DE-102018108184-B4 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators sowie Computerprogramm

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators (1), indem an Anschlusskontakten (2) des Akkumulators (1) ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators (1), das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird, wobei bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators (1), die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird, wobei der Akkumulator (1) ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist und bezüglich des Zustands wenigstens zwischen den zwei Zustandseffekten Solid Electrolyte Interphase (SEI) und Lithium Plating differenziert wird, wobei wenigstens ein Zustandseffekt, nämlich das der Veränderung des Solid Electrolyte Interphase, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und die im gesamten Frequenzbereich liegen können, detektiert wird und wenigstens ein Zustandseffekt, nämlich das Lithium Plating, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale in einem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich detektiert wird.

Inventors

• Ulrike Krewer
• Nina Harting
• Nicolas Wolff

Assignees

• TECHNISCHE UNIVERSITÄT BRAUNSCHWEIG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20180406

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators (1), indem an Anschlusskontakten (2) des Akkumulators (1) ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators (1), das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird, wobei bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators (1), die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird, wobei der Akkumulator (1) ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist und bezüglich des Zustands wenigstens zwischen den zwei Zustandseffekten Solid Electrolyte Interphase (SEI) und Lithium Plating differenziert wird, wobei wenigstens ein Zustandseffekt, nämlich das der Veränderung des Solid Electrolyte Interphase, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale einer oder mehrerer Frequenzen, die Harmonische des aufgeprägten Wechselstromsignals sind und die im gesamten Frequenzbereich liegen können, detektiert wird und wenigstens ein Zustandseffekt, nämlich das Lithium Plating, durch Auswertung nichtlinearer Antwortsignale in einem vorbestimmten, begrenzten Frequenzbereich detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass für die Differenzierung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten und/oder die Quantifizierung zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten das Antwortsignal durch eine Analysemethode oder mehrere Analysemethoden analysiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Analysemethode die nichtlineare Frequenzganganalyse ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Analysemethode die elektrochemische Impedanzspektroskopie oder eine damit verwandte Analysemethode ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das aufgeprägte Wechselstromsignal im Laufe des Verfahrens nacheinander mehrfach aufgeprägt wird, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Aufprägevorgängen die Frequenz des Wechselstromsignals verändert wird, und nach jedem Aufprägevorgang das elektrische Antwortsignal des Akkumulators (1), das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass durch Auswertung des Antwortsignals Hotspots bestimmt und/oder identifiziert werden, insbesondere durch Erkennung, dass nichtlineare Antwortsignale in einem vorbestimmten Frequenzbereich verringert sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in Abhängigkeit von zumindest einer Quantifizierung eines Zustandseffekts wenigstens ein Betriebsparameter beim Laden und/oder Entladen des Akkumulators (1) beeinflusst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für die Bestimmung des Zustands des Akkumulators (1) wenigstens eine Phasenverschiebung zwischen zumindest einem Teil des Antwortsignals des Akkumulators (1) und dem aufgeprägten Wechselstromsignal ausgewertet wird.
9. Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators (1), mit einer Wechselstrom-Einprägevorrichtung (3) zur Einprägung eines Wechselstromsignals an Anschlusskontakten (2) des Akkumulators (1), mit einer Messeinrichtung (4) zur Messung des elektrischen Antwortsignals des Akkumulators (1), und mit einer Auswerteeinrichtung (5, 6, 7), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wenn das Verfahren auf einem Rechner (8) ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, indem an Anschlusskontakten des Akkumulators ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators, das in Reaktion auf das aufgeprägte Wechselstromsignal entsteht, gemessen wird und zumindest unter Berücksichtigung des Antwortsignals der Zustand bestimmt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Bestimmung des Zustands eines Akkumulators, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Ein Akkumulator ist eine Anordnung aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen, die elektrische Energie abgeben können oder beim Aufladen elektrische Energie aufnehmen können. Der Zustand eines Akkumulators kann beispielsweise der Alterungszustand sein, der auch als Gesundheitszustand oder in der englischen Sprache als State of Health (SOH) bezeichnet wird. Der Zustand eines Akkumulators kann beispielsweise durch Messung oder Abschätzung einer maximal nutzbaren Restkapazität des Akkumulators bestimmt werden. Die Bestimmung des Zustands auf diese Weise hat den Nachteil, dass eine verfügbare Restlebensdauer des Akkumulators oft falsch eingeschätzt wird und der Akkumulator früher als notwendig ausgetauscht wird. Dies ist insbesondere bei großen Akkumulatoren, wie sie für elektrisch betriebene Fahrzeuge erforderlich sind, mit erheblichen Kosten verbunden. Aus der DE 10 2014 001 260 A1 ist eine Batterie und ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands einer Batterie bekannt. Weitere Verfahren zur Untersuchung von Batteriezuständen sind bekannt aus:Harting, Nina et al.: Nonlinear frequency response analysis (NFRA) of lithium-ion Batteries. In: Electrochimica acta, Vol. 248, 2017, S. 133-139.Wolff, Nicolas et al.: Nonlinear frequency response analysis of lithium-ion batteries: a model-based assessment. In: Electrochimica acta, Vol. 260, 2018, S. 614-622. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zustand eines Akkumulators präziser und realistischer zu bestimmen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dies beinhaltet, dass bei der Bestimmung des Zustands zwischen wenigstens zwei verschiedenen Zustandseffekten des Akkumulators, die den Zustand beeinflussen, differenziert wird und zumindest einer dieser Zustandseffekte unabhängig von anderen Zustandseffekten quantifiziert wird. Auf diese Weise kann der „wahre“ Zustand des Akkumulators deutlich realistischer eingeschätzt werden. Je nach Art des Akkumulators, z.B. Lithium-Ionen-Akkumulator, Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Nickel-Cadmium-Akkumulator oder Blei-Akkumulator, können jeweils spezifische Zustandseffekte berücksichtigt werden und zwischen diesen Zustandseffekten differenziert werden. Die Zustandseffekte des Akkumulators können insbesondere Zustandsänderungseffekte des Akkumulators sein, d.h. Effekte, durch die sich zumindest eine Zustandsgröße des Akkumulators reversibel, irreversibel oder teilweise reversibel verändert. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Bestimmung verschiedenster Arten von Zuständen eines Akkumulators, z.B. für die Bestimmung des Alterungszustands. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aber beispielsweise auch für die Eingangsprüfung von Batteriezellen (Einkauf), für die Produktionsüberprüfung, z.B. um Fehler und/oder Abweichungen bei der Produktion festzustellen, oder für weitere Zustandsbestimmungen, wie die Temperaturvariation zwischen einzelnen Zellen, Feststellen eines Kühlmittelversagens oder einer Inhomogenität der Kühlung, oder einer bestimmten mechanischen Belastung des Akkumulators. Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch der aktuelle Ladezustand des Akkumulators bestimmt werden, beispielsweise in Kombination mit der nachfolgend noch erläuterten Auswertung der Phasenverschiebung. Die zuvor erwähnten verschiedenen Zustandseffekte des Akkumulators, zwischen denen differenziert wird, können beliebige in der Regel Zelltyp-spezifische chemische und/physikalische Effekte sein. Die Zustandseffekte können insbesondere Alterungseffekte des Akkumulators oder sonstige die Leistungsfähigkeit des Akkumulators beeinflussende oder beeinträchtigende Effekte sein. Die Zustandseffekte können z.B. so definiert sein, dass die im Betrieb eines Akkumulators gewöhnlich auftretenden Änderungen des Ladezustands nicht erfasst sind. In der Regel resultieren aus solchen Zustandseffekten neben Kapazitätseinbußen auch Leistungseinbußen, unter anderem durch eine Vergrößerung des Innenwiderstands sowie durch die Abnahme der aktiven Elektrodenoberflächen. Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator können als Zustandseffekte beispielsweise das Solid Electrolyte Interphase (SEI) auftreten, oder das vor allem bei tiefen Temperaturen bevorzugt auftretende Lithium Plating. Neben diesen Effekten können auch lokale Wärmeansammlungen, sogenannt