AT528823B1 - Bestimmungsverfahren zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie, mit den Schritten: Reales Messen einer Leerlaufspannung (OCV) bei wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie, Erfassen von Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCṼ) bei den gleichen wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie für wenigstens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden, Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCṼ) von allen wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen, und Indirektes Bestimmen der Materialien der Elektroden indem die Kombination der Materialien mit der minimalen Abweichung zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCṼ) bestimmt wird.

Description

Beschreibung

BESTIMMUNGSVERFAHREN ZUR INDIREKTEN BESTIMMUNG DER MATERIALIEN DER ELEKTRODEN EINER BATTERIE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens sowie ein Regelungsverfahren für ein Batterie Management System (BMS) zum Regeln einer Batterie.

[0002] Im Stand der Technik ist die Überwachung der Leistungsfähigkeit von Lithium-lonen- Batterien bekannt. Um die Leistungsfähigkeit einer Lithium-lonen-Batterie in einem elektrischen Fahrzeug zu überwachen, kann ein Batterie Management System (BMS) eingesetzt werden. Mittels der Überwachung der Lithium-lonen-Batterie durch das Batterie Management System (BMS) können beispielsweise die Sicherheit, eine bessere Leistung und eine lange Lebensdauer der Lithium-lonen-Batterie gewährleistet werden. Insbesondere kann die Überwachung der Lithiumlonen- Batterie auch auf der Ebene der Elektroden erfolgen. Dazu ist die Kenntnis über das Material der Elektroden und das Leerlaufpotential (OCP: open circuit potential) der Elektroden wichtig.

[0003] Die direkte Messung des Materials und/oder des Leerlaufpotentials (OCP) der Elektroden ist aufwendig. Bei den sogenannten Halbzellentests zum direkten Messen des Leerlaufpotentials (OCP) der Elektroden sind komplizierte Verfahren, Bedingungen und Laborgeräte erforderlich.

[0004] So ist aus dem Stand der Technik eine Methode aus dem Dokument EP 3674728 B1 bekannt, welche den Zusammenhang zwischen OCV und OCP insofern nutzt, dass das SOCOCV Profil einer gealterten Vollzelle (OCV) aus den degradierten Profilen der einzelnen Halbzellen (OCP) geschätzt wird.

[0005] Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben.

Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bestimmungsverfahre zu beschreiben, mit welchem die Materialien der Elektroden und/oder die Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden einer Batterie indirekt gemessen werden können.

[0006] Die voranstehenden Aufgaben werden durch die jeweiligen Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Demgemäß wird ein Bestimmungsverfahren zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie beschrieben. Dabei weist das Bestimmungsverfahren die folgenden Schritte auf:

[0008] Reales Messen einer Leerlaufspannung (OCV) bei wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie,

[0009] Erfassen von Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bei den gleichen wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie für wenigstens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden,

[0010] Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) von allen wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen, und

[0011] Indirektes Bestimmen der Materialien der Elektroden indem die Kombination der Materia1117

lien mit der minimalen Abweichung zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bestimmt wird.

[0012] Dadurch, dass die Leerlaufspannung (OCV) mit den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bei verschiedenen Materialkombinationen verglichen wird, kann herausgefunden werden, bei welcher Materialkombination die Abweichung zwischen der Leerlaufspannung (OCV) und den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) am geringsten ist. Hat man die geringste Abweichung gefunden, dann hat man auch die richtige Materialkombination der Elektroden, d.h. die Materialien der Elektroden, gefunden. Die gemessene Leerlaufspannung (OCV) kommt den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) mit der entsprechenden Materialkombination, wie sie auch bei der Messung der Leerlaufspannung (OCV) vorhanden war, am nächsten.

[0013] Bei dem realen Messen der Leerlaufspannung (OCV) wird die Leerlaufspannung (OCV) mit einem Messgerät gemessen. Die Leerlaufspannung (OCV) wird bei wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie gemessen. Insbesondere wird die Leerlaufspannung (OCV) bei N verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie gemessen, wobei N eine Zahl größer oder gleich zwei ist.

[0014] N ist die Anzahl der Messpunkte der gemessenen Messkurve Leerlaufspannung (OCV) gegen Ladezustand (SOC) der Batterie. Für den Vergleich mit der gemessenen Messkurve werden die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) herangezogen, welche z.B. aus einer Datenbank stammen. Dabei werden für die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) die gleiche Anzahl an N verschiedenen Ladezuständen (SOC) erfasst. Dabei können die LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) zuvor durch Interpolation an den N verschiedenen Ladezuständen (SOC) ermittelt worden sein.

[0015] Insbesondere können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) mittels der Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode bestimmt werden. Dabei brauchen die Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode nicht an genau den gleichen N verschiedenen Ladezuständen (SOC) gemessen werden, wie bei der Messung der Leerlaufspannung (OCV). Die Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode können auch bei anderen Ladezuständen (SOC) gemessen werden. Über eine Interpolation dieser Messungen können die Werte der Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode dann bei den N verschiedenen Ladezuständen (SOC), wie bei der Messung der Leerlaufspannung (OCV), ermittelt werden. Damit lassen sich dann auch die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bei den N verschiedenen Ladezuständen (SOC), wie bei der Messung der Leerlaufspannung (OCV), erfassen.

[0016] Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) sind zuvor bereitgestellte Daten. Beim Erfassen von Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) entweder manuell eingegeben werden oder aus einer Datenbank eingelesen werden.

[0017] Das Erfassen von Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) erfolgt für wenigstens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden. Insbesondere erfolgt das Erfassen der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) für Nc verschiedene Materialkombinationen der Elektroden. Dabei ist Nc eine Zahl größer oder gleich zwei.

[0018] Die beiden Elektroden der Batterie, d.h. die Anode und die Kathode der Batterie, können unterschiedliche Materialien aufweisen. Die Materialkombination der Elektroden der Batterie gibt die Materialien von Anode und Kathode an. Bei der Batterie kann es sich insbesondere um eine Lithium-lonen-Batterie handeln.

[0019] Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens wird zum Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) eine Zielfunktion (OBJ) für jede der wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen gebildet, wobei jede Zielfunktion (OBJ) die Summe aus den Differenzen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) an jedem der wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) bildet.

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[0020] Zum Vergleichen kann für jede Materialkombination der Elektroden der Batterie eine Zielfunktion (OBJ) aufgestellt werden. Dabei wird für jeden Ladezustand (SOC), d.h. also für N verschiedene Punkte, eine Differenz zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) gebildet. Weiter wird die Summe all dieser gebildeten Differenzen addiert.

[0021] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens wird zum Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) eine Zielfunktion (OBJ) für jede der wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen gebildet, wobei jede Zielfunktion (OBJ) die Summe aus den Quadraten der Differenzen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) an jedem der wenigstens zwei verschiedenen Ladezustände (SOC) bildet.

[0022] Zum Vergleichen kann für jede Materialkombination der Elektroden der Batterie eine Zielfunktion (OBJ) aufgestellt werden. Dabei wird für jeden Ladezustand (SOC), d.h. also für N verschiedene Punkte, eine Differenz zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) gebildet. Von jeder Differenz wird das Quadrat gebildet. Die Quadrate der Differenzen werden dann aufsummiert.

[0023] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens wird die Zielfunktion (OBJ) mit dem minimalen Wert bestimmt, um die Materialien der Elektroden indirekt zu bestimmen. Durch die Zielfunktion (OBJ) mit dem minimalen Wert kann die Materialkombination mit der minimalen Abweichung zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) ermittelt werden. Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) mit der Materialkombination, welche am besten der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) entsprechen, werden die minimale Abweichung bei der Berechnung der Zielfunktion (OBJ) ergeben. Dadurch lassen sich die Materialien der Elektroden indirekt bestimmen.

[0024] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens werden Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden mittels der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) der indirekt bestimmten Materialien ermittelt, wobei die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) der Differenz eines Leerlaufpotentials (OCP*) einer positiven Elektrode und eines Leerlaufpotentials (OCP7) einer negativen Elektrode entsprechen.

[0025] Dabei hängen die Leerlaufpotentiale der Elektroden von der Lithiumkonzentration x und y, also vom Ladezustand, in den Elektroden ab. Durch Kenntnis der Materialkombination, also der Materialien der Elektroden, kann auch das Leerlaufpotential (OCP”) der positiven Elektrode und das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode bestimmt werden. Die Leerlaufpotentiale (OCP) sind bei dem entsprechenden Ladungszustand (SOC), d.h. bei der entsprechenden Lithiumkonzentration x bzw. y, für jede Elektrode bekannt. Demnach können die Leerlaufpotentiale (OCP) z.B. aus einer Datenbank abgelesen werden. Weiter können die LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode und/oder das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode aufweisen.

[0026] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens hängt das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode von einer maximalen Lithiumkonzentration (Ymax) und einer minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode ab, und hängt das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode von einer maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) und einer minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode ab.

[0027] Dabei stellen y und x die normalisierte Lithiumkonzentration im Verhältnis zur theoretischen maximalen Lithiumkonzentration für das entsprechende aktive Material dar.

[0028] Vorteilhafterweise können die Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden mittels der maximalen und minimalen Lithiumkonzentrationen x und y ermittelt werden. Die LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) der Batterie entsprechen der Differenz der Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden im Gleichgewicht.

[0029] Die Lithiumkonzentrationen x, y sind abhängig von den Ladezuständen (SOC) der Elektroden. Das Leerlaufpotential (OCP) einer Elektrode kann alternativ real gemessen werden, indem

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im Gleichgewicht die Spannung zwischen dieser Elektrode und z.B. einer Lithiumfolie gemessen wird.

[0030] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens werden die minimale Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und die maximale Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode durch den maximalen Ladezustand (SOC) der Batterie bestimmt, und werden die maximale Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und die minimale Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode durch den minimalen Ladezustand (SOC) der Batterie bestimmt.

[0031] Eine Elektrode kann nicht komplett geladen oder komplett leer sein. Der Verlauf des Leerlaufpotentials (OCP) gegen den Ladezustand (SOC) verläuft daher nicht von einem Ladezustand Null (komplett leer) zu einem Ladezustand 1 (komplett geladen).

[0032] Der minimale Ladezustand (SOC) der Elektrode ist größer als 0 (komplett leer) und der maximale Ladezustand (SOC) der Elektrode ist kleiner als 1 (komplett geladen).

[0033] Insbesondere entspricht die minimale Lithiumkonzentration y der positiven Elektrode und die maximale Lithiumkonzentration x der negativen Elektrode dem Wert bei dem maximalen Ladezustand (SOC) der Batterie. Weiter entspricht die maximale Lithiumkonzentration y der positiven Elektrode und die minimale Lithiumkonzentration x der negativen Elektrode dem Wert bei dem minimalen Ladezustand (SOC) der Batterie.

[0034] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens wird eine maximale Spannung (Vmax) der Batterie als Differenz des maximalen Leerlaufpotentials (OCP*) der positiven Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und des minimalen Leerlaufpotentials (OCP-) der negativen Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode bestimmt, und wird die minimale Spannung (Vmin) der Batterie als Differenz des minimalen Leerlaufpotentials (OCP*) der positiven Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und des maximalen Leerlaufpotentials (OCP”) der negativen Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt.

[0035] Dabei steht die Lithiumkonzentration x im Zusammenhang mit dem Ladezustand (SOC) der negativen Elektrode. Weiter steht die Lithiumkonzentration y im Zusammenhang mit dem Ladezustand (SOC*) der positiven Elektrode.

[0036] Die minimale Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode, die maximale Lithiumkonzentration (xmax) der negativen Elektrode, die minimale Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und die maximale Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode können mittels der Leerlaufspannung (OCV) der Batterie, welche von dem Ladezustand (SOC) der Batterie abhängt, bestimmt werden. Dabei werden die maximalen und minimalen Lithiumkonzentrationswerte x und y an den Rändern der Leerlaufspannung (OCV) Ladezustand (SOC) Kurve bestimmt.

[0037] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens wird die Kapazität der negativen Elektrode (Cn-) mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (Cn) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt, und wird die Kapazität der positiven Elektrode (Cn*) mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (Cn) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode bestimmt. Vorteilhafterweise stehen mit den Kapazitäten weitere Parameter zur Charakterisierung der Elektroden der Batterie zur Verfügung.

[0038] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens werden die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) aus einer Datenbank erfasst. Mit der Datenbank können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) für alle relevanten verschiedenen Materialkombinationen der Elektroden zur Verfügung stehen.

[0039] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens werden die

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Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) über Formeln berechnet. Dabei können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) zuerst über Formeln berechnet werden und dann in einer Datenbank abgespeichert werden.

[0040] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bestimmungsverfahrens werden die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) über Experimente indirekt ermittelt. Dabei können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) zuerst über Experimente indirekt ermittelt werden und dann in einer Datenbank abgespeichert werden.

[0041] Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) können aus der Differenz der Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden bestimmt werden. Die Leerlaufpotentiale (OCP) können experimentell gemessen werden. Insbesondere können die Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden über sogenannte Halbzellentests direkt gemessen werden. Die Datenbank kann weiter nur die Leerlaufpotentiale (OCP) verschiedener positiver und negativer Elektroden enthalten. Die Leerlaufspannungs-Vergleichsdaten (OCV) können für jede Materialkombination (die Differenz zwischen den Leerlaufpotentialen (OCP) der positiven und negativen Elektroden für verschiedene Kombinationen von Materialien) mit einstellbarer minimaler Lithiumkonzentration (Xmin) der negativen Elektrode, maximaler Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode, minimaler Lithiumkonzentration (Ymin) der positiven Elektrode und maximaler Lithiumkonzentration (Ymax) der positiven Elektrode berechnet werden, um die beste Anpassung an die gemessene Leerlaufspannung (OCV) zu ermitteln, auf deren Grundlage die Materialkombination sowie auch die Leerlaufpotentiale (OCP) beider Elektroden bestimmt werden können.

[0042] Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0043] Weiter wird ein Regelungsverfahren für ein Batterie Management System (BMS) zum Regeln einer Batterie beschrieben. Dabei verwendet das Regelungsverfahren ein erfindungsgemäBes Bestimmungsverfahren für eine Parametrisierung eines Batteriemodells. Das Batterie Management System (BMS) weist das Batteriemodell auf. Anhand der Parameter des Batteriemodells kann das Batterie Management System (BMS) die Batterie regeln.

[0044] Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.

[0045] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

[0046] Fig. 1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens; [0047] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Lithium-lonen-Batterie;

[0048] Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anode der Lithium-lonen-Batterie; [0049] Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kathode der Lithium-lonen-Batterie;

[0050] Fig. 5 ein schematisches Diagramm der Leerlaufpotentiale (OCP) zweier Materialien im Gleichgewicht; und

[0051] Fig. 6 ein schematisches Diagramm der Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode sowie der Leerlaufspannung (OCV) der Batterie.

[0052] Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens. Das Bestimmungsverfahren dient zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie, z.B. einer Lithium-lonen-Batterie. Dabei weist das Bestimmungsverfahren die folgenden Schritte auf:

[0053] In einem ersten Schritt S1 wird die Leerlaufspannung (OCV) bei wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie real gemessen. Dabei bedeutet real gemessen, dass die Leerlaufspannung z.B. mit einem Messgerät gemessen wird. Insbesondere wird die Leerlaufspannung (OCV) bei N verschiedenen Ladezuständen (SOC) gemessen, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist.

[0054] In einem zweiten Schritt S2 werden Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bei den gleichen wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie erfasst. Insbesondere werden die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) für die gleichen N verschiedenen Ladezustände (SOC), wie bei Schritt S1 beschrieben, erfasst. Weiter erfolgt die Erfassung der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) für wenigstens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden. Insbesondere erfolgt die Erfassung für Nc verschiedene Materialkombinationen der Elektroden, also für Nc verschiedene Anoden/Kathoden Materialien. Dabei ist Nc eine ganze Zahl größer oder gleich zwei.

[0055] Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) können auf der Grundlage der Differenz der ausgewählten Leerlaufpotentiale (OCP) der Kathode und der Anode mit einstellbarer minimaler Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode, maximaler Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode, minimaler Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und maximaler Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode berechnet werden. Dabei stehen die Parameter x und y für die Lithiumkonzentration in Anode bzw. Kathode. Im Einzelnen werden die Leerlaufpotentiale (OCP) für verschiedene Ladezustände (SOC) ermittelt. Außerdem wird die Berechnung der Leerlaufspannungs-Vergleichsdaten (OCV) für mindestens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden durchgeführt. Konkret wird die Berechnung für Nc verschiedene Materialkombinationen der Elektroden durchgeführt, d. h. für Nc verschiedene Anoden-/Kathodenmaterialien.

[0056] Insbesondere werden die Leerlaufspannungs-Vergleichsdaten (OCV) für die gleichen N verschiedenen Ladezustände (SOC) wie in Schritt S1 beschrieben erfasst. Für eine solche Berechnung sollten der Lithiumkonzentrationsbereich (Xmin bis xmax) für die Anode und der Lithiumkonzentrationsbereich (yYmin bis ymax) für die Kathode auf den vollen Ladezustands-Bereich (SOCBereich) (0-100 %) skaliert und an denselben N verschiedenen Ladezuständen (SOC) ermittelt werden. Zur Bestimmung der OCPs an denselben N verschiedenen Ladezuständen (SOC) und folglich der Leerlaufspannungs-Vergleichsdaten (OCV) kann die Interpolation der aufgezeichneten Daten oder eine andere Technik verwendet werden.

[0057] Die Erfassung der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) kann insbesondere aus einer Datenbank erfolgen. Alternativ ist auch eine manuelle Eingabe möglich. Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) können über Formeln berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) über Experimente indirekt ermittelt werden.

[0058] Für die Anode (negative Elektrode) können für die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) beispielsweise Werte für die Materialien Graphit, Silizium und/oder Lithiumtitanat (Li4TisO142) aufweisen. Für die Kathode (positive Elektrode) können für die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) beispielsweise Werte für die Materialien Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO>), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC), Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Nickel-KobaltAluminiumoxid (NCA) und/oder Lithium-Mangan-Oxid (LMO) aufweisen.

[0059] In einem dritten Schritt S3 werden die real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) von allen wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen, also insbesondere der Ne verschiedenen Anode/Kathode Materialkombinationen, verglichen. Dazu wird eine Zielfunktion (OBJ) für jede mögliche Materialkombination gebildet:

N OBJ(i) = 2 (ocv, — 0C8,00)

J=1

[0060] Dabei steht i für die i-te der Nc verschiedenen Materialkombinationen. N gibt die Anzahl der verschiedenen Ladezustände (SOC) an. Die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) können folgendermaßen berechnet werden:

OCV; = OCPf — OCP;

[0061] Hier ist OCP;* das Leerlaufpotential der positiven Elektrode (Kathode) bei dem Ladezustand j und OCP; das Leerlaufpotential der negativen Elektrode (Anode) bei dem Ladezustand j.

[0062] In einem vierten Schritt S4 werden die Materialien der Elektroden indirekt bestimmt. Dazu wird die Kombination der Materialien mit der minimalen Abweichung zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bestimmt. Es wird also die Zielfunktion OBJ(i) gesucht, welche Null bzw. den geringsten Wert ergibt:

N min;0BJ(@0) = min; 2 (0cv; - 0C8,0D)

j=1

[0063] Bei der Materialkombination i aus den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV), welche den tatsächlichen Materialen der Elektroden entspricht, wird das Minimum der Zielfunktion erreicht. Durch die Bestimmung der minimalen Zielfunktion werden die Materialien der Elektroden indirekt bestimmt.

[0064] Sobald die richtigen Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV), also die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) für die tatsächlich verwendeten Materialien, bekannt sind, können auch das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode (Anode) und das Leerlaufpotential (OCP>) der negativen Elektrode (Kathode) aus den entsprechenden Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) ermittelt werden.

[0065] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Lithium-lonen-Batterie 100. Die Lithiumlonen-Batterie 100 weist eine negative Elektrode (Anode) 10, eine positive Elektrode (Kathode) 20 und einen Separator 30 auf. Lithium-Ionen 40 und Elektronen 50 bewirken den Stromfluss der Lithium-lonen-Batterie 100. Die negative Elektrode 10 umfasst feste Partikel 60 und einen Stromkollektor 70. Ebenso umfasst die positive Elektrode 20 feste Partikel 60 und einen Stromkollektor 70. Mittels eines Spannungsmessgeräts 80 kann eine Spannung zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 20 gemessen werden.

[0066] Die Leerlaufspannung (OCV) ist die Spannung zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 20 der Lithium-lonen-Batterie 100, wenn kein Strom fließt. Dabei variiert die Leerlaufspannung (OCV) nichtlinear mit dem Ladezustand (SOC) und der Temperatur.

[0067] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der negativen Elektrode (Anode) 10 der Lithium-lonen-Batterie 100. Das Leerlaufpotential (OCP”) der negativen Elektrode 10 stellt das Potenzial der negativen Elektrode 10 dar, wenn sie nicht an einen externen Stromkreis oder an eine externe Last angeschlossen ist. Me in Fig. 3 gezeigt, wird das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode 10 gegen eine Lithiumfolie (Li/Li*) 90 gemessen. Dabei stellt die Lithiumfolie 90 eine Referenzelektrode dar.

[0068] Das Leerlaufpotential (OCP”) der negativen Elektrode 10 hängt auch von dem spezifischen Material ab. Beispielsweise hat Graphit, ein gängiges Material für die negative Elektrode 10, in der Regel einen OCP-Bereich von etwa 0,01 bis 0,2 Volt gegenüber Li/Li*. Lithiumtitanat (Li4TisO12 oder LTO), ein sehr stabiles Material für die negative Elektrode 10, hat ein Leerlaufpotential (OCP) von über 1,5 Volt gegenüber Li/Li*. Das Leerlaufpotential (OCP”) der negativen Elektrode 10 ist ein weiterer Faktor, der zur Gesamtspannung der Lithium-lonen-Batterie 100 beiträgt.

[0069] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der positiven Elektrode (Kathode) 20 der Lithium-lonen-Batterie 100. Das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode 20 stellt das Potenzial der positiven Elektrode 20 dar, wenn sie nicht an einen externen Stromkreis oder an eine externe Last angeschlossen ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird das Leerlaufpotential (OCP”) der po-

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sitiven Elektrode 20 gegen eine Lithiumfolie (Li/Li*) 90 gemessen. Dabei stellt die Lithiumfolie 90 eine Referenzelektrode dar.

[0070] Das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode 20 hängt auch von dem spezifischen Material ab. Beispielsweise kann es sich bei dem Material um Lithium- Kobalt-Oxid (LiCoO2) oder Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4 oder LFP) handeln.

[0071] Dabei weist Lithium-Kobalt-Oxid einen typischen Bereich des Leerlaufpotentials (OCP) von 4.0 bis 4.2 Volt gegenüber Li/Li” auf. Lithium-Eisen-Phosphat weist einen typischen Bereich des Leerlaufpotentials (OCP) von 3.4 bis 3.5 Volt gegenüber Li/Li* auf. Das Leerlaufpotential (OCP"*) der positiven Elektrode 20 ist ebenfalls ein Faktor, der zur Gesamtspannung der Lithiumlonen-Batterie 100 beiträgt.

[0072] Das Leerlaufpotential (OCP) einer einzelnen Elektrode, also des aktiven Materials der Elektrode, hängt von der chemischen Zusammensetzung ab. Zudem hängt das Leerlaufpotential (OCP) auch von der Lithiumkonzentration in dem aktiven Material der Elektrode ab. Dabei variiert das Leerlaufpotential (OCP) nicht-linear bei einer Veränderung der Lithiumkonzentration. Dementsprechend hängt das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode 20 von der Lithiumkonzentration y in dem aktiven Material der positiven Elektrode 20 und das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode 10 von der Lithiumkonzentration x in dem aktiven Material der negativen Elektrode 10 ab.

[0073] Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm der Leerlaufpotentiale (OCP) zweier Materialien für Elektroden. Aufgetragen ist das Leerlaufpotential (OCP) der jeweiligen Elektrode im Gleichgewicht gegen die Lithiumkonzentration. Konkret ist also das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode gegen die Lithiumkonzentration y und das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode gegen die Lithiumkonzentration x aufgetragen.

[0074] Das Leerlaufpotential (OCP) einer Elektrode nimmt in der Regel zu, wenn die Lithiumionenkonzentration sinkt, d. h. die Lithiumionen aus der Elektrode entfernt werden.

[0075] Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm der Leerlaufpotentiale (OCP) der positiven und der negativen Elektrode sowie der Leerlaufspannung (OCV) der Batterie. Dargestellt ist die Leerlaufspannung (OCV) gegen den Ladezustand (SOC) der Batterie, das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode gegen Eins minus die Lithiumkonzentration y und das Leerlaufpotential (OCP-) der negativen Elektrode gegen die Lithiumkonzentration x.

[0076] Die Leerlaufspannung (OCV) ist die Differenz zwischen den Leerlaufpotentialen (OCP) der Elektroden im Gleichgewicht:

OCV(SOC) = 0Cp* (y) - OCP- (x)

t Soc(t) = SOC(to) + 2 Idt Con deo [0077] Dabei ist C, die maximale Kapazität, die gemessen werden kann. Die Lithiumkonzentration x der negativen Elektrode hängt mit dem Ladezustand (SOC”) der negativen Elektrode zusammen. Dabei ist der Ladezustand (SOC”) der Ladezustand mit Bezug zu der Kapazität (Cn’) der negativen Elektrode. Die Lithiumkonzentration y der positiven Elektrode hängt mit dem Ladezustand (SOC*) der positiven Elektrode zusammen. Dabei ist der Ladezustand (SOC*) der Ladezustand mit Bezug zu der Kapazität (Cn*) der positiven Elektrode.

[0078] Der Ladezustand (SOC”) der negativen Elektrode und der Ladezustand (SOC+) der positiven Elektrode können entsprechend der Intervalle [Xmin, Xmax] UNd [Ymin, Yma«] variieren. Das Leerlaufpotential (OCP*) der positiven Elektrode kann von einer maximalen Lithiumkonzentration (Ymax) und einer minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode abhängen. Weiter kann das Leerlaufpotential (OCP") der negativen Elektrode von einem maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) und einer minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode abhängen. Die Identifizierung der Leerlaufpotentiale (OCP) hängt also mit der Bestimmung der Intervalle [Xmin, Xmax] UNd [Ymin, Ymax] Zusammen.

[0079] Die Batterie kann nicht komplett geladen oder komplett leer sein. Es gibt eine minimale und eine maximale Ladung der Batterie. Dies wird in der Fig. 6 mittels der beiden Werte xbat,0% und ybat, 100% und der entsprechenden gestrichelten senkrechten Linien angegeben. Deshalb wird die minimale Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und die maximale Lithiumkonzentration (xmax) der negativen Elektrode durch den maximalen Ladezustand (SOC) der Batterie (also bei ybat, 100%) bestimmt. Zudem werden die maximale Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und die minimale Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode durch den minimalen Ladezustand (SOC) der Batterie (also bei xbat,0%) bestimmt.

[0080] Weiter kann eine maximale Spannung (Vma) der Batterie als Differenz des maximalen Leerlaufpotentials (OCP*) der positiven Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (Ymin) der positiven Elektrode und des minimalen Leerlaufpotentials (OCP-) der negativen Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (xXmax) der negativen Elektrode bestimmt werden. Ebenso kann eine minimale Spannung (Vmin) der Batterie als Differenz des minimalen Leerlaufpotentials (OCP"*) der positiven Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und des maximalen Leerlaufpotentials (OCP”) der negativen Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt werden.

[0081] Die Kapazität der negativen Elektrode (Cn-) kann mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (Cn) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt werden. Zudem kann die Kapazität der positiven Elektrode (Cn+) mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (Cn) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode bestimmt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 negative Elektrode / Anode 20 positive Elektrode / Kathode 30 Separator

40 Lithium-lon

50 Elektron

60 festes Partikel

70 Stromkollektor

80 Spannungsmessgerät

90 Lithiumfolie

100 Lithium-lonen-Batterie

S1 Schritt 1 S2 Schritt 2 S3 Schritt 3 S4 Schritt 4

Claims (11)

Patentansprüche

1. Bestimmungsverfahren zur indirekten Bestimmung der Materialien der Elektroden einer Batterie, gekennzeichnet durch die Schritte:

Reales Messen einer Leerlaufspannung (OCV) bei wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie,

Erfassen von Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bei den gleichen wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) der Batterie für wenigstens zwei verschiedene Materialkombinationen der Elektroden,

Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) von allen wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen, und

Indirektes Bestimmen der Materialien der Elektroden indem die Kombination der Materialien mit der minimalen Abweichung zwischen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) und der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) bestimmt wird.

2. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) eine Zielfunktion (OBJ) für jede der wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen gebildet wird, wobei jede Zielfunktion (OBJ) die Summe aus den Differenzen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit den Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) an jedem der wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) bildet.

3. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit jeder der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) eine Zielfunktion (OBJ) für jede der wenigstens zwei verschiedenen Materialkombinationen gebildet wird, wobei jede Zielfunktion (OBJ) die Summe aus den Quadraten der Differenzen der real gemessenen Leerlaufspannung (OCV) mit den LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) an jedem der wenigstens zwei verschiedenen Ladezuständen (SOC) bildet.

4. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfunktion (OBJ) mit dem minimalen Wert bestimmt wird, um die Materialien der Elektroden indirekt zu bestimmen.

5. Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leerlaufpotentiale (OCP) der Elektroden mittels der Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) der indirekt bestimmten Materialien ermittelt werden, wobei die LeerlaufspannungVergleichsdaten (OCV) der Differenz eines Leerlaufpotentials (OCP*) einer positiven Elektrode und eines Leerlaufpotentials (OCP”) einer negativen Elektrode entsprechen.

6. Bestimmungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und die maximale Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode durch den maximalen Ladezustand (SOC) der Batterie bestimmt werden, und dass die maximale Lithiumkonzentration (Ymax) der positiven Elektrode und die minimale Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode durch den minimalen Ladezustand (SOC) der Batterie bestimmt werden.

7. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Spannung (Vma) der Batterie als Differenz des maximalen Leerlaufpotentials (OCP*) der positiven Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode und des minimalen Leerlaufpotentials (OCP-) der negativen Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (xmax) der negativen Elektrode bestimmt wird, und dass die minimale Spannung (Vmin) der Batterie als Differenz des minimalen Leerlaufpotentials (OCP*) der positiven Elektrode bei der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und des maximalen Leerlaufpotentials (OCP"”) der negativen Elektrode bei der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt wird.

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8. Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der negativen Elektrode (C,”) mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (C„) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (Xmax) der negativen Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (xmin) der negativen Elektrode bestimmt wird, und dass die Kapazität der positiven Elektrode (C,„”) mittels des Quotienten aus der Kapazität der Batterie (Cn) und der Differenz von der maximalen Lithiumkonzentration (ymax) der positiven Elektrode und der minimalen Lithiumkonzentration (ymin) der positiven Elektrode bestimmt wird.

9. Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufspannung-Vergleichsdaten (OCV) aus einer Datenbank erfasst werden.

10. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

11. Regelungsverfahren für ein Batterie Management System (BMS) zum Regeln einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungsverfahren ein Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für eine Parametrisierung eines Batteriemodells verwendet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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