DE102016201026A1

DE102016201026A1 - Method and device for determining a residual capacity of a battery

Info

Publication number: DE102016201026A1
Application number: DE102016201026.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Hollas; Eugen Getzinger; Ingo Metge
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN106997026A; CN106997026B; DE102016201026B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (2) durch eine Impedanzmessung bei einer Frequenz, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Batterie (2) mit bekannter Nennkapazität, mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letztem Lade-/Entladevorgang (2), b) Ermitteln eines Impedanzwertes (Z) bei genau einer Frequenz f, c) Ermitteln von zwei Auswertegrößen anhand der genau einen ermittelten Impedanz (Z), wobei als Auswertegrößen der Imaginärteil (Z“) und der Phasenwinkel (φ) bestimmt werden, d) Bestimmen eines SOH-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Imaginärteils (Z“) mit mindestens einem Referenzwert, e) Bestimmen eines SOC-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Phasenwinkels (φ) mit mindestens einem Referenzwert und f) Bestimmen der Restkapazität aus dem bestimmten SOH-Wert und dem bestimmten SOC-Wert unter Berücksichtigung der Nennkapazität der Batterie (2).The invention relates to a device (1) and a method for determining a residual capacity of a battery (2) by an impedance measurement at a frequency, comprising the steps of: a) providing a battery (2) of known nominal capacity, with known temperature and known time b) determining an impedance value (Z) at exactly one frequency f, c) determining two evaluation variables on the basis of exactly one impedance (Z) determined, the evaluation quantities being the imaginary part (Z ") and the D) determining a SOH value of the battery (2) based on a comparison of the imaginary part (Z ") with at least one reference value, e) determining an SOC value of the battery (2) on the basis of a comparison of the phase angle (φ) having at least one reference value and f) determining the residual capacity from the determined SOH value and the determined SOC value taking into account the nominal capacity of the battery ( 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie. The invention relates to a method and a device for determining a residual capacity of a battery.

Die Kenntnis von Zustandsgrößen einer Batterie ist äußerst wichtig, beispielsweise um Betriebsstrategien und/oder deren Austausch festzulegen. Zunächst sollen daher einige Batteriekenngrößen kurz erläutert bzw. definiert werden. The knowledge of state variables of a battery is extremely important, for example, to establish operating strategies and / or their replacement. First, therefore, some battery characteristics are briefly explained or defined.

Die Kapazität einer Batterie ist temperaturabhängig und wird in der Einheit Amperestunde [Ah] angegeben. Sie wird durch Entladung mit dem definierten Strom I₂₀ = Nennkapazität/20 [A] bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bestimmt. (siehe auch DIN EN 50342-1 ). Im Folgenden werden definiert:
Nennkapazität K₂₀: Stellt die nominale Kapazität dar, die der Hersteller angibt. Sie ist die mindestens enthaltene Kapazität in [Ah], die in einer neuen Batterie gespeichert ist und bei zwanzigstündiger Entladung mit dem definierten Strom I₂₀ bei einer Temperatur von T = (27 +0 / –2 )°C bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bereitgestellt werden kann. The capacity of a battery is temperature-dependent and is given in the unit Ah [Ah]. It is determined by discharge with the defined current I ₂₀ = rated capacity / 20 [A] up to the switch-off criterion of U = 10.5 V. (see also DIN EN 50342-1 ). The following defines:
Nominal capacity K ₂₀ : Represents the nominal capacity indicated by the manufacturer. It is the minimum contained capacity in [Ah] stored in a new battery and when discharged for 20 hours with the defined current I ₂₀ at a temperature of T = (27 +0 / -2 ) ° C can be provided up to the switch-off criterion of U = 10.5 V.

Istkapazität K_IST: Bezeichnet die maximale Kapazität in [Ah] im aktuellen Alterungszustand der Batterie bei T = (27 +0 / –2 )°C. Actual capacity K _IST : Indicates the maximum capacity in [Ah] in the current state of aging of the battery at T = (27 +0 / -2 ) ° C.

Restkapazität K_REST: Die Restkapazität stellt die Kapazität in [Ah] dar, die im aktuellen Ladungs- und Alterungszustand (Betriebszustand) bei T = (27 +0 / –2 )°C vorliegt. Sie ist kleiner oder gleich der Istkapazität. Residual capacity K _REST : The residual capacity represents the capacity in [Ah] which in the current charge and aging state (operating state) at T = (27 +0 / -2 ) ° C is present. It is less than or equal to the actual capacity.

Der Ladungszustand (SOC, State-of-Charge) einer Batterie ist wie folgt definiert:

The state of charge (SOC) of a battery is defined as follows:

Die Definition des Gesundheitszustands (SOH, State-of-Health) einer Batterie lautet:

The definition of health status (SOH, state-of-health) of a battery is:

Der SOC kann maximal 100 % betragen, da K_IST die maximale Kapazität darstellt, wobei der Wert des SOHs > 100 % betragen kann, da die maximal mögliche Kapazität K_IST einer neuen Batterie meist die vom Hersteller angegebene Nennkapazität K₂₀ übersteigt. The SOC can be a maximum of 100%, since K _{IST represents} the maximum capacity, whereby the value of the SOH can be> 100%, since the maximum possible capacity K _{IST of} a new battery usually exceeds the rated capacity K ₂₀ specified by the manufacturer.

Zur Bestimmung der Restkapazität ohne Entladung müssen SOC und SOH bekannt sein. K_REST = SOC·SOH·K₂₀ To determine the residual capacity without discharge, SOC and SOH must be known. K _REST = SOC · SOH · K ₂₀

Alterungseffekte von Blei-Säure-Batterien stellen irreversible Schäden dar, die sich negativ auf Bauteilfunktion und SOH auswirken. Der Verlust an aktiver Masse bewirkt beispielsweise eine geringere Istkapazität der Batterie und somit eine geringere Energiemenge, die in der Batterie gespeichert werden kann. Verursacht wird der Verlust der Istkapazität durch die zyklische Belastung der Batterie sowie durch Korrosion. Korrosion wird insbesondere durch längere Verweilzeit der Batterie in geringem Ladezustand insbesondere bei hohen Temperaturen begünstigt. Die Folgen der Alterung durch Zyklisierung und Korrosion sind beispielsweise Abschlammung, Oberflächensulfatierung und Bruch von Stegen des stromableitenden Gitters der positiven Elektroden. Eine kostengünstige, schnelle und zuverlässige Bestimmung der aktuellen Restkapazität einer Batterie ist für den Einsatz im Industrie- und Konsumbereich von großer Bedeutung, insbesondere wenn die Batterie nur im Notfall Sicherheitssysteme einer Anlage oder eines Fahrzeuges versorgen muss. Übernimmt die Batterie keine weiteren Funktionen ist eine Überprüfung ihrer aktuellen Leistungsfähigkeit aufgrund der fehlenden, nicht bewertbaren Historie des Verhaltens unter Belastung bislang sehr unsicher oder zeit- und kostenintensiv. Lead-acid battery aging effects irreversible damage that negatively impacts component performance and SOH. The loss of active mass causes, for example, a lower actual capacity of the battery and thus a smaller amount of energy that can be stored in the battery. The loss of the actual capacity is caused by the cyclic loading of the battery as well as by corrosion. Corrosion is promoted in particular by prolonged residence time of the battery in a low state of charge, especially at high temperatures. The consequences of aging due to cyclization and corrosion are, for example, sludge, surface sulfation and breakage of lands of the current-draining grid of the positive electrodes. A low-cost, fast and reliable determination of the current residual capacity of a battery is of great importance for use in industry and the consumer sector, especially if the battery only in an emergency safety systems of a plant or a vehicle must supply. If the battery does not take on any further functions, a review of its current performance due to the missing, unpredictable history of the behavior under load is so far very uncertain or time and cost intensive.

Aus der DE 102 20 172 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer elektrochemischen Vorrichtung bekannt, bei dem mit Hilfe einer Messeinrichtung an Anschlüssen der elektrochemischen Vorrichtung eine Impedanz gemessen wird, wobei in einer Auswerteeinrichtung der Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung anhand der Größe eines Imaginärteils der gemessenen Impedanz überwacht wird. Dabei werden vorzugsweise Impedanzen bei wenigstens zwei Frequenzen gemessen. Durch die Messung der Impedanzen bei wenigstens zwei Frequenzen kann eine Ortskurve der elektrochemischen Vorrichtung aufgenommen werden, die einen für den jeweiligen Betriebszustand charakteristischen Verlauf zeigt. Durch Auswerten der Impedanzen der Ortskurve bei verschiedenen Frequenzen kann dann auf den Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung geschlossen werden. Dabei wird die Ortskurve vorzugsweise an den Stellen analysiert oder ausgewertet, an denen sich die Ortskurve auf eine für die jeweiligen Betriebszustände charakteristische Art und Weise ändert. From the DE 102 20 172 A1 a method for monitoring the operating state of an electrochemical device is known in which an impedance is measured by means of a measuring device at terminals of the electrochemical device, wherein in an evaluation device, the operating state of the electrochemical device is monitored by the size of an imaginary part of the measured impedance. In this case, impedances are preferably measured at at least two frequencies. By measuring the impedances at at least two frequencies, a locus of the electrochemical device can be recorded which shows a characteristic characteristic of the respective operating state. By evaluating the impedances of the locus at different frequencies can then be concluded that the operating state of the electrochemical device. In this case, the locus curve is preferably analyzed or evaluated at the points at which the locus curve changes to a characteristic manner for the respective operating states.

Aus der DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batteriezelle bekannt, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Batteriezelle,
b) Aufnehmen eines Impedanzspektrums der Batteriezelle,
c) Ermitteln einer Auswertegröße anhand des gemessenen lmpedanzspektrums,
d) Bestimmen eines Alterungszustandes der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit einem Referenzwert und Übertragung des Ergebnisses für eine Zelle auf die gesamte Batterie, wobei mögliche Unterschiede des Alterungszustandes einzelner Zellen unberücksichtigt bleiben

From the DE 10 2009 000 337 A1 a method for determining an aging state of a battery cell is known, comprising the steps:

a) providing a battery cell,
b) picking up an impedance spectrum of the battery cell,
c) determining an evaluation variable on the basis of the measured impedance spectrum,
d) determining a state of aging of the battery cell based on a comparison of Evaluation value with a reference value and transmission of the result for a cell on the entire battery, taking into account possible differences in the aging state of individual cells

Die Auswertegröße A wird dabei durch Aufnahme von mindestens zwei Impedanzen oder eines Impedanzspektrums ermittelt. Dabei ist vorzugsweise die Auswertegröße der Betrag der gemessenen Impedanz in Ohm bei einer bestimmten Niederfrequenz und der Referenzwert eine reelle Zahl mit der Einheit Ohm. Als Niederfrequenz kann dabei jede Frequenz ≤ 10 Hz, bevorzugt ≤ 1 Hz, sein. Besonders bevorzugt wird eine Frequenz aus dem Bereich 0,1 Hz bis 0,3 Hz. Dabei wird in der Druckschrift die prinzipielle Anwendung für alle gebräuchlichen Akkumulatortechnologien beschrieben. The evaluation variable A is determined by recording at least two impedances or an impedance spectrum. In this case, the evaluation variable is preferably the amount of the measured impedance in ohms at a certain low frequency and the reference value a real number with the unit ohms. In this case, any frequency can be ≤ 10 Hz, preferably ≤ 1 Hz, as the low frequency. Particularly preferred is a frequency in the range of 0.1 Hz to 0.3 Hz. In the document, the principal application for all conventional accumulator technologies is described.

Allerdings hat sich in praktischen Versuchen ergeben, dass die SOH-Bestimmung bei Blei-Säure-Batterien mit den vorgeschlagenen Verfahrensschritten nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Dabei ist anzumerken, dass das beschriebene Verfahren aus DE 10 2009 000 337 A1 keinen SOH als Ergebnis bereitstellt, da der SOH zu

definiert ist. Es wird vielmehr eine restliche Lebenszeit in Tagen angegeben, die vom Ladungszustand (SOC) und der Temperatur abhängt. However, practical tests have shown that the SOH determination in lead-acid batteries with the proposed process steps does not lead to satisfactory results. It should be noted that the method described DE 10 2009 000 337 A1 does not provide SOH as a result, since the SOH is too

is defined. Rather, a remaining lifetime is given in days, which depends on the state of charge (SOC) and the temperature.

Aus der DE 692 29 805 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der verbleibenden Kapazität einer Akkumulatorzelle bekannt. Dabei werden mindestens zwei Impedanzen der Zelle gemessen, wobei jede der Impedanzen mit einer verschiedenen Frequenz in einem ungefähren Bereich von 0,001 bis 1,0 Hz gemessen wird. Dabei wird eine ungefähre Steigung einer durch die Erfassungen des Imaginärteils der Impedanz als Funktion des Realteils der Impedanz definierten Linie. Die verbleibende Kapazität der Zelle wird durch Vergleich der bestimmten Steigung mit einer Eichkurve der Steigung als Funktion der verbleibenden Kapazität bestimmt, wobei die Eichkurve durch Messen für mindestens zwei Zellen bekannter Kapazität mit verschiedenen Werten der verbleibenden Kapazität mindestens zwei Impedanzen je Zelle bei verschiedenen Frequenzen gemessen wird. Die Frequenzen liegen dabei wieder im Bereich zwischen 0,001 bis 1,0 Hz. From the DE 692 29 805 T2 For example, a method for determining the remaining capacity of an accumulator cell is known. In this case, at least two impedances of the cell are measured, each of the impedances being measured at a different frequency in an approximate range of 0.001 to 1.0 Hz. Thereby, an approximate slope of a line defined by the detections of the imaginary part of the impedance as a function of the real part of the impedance becomes. The remaining capacity of the cell is determined by comparing the determined slope with a slope slope as a function of the remaining capacity, measuring the calibration curve by measuring for at least two cells of known capacity with different values of remaining capacity at least two impedances per cell at different frequencies , The frequencies are again in the range between 0.001 to 1.0 Hz.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein einfaches, robustes und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität einer Batterie zur Verfügung zu stellen sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zu schaffen. The invention is therefore based on the technical problem of providing a simple, robust and cost-effective method for determining the residual capacity of a battery and to provide a device suitable for this purpose.

Die Lösungen des technischen Problems ergeben sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solutions to the technical problem result from a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 5. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität umfasst die Verfahrensschritte des Bereitstellens einer Batterie mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung sowie des Ermittelns genau eines Impedanzwertes bei genau einer Frequenz f. Aus der ermittelten Impedanz wird der Imaginärteil der Impedanz als Auswertegröße ermittelt, wobei die Bestimmung eines SOH-Wertes der Batterie anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit mindestens einem Referenzwert erfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass Untersuchungen gezeigt haben, dass sich der Realteil der Impedanz insbesondere von Blei-Säure-Batterien in Abhängigkeit vom SOH-Wert nicht-linear verändert und daher messtechnisch nur schwer auswertbar ist. Dies führt dazu, dass auch bei Auswertungen der Gesamtimpedanz die Unterschiede durch den schlecht differenzierenden Realteil abgeschwächt werden. Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung an dem sehr viel prägnanteren Imaginärteil vorgenommen, was eine signifikante Verbesserung bei der Bestimmung der SOH-Werte bewirkt. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich mit mehreren Referenzwerten, um den SOH-Wert möglichst genau zu bestimmen. Die Referenzwerte werden dabei empirisch bestimmt und abgelegt und zur Definition von SOH-Bereichen zusammengefasst. Der Begriff SOH-Wert oder SOC-Wert soll daher auch einen Bereich wie beispielsweise SOC = 60–70 % umfassen, wenn nicht aus dem Kontext hervorgeht, dass genau ein Wert gemeint ist, wie beispielsweise SOC = 100 %. Liegt dann beispielsweise ein Imaginärteil Z“ zwischen zwei Referenzwerten, so wird diesem ein SOH-Bereich zugeordnet. Dabei ist zu beachten, dass die Referenzwerte bei vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden wie die Imaginärteile zur Bestimmung des SOH-Bereiches eines Prüflings. So ist beispielsweise die Impedanz und auch deren Imaginärteil von der Temperatur, dem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung der Batterie und von der Frequenz abhängig. Die Frequenz kann dabei sehr einfach konstant gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der SOH-Bestimmung erweist sich in dem bevorzugten Frequenzbereich von f < 10 Hz als unabhängig vom SOC, sodass hauptsächlich Temperatur und Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung zu berücksichtigen sind. Dies kann auch durch Korrekturterme erfolgen. Bevorzugt wird die Probe bei der gleichen Temperatur wie die Referenz vermessen. Ferner erfolgen die Vermessung der Probe und der Referenz bevorzugt im Ruhezustand der Batterie, d.h. min. 0,5 Stunden, bevorzugt 5 bis 12 Stunden, nach letzter Ladung/Entladung. Als Ruhezustand einer Blei-Säure-Batterie wird die Abwesenheit signifikanter Diffusionsprozesse, die unmittelbar nach Lade-/ Entladevorgängen über min. 0,5 Stunden aufgrund von Säuredichteunterschieden in den Elektroden und im freien Elektrolyten ablaufen, definiert. Dabei sei angemerkt, dass die Batterien vorzugsweise Blei-Säure-Batterien sind, aber auch andere Batterietechnologien wie z.B. Li-Ionen-Batterien mit Durchtrittsreaktion an der Phasengrenze Fest (Elektrode) / Flüssig (Elektrolyt) vermessen werden können. The method for determining the residual capacity comprises the method steps of providing a battery of known temperature and known time after the last charge / discharge and determining exactly one impedance value at exactly one frequency f. From the impedance determined, the imaginary part of the impedance is determined as an evaluation variable, wherein the determination of a SOH value of the battery is based on a comparison of the evaluation variable with at least one reference value. This exploits the fact that investigations have shown that the real part of the impedance, in particular of lead-acid batteries, changes non-linearly as a function of the SOH value and is therefore difficult to evaluate by measurement. This leads to the fact that even in evaluations of the total impedance, the differences are attenuated by the poorly differentiating real part. According to the invention, the distinction is made on the much more prominent imaginary part, which brings about a significant improvement in the determination of the SOH values. Preferably, the comparison is made with a plurality of reference values in order to determine the SOH value as accurately as possible. The reference values are determined empirically and filed and summarized to the definition of SOH areas. The term SOH value or SOC value should therefore also include a range such as SOC = 60-70%, unless the context indicates that exactly one value is meant, such as SOC = 100%. If, for example, an imaginary part Z "lies between two reference values, it is assigned an SOH range. It should be noted that the reference values are recorded under comparable conditions as the imaginary parts for determining the SOH range of a test object. For example, the impedance and also its imaginary part of the temperature, the time after the last charge / discharge of the battery and the frequency depends. The frequency can be kept constant very easily. The method according to the invention of SOH determination proves to be independent of the SOC in the preferred frequency range of f <10 Hz, so that mainly the temperature and time after the last charge / discharge have to be considered. This can also be done by correction terms. Preferably, the sample is measured at the same temperature as the reference. Furthermore, the measurement of the sample and the reference are preferably in the resting state of the battery, ie min. 0.5 hours, preferably 5 to 12 hours, after the last charge / discharge. As a resting state of a lead Acid battery is the absence of significant diffusion processes, the immediately after charging / discharging over min. 0.5 hours due to acid density differences in the electrodes and in the free electrolyte, defined. It should be noted that the batteries are preferably lead-acid batteries, but other battery technologies such as Li-ion batteries can be measured with passage reaction at the phase boundary fixed (electrode) / liquid (electrolyte).

Zur Bestimmung des SOC der Batterie wird bei der gleichen Frequenz der Phasenwinkel φ der gemessenen Impedanz als weitere Auswertegröße ermittelt und mit mindestens einem Referenzwert verglichen und ein SOC-Wert zugeordnet. Auch hier gilt, dass vorzugsweise mehrere Referenzwerte vorhanden sind, denen jeweils ein SOC-Bereich zugeordnet ist. To determine the SOC of the battery, the phase angle φ of the measured impedance is determined as the further evaluation variable at the same frequency and compared with at least one reference value and assigned an SOC value. Again, it is preferable that there are more than one reference value, to each of which an SOC range is assigned.

Mittels der so bestimmten SOH- und SOC-Werte kann dann unter Berücksichtigung der bekannten Nennkapazität die Restkapazität bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine frequenzvariable Strom- oder Spannungsquelle zur Verfügung gestellt werden muss und auch keine Steigungen oder Ortskurven ermittelt werden müssen. Dies vereinfacht sowohl den Aufbau als auch den Rechenaufwand. Daher kann das Verfahren bzw. die Vorrichtung auch on-board in einem Kraftfahrzeug zur Bestimmung der Restkapazität einer Batterie eingesetzt werden. By means of the SOH and SOC values determined in this way, the remaining capacity can then be determined taking into account the known nominal capacity. The advantage of this method is that no frequency-variable current or voltage source must be made available and no gradients or loci must be determined. This simplifies both the structure and the computational effort. Therefore, the method or the device can also be used on-board in a motor vehicle for determining the residual capacity of a battery.

In einer Ausführungsform wird als Vorschritt der Imaginärteil der Impedanz bei der bestimmten Frequenz f mit einem Schwellwert verglichen. Unterschreitet der negative Imaginärteil den Schwellwert, so liegt der SOC bei 100 %. Bei einer bevorzugten Frequenz von f = 10 mHz liegt der Schwellwert bei Blei-Säure-Batterien beispielsweise bei „–0,14 mΩ“. Wird die bestimmte Frequenz so gewählt, dass diese kleiner als f = 10 mHz ist, wird ein kleinerer Schwellwert definiert. Wird der Schwellwert hingegen nicht unterschritten, so wird nachfolgend der SOC über Auswertung des Phasenwinkels φ bestimmt. In one embodiment, as a precursor, the imaginary part of the impedance at the determined frequency f is compared to a threshold value. If the negative imaginary part falls below the threshold value, the SOC is 100%. For example, at a preferred frequency of f = 10 mHz, the threshold for lead-acid batteries is "-0.14 mΩ". If the specific frequency is chosen to be less than f = 10 mHz, a smaller threshold is defined. If, on the other hand, the threshold value is not undershot, the SOC is subsequently determined by evaluating the phase angle φ.

In einer Ausführungsform ist die Frequenz f kleiner als 10 Hz, da oberhalb dieser Frequenz auch die Unterschiede im Imaginärteil sehr gering sind. In one embodiment, the frequency f is less than 10 Hz, since above this frequency, the differences in the imaginary part are very small.

Dabei hat sich gezeigt, dass die Unterschiede im Imaginärteil mit sinkender Frequenz prägnanter werden. Allerdings nimmt dann entsprechend die Messzeit zu. Daher wird in einer Ausführungsform die Frequenz f kleiner als 50 mHz und größer als 0,1 mHz gewählt, besonders bevorzugt 10 mHz. It has been shown that the differences in the imaginary part become more pronounced with decreasing frequency. However, the measuring time increases accordingly. Therefore, in one embodiment, the frequency f is chosen to be less than 50 mHz and greater than 0.1 mHz, more preferably 10 mHz.

Die Vorrichtung umfasst hierzu eine Wechselspannungs- oder -stromquelle, mittels derer eine Spannung oder ein Strom auf die Batterie aufprägbar ist, wobei die Aufprägung eines Stromes bevorzugt wird. Die Wechselspannung oder der Wechselstrom ist dabei vorzugsweise sinusförmig. Weiter umfasst die Vorrichtung Mittel zur phasengerechten Erfassung von Spannung und Strom sowie eine Auswerteeinheit, wobei diese derart ausgebildet ist, dass diese aus Spannung und Strom die Impedanz und daraus den Imaginärteil und den Phasenwinkel als Auswertegrößen ermittelt. Weiter ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass durch Vergleich der Auswertegrößen mit jeweils mindestens einem Referenzwert ein SOH- und SOC-Wert bestimmt werden. Mittels des SOH- und SOC-Wertes sowie der Nennkapazität ermittelt dann die Auswerteeinheit eine Restkapazität der Batterie. For this purpose, the device comprises an AC voltage or current source, by means of which a voltage or a current can be imparted to the battery, the impressing of a current being preferred. The alternating voltage or the alternating current is preferably sinusoidal. Furthermore, the device comprises means for phase-sensitive detection of voltage and current as well as an evaluation unit, which is designed such that it determines the impedance from voltage and current and from this the imaginary part and the phase angle as evaluation variables. Furthermore, the evaluation unit is designed such that an SOH and SOC value can be determined by comparing the evaluation variables with at least one reference value each time. By means of the SOH and SOC value and the nominal capacity, the evaluation unit then determines a residual capacity of the battery.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The figures show:

1 ein schematisches Blockschaltbild zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie, 1 1 is a schematic block diagram for determining an impedance of a lead-acid battery,

2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Batterie, 2 an electrical equivalent circuit diagram of a lead-acid battery,

3 einen beispielhaften Verlauf der Impedanz (Nyquist-Diagramm) einer Blei-Säure-Batterie, 3 an exemplary course of the impedance (Nyquist diagram) of a lead-acid battery,

4 eine Darstellung des Verlaufs des Realteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten, 4 a representation of the course of the real part over the frequency for different SOH values or actual capacities,

5 eine Darstellung des Verlaufs des Imaginärteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten und 5 a representation of the course of the imaginary part over the frequency for different SOH values or actual capacities and

6 eine Darstellung des Verlaufs des Phasenwinkels φ über der Frequenz für unterschiedliche SOC-Werte. 6 a representation of the course of the phase angle φ over the frequency for different SOC values.

In der 1 ist vereinfacht ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie 2 mit einer Wechselspannungsquelle 3 dargestellt, die eine Wechselspannung mit der Frequenz f erzeugt. Dabei ist in Reihe zur Wechselspannungsquelle 3 ein Amperemeter A und parallel zur Blei-Säure-Batterie 2 ein Voltmeter geschaltet, die phasengerecht Strom und Spannung erfassen, um daraus die Impedanz in einer Auswerteeinheit 4 zu ermitteln. Alternativ kann die Quelle auch als Wechselstromquelle ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit 4 kann dann wie nachfolgend erläutert den SOH und den SOC und somit die Restkapazität der Blei-Säure-Batterie 2 ermitteln. In the 1 is simplified a block diagram of a device 1 for determining an impedance of a lead-acid battery 2 with an AC voltage source 3 shown, which generates an alternating voltage with the frequency f. It is in series with the AC voltage source 3 an ammeter A and parallel to the lead-acid battery 2 a voltmeter connected, the live phase and detect voltage and voltage, in order to derive the impedance in an evaluation unit 4 to investigate. Alternatively, the source may also be designed as an alternating current source. The evaluation unit 4 can then as explained below the SOH and the SOC and thus the residual capacity of the lead-acid battery 2 determine.

In der 2 ist ein häufig verwendetes Ersatzbild einer Blei-Säure-Batterie 2 dargestellt, deren Elemente kurz erläutert werden sollen. Der Innenwiderstand R_i einer Blei-Säure-Batterie setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Pole, Polbrücken, Zellverbinder (wenn mehrere Batterien in Reihe oder parallel verschaltet werden), Elektrodengitter, aktive Materialien und den Elektrolyten, wobei dieser den größten Anteil ausmacht. Eine Erhöhung des Innenwiderstands entsteht durch Korrosionseffekte, Verlust aktiver Masse, Veränderungen von Mikrostrukturen im Laufe der Zeit sowie Elektrolytkonzentration und -temperatur. In the 2 is a commonly used replacement image of a lead-acid battery 2 whose elements are briefly explained. The internal resistance R _{i of} a lead-acid battery settles consists of the following components: poles, bridge terminals, cell connectors (when multiple batteries are connected in series or in parallel), electrode grid, active materials and the electrolyte, which accounts for the largest share. An increase in internal resistance is caused by corrosion effects, loss of active mass, changes in microstructures over time, and electrolyte concentration and temperature.

Induktive Effekte treten bei einer Batterie an Anschlussleitungen und deren Verschaltung, Polverbindern und der Massestruktur auf, was durch die Induktivität L ausgedrückt wird. Inductive effects occur with a battery on leads and their interconnection, pole connectors, and ground structure, which is expressed by the inductance L.

Innerhalb des Blei-Säure-Akkumulators findet die Energiespeicherung innerhalb des Elektrolyten statt. Bei Anlegen einer Überspannung verändert sich durch Stromfluss die Dichteverteilung der Ladungsträger aufgrund der Potentialverschiebung in der Doppelschicht Zum Erreichen eines neuen, stabilen Zustandes wird eine gewisse Zeit benötigt. Die Modellierung dieses physikalischen Verhaltens erfolgt über eine Kapazität C, hier benannt als C_dl‘ für „double layer“. Zum Verhalten in der Doppelschicht muss der dabei ebenfalls auftretende Durchtritt der Ladungsträger von fester Elektrode zu flüssigem Elektrolyten und der anschließende Ladungs-Transfer innerhalb der Doppelschicht als ein Widerstand, der den Ladungsträgern entgegenwirkt, modelliert werden. Dies kann durch die Parallelschaltung des Widerstandes R_ct zur Doppelschichtkapazität C_dl erfolgen. Der Index "ct" steht dabei für "charge transfer". Within the lead acid accumulator, the energy storage takes place within the electrolyte. When an overvoltage is applied, the density distribution of the charge carriers changes as a result of current flow due to the potential shift in the double layer. A certain time is required to achieve a new, stable state. The modeling of this physical behavior takes place via a capacitance C, here called C _{dl '} for "double layer". For the behavior in the double layer, the passage of the charge carriers from solid electrode to liquid electrolyte, which also occurs in this case, and the subsequent charge transfer within the double layer must be modeled as a resistance which counteracts the charge carriers. This can be done by the parallel connection of the resistor R _ct to the double-layer capacitance C _dl . The index "ct" stands for "charge transfer".

Die Kapazität C_D mit dem parallel geschalteten Widerstand R_D modelliert Diffusionsvorgänge. Diffusionsvorgänge sind dann relevant, wenn die Elektrodenreaktionen durch einen Mangel an Reaktionspartnern gehemmt sind. Dies tritt beispielsweise am Ende jeder Batterieladung auf, wenn nur noch wenig umsetzbares PbSO₄ auf den Elektrodenoberflächen vorhanden ist, sodass der Ladestrom durch die geringere Diffusionsrate der Blei-Ionen in die Doppelschicht bestimmt wird und auch bei Anhebung der Ladespannung kaum noch ansteigt. The capacitance C _D with the parallel resistor R _D models diffusion processes. Diffusion processes are relevant when the electrode reactions are inhibited by a lack of reactants. This occurs, for example, at the end of each battery charge, when only little convertible PbSO _{4 is present} on the electrode surfaces, so that the charging current is determined by the lower diffusion rate of lead ions in the double layer and hardly increases even when raising the charging voltage.

In der 3 ist nun ein beispielhafter Verlauf einer Impedanz Z = Z‘ + jZ“ einer Blei-Säure-Batterie dargestellt, wobei anzumerken ist, dass die negativen Z“-Werte auf der Y-Achse aufgetragen sind. Dabei sind die jeweils dominierenden Teile des Ersatzschaltbildes gemäß 2 eingezeichnet. Dabei ist Z' der Realteil und Z" der Imaginärteil der Impedanz. Wird durch einen Impedanzwert eine Ursprungsgerade gelegt, so ist der Winkel zwischen Ursprungsgerade und X-Achse der Phasenwinkel φ. In the 3 an exemplary characteristic of an impedance Z = Z '+ jZ "of a lead-acid battery is shown, wherein it is to be noted that the negative Z" values are plotted on the Y-axis. The respective dominant parts of the equivalent circuit diagram are according to 2 located. Here Z 'is the real part and Z "is the imaginary part of the impedance If an original straight line is set by an impedance value, the angle between the origin straight line and the X axis is the phase angle φ.

In der 4 ist der Realteil Z' über der Frequenz für unterschiedlich gealterte Batterien im Ruhezustand dargestellt, wobei die Temperatur und der SOC jeweils gleich ist (T = 20°C und SOC = 40 %). Dabei ist zu erkennen, dass sich die Verläufe nur geringfügig im Bereich > 1000 Hz unterscheiden. Von 1000 Hz bis etwa 0,1 Hz besteht nur eine Unterscheidungsmöglichkeit der am stärksten zyklisierten Batterie K_IST = 22,15 Ah zu den anderen Batterien. Bei Frequenzen < 0,1 Hz differieren die Verläufe stärker voneinander, wobei der größte Unterschied bei f = 10 mHz zu erkennen ist. Dabei ist jedoch zu erkennen, dass die Istkapazität bei 10 mHz mit zunehmendem Realteil nichtlinear abnimmt. In the 4 the real part Z 'versus frequency is shown for differently aged batteries at rest, with the temperature and SOC being the same (T = 20 ° C and SOC = 40%). It can be seen that the curves differ only slightly in the range> 1000 Hz. From 1000 Hz to about 0.1 Hz, there is only one possibility of distinguishing the most cyclized battery K _IST = 22.15 Ah from the other batteries. At frequencies <0.1 Hz, the gradients differ more strongly, whereby the largest difference at f = 10 mHz can be seen. However, it can be seen that the actual capacity at 10 mHz decreases non-linearly with increasing real part.

In der 5 sind nun die Messergebnisse der gleichen Batterien dargestellt, wobei nunmehr der negative Imaginärteil Z" über der Frequenz f dargestellt ist. In the 5 now the measurement results of the same batteries are shown, now the negative imaginary part Z "is shown over the frequency f.

In der Darstellung ist erkennbar, dass der Imaginärteil bis zu einer Frequenz von etwa 10 Hz keine Unterscheidung der Istkapazitäten liefern kann. Ab Frequenzen < 10 Hz ist eine größere Differenz der Verläufe ersichtlich als bei der Darstellung in 4. Der größte Unterschied stellte sich ebenfalls bei der Frequenz 10 mHz ein. Dort ist zu erkennen, dass bei sinkendem Imaginärteil ebenfalls die Istkapazität sinkt. In diesem Fall in einer nahezu linearen Reihenfolge. It can be seen in the illustration that the imaginary part can not provide a distinction of the actual capacities up to a frequency of about 10 Hz. From frequencies <10 Hz, a larger difference of the curves is visible than in the illustration in 4 , The biggest difference also occurred at the 10 MHz frequency. There it can be seen that with decreasing imaginary part, the actual capacity also decreases. In this case in a nearly linear order.

Dies wird nun erfindungsgemäß für eine Bestimmung des SOH-Wertes ausgenutzt, indem Bereichen von Werten des Imaginärteils Z" SOH-Wertebereiche zugeordnet werden. Durch die Verwendung von ausreichend großen Bereichen stellen auch Messausreißer kein Problem dar. Dabei erfolgt der Vergleich zwischen Auswertegröße (Imaginärteil Z") und Referenzwerten bei einer festen Frequenz (z.B. 10 mHz) und gleicher Temperatur im Ruhezustand der Batterie. According to the invention, this is exploited for a determination of the SOH value by assigning regions of values of the imaginary part Z "SOH value ranges." By using sufficiently large regions, measurement outliers are not a problem. The comparison between evaluation value (imaginary part Z. ") and reference values at a fixed frequency (eg 10 mHz) and the same temperature at rest of the battery.

Die Auswertung erfolgt vorzugsweise in einer Auswerteeinheit, in der aus den Strom- und Spannungswerten der Imaginärteil Z" bestimmt und verglichen wird, wobei die Referenzwerte in einem zugeordneten Speicher abgelegt sind. Der ermittelte SOH-Wert kann dann angezeigt werden und gegebenenfalls eine Empfehlung bei einem Batteriewechsel ausgegeben werden. Des Weiteren kann der ermittelte SOH-Wert weiteren Steuergeräten, beispielsweise einem Batterie-Management-System, zugeführt werden. The evaluation is preferably carried out in an evaluation unit in which the imaginary part Z "is determined and compared from the current and voltage values, the reference values being stored in an associated memory, the determined SOH value can then be displayed and, if appropriate, a recommendation for a Furthermore, the determined SOH value can be supplied to further control devices, for example a battery management system.

In der 6 ist der Phasenwinkel φ über der Frequenz f in Hz dargestellt, wobei die Frequenz f logarithmisch aufgetragen ist. Dabei sind verschiedene Phasenwinkelverläufe für unterschiedliche SOC-Werte aufgetragen. Aus diesen empirisch ermittelten SOC-Werten können Referenzwerte abgeleitet werden, was ebenfalls in der 6 dargestellt ist. So wird beispielsweise einem Phasenwinkelbereich von φ < –52° ein SOC-Wert von 100 %, einen Phasenwinkel φ –52° < φ < –48° ein SOC-Bereich von 80 bis 100 %, einen Phasenwinkel –48° < φ < –43° ein SOC-Bereich von 60 bis 80 %, einen Phasenwinkel von –43° < φ < –38° ein SOC-Wert von 40 bis 60 % und einen Phasenwinkel φ < –38° ein SOC-Wert von 40 % zugeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass nur ein SOC-Bereich zugeordnet wird, was zu einer Bereichsangabe für die Restkapazität führt. Es ist aber auch möglich, dass den jeweiligen Phasenwinkeln im Bereich ein SOC-Wert zugeordnet wird. Beispielsweise wäre dann dem Phasenwinkel φ = –48° der SOC-Wert 80°, dem Phasenwinkel φ = –45,5° der SOC-Wert 70° und dem Phasenwinkel φ = –43° der SOC-Wert 60° zugeordnet, wobei die Zwischenwerte linear interpoliert werden. Dabei sei angemerkt, dass die empirisch ermittelten Referenzwerte nur bei der bestimmten Frequenz f (z.B. 10 mHz) ermittelt werden müssen. Der Imaginärteil Z“ kann zuvor mit einem Schwellwert S verglichen werden, wobei bei einer Unterschreitung des Schwellwertes S der SOC zu 100 % bestimmt wird und bei einer Überschreitung des Schwellwertes der SOC durch Vergleich des Phasenwinkels φ mit den Referenzwerten gemäß 6 erfolgt. In the 6 the phase angle φ over the frequency f in Hz is shown, wherein the frequency f is plotted logarithmically. Different phase angle curves are plotted for different SOC values. From these empirically determined SOC values reference values can be derived, which is also shown in the 6 is shown. For example, a phase angle range of φ < -52 ° an SOC value of 100%, a phase angle φ -52 ° <φ <-48 ° an SOC range of 80 to 100%, a phase angle -48 ° <φ <-43 ° an SOC range of 60 up to 80%, a phase angle of -43 ° <φ <-38 ° an SOC value of 40 to 60% and a phase angle φ <-38 ° assigned a SOC value of 40%. It can be provided that only one SOC area is assigned, which leads to an indication of the area for the residual capacity. But it is also possible that the respective phase angles in the area is assigned an SOC value. For example, the phase angle φ = -48 °, the SOC value would be 80 °, the phase angle φ = -45.5 °, the SOC value 70 ° and the phase angle φ = -43 °, the SOC value 60 ° associated with the Intermediate values are linearly interpolated. It should be noted that the empirically determined reference values only have to be determined at the specific frequency f (eg 10 mHz). The imaginary part Z "can be compared beforehand with a threshold value S, the SOC being determined to be 100% if the threshold value S is undershot, and if the threshold value of the SOC is exceeded by comparing the phase angle φ with the reference values according to FIG 6 he follows.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10220172 A1 [0011]
DE 102009000337 A1 [0012, 0014]
DE 69229805 T2 [0015]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 50342-1 [0003]

Claims

Method for determining a residual capacity of a battery ( 2 by an impedance measurement at a frequency, comprising the steps of: a) providing a battery ( 2 ) of known nominal capacity, of known temperature and known time after the last loading / unloading process ( 2 b) determining an impedance value (Z) at exactly one frequency f, c) determining two evaluation variables on the basis of exactly one impedance (Z) determined, the evaluation quantities determining the imaginary part (Z ") and the phase angle (φ), d) determining an SOH value of the battery ( 2 ) based on a comparison of the imaginary part (Z ") with at least one reference value, e) determining an SOC value of the battery ( 2 ) based on a comparison of the phase angle (φ) with at least one reference value and f) determining the residual capacity from the determined SOH value and the determined SOC value taking into account the nominal capacity of the battery ( 2 ).

A method according to claim 1, characterized in that the imaginary part (Z ") of the impedance (Z) is compared with a threshold value (S), wherein when the threshold value (S) is undershot, the SOC is determined to be 100% and if the threshold is exceeded Threshold (S) of the SOC is determined by comparing the phase angle (φ) with the at least one reference value.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency f is chosen to be less than 10 Hz.

A method according to claim 3, characterized in that the frequency is less than 50 mHz and greater than 1 mHz.

Contraption ( 1 ) for determining a residual capacity of a battery ( 2 ) comprising an AC voltage or current source ( 3 ), Means for phase-sensitive detection of voltage and current, and an evaluation unit ( 4 ), whereby the evaluation unit ( 4 ) is designed such that it determines the impedance and therefrom the imaginary part (Z ") and the phase angle as evaluation variables from voltage and current, and by comparing the evaluation variables with at least one reference value, an SOH value, SOC value and the residual capacity of the battery certainly.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the evaluation unit ( 4 ) is designed such that the imaginary part (Z ") of the impedance (Z) is compared with a threshold value (S), wherein when the threshold value (S) is undershot the SOC is determined to be 100% and if the threshold value (S ) the SOC is determined by comparing the phase angle (φ) with the at least one reference value.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the frequency of the voltage or current source ( 3 ) is less than 10 Hz.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the frequency of the voltage or current source ( 3 ) is less than 50 mHz and greater than 1 mHz.