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WO2014170136A1 - Verfahren zum bestimmen des ladezustands einer batterie - Google Patents

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WO2014170136A1
WO2014170136A1 PCT/EP2014/056714 EP2014056714W WO2014170136A1 WO 2014170136 A1 WO2014170136 A1 WO 2014170136A1 EP 2014056714 W EP2014056714 W EP 2014056714W WO 2014170136 A1 WO2014170136 A1 WO 2014170136A1
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WO
WIPO (PCT)
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battery
charge
state
voltage
voltage threshold
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2014/056714
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gernot Herbst
Holger WOLFSCHMIDT
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2014170136A1 publication Critical patent/WO2014170136A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • a method for determining the state of charge of a battery The invention relates to a method and an apparatus for determining the state of charge of a battery, such as a traction battery in a vehicle or a statio nary ⁇ battery.
  • the state of charge of a battery can be derived from the idle voltage of the battery according to the prior art.
  • the relationship between the open circuit voltage and the state of charge of a battery is used, for example, in a method known from DE 10 2010 050 980 AI. Furthermore, in this known method, aging influences to which the battery is exposed are taken into account. A procedural ⁇ ren for determining the aging state of a battery is also known from DE 195 40 827 C2.
  • the charge characteristic that is, the combination ⁇ hang auf accordende between open circuit voltage and state of charge of a battery characteristic, suitable for determining the state of charge ⁇ stands of a battery, which a significant depen- lichst dependence between open circuit voltage and state of charge in mög ⁇ each state of Battery has.
  • batteries with flat charge characteristics in some areas are less suitable for determining the state of charge on the basis of this characteristic curve.
  • the measurement of state variables of a battery with integration of the output and input ⁇ current is, for example, from EP 0987555 Bl and 1,584,941 Bl known from EP.
  • the invention has for its object to improve the state of charge ⁇ detection of a battery compared to the cited prior art, in particular with regard to the validity of Ermit ⁇ ted data, even in non-complete charge and discharge cycles to improve.
  • the method for determining the state of charge of a battery comprises the following steps:
  • the term battery operation is understood to mean both the discharge of the battery in at least one connected consumer and the charging of the battery.
  • the charging status is also commonly known as SOC (state of charge) be ⁇ draws and expressed as a percentage, based on the state of perfect ⁇ permanent charge of the battery.
  • the term battery-rie includes all types of electrochemical Energyspei ⁇ manuals, especially batteries as rechargeable Batte ⁇ rien.
  • the fatigue strength value is the maximum voltage at which the battery is permanently operable and is also referred to as maximum allowable voltage ⁇ net.
  • Examples of batteries which are suitable for the application of the method according to the invention are lead accumulators, nickel-based batteries, and lithium-ion batteries.
  • the method is suitable for lithium iron phosphate accumulators (LiFeP0 4 accumulators) and lithium titanate accumulators. In all cases, these can be batteries for stationary or mobile applications.
  • the invention proceeds from the consideration that the determination of the charge state of a battery alone on the load characteristic curve, that is the correlation of the voltage applied to the battery voltage with their state of charge, the depending on the application case different accuracy and Zuver ⁇ permeability requirements in all Cases.
  • the invention combines these two approaches and thus provides a method that is particularly suitable for batteries with a very flat charging curve and for battery operation without complete La ⁇ de and discharge cycles and here also Old ⁇ rate effects into account.
  • the method according OF INVENTION ⁇ dung for use in stationary electrochemical bulk storage, to which especially high demands are made is with regard to the availability level is suitable.
  • the usable residual charge of the battery can also be determined.
  • the charge level here refers to the always usable in the respective stop ⁇ -state of the battery at full charge, usually in ampere-hours (Ah) specified capacity. Since the usable capacity is not constant over the life of a Batte ⁇ rie, also the usable residual charge arises not only from the state of charge, but only taking into account age-related state changes of the battery. As well as the state of charge according to the invention, the residual charge during operation of the battery, without observing a rest phase or impressed current or voltage signals, determined.
  • SOC state of charge
  • the charge state calculation is either during a La devorgangs or during a discharge process by Errei ⁇ tion of a particular voltage applied to the terminals of the battery voltage levels, namely the voltage threshold, ge triggers.
  • the sizes Ah ver f u gbar, Ah Res t, shop, Ah Res t, unloading can be calculated.
  • the charge state determined therefrom is used, for example, to calibrate an ampere-hour counter or another model which makes statements about the battery condition possible. In general terms, takes place with the triggering of the charge state calculating the calibration of a model, with the state of charge (SOC) and the time-dependent available La ⁇ amount of manure Ahraomentan estimates off during further operation of the battery.
  • SOC state of charge
  • Ah V erheg ar the battery depends on the temperature, Stromstär ⁇ ke and age of the battery and, if nen from when new, nominal battery capacity Ah ve r hehagbar, when new compute ⁇ bar:
  • the actual available capacity Ah ve rögbar the battery capacity as a function f can be expressed Ka which of temperature, current, as well as the age and by the
  • the aging-dependent state changes of the battery which are included in the state of charge calculation, preferably include both calendar-related and operationally-caused aging effects.
  • the aging of the battery considered in the state of charge calculation also takes into account cell chemistry specifics of the given battery type. Next dependencies of the egg to nem given time of the battery is still recordable or dispensable quantities of charge on the temperature in the battery and on the current intensity and the voltage applied to the battery ⁇ are given. In case of charging the battery, the remaining battery charge Ah Res t, charging, new condition (related to the new condition of the battery) can be expressed as a function of charging the temperature, current and voltage:
  • Ah Res t unloading, the new state, which until En11ade gleich to Availability checked ⁇ supply is (based on the new state of the battery) is a function fEntladen the temperature, current and voltage.
  • Ah Res t, unloading, when new fsntiaden (Temp, current, Tension)
  • the charging or discharging of the battery in significantly aged state of the battery as is also the aging coefficient a, as described above entwe ⁇ of the product of the two aging coefficients a k, a d or as a complex function f a i e r, to include.
  • aging-dependent state changes of the battery can be included in the charge state calculation by means of a parametric model.
  • a parametric model can also be a saved table or any in a database filed information, which shows correlations between rele ⁇ vant influences and changes in state of the battery, are used for the charge state calculation.
  • starting from the start time of the charge state calculation either permanently or at individual times operating parameters of the battery, in particular the amount of charge taken from or supplied to the battery, are measured and from this, taking into account aging effects, the charge state and the remaining charge of the battery are calculated.
  • the voltage threshold in be ⁇ preferred process control is exceeded at a state of charge of the battery, which is less than 20% removed from the state of full charge.
  • the charge is state of the battery case preferably more than 5% of the to ⁇ standing of a full charge removed.
  • the SOC is preferably between 80% and 95%.
  • the charge status calculation is triggered during the discharging of the battery, the voltage threshold value falls below a charge state of the battery, which is less than 20% away from the state of complete discharge, in a preferred procedure.
  • the state of charge of the battery is preferably more than 5% removed from the state of complete discharge. In this Case is the SOC thus starting the LadungsSullivansbe ⁇ bill preferably between 5% and 20%.
  • the voltage threshold value is determined as a function of temperature.
  • the voltage threshold is associated with a state of charge, the closer the state of full charge (in the case of triggering the charge state calculation during discharge) or the state of complete discharge (in the case of triggering the charge state calculation during charging), the lower the temperature at which the battery is operated.
  • the advantage of the invention is in particular that with a combination of at least one measurement made at a base point (voltage threshold) during ongoing operation of a battery and aging-related modeling of charging and discharging processes, the state of charge of the battery is precisely determined without de ⁇ their usability for measurement purposes.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an arrangement of stationary
  • FIG 5 Temperature dependence of the capacity of a battery, FIG 5 in a three-dimensional diagram, the current and
  • FIG 6 is a view similar to FIG 5, the amount of manure Differenzla ⁇ during discharging of a battery,
  • FIG. 7 is a flow chart showing a flowchart for determining the state of charge of a battery
  • battery is a stationary battery, for example, as a lithium-ion battery, in particular as a titanate or iron phosphate-based battery is formed.
  • the battery 1 is embedded, for example, in the network of a Ener ⁇ gielacshacks. To the battery 1, a measuring and evaluation device 2 is connected, which will be discussed in more detail below.
  • the measuring and evaluation device 2 can be integrated into the housing of the battery 1.
  • the integration of a device for detecting battery status in a battery housing is known, for example, from DE 100 56 972 A1.
  • an energy source 3 for example a photovoltaic module, as well as a power consumer 4, for example an electrical household appliance, are connected to the measuring and evaluation device 2.
  • a power consumer 4 for example an electrical household appliance
  • Darge ⁇ represents in FIG 2 in the form of a band of charging curves for different temperatures, namely 10 ° C, 25 ° C and 40 ° C, .
  • the battery to which the diagram of Figure 2 refers is basically suitable for use in the arrangement of FIG. This is a license thium ion battery with oxide cathodes. Such a battery is characterized by a steep voltage characteristic, as can be seen in FIG 2 for each of the temperatures mentioned. Due to the steadily increasing voltage characteristic over a wide temperature range, the battery, to which FIG. 2 refers, would be the state of charge, which is not indicated in FIG. 2 in relation to the full charge, but absolute in ampere hours, from the voltage applied to the battery derive. In addition, the fact that the charge curve shows no hysteresis speaks in favor of this principle of determining the state of charge.
  • the charging / discharging curve shown in FIG. 3 relates to the battery 1 of the exemplary embodiment according to FIG. 1 and, in comparison with the example according to FIG. 2, apart from the areas close to the complete charge or discharge, has a very flat course as well as a distinct one Hysteresis on.
  • the advantages of erfindungsge ⁇ MAESSEN method for state of charge determination are particularly strong advantage.
  • the voltage characteristics according to FIG. 3 relate to the temperatures 0 ° C., 10 ° C., 25 ° C. and 35 ° C.
  • FIG. 3 the significantly steeper course of the voltage characteristics in the edge regions up to an SOC of approximately 20% as well as from an SOC of approximately 80% can clearly be seen in FIG.
  • These edge regions are used to calibrate a model for determining the state of charge during operation of the battery 1. Starts the operation of the current consumer 4 or the energy source ⁇ 3 with about half charged battery 1, so, the La ⁇ dekurve in this area a very flat profile, which is not suitable for tracking the state of charge.
  • a certain state of charge which corresponds to between 80% and 95% of the full charge, is assigned a first voltage threshold value U s , which is temperature-dependent, but in any case lies within the stated interval in relation to the state of charge (SOC).
  • the first voltage threshold U s is exceeded during charging of the battery 1. While prior to the time of exceeding the firstdersschwell ⁇ value U s the state of charge, as stated model-based, especially by adding the flowing into the battery 1 or flowing from the battery 1 electrical charge Q, is followed, exceeding the voltage threshold ⁇ value U s of a calibration that takes advantage of the relatively steep at this point the course of the charging curve.
  • the reaching of the voltage threshold means U that the above model-based determination of the state of charge ⁇ stands is aligned with the immediate charging curve based determining the charge state and therefore the indirect, the charges cumulative model for charging continuously detected state determination is calibrated.
  • Each calibration process also takes into account aging effects. Analog to charge the battery 1 during the Entla ⁇ dens, that is, the operation of the current load 4, solan ⁇ ge of the middle, flat region of the loading curve will not leave the state of charge is updated based on a model.
  • the determination of the voltage thresholds U S to values that lie at not fully charged or not full ⁇ constantly discharged battery, enabling a regular ⁇ day calibration even when operating without a complete laser de- and discharge of the battery.
  • the upper voltage ⁇ threshold U s is below the maximum voltage at which the fatigue strength of the battery 1 is given, that is below the maximum allowable voltage value. In the modeling of the remaining battery charge
  • Ah Res t discharging in the discharge process and the still recordable battery charge Ah Res t, Charging during charging, among other things, the temperature and the current is taken into account.
  • IMP EXP ⁇ together with the model used for charge state determination before starting the assembly of Figure 1, that is off ⁇ line is determined.
  • measuring campaigns are carried out with batteries of the type used in the arrangement according to FIG. 1, in which operating variables such as temperature and current intensity are varied. The measurement campaigns can be repeated for different battery types without fundamentally changing the state of charge determination model.
  • FIG. 4 An example of a parametric modeling is illustrated in FIG. 4, which shows the current and temperature dependency of the capacity of the battery 1.
  • Kom ⁇ temperature T in ° C; x-axis
  • current I in A; y-axis
  • Axis which is usable in the current state of the battery measured.
  • FIG. 6 shows the voltage level 1.6 V.
  • the measuring and evaluation device 2 permanently overshoots or undershoots of the briefly also called thresholds voltage thresholds U s monitored, which trigger a state of charge calculation with the models of FIGS 4 to 6.
  • the first step Sl indicates the beginning of the Ver ⁇ proceedings.
  • the measuring and evaluating device 2 waits for measured values of the voltage U of the current flowing through the terminals of the battery 1 I, ⁇ such as temperature T.
  • step S3 it is checked whether a current I is present. If this is not the case, in step S3 the system waits for new measured values. Once the test at step S3 reveals that a current I is applied, that is, the battery 1 is either loaded or unloaded, it is checked in step S4 whether the measured voltage U to the voltage threshold value U s (in the case of a single voltage ⁇ threshold value) or s corresponds to one ofchronschwell ⁇ values U (in case of multiple voltage thresholds, and in particular in the case of threshold values for the one hand, almost completely ⁇ constant charge and on the other hand, for almost complete removal ⁇ charge). If this is not the case, the procedural ⁇ ren is in turn proceeds to step S2.
  • step S5 Only when the threshold value U s is hit by the measured voltage U, that is, either during charging over or during Ent ⁇ loading falls below, in step S5, the capacity Ah V eryogg ar the battery 1 and the remaining charge Ah Res t, Charging relationship Ahp_ it t, discharging (depending on the operating condition, in which The battery 1 is located) and charge state SOC be ⁇ calculates. Finally, if necessary, in the last method step S6, the state of charge SOC can be corrected. After correction has taken place, the method for charging state determination returns to step S2.
  • step S6 of Figure 7 Initiated (step S6 of Figure 7) that only a very ge ⁇ rings, takes 8 unrecognizable time to in FIG.
  • the further determination of the charge is continued by calculation, for example by charge counting.
  • the calibration process is repeated each time the voltage threshold value U s is reached , so that the state of charge SOC of the battery 1 is always reliable with high reliability even in prolonged operating phases in which no complete charge or discharge of the battery 1 occurs by means of the measuring and evaluation device 2 is determined.

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie (1) umfasst folgende Schritte: - Messung der an der Batterie (1) anliegenden Spannung (U) während des Batteriebetriebs, - Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem Spannungsschwellwert (Us), welcher geringer als der Dauerfestigkeitsspannungswert der Batterie (1) ist, - Festsetzung desjenigen Zeitpunktes (ts), zu welchem die gemessene Spannung (U) dem Spannungsschwellwert (Us) entspricht, als StartZeitpunkt einer Ladungszustandsberechnung, - Durchführung der Ladungszustandsberechnung, wobei in diese zumindest die durch die Anschlüsse der Batterie (1) fließende elektrische Ladung sowie alterungsabhängige Zustandsänderungen der Batterie (1) einfließen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug oder einer statio¬ nären Batterie. Der Ladezustand einer Batterie ist nach dem Stand der Technik aus der LeerlaufSpannung der Batterie herleitbar.
Der Zusammenhang zwischen der LeerlaufSpannung und dem Ladezustand einer Batterie wird beispielsweise bei einem aus der DE 10 2010 050 980 AI bekannten Verfahren genutzt. Weiter werden bei diesem bekannten Verfahren Alterungseinflüsse, denen die Batterie ausgesetzt ist, berücksichtigt. Ein Verfah¬ ren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie ist auch aus der DE 195 40 827 C2 bekannt.
Generell ist die Ladekennlinie, das heißt die den Zusammen¬ hang zwischen LeerlaufSpannung und Ladezustand einer Batterie aufzeigende Kennlinie, gut für die Bestimmung des Ladezu¬ stands einer Batterie geeignet, welche eine deutliche Abhän- gigkeit zwischen LeerlaufSpannung und Ladezustand in mög¬ lichst jedem Zustand der Batterie aufweist. Batterien mit in Teilbereichen flacher Ladekennlinie sind dagegen für eine Bestimmung des Ladezustands auf Basis dieser Kennlinie weniger geeignet .
Als weitere Methode zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie kann auch die Ladungsmenge, welche beim Entladen der Batterie aus dieser beziehungsweise beim Laden der Batterie in diese fließt, erfasst werden. Das Messen von Zustandsgrö- ßen einer Batterie mit Integration des Ausgabe- und Eingabe¬ stromes (Stromintegrationsverfahren) ist beispielsweise aus der EP 0 987 555 Bl sowie aus der EP 1 584 941 Bl bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ladezustands¬ erkennung einer Batterie gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Aussagekraft der ermit¬ telten Daten, auch bei nicht kompletten Lade- und Entlade- zyklen, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 14, welche in Form einer an eine Batterie anschließbaren Mess- und Auswertevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgebildet ist.
Das Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie umfasst folgende Schritte:
Messung der an der Batterie anliegenden Spannung während des Batteriebetriebs,
Vergleich der gemessenen Spannung mit einem Spannungsschwellwert, welcher geringer als der Dauerfestigkeits- spannungswert der Batterie ist,
Festsetzung desjenigen Zeitpunktes, zu welchem die gemessene Spannung dem Spannungsschwellwert entspricht, als StartZeitpunkt einer Ladungszustandsberechnung, Durchführung der Ladungszustandsberechnung, wobei in diese zumindest die durch die Anschlüsse der Batterie fließende elektrische Ladung sowie alterungsabhängige Zustandsänderungen der Batterie einfließen.
Unter dem Begriff Batteriebetrieb wird hierbei sowohl die Entladung der Batterie bei mindestens einem angeschlossenen Verbraucher als auch das Laden der Batterie verstanden. Der Ladezustand wird allgemein auch als SOC (state of Charge) be¬ zeichnet und in Prozent, bezogen auf den Zustand der voll¬ ständigen Ladung der Batterie, angegeben. Der Begriff Batte- rie umfasst alle Arten von elektrochemischen Energiespei¬ chern, insbesondere Akkumulatoren als wiederaufladbare Batte¬ rien. Der Dauerfestigkeitsspannungswert ist die maximale Spannung, bei welcher die Batterie dauerhaft betreibbar ist und wird auch als maximal zulässiger Spannungswert bezeich¬ net. Beispiele von Batterien, welche für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, sind Blei- Akkumulatoren, Nickel-basierte Batterien, sowie Lithium- Ionen-Batterien. Insbesondere ist das Verfahren für Lithium- Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFeP04-Akkumulatoren) sowie Lithiumtitanat-Akkumulatoren geeignet. In allen Fällen kann es sich um Batterien für stationäre oder mobile Anwendungen handeln .
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Bestimmung des Ladezustands einer Batterie allein über deren Ladekennlinie, das heißt die Korrelation der an der Batterie anliegenden Spannung mit ihrem Ladezustand, den je nach An- wendungsfall unterschiedlichen Genauigkeits- und Zuver¬ lässigkeitsanforderungen nicht in allen Fällen gerecht wird.
Zudem haben bekannte Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie teilweise den Nachteil, dass die Batte- rie im Zuge der Ladezustandsbestimmung definierten Strompulsen ausgesetzt werden muss und dabei nicht für die Versorgung eines Stromverbrauchers zur Verfügung steht. Teilweise sind nach dem Stand der Technik beträchtliche Ruhephasen zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie einzuhalten, wobei zu kurze Ruhephasen zur Spannungsrelaxation große Fehler insbesondere bei einem Batteriebetrieb bei niedrigen Temperatu¬ ren und/oder hohen Strömen, bezogen auf die Batteriekapazität, hervorrufen kann. Von derartigen, in den bestimmungsgemäßen Betrieb einer Batterie stark eingreifenden Verfahren zur Ladezustandsbestimmung wendet sich die Erfindung bewusst ab, indem sie die nutzbare Restladung und den Ladezustands einer Batterie auf passive Weise im laufenden Betrieb bestimmt.
Während der Ladezustand einer Batterie nach dem Stand der Technik entweder aus der Ladekurve herausgelesen oder durch Erfassung der abgegebenen oder aufgenommenen Ladungsmenge, ausgehend von der vollständigen geladenen beziehungsweise entladenen Batterie, ermittelt werden kann, kombiniert die Erfindung diese beiden Ansätze und stellt damit ein Verfahren bereit, welches besonders für Batterien mit sehr flacher La- dekurve sowie für einen Batteriebetrieb ohne vollständige La¬ de- und Entladezyklen geeignet ist und hierbei auch Alte¬ rungseffekte berücksichtigt. Insbesondere ist das erfin¬ dungsgemäße Verfahren für die Anwendung bei stationären elektrochemischen Großspeichern, an welche besonders hohe An- forderungen hinsichtlich des Verfügbarkeitsgrades gestellt werden, geeignet.
Zusammen mit der Bestimmung des Ladezustands (SOC) ist auch die nutzbare Restladung der Batterie bestimmbar. Der Ladezu- stand bezieht sich hierbei stets auf die im jeweiligen Alte¬ rungszustand der Batterie bei vollständiger Ladung nutzbare, üblicherweise in Amperestunden (Ah) angegebene Kapazität. Da die nutzbare Kapazität im Laufe der Lebensdauer einer Batte¬ rie nicht konstant ist, ergibt sich auch die nutzbare Restla- dung nicht allein aus dem Ladezustand, sondern erst unter Be¬ rücksichtigung alterungsabhängiger Zustandsänderungen der Batterie. Ebenso wie der Ladezustand wird gemäß der Erfindung auch die Restladung im laufenden Betrieb der Batterie, ohne Einhaltung einer Ruhephase oder aufgeprägte Strom- oder Span- nungssignale, bestimmt. Indem während des Betriebs der Batte¬ rie unterschieden wird, ob ein Lade- oder Entladestrom fließt, können auch je nach Batterietyp mehr oder weniger ausgeprägte Hystereseeffekte bei der Bestimmung des Ladezu¬ stands sowie der Restladung berücksichtigt werden. Neben der Modellierung der Restladung ist bei bekannten Betriebsbedingungen der Batterie auch deren Restlaufzeit prognostizierbar.
Der Ladezustand (SOC) der Batterie ist folgendermaßen defi¬ niert :
SOC — Ahmomeritan / AhVerf ügbar / wobei Ahraomentan die momentane Ladung der Batterie (üblicher¬ weise, jedoch nicht zwangsläufig, in Amperestunden angegeben und AhVerfüg ar die in derselben Einheit anzugebende Kapazität der Batterie in deren aktuellem Alterungszustand bezeichnet.
Die Momentanladung Ahmomentan der Batterie hängt mit der ver¬ fügbaren Kapazität Ahverfügbar während des Ladens der Batterie auf folgende Weise zusammen:
Ahmomeritan — AhVerfüg ar — AhRest, Laden , wobei AhRest, Laden die während des Ladevorgangs noch aufnehmbare Batterieladung ist.
Während des Entladens, das heißt der Versorgung eines Ver¬ brauchers oder mehrerer Verbraucher mit Strom aus der Batterie, gilt folgender einfacher Zusammenhang:
Ahmomeritan — Ahp_est, Entladen , wobei AhRest, Entladen für die im laufenden Entladevorgang noch abgebbare Batterieladung steht.
Jede der drei Größen Ahverfügbar, AhRest, Laden, sowie AhRest, Entladen wird modelliert, um jederzeit die Berechnung des Ladezustand (SOC) zu ermöglichen.
Die Ladungszustandsberechnung wird entweder während eines La devorgangs oder während eines Entladevorgangs durch Errei¬ chung eines bestimmten an den Klemmen der Batterie anliegendes Spannungsniveaus, nämlich des Spannungsschwellwertes, ge triggert. Die Größen Ahverfügbar, AhRest, Laden, AhRest, Entladen werden berechnet. Der hieraus ermittelte Ladezustand wird beispiels weise zur Kalibrierung eines Amperestundenzählers oder eines anderen Modells, welches Aussagen über den Batteriezustand ermöglicht, genutzt. Allgemein ausgedrückt erfolgt mit der Triggerung der Ladungs- zustandsberechnung die Kalibrierung eines Modells, mit dem der Ladezustand (SOC) und die zeitabhängige verfügbare La¬ dungsmenge Ahraomentan im weiteren Betrieb der Batterie abge- schätzt wird.
Die tatsächlich verfügbare, alterungsabhängige Kapazität
AhVerfüg ar der Batterie ist abhängig von Temperatur, Stromstär¬ ke und Alter der Batterie und aus der im Neuzustand gegebe- nen, nominellen Batteriekapazität Ahve rfügbar, Neuzustand berechen¬ bar :
AhVerfüg ar — Ahverfügbar, Neuzustand * wobei als Alterungskoeffizient bezeichnet wird.
Allgemein, ohne Verwendung des Alterungskoeffizienten ausgedrückt, ist die tatsächlich verfügbare Kapazität Ahve rfügbar der Batterie als Funktion fKapazität ausdrückbar, welche von Temperatur, Stromstärke, sowie vom Alter und der durch die
Batterie im Laufe ihres bisherigen Betriebs insgesamt durch¬ gesetzten Ladungsmenge AhGeSamtdurchsatz abhängt:
Ah ve rfüg];3ar — fKapazität (Alter, Temp. , Stromstärke, AhGeSamtdurchsatz )
Analog ist auch der Alterungskoeffizient als Funktion fAiter des Gesamtdurchsatzes AhGeSamtdurchsatz sowie des Alters der Bat¬ terie ausdrückbar: Oi = fAlter (Alter, AhGesamtdurchsatz )
Die in die Ladezustandsberechnung einfließenden alterungsabhängigen Zustandsänderungen der Batterie umfassen vorzugsweise sowohl kalendarische als auch betriebsbedingte Alte- rungseffekte . Die rein zeitabhängige, kalendarische Alterung ist durch einen kalendarischen Alterungskoeffizienten ^, die betriebsbedingte, insbesondere vom Ladungsdurchsatz abhängige Alterung durch einen durchsatzabhängigen Alterungskoeffizien- ten d ausdrückbar, wobei sich der gesamte Alterungskoeffi¬ zient α durch Multiplikation der beiden spezifischen Alterungskoeffizienten oik, d ergibt: a = ak · ad
Die in der Ladezustandsberechnung berücksichtigte Alterung der Batterie berücksichtigt auch Spezifika der Zellchemie des gegebenen Batterietyps. Weiter sind Abhängigkeiten der zu ei- nem bestimmten Zeitpunkt von der Batterie noch aufnehmbaren oder abgebbaren Ladungsmengen von der Temperatur in der Batterie sowie von der Stromstärke und der an der Batterie an¬ liegenden Spannung gegeben. Im Fall des Ladens der Batterie ist die noch aufnehmbare Batterieladung AhRest, Laden, Neuzustand (be- zogen auf den Neuzustand der Batterie) als Funktion fLaden der Temperatur, Stromstärke und Spannung ausdrückbar:
AhRest, Laden, Neuzustand = fLaden ( Temperatur, Stromstärke , Spannung) In analoger Weise ist beim Entladevorgang die Ladungsmenge
AhRest, Entladen, Neuzustand, welche bis zum En11adeschluss zur Verfü¬ gung steht (bezogen auf den Neuzustand der Batterie) eine Funktion fEntladen der Temperatur, Stromstärke und Spannung: AhRest, Entladen, Neuzustand = fsntiaden ( Temp ., Stromstärke , Spannung)
Geschieht das Laden oder Entladen der Batterie in signifikant gealtertem Zustand der Batterie, so ist in die Berechnung der noch aufnehmbaren beziehungsweise abgebbaren Ladungsmenge auch der Alterungskoeffizient a, wie oben beschrieben entwe¬ der als Produkt der beiden Alterungskoeffizienten ak, ad oder als komplexere Funktion fAi er, einzubeziehen .
Allgemein ausgedrückt können alterungsabhängige Zustands- änderungen der Batterie mittels eines parametrischen Modells in die Ladungszustandsberechnung eingehen. Als Ersatz oder in Ergänzung eines solchen parametrischen Modells kann auch eine gespeicherte Tabelle oder eine beliebige in einer Datenbank abgelegte Information, welche Zusammenhänge zwischen rele¬ vanten Einflüssen und Zustandsänderungen der Batterie wiedergibt, für die Ladungszustandsberechnung herangezogen werden. In jedem Fall werden ab dem StartZeitpunkt der Ladungszu- Standsberechnung entweder permanent oder an einzelnen Zeitpunkten Betriebsparameter der Batterie, insbesondere die aus der Batterie entnommene oder dieser zugeführte Ladungsmenge, messtechnisch erfasst und hieraus unter Berücksichtigung von Alterungseffekten der Ladungszustand sowie die Restladung der Batterie berechnet.
Beim Start des Betriebs der Batterie ist der Ladezustand ty¬ pischerweise weder nahe der vollständigen Ladung (SOC = 100%) noch nahe der vollständigen Entladung (SOC = 0%) . Vielmehr befindet sich die Batterie bei der Aufnahme des Betriebs, in welchem der Ladezustand gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt wird, vorzugsweise im mittleren, flachsten Bereich der Ladekurve. Wird die Ladungszustandsberechnung während des Ladens der
Batterie ausgelöst, so wird der Spannungsschwellwert in be¬ vorzugter Verfahrensführung bei einem Ladezustand der Batterie überschritten, welcher vom Zustand der vollständigen Ladung weniger als 20% entfernt ist. Gleichzeitig ist der Lade- zustand der Batterie hierbei vorzugsweise mehr als 5% vom Zu¬ stand der vollständigen Ladung entfernt. Anders ausgedrückt: Der SOC liegt, wenn die Ladungszustandsberechnung während des Ladens der Batterie startet, vorzugsweise zwischen 80% und 95%.
Wird dagegen die Ladungszustandsberechnung während des Entladens der Batterie ausgelöst, so wird der Spannungsschwellwert in bevorzugter Verfahrensführung bei einem Ladezustand der Batterie unterschritten, welcher vom Zustand der vollständi- gen Entladung weniger als 20% entfernt ist. Gleichzeitig ist der Ladezustand der Batterie hierbei vorzugsweise mehr als 5% vom Zustand der vollständigen Entladung entfernt. In diesem Fall liegt der SOC somit beim Start der Ladungszustandsbe¬ rechnung vorzugsweise zwischen 5% und 20%.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist der Spannungs- schwellwert temperaturabhängig festgelegt. Beispielsweise ist der Spannungsschwellwert einem Ladezustand zugeordnet, der um so näher am Zustand vollständiger Ladung (im Fall einer Auslösung der Ladungszustandsberechnung während des Entladens) beziehungsweise am Zustand vollständiger Entladung (im Fall einer Auslösung der Ladungszustandsberechnung während des Ladens) liegt, je geringer die Temperatur ist, bei welcher die Batterie betrieben wird.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mit einer Kombination von mindestens einem an einem Stützpunkt (Spannungsschwellwert) während des laufenden Betriebs einer Batterie vorgenommenen Messung und einer Alterungseffekte einbeziehenden Modellierung von Lade- sowie Entladevorgängen präzise der Ladezustand der Batterie bestimmt wird, ohne de¬ ren Nutzbarkeit zu Messzwecken zu unterbrechen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen: FIG 1 in einem Blockdiagramm eine Anordnung aus stationärer
Batterie, Mess- und Auswertevorrichtung, sowie Energiequelle und Stromverbraucher,
FIG 2 hysteresefreie temperaturabhängige Ladekurven einer
Lithium- Ionen-Batterie,
FIG 3 temperaturabhängige, partiell flache Ladekurven einer
Hysterese aufweisenden Batterie mit Kalibriermöglichkeiten in den Randbereichen der Kennlinien,
FIG 4 in einem dreidimensionalen Diagramm die Strom- und
Temperaturabhängigkeit der Kapazität einer Batterie, FIG 5 in einem dreidimensionalen Diagramm die Strom- und
Temperaturabhängigkeit der Differenzladungsmenge beim Laden einer Batterie, FIG 6 in einer Darstellung analog FIG 5 die Differenzla¬ dungsmenge beim Entladen einer Batterie,
FIG 7 in einem Flussdiagramm einen Ablaufplan zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie,
FIG 8 einen Verlauf von Strom, Spannung und erfasster Ladung beim Laden einer Batterie.
Bei einer in FIG 1 mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Batterie handelt es sich um eine stationäre Batterie, die beispielsweise als Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere als Titanat- oder Eisenphosphat-basierte Batterie, ausgebildet ist. Die Batterie 1 ist zum Beispiel in das Netz eines Ener¬ gieversorgungsunternehmens eingebunden. An die Batterie 1 ist eine Mess- und Auswertevorrichtung 2 angeschlossen, auf wel- che im Folgenden näher eingegangen wird.
Die Mess- und Auswertevorrichtung 2 kann abweichend von der symbolisierten Darstellung nach FIG 1 in das Gehäuse der Batterie 1 integriert sein. Prinzipiell ist die Integration ei- ner Einrichtung zur Batteriezustandserkennung in ein Batteriegehäuse beispielsweise aus der DE 100 56 972 AI bekannt.
An die Mess- und Auswertevorrichtung 2 sind im Beispiel nach FIG 1 eine Energiequelle 3, beispielsweise ein Photovoltaik- modul, sowie ein Stromverbraucher 4, beispielsweise ein elektrisches Haushaltsgerät, angeschlossen. Die Anzahl sowie die Art der unter Zwischenschaltung der Mess- und Auswertevorrichtung 2 an die Batterie 1 anschließbaren Energiequellen und Stromverbraucher ist grundsätzlich keinen Beschränkungen unterworfen.
Allgemeine Zusammenhänge zwischen dem Ladezustand einer Bat¬ terie und der an den Klemmen der Batterie messbaren Spannung sind in FIG 2 in Form einer Schar von Ladekurven für unter- schiedliche Temperaturen, nämlich 10°C, 25°C und 40°C, darge¬ stellt. Die Batterie, auf welche sich das Diagramm nach FIG 2 bezieht, ist grundsätzlich für die Verwendung in der Anordnung nach FIG 1 geeignet. Es handelt sich hierbei um eine Li- thium-Ionen-Batterie mit Oxid-Kathoden. Eine solche Batterie zeichnet sich durch eine steile Spannungskennlinie aus, wie sie in FIG 2 für jede der genannten Temperaturen erkennbar ist. Aufgrund der in einem weiten Temperaturbereich stetig steigenden Spannungskennlinie wäre die Batterie, auf welche sich die FIG 2 bezieht, geeignet, den Ladezustand, der in FIG 2 nicht in Relation zur Vollladung, sondern absolut in Amperestunden angegeben ist, aus der an der Batterie anliegenden Spannung herzuleiten. Für dieses Prinzip der Bestim- mung des Ladezustandes spricht zusätzlich die Tatsache, dass die Ladekurve keine Hysterese zeigt.
Nachteilig an der Bestimmung des Ladezustandes unmittelbar auf Basis der in FIG 2 dargestellten Ladekurve ist jedoch ei- ne beträchtliche Ruhephase, die vor der Messung einzuhalten ist, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Eine solche Ruhephase wird durch das erfindungsgemäße Verfahren voll¬ ständig vermieden, so dass dieses selbst im Fall einer Batte¬ rie mit sehr ausgeprägtem Leerlaufspannungs-Ladungs-Zusammen- hang, wie nach FIG 2 gegeben, vorteilhaft ist.
Die in FIG 3 dargestellte Lade-/Entladekurve bezieht sich auf die Batterie 1 des Ausführungsbeispiels nach FIG 1 und weist im Vergleich zum Beispiel nach FIG 2, abgesehen von den Be- reichen nahe der vollständigen Ladung oder Entladung, einen sehr flachen Verlauf sowie eine ausgeprägte Hysterese auf. Bei dieser Batterie 1 kommen die Vorteile des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens zur Ladezustandsbestimmung besonders stark zur Geltung. Die Spannungskennlinien nach FIG 3 beziehen sich auf die Temperaturen 0°C, 10°C, 25°C und 35°C.
Deutlich erkennbar ist in FIG 3 der im Vergleich zum mittleren Bereich wesentlich steilere Verlauf der Spannungskennlinien in den Randbereichen bis zu einem SOC von etwa 20% so- wie ab einem SOC von etwa 80%. Diese Randbereiche werden zur Kalibrierung eines Modells zur Bestimmung des Ladezustands während des laufenden Betriebs der Batterie 1 genutzt. Startet der Betrieb des Stromverbrauchers 4 oder der Energie¬ quelle 3 mit etwa halb geladener Batterie 1, so weist die La¬ dekurve in diesem Bereich einen sehr flachen Verlauf auf, der für die Verfolgung des Ladezustands nicht geeignet ist.
Stattdessen wird in diesem Bereich der Ladezustand auf andere Weise, nämlich mittels eines Amperestundenzählers, verfolgt. Diese Art der Fortschreibung des Ladezustands bei Entlade- sowie Ladevorgängen führt jedoch zur Addition von Fehlern. Um die Fehleraddition bei der kontinuierlichen, ladungsba- sierten Zustandserfassung der Batterie zu limitieren, ist im unteren sowie oberen Randbereich der Ladekurve jeweils ein Spannungsschwellwert Us festgelegt, welcher beim entladen be¬ ziehungsweise Laden der Batterie 1 zum Tragen kommt.
Einem bestimmten Ladezustand, der zwischen 80% und 95% der Vollladung entspricht, ist ein erster Spannungsschwellwert Us zugeordnet, welcher temperaturabhängig ist, in jedem Fall jedoch innerhalb des genannten Intervalls, bezogen auf den La- dezustand (SOC) liegt. Der erste Spannungsschwellwert Us wird während des Ladens der Batterie 1 überschritten. Während vor dem Zeitpunkt des Überschreitens des ersten Spannungsschwell¬ wertes Us der Ladezustand, wie ausgeführt, modellbasiert, insbesondere mittels Addierung der in die Batterie 1 fließen- den oder aus der Batterie 1 fließenden elektrischen Ladung Q, verfolgt wird, löst das Überschreiten des Spannungsschwell¬ wertes Us einen Kalibriervorgang aus, der den an dieser Stelle relativ steilen Verlauf der Ladekurve ausnutzt. Insbesondere bedeutet das Erreichen des Spannungsschwellwertes Us, dass die zuvor modellbasierte Ermittlung des Ladezu¬ stands mit der unmittelbaren, ladekurvenbasierten Ermittlung des Ladezustands abgeglichen wird und damit das indirekte, die laufend erfassten Ladungen kumulierende Modell zur Lade- zustandsbestimmung kalibriert wird. Bei jedem Kalibriervorgang werden auch Alterungseffekte berücksichtigt. Analog zum Laden der Batterie 1 wird auch während des Entla¬ dens, das heißt des Betriebes des Stromverbrauchers 4, solan¬ ge der mittlere, flache Bereich der Ladekurve nicht verlassen wird, der Ladezustand modellbasiert fortgeschrieben.
Erst wenn die Batterie sich der vollständigen Entladung nähert, bei einem SOC von weniger als 20%, wird wiederum die in diesem Bereich steile Spannungskennlinie genutzt, um die La¬ dezustandsbestimmung erneut zu kalibrieren. Analog zum ge- nannten ersten Spannungsschwellwert Us, welcher nahe der vollständigen Ladung der Batterie 1 durchschritten wird, dient ein weiterer, unterer Spannungsschwellwert Us der Kali¬ brierung der Ladezustandsbestimmung im annähernd entladenen Betrieb der Batterie 1.
Die Festlegung der Spannungsschwellwerte Us auf Werte, die bei nicht vollständig geladener beziehungsweise nicht voll¬ ständig entladener Batterie anliegen, ermöglicht eine regel¬ mäßige Kalibrierung auch bei Betriebsmodi ohne komplette La- de- und Entladezyklen der Batterie. Auch der obere Spannungs¬ schwellwert Us liegt unterhalb der maximalen Spannung, bei welcher die Dauerfestheit der Batterie 1 gegeben ist, das heißt unterhalb des maximal zulässigen Spannungswertes. Bei der Modellierung der noch abgebbaren Batterieladung
AhRest, Entladen im Entladevorgang sowie der noch aufnehmbaren Batterieladung AhRest, Laden im Ladevorgang wird unter anderem die Temperatur sowie die Stromstärke berücksichtigt. Insge¬ samt wird das zur Ladezustandsbestimmung verwendete Modell vor Inbetriebnahme der Anordnung nach FIG 1, das heißt off¬ line, ermittelt. Zu diesem Zweck werden mit Batterien des zu in der Anordnung nach FIG 1 verwendenden Typs Messkampagnen durchgeführt, bei welchen Betriebsgrößen wie Temperatur und Stromstärke variiert werden. Die Messkampagnen können für verschiedene Batterietypen wiederholt werden, ohne das Modell der Ladezustandsbestimmung grundlegend zu ändern. Aus den durchgeführten Versuchen werden Zusammenhänge, beispielsweise zwischen Temperatur, Stromstärke und Differenzladungsmenge oder zwischen Temperatur, Stromstärke und Kapazität der Bat¬ terie 1 extrahiert, welche in die Modellierung des Ladezu¬ stands SOC und weiterer Kenngrößen, insbesondere der verfüg¬ baren Kapazität, sowie der Differenzladungsmengen AhRest, Laden und AhRest, Entladen, Eingang finden.
Die genannten Zusammenhänge können in diskreter Form, beispielsweise in Form einer LookUp-Tabelle, oder durch eine pa¬ rametrische Modellierung hinterlegt werden.
Ein Beispiel einer parametrischen Modellierung ist in FIG 4, welche die Strom- und Temperaturabhängigkeit der Kapazität der Batterie 1 zeigt, veranschaulicht. Für verschiedene Kom¬ binationen von Temperatur T (in °C; x-Achse) und Strom I (in A; y-Achse) wird die Batteriekapazität Ahverfügbar (in Ah; z-
Achse) , welche im aktuellen Zustand der Batterie nutzbar ist, gemessen .
Die Messwerte sind in FIG 4 als Endpunkte von Linien, die sich parallel zur z-Achse erstrecken, hervorgehoben. Durch eine datenreduzierende Modellierung mittels eines quadrati¬ schen Polynom-Ansatzes wird ein Zusammenhang zwischen der Batteriekapazität Ahverfügbar, dem Strom I und der Temperatur T ermittelt, welcher in FIG 4 durch eine über die genannten Endpunkte gelegte gekrümmte Fläche sichtbar gemacht ist.
In entsprechender Weise werden nach dem Durchlaufen festgelegter Messkampagnen die Differenzladungsmengen bis zum Erreichen der vollständigen Ladung (FIG 5) und Entladung
(FIG 6) der Batterie 1 bei verschiedenen Temperaturen T und Stromstärken I ermittelt und in geeigneter Form modelliert. In beiden Fällen kommt analog zu dem anhand FIG 4 erläuterten Beispiel eine Regressionsanalyse der Differenzladungsmenge zum Einsatz. Die FIG 5 bezieht sich auf das Spannungsniveau 2,2 V; die FIG 6 auf das Spannungsniveau 1,6 V.
Während des laufenden Betriebs der Batterie 1, das heißt im Online-Einsatz, werden, getrennt nach Lade- und Entladevor- gängen, mittels der Mess- und Auswertevorrichtung 2 permanent Über- oder Unterschreitungen der kurz auch als Schwellwerte bezeichneten Spannungsschwellwerte Us überwacht, welche eine Ladezustandsberechnung mit den Modellen gemäß den FIG 4 bis 6 auslösen.
Der gesamte Ablauf der Bestimmung des Ladezustands der Batte¬ rie 1 einschließlich Korrekturen in Form von durch Über- oder Unterschreitungen von Spannungsschwellwerten Us getriggerten Kalibrierungsvorgängen wird im Folgenden anhand des Flussdiagramms nach FIG 7 erläutert.
Der erste Verfahrensschritt Sl bezeichnet den Beginn des Ver¬ fahrens. Im nächsten Schritt S2, nach Inbetriebnahme der Bat- terie 1, wobei hierbei bereits der Stromverbraucher 4 und/ oder die Energiequelle 3 angeschlossen ist, wartet die Mess- und Auswertevorrichtung 2 auf Messwerte der Spannung U, des durch die Anschlüsse der Batterie 1 fließenden Stromes I, so¬ wie der Temperatur T.
Im folgenden Schritt, dem Verfahrensschritt S3, wird geprüft, ob ein Strom I anliegt. Ist dies nicht der Fall, wird im Schritt S3 weiter auf neue Messwerte gewartet. Sobald die Prüfung im Schritt S3 ergibt, dass ein Strom I anliegt, das heißt die Batterie 1 entweder geladen oder entladen wird, wird im Schritt S4 geprüft, ob die gemessene Spannung U dem Spannungsschwellwert Us (im Fall eines einzigen Spannungs¬ schwellwertes) beziehungsweise einem der Spannungsschwell¬ werte Us (im Fall mehrerer Spannungsschwellwerte, insbeson- dere im Fall von Schwellwerten einerseits für nahezu voll¬ ständige Ladung und andererseits für nahezu vollständige Ent¬ ladung) entspricht. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfah¬ ren wiederum mit dem Schritt S2 fortgesetzt. Erst wenn der Schwellwert Us durch die gemessene Spannung U getroffen wird, also entweder während des Ladens über- oder während des Ent¬ ladens unterschritten wird, werden im Schritt S5 die Kapazität AhVerfüg ar der Batterie 1 sowie deren Restladung AhRest, Laden beziehungSWeise Ahp_est, Entladen (je nach Betriebszustand, in wel- ehern sich die Batterie 1 befindet) und Ladezustand SOC be¬ rechnet. Schließlich kann, falls erforderlich im letzten Verfahrensschritt S6 der Ladezustand SOC korrigiert werden. Nach erfolgter Korrektur springt das Verfahren zur Ladezustands- bestimmung zum Schritt S2 zurück.
Die beschriebene Auslösung der Korrektur des Ladezustands SOC durch Erreichen des Spannungsschwellwertes Us geht anschau¬ lich auch aus den drei übereinander angeordneten Diagrammen nach FIG 8 (mit übereinstimmender Zeitachse als x-Achse) her¬ vor. Gezeigt ist ein Ladevorgang mit einem rechteckigen Verlauf des in die Batterie 1 gespeisten Stromes I. Mit zuneh¬ mender Ladungsmenge, die in die Batterie 1 eingespeist wird, steigt deren im laufenden Betrieb gemessene Spannung U konti- nuierlich an. Die in Amperestunden angegebene elektrische La¬ dung in der Batterie 1 wird durch Berechnung, zum Beispiel durch Amperestundenzählung, ermittelt und ist im untersten der drei Diagramme in FIG 8 aufgetragen. In FIG 8 ist ein Ladevorgang gezeigt, wobei in diesem Fall von einem annähernd linearen Anstieg der Ladung ausgegangen wird. In dem als Zeitpunkt ts bezeichneten Moment der Über¬ schreitung des Spannungsschwellwertes Us wird, wie im die be¬ rechnete Ladung aufzeigenden Diagramm in FIG 8 nicht maßstäb- lieh veranschaulicht, die Korrektur K durch Kalibrierung
(Schritt S6 nach FIG 7) ausgelöst, welche nur eine sehr ge¬ ringe, in FIG 8 nicht erkennbare Zeit in Anspruch nimmt.
Nach der Korrektur K, welche in FIG 8 durch einen abrupten Einbruch in der ansonsten ansteigenden Kurve, welche die Ladung angibt, sichtbar ist, wird die weitere Bestimmung der Ladung rechnerisch, zum Beispiel durch Ladungszählung, fortgesetzt. Der Kalibrierungsvorgang wird bei jedem Erreichen des Spannungsschwellwertes Us wiederholt, so dass der Ladezu- stand SOC der Batterie 1 auch in längeren Betriebsphasen, in welchen keine vollständige Ladung oder Entladung der Batterie 1 eintritt, mittels der Mess- und Auswertevorrichtung 2 stets mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batteil), mit folgenden Schritten:
Messung der an der Batterie (1) anliegenden Spannung (U) während des Batteriebetriebs,
Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem Spannungsschwellwert (Us) , welcher geringer als der Dauer- festigkeitsspannungswert der Batterie (1) ist,
Festsetzung desjenigen Zeitpunktes (ts) , zu welchem die gemessene Spannung (U) dem Spannungsschwellwert (Us) entspricht, als StartZeitpunkt einer Ladungszustandsbe- rechnung,
Durchführung der Ladungszustandsberechnung, wobei in diese zumindest die durch die Anschlüsse der Batterie (1) fließende elektrische Ladung sowie alterungsabhängige Zustandsänderungen der Batterie (1) einfließen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die in die Ladezustandsberech nung einfließenden alterungsabhängigen Zustandsänderungen ka lendarische Alterungseffekte einschließen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die in die Ladezustandsberechnung einfließenden alterungsabhängigen Zustandsänderungen von der durch die Batterie (1) durchgesetzten Ladung abhängige Alterungseffekte einschließen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit dem Spannungsschwellwert (Us) während der Entladung der Batterie (1), bei einem an diese angeschlosse nen Stromverbraucher (4), erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit dem Spannungsschwellwert (Us) während des Ladens der Batterie (1) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass in die Ladungszustandsberech- nung die Temperatur der Batterie (1) eingeht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass alterungsabhängige Zustandsän- derungen der Batterie (1) mittels eines parametrischen Mo¬ dells in die Ladungszustandsberechnung eingehen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass alterungsabhängige Zustandsän- derungen der Batterie (1) mittels einer gespeicherten Tabelle in die Ladungszustandsberechnung eingehen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (Us) bei einem Ladezustand der Batterie (1) überschritten wird, welcher vom Zustand der vollständigen Ladung weniger als 20% entfernt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (Us) während des Ladens bei einem Ladezustand der Batterie (1) überschritten wird, welcher vom Zustand der vollständigen La- dung mehr als 5% entfernt ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (Us) bei einem Ladezustand der Batterie (1) unterschritten wird, welcher vom Zustand der vollständigen Entladung weniger als 20% entfernt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (Us) während des Entladens bei einem Ladezustand der Batterie (1) unterschritten wird, welcher vom Zustand der vollständigen Entladung mehr als 5% entfernt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (Us) temperaturabhängig festgelegt ist.
14. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, einge¬ richtet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
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