung (58) verwendet wird, mit wenigstens einer zentralen Datenbank (22) mit wenigstens einem Batteriemodell (13), welches ein elektrochemisches Modell (14) und/oder ein empirisches Modell (16) der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst,
umfassend eine oder mehrere der Komponenten
(i) wenigstens ein Prüfstand (24) zur Aufnahme einer Mehrzahl von Parametern (30) eines Alterungszustands (32) der elektrochemischen Speichereinheit (10),
(ii) wenigstens ein Werkstatt-Prüfgerät (26),
(iii) wenigstens ein Speichersystem (12) zum Betrieb der elektrochemischen Speichereinheit (10),
wobei das System vorgesehen ist, ein Verfahren insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen,
wobei die Datenbank (22) zur Speicherung von mit den Komponenten erfassten Parametern (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Datenbank (22) als eine selbstlernende Datenbank (22) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei das elektrochemische Modell (14) und/oder das empirische Modell (16) zur Anpassung durch die erfassten Parameter (30) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei die Datenbank (22) zur Generierung von Testplänen sowie zur Bewertung von Parametern (30) eines Betriebs der elektrochemischen Speichereinheit (10), insbesondere eines Feldbetriebs, vorgesehen ist.
13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Prüfstand (24) wenigstens zur Bestimmung einer Impedanz der elektrochemischen Speichereinheit (10), und/oder einer thermischen Konditionierung der elektrochemischen Speichereinheit (10) und/oder einer Bestimmung von elektrischen Lastprofilen (62) der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
14. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Werkstatt-Prüfgerät (26) Diagnosewerkzeuge mit Schnittstellen zu einer elektronischen Steuereinheit der elektrochemischen Speichereinheit (10) umfasst, wobei das Werkstatt-Prüfgerät (26) zur Bestimmung einer Impedanz und/oder zur Bestimmung eines Strom/Spannungsverlaufs der elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
15. System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Speichersystem (12) zum Betrieb einer vorgealterten elektrochemischen Speichereinheit (10) vorgesehen ist.
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