确定电池的老化状态的方法以及控制器和交通工具与流程

本发明涉及一种确定交通工具中的电池的老化状态的方法，其中，所述电池的老化状态soh借助特征曲线推导，所述特征曲线将内阻和老化状态soh相关联。本发明还涉及一种控制器和一种交通工具，所述控制器设计用于实施所述方法，所述交通工具包括至少一个这样的控制器。

背景技术：

为了确定可反复充电的电池、即蓄电池的剩余值和确保电池的可靠的运行，需要定期尽可能准确地判断其老化状态、所谓的“stateofheath”(健康状态，英文缩写soh)。通常，soh通过(部分)充/放电过程确定。为了借助充电过程进行确定，需要电流传感器的高精度。同样需要大的充电行程，以便获得足够的准确度。

但电池在高的荷电状态下老化得特别严重，因此部分地放弃将电池充满电。通常存在例如由使用者定义的充电上限，该充电上限例如在电池用作交通工具电池时为日常行驶提供足够的续航里程或者在电池用于娱乐电子设备、如笔记本电脑、手机等时能够满足日常使用。因此通常的情况是，电池很少或几乎不以大的充电行程充电，从而不能有效地确定老化状态。

专利文献de102011077448a1描述了一种用于判断至少一个描述电能存储器的状态的状态量的方法，方式在于将储能器的多个运行量中的至少一个通过测量检测到的第一运行量与至少一个相应的参比量进行比较。

专利文献ep1961621a1描述了一种电池状态评价方法，该方法欲通过测量电压而非电流来评价铅酸电池的状态。

专利文献ep2846395a2描述了一种电池包，其具有与负载和充电装置耦连的电池、至少一个电池单体和电池管理单元，电池管理单元用于控制电池被充电装置充电和电池放电，以便确定电池单体的健康状态。

技术实现要素：

因此，本发明所要解决的技术问题在于，至少部分地克服现有技术中的方法的缺点。

所述技术问题按照本发明通过以下描述的方法、控制器和交通工具解决。在说明书中单独提及的特征能够以技术上有意义的方式相互结合并且可以通过说明书中的解释性事实和/或附图中的细节补充，其中示出了本发明的其它实施变型。

根据第一方面描述一种确定电池的老化状态的方法，所述方法包括以下步骤：

-确定内阻值；

-由所述内阻值推导电池的老化状态；

-确定交通工具中的电池的老化状态soh的方法包括以下步骤：

-在交通工具运行时确定负荷电压；

-在交通工具运行后松弛所述负荷电压；

-在松弛后确定开路电压(opencircuitvoltage，缩写ocv)；

-由所述负荷电压和开路电压确定内阻δr；

-借助将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线推导电池的老化状态soh。

根据放电时的超电压和电流确定电池单体的内阻，优选借助如下方程确定：

其中，δu表示超电压。

如果关于本发明提到老化状态soh，则优选指ocv(开路电压)条件下的老化状态soh、即sohocv。sohocv优选反映可移动的锂的浓度。

在此，关于本发明发现已提到的内阻和老化状态soh之间的高度关联。

通过日历老化的电池单体的测量表明存在一般的趋势，即放电终了时的内阻随着soh的降低而下降。基于这种认识能够实现的是，将把内阻δr和老化状态soh相关联的相应的特征曲线储存在交通工具的控制系统(也称为控制单元或控制器)的特征曲线存储器中，并且借助该特征曲线由获得的内阻δr确定老化状态soh。在此利用内阻和化状态soh的已提到的明显的相关性。

如果关于本发明提到电池，则更准确地说是指蓄电池。本发明意义上的电池包括至少一个能够放电和充电的电化学电池单体。

根据特别优选的实施方式，所述电池是锂离子蓄电池。按照本发明，术语“锂离子蓄电池”用作基于电化学电池单体中的锂化合物的蓄电池的上位概念。不仅负电极中的反应材料而且正电极和电解质中的反应材料都可以包含锂离子。

锂离子电池中的电化学反应中的反应物是负电极和正电极，并且电解质提供导电介质，以便锂离子可以在电极之间移动。当电子在放电或充电期间流经外部电路时,电能从电池流出或流入电池。

两个电极使得锂离子能够移入电极的结构和从电极的结构移出。在放电时，(正的)锂离子从负电极(阳极，通常为石墨)通过电解质朝正电极(阴极，形成锂化合物)移动，同时电子沿相同的方向流过外部电路。当电池单体充电时发生相反的过程：锂离子和电子在较高的能量状态下移回至负电极。

根据优选的实施方式描述一种方法，其中，在特定的、尤其50％、30％、特别优选20％的荷电状态soc下确定超电压δu。在此，这种条件可以包括，或者高于或者低于电池状态的提到的值。此外可以尤其从所提到的电池状态开始连续地在一个范围上转换。为此可以通过在借助第一方法和这种按照本发明的方法确定的电池老化度之间进行内插值、尤其线性内插值，从所述一种方法向另一种方法转换。尤其地，所述转换在高于或低于所提到的作为条件的荷电状态时开始并且在达到第二荷电状态时结束，第二荷电状态与第一荷电状态尤其相差30％、优选20％、特别优选10％。

根据优选的实施方式描述一种方法，其中，所述荷电状态soc为0％至20％。

根据优选的实施方式描述一种方法，其中，借助放电终了时的特征曲线推导电池的老化状态soh。

关于本发明，在放电过程中电压、优选放电时的负荷电压下降到某个确定的极限值的时刻称作放电终了。在最普遍的情况下，放电终了是电流电压特征曲线的这样的点，在该点处，电压、尤其负荷电压的特征曲线在低荷电状态soc下开始更剧烈地下降。

进一步尤其地，放电终了描述一种极限值，该极限值可以被称为“截止”值，并且该极限值表示放电过程中的最小电压并且因此表示放电终了。所述“截止”阻止电池单体的过度放电。通常，电压、尤其负荷电压的特征曲线在低的荷电状态soc下剧烈下降。换言之，放电时的与荷电状态soc相关的电压特征曲线在低的荷电状态下形成下降的“边沿”。优选地，所述“截止”值在该下降的“边沿”内选择。例如可以是2.5v的值。

在此，关于本发明发现已提到的内阻和老化状态soh之间的高度关联。

通过日历老化的电池单体的测量表明存在一般的趋势，即内阻随着soh的降低而下降。这种明显的关联尤其在放电终了时被发现。放电终了时的相应的电阻值在本发明中也用δr0％表示。

根据另外的优选的实施方式描述一种方法，其中，所述特征曲线至少通过如下步骤确定：

-确定与电池的老化状态soh相关的开路电压ocv；

-确定与电池的老化状态soh相关的负荷电压；

-算出作为负荷电压和开路电压ocv之差的超电压δu；

-基于所述超电压算出内阻δr。

根据超电压和电流确定内阻。

根据另外的实施方式描述一种方法，其中，确定与电池的荷电状态soc相关的特征曲线。

为了获得关于电压特性的尽可能全面的信息，在电池的不同的荷电状态soc下确定特征曲线。如此，总体上可以改善特征曲线的准确度并且因此也可以改善根据本发明的方法对电池的老化状态确定的准确度。

根据另外的实施方式描述一种方法，其中，确定与温度相关的特征曲线。

为了获得关于电压特性的尽可能全面的信息，在不同的温度下确定特征曲线。如此，总体上可以改善特征曲线的准确度并且因此也可以改善根据本发明的方法对电池的老化状态确定的准确度。温度尤其值得注意，因为特征曲线示出的电池单体内阻涉及超电压，超电压作为动力学参数与温度相关。

根据另外的优选的实施方式描述一种方法，其中，由阳极的开路电压ocv和阴极的开路电压ocv构建全电池单体开路电压ocv。

根据另外的优选的实施方式描述一种方法，其中，由阳极的负荷电压和阴极的负荷电压构建全电池单体负荷电压。

根据一种实施方式，对开路电压的确定如下进行：为了确保开路电压ocv尽可能在空载下被测量，当电池已切断较久、优选至少10分钟时，开路电压ocv通过外部的附加的电压测量实现。

特别优选地，根据第一实施方式，在电池长时间完全未承受负荷之后测量开路电压。在这种情况下，系统的待确认的电池理想地需要与所述系统“脱耦”，并且不能有电流流入或流出电池单体。这提高了方法的准确度。

以下针对具有低压电源的系统的情况描述优选的测量方法:电压测量通过存在于交通工具中的低压电源进行。高压电池在此不开启，并且在测量之前已切断尽可能长的时间、例如至少10分钟。电压测量可以针对电池、一个或多个模块或仅一个或多个电池单体进行。

以下针对不具有低压电源的系统的情况描述优选的测量方法:因为高压电池不应承受负荷，因此所述系统为了电压测量需要自有的测量系统，该测量系统带有自给自足的供能装置。这种测量系统可以例如通过缓冲电容器运行，缓冲电容器在与高压系统耦连后相应地重新充电。

如果不能测量实际的ocv，则可以使用在电池在尽可能长的时间内仅以尽可能小的电流加载后测得的电压。

此处描述的用于测量开路电压的第一实施方式能够实现特别高的准确度。

特别优选地，根据另外的实施方式，当电池单体以小于定义的极限电流的电流加载优选至少10分钟时，测量开路电压。例如规定小于50c的极限电流，也就是说，如果恒定地施加这样的电流，则电池能以该电流放电超过50个小时。

这种另外的实施方式不如第一实施方式那么准确,但可以快速和有效率地实施。

根据优选的另外的实施方式，借助对松弛的电压的估计进一步改善对开路电压的确定的准确度，所述估计通过外推间歇时间外的电压曲线进行。

根据更一般的方面，本发明设计一种方法，其包括如下步骤：

-测量和/或计算和/或确定电池的至少一个状态值；

-在考虑所述至少一个状态值的情况下计算和/或确定另外的值。

关于本发明，所述状态值可以是电池的内阻的差分。所述另外的量可以是电池的老化状态、尤其电池的健康状态soh。

在优选的实施方式中，这种方法包括如下步骤:

-确定放电终了时的超电压；

-计算内阻；

-将内阻与特征曲线匹配以确定soh。

优选最后提到的几个步骤在行驶和/或交通工具运行时进行。

在优选的实施方式中，所述方法包括准备好的测量，这些测量也可以是方法、尤其方法步骤的一部分：

在此，特征曲线可以针对不同的温度和不同的soc被确定。该模型也可以补充以另外的老化机制，如内阻的升高和/或活性物质的损失。

此外，本发明还涉及一种确定电池老化度的方法，其至少包括如下方法步骤：

借助第一方法确定电池老化状态。在出现与电池状态相关的条件时离散或连续地转换为按照本发明的确定电池老化度的方法。在此，电池状态可以是例如某个确定的soc、尤其50％、优选30％、特别优选20％。在此，这种条件可以包括，或者高于或者低于电池状态的提到的值。此外可以尤其从所提到的电池状态开始连续地在一个范围上转换。为此可以通过在借助第一方法和这种按照本发明的方法确定的电池老化度之间进行内插值、尤其线性内插值，从所述一种方法向另一种方法转换。尤其地，所述转换在高于或低于所提到的作为条件的荷电状态时开始并且在达到第二荷电状态时结束，第二荷电状态与第一荷电状态尤其相差30％、优选20％、特别优选10％。

根据另外的实施方式描述一种控制器，所述控制器设计用于实施所述按照本发明的方法。关于本发明使用的术语控制器和控制系统是同义词。

根据另外的实施方式描述一种交通工具，其包括至少一个这样的控制器。

本发明的其它优选的设计方案由在说明书中提到的其余特征得出。

本发明的在本申请中提到的各种实施方式如果未单独地另作说明能够有利地相互结合。

附图说明

以下在实施例中根据附图阐述本发明。在附图中：

图1a示出根据一种实施方式的确定开路电压ocv的方法；

图1b示出根据一种实施方式的确定负荷电压的方法；

图2a示出确定将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线的方法；

图2b示出确定根据电池的荷电状态soc将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线的方法；

图3示出根据本发明的一种实施方式的确定电池的老化状态的方法；

图4示出根据本发明的一种实施方式的确定电池的老化状态的系统；

图5示出根据本发明的另外的实施方式的确定电池的老化状态的系统；

图6示出电池单体的内阻δr与老化状态soh的相关性；

图7a示出半电池单体和全电池单体的开路电压和放电时的特征曲线和

图7b示出半电池单体和全电池单体的开路电压和放电时的特征曲线在阳极的锂损失后的变化。

具体实施方式

图1a示出根据一种实施方式的确定开路电压ocv的方法,以便检测将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线。

图1b示出根据一种实施方式的确定负荷电压的方法,以便检测将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线。

以下详细描述对此的优选的步骤：

按照本发明的方法需要，作为准备措施确定将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线。

借助该特征曲线可以在交通工具投入运行后在确定内阻δr后检测电池的老化状态。为了确定该特征曲线，首先确定开路电压ocv和负荷电压20b。开路电压ocv的确定在图1a中示出。

开路电压ocv、更准确地说是全电池单体开路电压20a可以由阳极的开路电压ocv10a和阴极的开路电压ocv15a根据如下方程eq1a构建：

ocvfull(sococv)=ocvcath(sococv)-ocvan(sococv).

如同由方程eq1a得出的那样，开路电压与电池单体的荷电状态有关。优选地，在不同的荷电状态下实施开路电压的测量。尤其确定优选在0至20％的sococv下的开路电压。此外，该测量应当优选在不同的温度下进行。此外也可以改变充电循环。作为测量半电池单体的替代或补充也可以测量全电池单体的开路电压。如果除了测量半电池单体外还测量全电池单体的开路电压，则对全电池单体的开路电压的测量可以用于检查构建的电压。对于标准化的电池单体可以从文献资料5a获取开路电压ocv。

负荷电压的确定在图1b中示出。负荷电压、更准确地说是全电池单体负荷电压20b可以由阳极的负荷电压10b和阴极的负荷电压15b根据如下方程eq1b构建：

udch.full(sococv)＝udch，cath(sococv)-udch，an(sococv).

如同由该方程得出的那样，负荷电压与电池单体的荷电状态有关。优选地，在不同的荷电状态下实施负荷电压的测量。尤其确定优选在0至20％的sococv下的负荷电压。

此外应当在不同的温度下进行测量，因为负荷电压尤其分别根据温度可能不同。此外也可以改变充电循环。作为测量半电池单体的替代或补充也可以测量全电池单体的负荷电压。如果除了测量半电池单体外还测量全电池单体的负荷电压，则对全电池单体的负荷电压的测量可以用于检查构建的电压。对于标准化的电池单体可以从文献资料5b获取负荷电压。

图2a示出确定在放电终了时的将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线的方法。图2b示出确定根据电池的荷电状态soc将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线的方法。以下详细描述对此的优选的步骤：

在如图1a和1b中已描述的那样确定20a开路电压和确定20b负荷电压之后，放电终了时的特征曲线31a可以被确定。由此可以算出作为开路电压20a和负荷电压20b之差的超电压δu并且由此基于超电压δu和在考虑放电电流的情况下算出内阻δr。内阻已经先根据老化状态soh被确定30a。通过转换可以获得表示与内阻δr相关的老化状态soh的特征曲线31a。该特征曲线31a被储存在交通工具的特征曲线存储器35a中并且可以根据按照本发明的方法用于确定电池105的老化状态soc。

相较而言在图2a中特征曲线31a一般地已经被确定，也可以优选根据荷电状态soc确定特征曲线31b。这在图2b中示出。在如图1a和1b中已描述的那样首先确定20a开路电压和确定20b负荷电压。由此可以算出作为开路电压20a和负荷电压20b之差的超电压δu并且由此基于超电压δu和放电电流算出内阻δr。因此针对不同的荷电状态soc得出不同的值。因此，内阻首先已根据老化状态soh和荷电状态soc被确定30b。通过转换可以获得表示与内阻δr和荷电状态soc相关的老化状态soh的特征曲线31b。该特征曲线31b被储存在交通工具的特征曲线存储器35b中并且可以根据按照本发明的方法用于确定电池105的老化状态soc。

图3示出根据本发明的一种实施方式的确定电池的老化状态的方法。

在行驶40时测量42负荷电压。在交通工具停止运行时可以松弛44电池电压。换言之产生电池单体电压，该电池单体电压大致相当于电池单体的平衡电压。松弛时间应当优选为至少30分钟。测量46得到的电压大致相当于开路电压ocv。由开路电压和负荷电压可以确定内阻。为此根据如下方程2a确定超电压，eq2a：

δu=urelaxed-uendofdch，

根据放电时的超电压和电流确定电池单体的内阻，优选借助如下方程2b确定，eq2：

将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线已(如已经通过图1和图2描述的那样)被确定47并且储存在交通工具的特征曲线存储器中。借助特征曲线可以由获得的内阻δr确定48老化状态。

图4示出根据本发明的一种实施方式的确定电池105的老化状态的方法。该系统包括充电设备100，借助充电设备100可以为电池105充电。该电池包括电化学电池单体110。此外还设有测量设备。尤其可以借助电压测量设备111测量电池电压。这能够实现开路电压和负荷电压的确定。电流测量设备112可以测量当前的电流。此外还设有温度测量设备113，以便控制温度。由测量设备111、112、113检测到的信息被传输至控制系统120。由开路电压和负荷电压以及在放电时测得的电流可以确定电化学电池单体110的内阻。将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线随后被储存在控制系统120的特征曲线存储器中。借助该特征曲线可以由获得的内阻δr确定电池105的老化状态。该老化状态通过屏幕130向驾驶员显示。

图5示出根据本发明的另外的实施方式的确定电池105的老化状态的系统。该系统包括充电设备100，借助充电设备100可以为电池105充电。该电池包括多个电化学电池单体110a、110b、110c。此外还在每个电池单体中设有测量设备。尤其可以借助电压测量设备111测量电池电压。这能够实现开路电压和负荷电压的确定。电流测量设备112可以测量当前的电流。此外还设有温度测量设备113，以便控制温度。由测量设备111、112、113为每个电池单体110a、110b和110c检测到的信息被传输至控制系统120。由开路电压和负荷电压以及在放电时测得的电流可以确定电化学电池单体110a、110b和110c的内阻。将内阻δr和老化状态soh相关联的特征曲线随后被储存在控制单元120的特征曲线存储器中。借助该特征曲线可以由获得的内阻δr单独检测每个电池单体110a、110b、110c的老化状态soh并且因此也可以检测整个电池105的老化状态soh。该老化状态通过屏幕130向驾驶员显示。

图6示出内阻δr与电池单体的老化状态soh的相关性。在此示出电池单体的逐日的测量点200，这些测量点在不同的荷电状态和23℃的温度下被存储。此外还示出模型特征曲线210。模型特征曲线210和逐日的测量点的匹配良好。图6较好地示出放电终了时的内阻随着soh的降低、即电池单体中的可移动的锂的量减少而下降的一般趋势。如果将内阻δr和老化状态soh相关联的相应的特征曲线储存在交通工具的控制系统的特征曲线存储器中，则根据本发明的方法可以借助该特征曲线由得到的内阻δr确定老化状态soh。在此利用内阻和老化状态soh的已提到的明显的相关性。

图7a示出半电池单体和全电池单体的开路电压和放电时电压的特征曲线。该电池在新状态下。在此示出阴极ocv的电压特征曲线220和阴极在放电时的电压特征曲线222。此外还示出阳极ocv的电压特征曲线230。由阳极ocv的电压特征曲线230和阴极ocv的电压特征曲线220可以构建全电池单体ocv的电压特征曲线240。对于阳极的电压特征曲线发现超电压可以良好近似地忽略不计。因此，对于阳极仅示出ocv的电压特征曲线，在此处所使用的近似过程中假定其与放电时的电压特征曲线基本上一致。因此，由阴极在放电时的电压特征曲线222和阳极ocv的电压特征曲线230可以构建全电池单体在放电时的电压特征曲线242。优选也测量全电池单体的电压特征曲线，以便监控构建的特征曲线。当前设定2.5v的电压下限值。该电压值在此标记放电终了。由图7a可以得出，全电池单体的ocv(开路电压)的电压特征曲线240具有将近0％的荷电状态soc，相较而言，全电池单体在放电时的电压特征曲线242具有更高的荷电状态soc。因此总体上，可用的容量cstd小于ocv条件下的容量cocv。这些充电容量在图中通过水平箭头示出。此外还标出了超电压δu，该超电压δu作为全电池单体的开路电压与全电池单体在放电时在放电终了处的电压、即2.5v的电压之差得出。

图7b示出半电池单体和全电池单体的开路电压和放电时电压的特征曲线在阳极的锂损失后的变化。

图7b像在图7a的情况下那样示出新状态下的电池的电压特征曲线。全电池单体的ocv的电压特征曲线240或全电池单体在放电时的电压特征曲线242可以如上述那样构建。在此示出，阳极上的可移动的锂浓度的在电池老化的情况下的减小导致特征曲线的移动。图7b示出阳极ocv的向右(通常表述为：阳极朝更低的阴极锂化的方向移动)移动的电压特征曲线230‘，阳极ocv的移动的电压特征曲线230‘由锂的损失引起，图7b还示出全电池单体ocv的移动的电压特征曲线240‘和全电池单体在放电时的移动的电压特征曲线242‘。全电池单体的移动的电压特征曲线240‘和242‘也如上述那样由半电池单体的电压得出。在此标出了电池老化后的超电压δu，该超电压δu作为全电池单体的移动的开路电压与全电池单体在放电时在放电终了处的电压、即2.5v的电压之差得出。显而易见的是，该超电压δu与新的、也就是未老化的电池单体的在图7a中描述的情况相比较小。此较小的超电压对应较低的内阻δr，该内阻δr在考虑电流强度的情况可以由超电压确定。内阻和描述老化状态soh的可移动的锂浓度的关联已参照图6被讨论。

附图标记列表

soh老化状态

soc荷电状态

ocv开路电压

δr内阻

5a全电池单体ocv的文献资料

5b全电池单体负荷电压的文献资料

10a阳极的开路电压ocv

10b阳极的负荷电压

15a阴极的开路电压ocv

15b阴极的负荷电压

20a构建开路电压ocv

20b构建负荷电压

eq1a方程1a

eq1b方程1b

eq2方程2

30a特征曲线r(soh)

30b特征曲线r(soh,soc)

31a转换的特征曲线soh(r)

31b转换的特征曲线soh(r,soc)

35a具有特征曲线的存储器

35b具有特征曲线的存储器

40行驶

42测量负荷电压

44松弛

46测量开路电压ocv

47确定特征曲线r(soc)

48通过与特征曲线匹配确定soh

100充电设备

105电池

110、110a、110b、110c电化学电池单体

111电压测量设备

112电流测量设备

113温度测量设备

120控制系统/控制器

130屏幕

200δr对soh的日历特征曲线

210δr对soh的模型特征曲线

220阴极ocv的电压特征曲线

222阴极放电时的电压特征曲线

230阳极ocv的电压特征曲线

230‘阳极ocv的移动的电压特征曲线

240全电池单体ocv的电压特征曲线

240‘全电池单体ocv的移动的电压特征曲线

242全电池单体放电时的电压特征曲线

242‘放电时的移动的电压特征曲线