WO2012007206A1 - Verfahren zur ermittlung der voraussichtlichen lebensdauer wenigstens einer batteriezelle, batterie mit einer mehrzahl von batteriezellen und kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der voraussichtlichen lebensdauer wenigstens einer batteriezelle, batterie mit einer mehrzahl von batteriezellen und kraftfahrzeug Download PDF

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battery
battery cell
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PCT/EP2011/057917
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Andre Boehm
Ralf Piscol
Joachim Rischen
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Sb Limotive Company Ltd.
Sb Limotive Germany Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the
  • expected lifetime of at least one battery cell in which a value of at least one physical quantity acting on the battery cell and / or a number of executions of at least one process taking place in the battery cell is determined and the value of the physical quantity and / or the number of executions of the processes Basis is used to determine the expected life.
  • the present invention relates to a battery, in particular a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery, which has a plurality of battery cells and at least one battery management system, wherein the battery management system is designed such, the inventive method for determining the expected life of the battery cell perform.
  • the present invention relates to a motor vehicle with a battery according to the invention.
  • a battery comprising one or more galvanic battery cells serves as an electrochemical energy store and energy converter.
  • chemical energy is converted by intercalation into electrical energy. This electrical energy can thus be requested as needed by a user.
  • battery packs use lithium-ion batteries or nickel-metal hydride batteries, which consist of a large number of series-connected electrochemical cells.
  • a battery management system including a battery condition detection for security monitoring and to serve
  • From DE 103 28 721 A1 is a method for predicting a
  • a method for determining the anticipated service life of at least one battery cell, in which The value of at least one physical quantity acting on the battery cell and / or the number of executions of at least one process taking place in the battery cell is determined and the value of the physical quantity and / or the number of executions of processes is used as the basis for determining the anticipated service life, wherein the physical quantity and / or the number of times the process is carried out in the battery cell is determined for a plurality of operating cycles and the frequency of occurrence of specific values of the physical quantity and / or the frequency of the number of times at least one specific process is stored.
  • the battery cells subjected to the method according to the invention are preferably part of a multiplicity of battery cells, as for example arranged in a single battery.
  • the method can also be carried out in such a way that a value of at least one physical quantity acting on the entire battery and / or the number of feedthroughs of at least one process occurring in the entire battery is determined and the frequency of the
  • Battery cells draw conclusions about the life of the entire battery.
  • the method according to the invention can also be used to determine the state of aging.
  • the physical size is preferably measured and the determination of the number of executions of at least one occurring in the battery cell process is preferably carried out by counting.
  • the beginning of the operating cycle is by the beginning of the activation of the battery cell and the termination of the operating cycle is by the
  • the phase of activation may comprise only one drive cycle, or a drive cycle with subsequent charging.
  • the phase of activation may also include a charge independent of a drive cycle.
  • phase of activation may also include a controlled unloading of the cell subsequent to the drive cycle to realize the
  • the so-called cell balancing include in the after-running after the driving cycle or even during the driving cycle.
  • the beginning of the operating cycle can thus be, for example, starting a motor vehicle driven by the battery cells.
  • the termination of the operating cycle may correspond to the switching off of this motor vehicle.
  • the operating cycle also includes the time of the charge.
  • the method according to the invention determines values or states of the
  • the inventive method can be applied to lithium-ion batteries as well as to nickel-metal hydride batteries
  • Charge state the output of the battery cell power or existing in the battery cell voltage. Derived from the state of charge can also be the difference between a minimum and maximum
  • Operation may be a load pulse, a discharge pulse or a controlled discharge of the cell to realize the balance of the charge states of multiple cells.
  • Charge states of several cells which is also called cell balancing, is preferably to be realized for lithium-ion battery cells. This cell balancing is used to avoid serious differences in the charge states of individual cells. It turned out that it was for
  • the cells are discharged in a controlled manner to the state of charge which corresponds to the state of charge of the least charged cell.
  • the frequency of the controlled discharge of a cell is therefore a criterion for its state of aging.
  • Those cells, the rarest are subjected to the controlled discharge, are thus those who have the lowest charge states compared to other battery cells. To increase the performance and life of the entire battery thus such cells are the first to exchange.
  • the value of the physical quantity and / or the number of executions of the operations per operating cycle is stored in at least one nonvolatile memory and the frequency of occurrence of specific values of the physical quantity and / or the frequency of execution of a specific number of processes is read from the memory ,
  • a non-volatile memory is z.
  • EEPROM an electrically erasable programmable read only memory
  • Process design is based on the simple storage over several operating cycles and the possibility of evaluating the stored values in terms of their frequency.
  • the number of occurrences of at least one particular value of a physical quantity and / or the number of executions of operations is determined over several operating cycles.
  • the number of values or feedthroughs determined per operating cycle is added to the previously determined numbers and stored.
  • the frequency of occurrence of specific values of the physical quantity and / or the frequency of execution of a specific number of processes is visually perceptible in at least one diagram.
  • a diagram are on the abscissa to enter values of the physical quantity or the number of processes and on the ordinate the frequency of occurrence of the respective value of the physical quantity or the frequency of the execution of the number of operations.
  • the method is configured such that the value of a first physical quantity or the number of executions of a first process taking place in the battery cell is stored as a function of the value of a second physical variable or a number of executions of a second process occurring in the battery cell , Again, it is provided that the physical size and / or the number of
  • Operations per cycle of operation are stored in dependence on each other in at least one non-volatile memory and the frequency of occurrence of certain values of the physical size and / or the frequency of performing a certain number of operations, which was determined by means of addition over several operating cycles, from the Memory is read out.
  • the advantage of this embodiment of the method lies in the detection of the variables as a function of one another, so that a smaller memory requirement is required and consequently the use of the non-volatile memory is easier to realize.
  • the frequency of occurrence of specific values of the physical quantities as a function of one another and / or the frequency of carrying out a specific number of processes in dependence on one another is visually perceptible in at least one three-dimensional histogram.
  • the values of the first physical quantity or the number of first operations may be plotted on the first abscissa and the values of the second physical quantity or the number of second operations may be plotted on the second abscissa.
  • the frequency of occurrence of the respective value of the physical quantity or the number of times the operations are carried out in Be dependent on each other.
  • the invention is not limited to the detection of two physical quantities in
  • Such histograms are stored and read again after a reset of the battery management system and used for further calculation, also for further addition of further frequencies of occurrence of specific values of the physical quantity and / or frequencies of execution of a certain number of operations. From the histogram, the aging state and the lifetime can be calculated by means of suitable algorithms. A significant value for the calculation may be the frequency of occurrence of a particular physical quantity or a number of operations.
  • the battery management system must be readjusted to z. For example, to vary the temperature of some cells.
  • the values derivable from the histogram can also be used immediately in the battery management system as control and / or regulation signals for the operation of the battery cell or an entire battery in order to prevent premature aging or aging
  • the values of the physical variable determined over several operating cycles and / or the number of processes taking place in the battery cell are found in a certain range of values in which experience shows that
  • the interpolation points are preferably parameterizable, that is to say that they are defined in such a way that suitable intervals are formed with regard to the statement of specific physical variables or specific numbers of processes become. It can z. For example, in areas where there is a greater frequency in general, the intervals are made shorter, thus more differentiated statements regarding the lifetime during operation of the battery cell with the values of the physical quantity in this interval or the values of the number of processes in this interval. This means that the distances between adjacent support points to each other can be different.
  • the interpolation points may also be defined at regular intervals, such as at intervals of 20 ° C.
  • interval there is a specific physical quantity or the number of processes.
  • the frequency is determined over several operating cycles.
  • Suitable time intervals are z. B. between 0.5 and 2 seconds.
  • every second is determined in which interval the value of a specific physical quantity or the number of determined ones
  • z. B the frequency of currents in a given current intensity interval as a function of temperatures in a given temperature interval of the battery cell are determined. So z. B. be determined with what frequency a current of z. B. 75 to 85% of the maximum current generated when the battery cell was operated in a temperature interval of 40 to 50 ° C.
  • a battery in particular a
  • Lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery provided with multiple battery cells and at least one
  • Battery management system comprises and is connectable to a drive system of a motor vehicle, wherein the battery management system is designed such that the inventive method to realize.
  • Battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry.
  • the invention is supplemented by a motor vehicle, in particular an electric motor driven motor vehicle, which comprises at least one battery according to the invention, wherein the battery with a
  • the determination of the probable lifetime of at least one battery cell can be computer-aided, with the aid of a
  • a computer-readable storage medium is provided for this, on which a program is stored, which it is one
  • Data processing device allows, after it in the storage means of the
  • Data processing device has been loaded to perform the inventive method.
  • a further supplement is a method in which the computer program for carrying out the method according to the invention from an electronic data network, such as, for example, the Internet, to a data processing device connected to the data network
  • Figure 2 is a created by the inventive method three-dimensional histogram.
  • Method illustrated a diagram which exemplifies the frequency f of the occurrence of a current charging power P.
  • the actual charging power P is plotted on the abscissa and the frequency f on the ordinate. It can be seen that the value range of the current charging power P has been divided into intervals numbered 1 to 12. Each of these intervals 1 to 12 is assigned a value range of the current charging power P. The size of the value ranges can vary. From Figure 1 it can be seen that z. B. the current charging power P of the interval 5 occurred most often. It is thus visually communicable to a person that the battery cell concerned most frequently had a charging power P defined by the interval 5 over several operating cycles. That is, it occurred much more often
  • Charging power P according to the interval 5 as a maximum charging power P according to the interval 12.
  • a conclusion from this finding could be that the charging power P is often below the maximum possible charging power, so that maintenance or, where appropriate, an exchange of
  • the three-dimensional histogram shown in FIG. 2 which according to a further method alternative can be generated according to the invention, shows the frequency f of the occurrence of currents I in a specific interval as a function of temperatures T in a specific temperature interval of the relevant battery cell.
  • the current I is plotted at intervals 1 to 12.
  • the temperature T is plotted at intervals 1 to 8.
  • the frequency f is plotted. It can be seen from the three-dimensional histogram that currents I were generated by the greatest possible frequency according to the current intensity interval 3 at temperatures which correspond to the temperature interval 6. With the second largest frequency currents were generated, which are in the
  • the invention is not limited to the fact that in the three-dimensional histogram only physical quantities such. B. the current intensity I and the temperature T are displayed in dependence on each other, but it may deviate from the method of the invention are carried out such that in the histogram, the number of times of

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle, bei dem ein Wert wenigstens einer auf die Batteriezelle einwirkenden physikalischen Größe und/oder eine Anzahl der Durchführungen wenigstens eines in der Batteriezelle stattfindenden Vorganges ermittelt wird und der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen von Vorgängen als Grundlage zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer verwendet wird, wobei die physikalische Größe und/oder die in der Batteriezelle stattfindende Anzahl der Durchführungen von Vorgängen für mehrere Betriebszyklen ermittelt wird und die Häufigkeit (f) des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit (f) der Anzahl der Durchführungen wenigstens eines bestimmten Vorganges gespeichert wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, sowie ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle, Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der
voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle, bei dem ein Wert wenigstens einer auf die Batteriezelle einwirkenden physikalischen Größe und/oder eine Anzahl der Durchführungen wenigstens eines in der Batteriezelle stattfindenden Vorgangs ermittelt wird und der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen der Vorgänge als Grundlage zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer verwendet wird.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, die mehrere Batteriezellen und wenigstens ein Batteriemanagementsystem aufweist, wobei das Batteriemanagementsystem derart ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer der Batteriezelle durchzuführen.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
Stand der Technik
Eine Batterie, die eine oder mehrere galvanische Batteriezellen umfasst, dient als elektrochemischer Energiespeicher und Energiewandler. Bei der Entladung der Batterie bzw. der jeweiligen Batteriezelle wird in der Batterie gespeicherte chemische Energie durch Interkalation in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann somit je nach Bedarf von einem Nutzer angefordert werden.
Insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden in so genannten Batteriepacks Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Zellen bestehen. Üblicherweise dient ein Batteriemanagementsystem inklusive einer Batteriezustandserkennung zur Sicherheitsüberwachung und zur
Gewährleistung einer möglichst hohen Lebensdauer.
Zur Überwachung der Funktionssicherheit und Feststellung des
Alterungszustandes von Batteriezellen, insbesondere von Zellen von Lithium- Ionen-Batterien, sind unterschiedliche Ansätze bekannt. Üblicherweise wird die von Batteriezellen oder einer gesamten Batterie zur Verfügung gestellte
Spannung und Stromstärke erfasst, gegebenenfalls unter Einbeziehung von weiteren Faktoren als Leistungsparameter. Das heißt, dass physikalische Parameter der Batteriezellen gemessen, errechnet oder geschätzt werden und daraus Rückschlüsse auf den Alterungszustand und demzufolge auf die Funktionssicherheit gezogen werden. Für gewöhnlich werden dabei die je Betriebszyklus ermittelbaren Werte verwendet.
Aus der DE 103 28 721 A1 ist ein Verfahren zur Vorhersage einer
Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers, wie zum Beispiel einer Batterie oder Batteriezelle, bekannt.
Dabei werden von der jeweiligem Batterie oder Batteriezelle generierte physikalische Größen in Abhängigkeit von äußeren, weiteren Einflüssen wie zum Beispiel der Temperatur ermittelt. Die Ermittlung erfolgt hierbei mittels
Berechnung. Die Anzahl bestimmter stattgefundener Vorgänge und/oder bestimmte Werte einiger physikalischer Größen gehen jedoch nicht in die Berechnung ein.
Offenbarung der Erfindung
Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle zur Verfügung gestellt, bei dem Wert wenigstens einer auf die Batteriezelle einwirkenden physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen wenigstens eines in der Batteriezelle stattfindenden Vorganges ermittelt wird und der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen von Vorgängen als Grundlage zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer verwendet wird, wobei die physikalische Größe und/oder die in der Batteriezelle stattfindende Anzahl der Durchführungen von Vorgängen für mehrere Betriebszyklen ermittelt wird und die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit der Anzahl der Durchführungen wenigstens eines bestimmten Vorganges gespeichert wird.
Die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogenen Batteriezellen sind vorzugsweise Bestandteil einer Vielzahl von Batteriezellen, wie sie zum Beispiel in einer einzelnen Batterie angeordnet sind.
In besonderer Ausgestaltung ist je Batterie nur eine Batteriezelle vorhanden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Ermittlung der
voraussichtlichen Lebensdauer der gesamten Batterie angewendet werden kann.
Daneben lässt sich das Verfahren auch derart durchführen, dass ein Wert wenigstens einer auf die gesamte Batterie einwirkenden physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen wenigstens eines in der gesamten Batterie stattfindenden Vorganges ermittelt wird und die Häufigkeit des
Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit der Anzahl der Durchführungen wenigstens eines bestimmten Vorganges gespeichert wird, und zwar auch in dem Fall, wenn die Batterie mehrere Batteriezellen aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden jedoch anhand seiner Anwendung für eine einzelne Batteriezelle erläutert.
Durch die Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer der einzelnen
Batteriezellen lassen sich Rückschlüsse auf die Lebensdauer der gesamten Batterie ziehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Bestimmung des Alterungszustandes dienen. Die physikalische Größe wird vorzugsweise gemessen und die Ermittlung der Anzahl der Durchführungen wenigstens eines in der Batteriezelle stattfindenden Vorganges erfolgt vorzugsweise mittels Zählung. Der Beginn des Betriebszyklus ist durch den Beginn der Aktivierung der Batteriezelle und die Beendigung des Betriebszyklus ist durch die
Beendigung der Aktivierung der Batteriezelle definiert.
Die Phase der Aktivierung kann dabei lediglich einen Fahrzyklus umfassen, oder einen Fahrzyklus mit sich daran anschließendem Ladevorgang. Alternativ kann die Phase der Aktivierung auch einen Ladevorgang unabhängig von einem Fahrzyklus umfassen.
Außerdem kann die Phase der Aktivierung auch ein sich an den Fahrzyklus anschließendes kontrolliertes Entladen der Zelle zur Realisierung des
Ausgleichs der Ladezustände mehrerer Zellen, das so genannte Zell-Balancing, im Nachlaufen nach dem Fahrzyklus oder auch während des Fahrzyklus umfassen.
Der Beginn des Betriebszyklus kann somit zum Beispiel das Starten eines mit den Batteriezellen angetriebenen Kraftfahrzeuges sein. Die Beendigung des Betriebszyklus kann dem Ausschalten dieses Kraftfahrzeuges entsprechen. Im
Fall, dass ein Ladungsprozess der Batteriezelle zeitlich unmittelbar mit dem Betrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist, umfasst der Betriebszyklus auch die Zeit der Ladung. So kann zum Beispiel die Beendigung des Betriebszyklus bei einem an die Fahrt des Kraftfahrzeuges anschließenden Ladevorgang erst nach Beendigung des Ladevorganges erfolgen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt Werte oder Zustände der
Batteriezelle über mehrere Betriebszyklen hinaus. Dadurch lassen sich
Zelldefekte frühzeitig erkennen und somit verhindern. Außerdem sind genaue Erkenntnisse hinsichtlich der voraussichtlichen Lebensdauer bzw. des
Alterungsprozesses der Batteriezelle möglich, woraus sich geeignete
Betriebsweisen für die Batteriezelle bzw. für eine gesamte Batterie ableiten lassen. Bei so genannten Feldrückläufern, das heißt Batterien, die nach einer theoretischen Lebensdauer von z. B. einer Fahrleistung von über 100.000 km in einem Kraftfahrzeug einer Untersuchung unterzogen werden, kann analysiert werden, wie die Zellen über die Summe ihrer Betriebszeiten belastet wurden und dadurch ihre Eigenschaften verändert haben. Daraus lassen sich wertvolle Erkenntnisse für weitere Optimierungen der Zellen und/oder des
Batteriemanagementsystems gewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Lithium-Ionen-Batterien als auch an Nickel-Metallhydrid-Batterien
angewendet werden. Vorzugsweise findet es Verwendung an mehreren und insbesondere an allen Zellen einer oder mehrerer Batterien, die im Wesentlichen gleichzeitig betrieben werden.
Die physikalische Größe, deren Werte hinsichtlich ihrer Häufigkeit
erfindungsgemäß ermittelt werden, können z. B. die Temperatur, der
Ladungszustand, der von der Batteriezelle abgegebene Strom oder die in der Batteriezelle vorhandene Spannung sein. Aus dem Ladungszustand abgeleitet kann auch die Differenz zwischen einem minimalen und maximalen
Ladungszustand und/oder die relative Zellenleistung, nämlich die aktuell abgerufene Leistung im Verhältnis zur aktuell maximal verfügbaren Leistung, ermittelt werden. Der hinsichtlich seiner Häufigkeit ermittelte, in der Batteriezelle stattfindende
Vorgang kann ein Ladeimpuls, ein Entladeimpuls oder ein kontrolliertes Entladen der Zelle zur Realisierung des Ausgleichs der Ladezustände mehrerer Zellen sein. Das kontrollierte Entladen der Zelle zur Realisierung des Ausgleichs der
Ladezustände mehrerer Zellen, welches auch Zell-Balancing genannt wird, ist vorzugsweise für Lithium-Ionen-Batteriezellen zu realisieren. Dieses Zell- Balancing dient dazu, gravierende Unterschiede hinsichtlich der Ladezustände einzelner Zellen zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass es zur
Erreichung einer langen Lebensdauer vorteilhafter ist, die Differenz des
Ladezustandes einzelner Zellen einer Batterie gering zu halten, als in einigen Zellen höhere Ladezustände gegenüber geringeren Ladezuständen anderer Zellen aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck werden die Zellen kontrolliert bis zu dem Ladezustand entladen, der dem Ladezustand der am wenigsten geladenen Zelle entspricht. Die Häufigkeit der kontrollierten Entladung einer Zelle ist somit ein Kriterium für ihren Alterungszustand. Diejenigen Zellen, die am seltensten dem kontrollierten Entladevorgang unterzogen werden, sind somit diejenigen, die im Vergleich zu anderen Batteriezellen die geringsten Ladezustände aufweisen. Zur Erhöhung der Leistung und Lebensdauer der gesamten Batterie sind somit derartige Zellen als erste auszutauschen.
Vorteilhafterweise wird der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen der Vorgänge je Betriebszyklus in wenigstens einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert und die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Vorgängen aus dem Speicher ausgelesen. Ein solcher nicht-flüchtiger Speicher ist z. B. ein so genannter EEPROM (ein elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher). Der Vorteil dieser
Verfahrensausgestaltung liegt in der einfachen Speicherung über mehre Betriebszyklen hinweg und die Möglichkeit, die gespeicherten Werte hinsichtlich ihrer Häufigkeit auszuwerten.
Die Anzahl des Auftretens wenigstens eines bestimmten Wertes einer physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen von Vorgängen wird über mehrere Betriebszyklen hinweg ermittelt.
Die je Betriebszyklus ermittelte Anzahl von Werten bzw. Durchführungen wird mit zu den vorher ermittelten Anzahlen addiert und gespeichert.
Das heißt, dass mit jedem Betriebszyklus die entsprechende Anzahl ermittelt wird und zu den zu den vorherigen Betriebszyklen ermittelten Anzahlen hinzugerechnet wird und das Ergebnis gespeichert wird.
Es lässt sich somit auswerten, wie oft über die Betriebszyklen hinweg zum Beispiel eine bestimmte Ladung vorhanden war und/oder eine bestimmte Temperatur vorhanden war und/oder ein Entladeimpuls erfolgte und/oder ein kontrolliertes Entladen der Zelle erfolgte.
Zur Auswertung der Verfahrensergebnisse wird die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Vorgängen visuell wahrnehmbar in wenigstens einem Diagramm dargestellt. In einem solchen Diagramm sind auf der Abszisse Werte der physikalischen Größe oder die Anzahl der Vorgänge einzutragen und auf der Ordinate die Häufigkeit des Auftretens des jeweiligen Wertes der physikalischen Größe oder die Häufigkeit der Durchführung der Anzahl von Vorgängen. Für eine Person ist aus dem Diagramm ablesbar, welcher Wert einer physikalischen Größe oder welche Anzahl von Vorgängen besonders häufig auftrat, woraus Rückschlüsse gezogen werden können auf den Alterungszustand der Batteriezelle bzw. auf die anzustrebende
Betriebsweise. In vorteilhafter Weise ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass der Wert einer ersten physikalischen Größe oder die in der Batteriezelle stattfindende Anzahl der Durchführungen eines ersten Vorganges in Abhängigkeit zum Wert einer zweiten physikalischen Größe oder einer in der Batteriezelle stattfindenden Anzahl der Durchführungen eines zweiten Vorganges gespeichert wird. Auch hier ist vorgesehen, dass die physikalische Größe und/oder die Anzahl der
Vorgänge je Betriebszyklus in Abhängigkeit voneinander in wenigstens einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert werden und die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Vorgängen, die mittels Addition über mehrere Betriebszyklen hinweg ermittelt wurde, aus dem Speicher ausgelesen wird. Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt in der Erfassung der Größen in Abhängigkeit voneinander, so dass ein geringerer Speicherbedarf erforderlich ist und demzufolge der Einsatz der nicht-flüchtigen Speicher leichter realisierbar ist.
Bei der letztgenannten Verfahrensausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größen in Abhängigkeit voneinander und/oder die Häufigkeit der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Vorgängen in Abhängigkeit voneinander visuell wahrnehmbar in wenigstens einem dreidimensionalen Histogramm dargestellt wird. In einem solchen dreidimensionalem Histogramm können auf der ersten Abszisse die Werte der ersten physikalischen Größe oder die Anzahl von ersten Vorgängen angetragen sein und auf der zweiten Abszisse die Werte der zweiten physikalischen Größe oder die Anzahl von zweiten Vorgängen angetragen sein. An der Ordinate kann die Häufigkeit des Auftretens des jeweiligen Wertes der physikalischen Größe oder der Anzahl der Durchführungen der Vorgänge in Abhängigkeit voneinander angetragen sein. Die Erfindung ist dabei nicht eingeschränkt auf die Erfassung von zwei physikalischen Größen in
Abhängigkeit voneinander oder von zwei unterschiedlichen Vorgängen in Abhängigkeit voneinander, sondern es können auch eine physikalische Größe und ein Vorgang in Abhängigkeit zueinander hinsichtlich ihrer Häufigkeit ausgewertet werden. Derartige Histogramme werden abgespeichert und nach einem Reset des Batteriemanagementsystems wieder ausgelesen und zur weiteren Berechnung, auch zur weiteren Addition weiterer Häufigkeiten des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder Häufigkeiten der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Vorgängen, verwendet. Aus dem Histogramm können mittels geeigneter Algorithmen der Alterungszustand sowie die Lebensdauer errechnet werden. Ein maßgeblicher Wert für die Berechnung kann die Häufigkeit des Auftretens einer bestimmten physikalischen Größe oder einer bestimmten Anzahl von Vorgängen sein.
Eine Person kann aus dem Histogramm erkennen, welche physikalischen Parameter und/oder welche Vorgänge am meisten Einfluss auf die Lebensdauer der Batteriezelle haben und/oder welche Einrichtungen des
Batteriemanagementsystems gegebenenfalls nachgeregelt werden müssen, um z. B. die Temperatur einiger Zellen zu variieren. Die aus dem Histogramm ableitbaren Werte können jedoch auch sofort im Batteriemanagementsystem als Steuer- und/oder Regelungssignale für den Betrieb der Batteriezelle bzw. einer gesamten Batterie verwendet werden, um vorzeitigen Alterungs- oder
Verschleißerscheinungen vorzubeugen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem bestimmten Wertebereich, in dem sich erfahrungsgemäß die über mehrere Betriebszyklen ermittelten Werte der physikalischen Größe und/oder die in der Batteriezelle stattfindende Anzahl von Vorgängen befinden,
Stützstellen definiert, die jeweils die Grenzen von Intervallen darstellen, deren Häufigkeit des Auftretens ermittelt wird. So kann zum Beispiel ein Temperatur- Wertebereich zwischen -40 °C und 80 °C definiert sein.
Die Stützstellen sind vorzugsweise parametrierbar, das heißt, dass sie derart definiert werden, dass hinsichtlich der Aussage zu bestimmten physikalischen Größen oder bestimmten Anzahlen von Vorgängen geeignete Intervalle gebildet werden. Es können z. B. in den Bereichen, in denen generell eine größere Häufigkeit zu verzeichnen ist, die Intervalle kürzer gestaltet werden, um somit differenziertere Aussagen hinsichtlich der Lebensdauer beim Betrieb der Batteriezelle mit den Werten der physikalischen Größe in diesem Intervall bzw. den Werten der Anzahl der Vorgänge in diesem Intervall zu ermöglichen. Das heißt, dass die Abstände benachbarter Stützstellen zueinander unterschiedlich groß sein können.
Alternativ können die Stützstellen auch in regelmäßigen Intervallen, wie zum Beispiel in Abständen von 20 °C definiert sein.
Es wird vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen ermittelt, in welchem Intervall eine bestimmte physikalische Größe oder die Anzahl von Vorgängen vorliegt. Für dieses Intervall wird die Häufigkeit über mehrere Betriebszyklen ermittelt. Geeignete Zeitabstände sind dabei z. B. zwischen 0,5 und 2 Sekunden. Vorzugsweise wird jede Sekunde ermittelt, in welchem Intervall sich der Wert einer bestimmten physikalischen Größe oder die Anzahl von bestimmten
Vorgängen befindet.
Bei Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Realisierung der genannten Diagramme kann z. B. visuell wahrnehmbar dargestellt werden, mit welcher Häufigkeit die Batteriezelle eine Ladeleistung von 50 bis 60 % der maximalen Ladeleistung aufweist. In diesem Fall sind Stützstellen bei 50 und 60 Prozent vorgesehen.
Bei Durchführung des Verfahrens zum Erhalt von Histogrammen kann z. B. die Häufigkeit von Stromstärken in einem bestimmten Stromstärke-Intervall in Abhängigkeit von Temperaturen in einem bestimmten Temperatur-Intervall der Batteriezelle festgestellt werden. So kann z. B. ermittelt werden, mit welcher Häufigkeit ein Strom von z. B. 75 bis 85 % des maximal erzeugbaren Stroms erzeugt wurde, wenn die Batteriezelle in einem Temperatur-Intervall von 40 bis 50 °C betrieben wurde.
Durch Auswertung der Häufigkeiten lassen sich Rückschlüsse ziehen auf den Alterungszustand der Batteriezelle, z. B. wenn sie bei geringeren Temperaturen nur noch selten in der Lage ist, einen bestimmten Prozentsatz einer theoretisch erreichbaren maximalen Stromstärke zu generieren. Außerdem ermöglicht die Auswertung der Häufigkeit festzustellen, wie häufig bestimmte äußere
Parameter auf die Batteriezelle wirken, so dass das Batteriemanagementsystem entsprechend angepasst werden kann. Dies betrifft z. B.
Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich der Batteriezellentemperatur und Anzahl der Lade- und Entladeimpulse.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Batterie, insbesondere eine
Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, zur Verfügung gestellt, die mehrere Batteriezellen sowie wenigstens ein
Batteriemanagementsystem umfasst und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem derart ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren. Die
Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden.
Die Erfindung wird ergänzt durch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie umfasst, wobei die Batterie mit einem
Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Die Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle kann computergestützt ablaufen, unter Zuhilfenahme eines
Computerprogramms, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es im Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der
voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle durchzuführen. Ergänzend wird dazu ein computerlesbares Speichermedium zur Verfügung gestellt, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer
Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es im Speichermittel der
Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Eine weitere Ergänzung ist ein Verfahren, bei dem das Computerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem elektronischen Datennetz, wie beispielsweise aus dem Internet, auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung
heruntergeladen wird. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figurl ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erstelltes Diagramm, und
Figur 2 ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erstelltes dreidimensionales Histogramm.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist als ein Ergebnis einer Alternative des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein Diagramm dargestellt, welches beispielhaft die Häufigkeit f des Auftretens einer aktuellen Ladeleistung P darstellt. Die aktuelle Ladeleistung P ist an der Abszisse angetragen und die Häufigkeit f an der Ordinate. Es ist ersichtlich, dass der Wertebereich der aktuellen Ladeleistung P in Intervalle eingeteilt wurde, die von 1 bis 12 nummeriert sind. Jedem dieser Intervalle 1 bis 12 ist ein Wertebereich der aktuellen Ladeleistung P zugeordnet. Die Größe der Wertebereiche kann dabei variieren. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass z. B. die aktuelle Ladeleistung P des Intervalls 5 am häufigsten auftrat. Es ist somit einer Person visuell vermittelbar, dass über mehrere Betriebszyklen hinweg die betreffende Batteriezelle am häufigsten eine Ladeleistung P aufwies, die durch das Intervall 5 definiert ist. Das heißt, es traten wesentlich häufiger
Ladeleistungen P gemäß dem Intervall 5 auf als eine maximale Ladeleistung P gemäß dem Intervall 12. Ein Rückschluss aus dieser Erkenntnis könnte sein, dass die Ladeleistung P oftmals unter der maximal möglichen Ladeleistung liegt, so dass Wartungsmaßnahmen oder gegebenenfalls, ein Austausch der
Batteriezelle oder Batterie zwecks Gewährleistung der Funktionssicherheit eines elektromotorischen Antriebs eines Kraftfahrzeuges durchzuführen sind. Derselbe Vorgang lässt sich auch an einer Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen durchführen, wobei die Ladeleistung der gesamten Batterie ausgewertet wird. Das in Figur 2 dargestellte dreidimensionale Histogramm, welches gemäß einer weiteren Verfahrensalternative erfindungsgemäß erzeugbar ist, zeigt die Häufigkeit f des Auftretens von Stromstärken I in einem bestimmten Intervall in Abhängigkeit von Temperaturen T in einem bestimmten Temperatur-Intervall der betreffenden Batteriezelle. Auf der ersten Abszisse ist die Stromstärke I in den Intervallen 1 bis 12 angetragen. Auf der zweiten Abszisse ist die Temperatur T in den Intervallen 1 bis 8 angetragen. An der Ordinate ist die Häufigkeit f angetragen. Aus dem dreidimensionalen Histogramm ist ersichtlicht, dass mit weitaus größter Häufigkeit Stromstärken I gemäß dem Stromstärken-Intervall 3 bei Temperaturen erzeugt wurden, die dem Temperatur-Intervall 6 entsprechen. Mit zweitgrößter Häufigkeit wurden Stromstärken generiert, die sich im
Stromstärken-Intervall 10 befinden, und zwar ebenfalls im Temperatur-Intervall 6. Eine wichtige Information aus diesem dreidimensionalen Histogramm ist außerdem, dass sämtliche Stromstärken I lediglich im Temperatur-Intervall 6 erzeugt wurden. Insofern feststellbar ist, dass die betreffende Batteriezelle auch in vom Temperatur-Intervall 6 abweichenden Temperaturbereichen betrieben wurde, kann der Rückschluss gezogen werden, dass in diesen abweichenden Temperatur-Intervallen mittels der Batteriezellen kein Strom erzeugt wurde. Auch dies ist eine Information, die zur Berechnung und/oder Schätzung des Alterungszustandes bzw. der Lebensdauer der betreffenden Batteriezelle nutzbar ist. Außerdem ergibt sich daraus die Erkenntnis, dass die Batteriezelle vorzugsweise lediglich im Temperatur-Intervall 6 zu betreiben ist.
Die Erfindung ist nicht darauf eingeschränkt, dass in dem dreidimensionalem Histogramm lediglich physikalische Größen wie z. B. die Stromstärke I und die Temperatur T in Abhängigkeit voneinander dargestellt werden, sondern es kann abweichend davon auch das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt werden, dass in dem Histogramm die Anzahl von Durchführungen von
Vorgängen in Abhängigkeit voneinander dargestellt werden oder eine physikalische Größe in Abhängigkeit von der Anzahl von Durchführungen von Vorgängen oder umgekehrt dargestellt wird. Es können z. B. die physikalische Größe und Temperatur, der Batteriezustand, gekennzeichnet durch seine Ladung in Prozent, die Differenz des minimalen und maximalen Zellen-Batteriezustandes, die relative Batterieleistung, die der aktuell abgerufenen Leistung im Verhältnis zur aktuell maximal verfügbaren Leistung entspricht, sowie die Anzahl von Durchführungen von Lade- und Entladepulsen miteinander im dreidimensionalen Histogramm kombiniert werden. Vorteilhafte Kombinationen der physikalischen Größen an den beiden Abszissen des dreidimensionalen Histogramms sind die minimale Zellspannung und die Temperatur, die maximale Zellspannung und die Temperatur, die Stromstärke und die Temperatur sowie die aktuell abgerufene Leistung und die Temperatur.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle, bei dem ein Wert wenigstens einer auf die Batteriezelle einwirkenden physikalischen Größe und/oder eine Anzahl der
Durchführungen wenigstens eines in der Batteriezelle stattfindenden
Vorganges ermittelt wird und der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen der Vorgänge als Grundlage zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer verwendet wird, dadurch
gekennzeichnet, dass die physikalische Größe und/oder die in der
Batteriezelle stattfindende Anzahl der Durchführungen von Vorgängen für mehrere Betriebszyklen ermittelt wird und die Häufigkeit (f) des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit (f) der Anzahl der Durchführungen von wenigstens einem bestimmten Vorgang gespeichert wird.
2. Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach Anspruch 1 , wobei die physikalische Größe die Temperatur (T), der Ladezustand, der von der Batteriezelle abgegebene Strom (I) oder die in der Batteriezelle vorhandene Spannung ist.
3. Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der in der Batteriezelle stattfindende Vorgang ein Ladeimpuls, ein
Entladeimpuls oder ein kontrolliertes Entladen der Zelle zur Realisierung des Ausgleichs der Ladezustände mehrerer Zellen ist.
4. Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wert der physikalischen Größe und/oder die Anzahl der Durchführungen der Vorgänge je Betriebszyklus in wenigstens einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert wird und die Häufigkeit (f) des Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit (f) der Anzahl der Durchführungen eines bestimmten Vorganges aus dem Speicher ausgelesen wird.
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach Anspruch 4, bei dem die Häufigkeit (f) des
Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe und/oder die Häufigkeit (f) der Anzahl der Durchführungen eines bestimmten Vorganges visuell wahrnehmbar in wenigstens einem Diagramm dargestellt wird.
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach wenigstens einem der beiden Ansprüche 4 und 5, bei dem der Wert einer ersten physikalischen Größe oder die in der
Batteriezelle stattfindende Anzahl der Durchführungen eines ersten
Vorganges in Abhängigkeit zum Wert einer zweiten physikalischen Größe oder einer in der Batteriezelle stattfindenden Anzahl der Durchführungen eines zweiten Vorganges gespeichert wird.
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach Anspruch 6, bei dem die Häufigkeit (f) des
Auftretens bestimmter Werte der physikalischen Größe in Abhängigkeit voneinander und/oder die Häufigkeit (f) der Anzahl der Durchführungen eines bestimmten Vorganges in Abhängigkeit voneinander visuell wahrnehmbar in wenigstens einem dreidimensionalen Histogramm dargestellt wird.
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem über mehrere Betriebszyklen ermittelten Wertebereich der physikalischen Größe und/oder der in der Batteriezelle stattfindenden Anzahl von Durchführungen von Vorgängen Stützstellen definiert werden, die jeweils die Grenzen von Intervallen darstellen, deren Häufigkeit des Auftretens ermittelt wird.
Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid- Batterie, die mehrere Batteriezellen sowie wenigstens ein Batteriemanagementsystem umfasst und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem derart ausgebildet ist, das Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlichen Lebensdauer wenigstens einer Batteriezelle gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 zu realisieren.
10. Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine Batterie gemäß Anspruch 9
umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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