Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers . Wiederaufladbare elektrische Energiespeicher, d. h. Energiespeicher, die zur Speicherung von elektrischer Energie ausgebildet sind, werden als elektrische Energie bereitstellende Energiequellen in einer Vielzahl an elektrischen Verbrauchern eingesetzt. Insbesondere Energiespeicher auf Basis von Lithi- um, d. h. Lithium- Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium- Ionen- Akkumulatoren, haben in letzter Zeit insbesondere aufgrund ihrer hohen Leistungs- bzw. Energiedichte stetig an Bedeutung gewonnen und werden heutzutage in vielen mobilen bzw. stationären Anwendungen eingesetzt.

Für einen zuverlässigen Betrieb entsprechender Energiespeicher ist eine möglichst genaue Kenntnis und sonach Ermittlung des aktuellen Ladezustands erforderlich. Kenntnisse über den Ladezustand sind insbesondere notwendig, um einerseits Stra- tegien für den Betrieb des Energiespeichers zu realisieren, die, insbesondere vorzeitige, Alterungsprozesse verhindern und so eine nachhaltige Nutzung des Energiespeichers gewährleisten. Andererseits ist es, um einen unterbrechungsfreien Betrieb des Energiespeichers respektive der von diesem mit elektrischer Energie versorgten Anwendung sicherzustellen, notwendig, Kenntnisse über die aktuell vorhandene Energiemenge und somit den Ladezustand zu erhalten.

Problematisch ist hierbei, dass die Ermittlung des Ladezu- Stands entsprechender Energiespeicher mit bekannten Ansätzen zur Ermittlung des Ladezustands häufig aufwendig und ungenau ist. Insbesondere ist eine in situ Ermittlung des Ladezu- Stands entsprechender Energiespeicher nicht ohne Weiteres möglich .

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegen- über verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers anzugeben .

Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Er- mittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers gelöst, welches sich durch die folgenden Schritte auszeichnet:

- Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher,

- Ermitteln einer die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms angebenden Spannungsinformation,

- Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation .

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers in einem ersten Schritt vorgesehen, einen definierten Wechselstrom, d. h. einen Wechselstrom mit einer de- finierten Frequenz, an den Energiespeicher anzulegen. Der

Wechselstrom bedingt eine Spannungsantwort des Energiespeichers. Bei der Spannungsantwort handelt es sich typischerweise um eine bestimmte WechselSpannung, welche insbesondere von der Frequenz des angelegten Wechselstroms sowie weiteren Cha- rakteristika des Energiespeichers, wie z. B. Innenwiderstand, abhängig ist.

Das Anlegen des Wechselstroms erfolgt über einen definierten Zeitabschnitt, welcher derart gewählt ist, dass ein Ermitteln einer Spannungsinformation möglich ist. Der Zeitabschnitt kann beispielsweise im Bereich von Millisekunden, Hundertstelsekunden, ZehntelSekunden oder Sekunden liegen. Der Zeitabschnitt kann z. B. 10 Sekunden betragen. Das Ermitteln der Spannungsinformation stellt den zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Spannungsinformation gibt die elektrische Spannung des Energiespei - chers bei Anlegen des Wechselstroms an. Die Spannungsinformation kann dabei einen oder mehrere Spannungswerte des Energiespeichers oder einen zeitlichen Verlauf der Spannung des Energiespeichers während des Anlegens des Wechselstroms abgeben. Die Spannungsinformation gibt unmittelbar oder mittelbar die sich an dem Energiespeicher während des Anlegens des

Wechselstroms ergebende elektrische Spannung an. Wie erwähnt handelt es sich bei dieser Spannung typischerweise um eine WechselSpannung . In dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Ermitteln des Ladezustands des Energiespeichers anhand der ermittelten Spannungsinformation. Hierbei wird auf einen, insbesondere für einen dem zu vermessenden Energiespeicher entsprechenden Referenzenergiespeicher ermittelten, Zusammenhang zwischen der durch Anlegen des Wechselstroms erzeugten Spannung des Energiespeichers und dem Ladezustand zurückgegriffen. Anhand der ermittelten Spannungsinformation lassen sich also Aussagen über bzw. Rückschlüsse auf den Ladezustand des Energiespeichers vornehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Ladezustand von Energiespeichern, deren Leerlaufspannung über ein bestimmtes Ladezustandsintervall, welches Ladezustandsintervall innerhalb von Ladezustandsgrenzen zwi- sehen 0 und 100% liegt, konstant ist, ermittelt werden soll. Die Erfindung ist also insbesondere als Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands von Energiespeichern, deren Leerlaufspannung über ein bestimmtes Ladezustandsintervall, welches Ladezustandsintervall innerhalb von Ladezustandsgrenzen zwi- sehen 0 und 100% liegt, konstant ist, geeignet. Diese Energiespeicher, bei welchen es sich typischerweise um Lithium- Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium- Ionen-Akkumulatoren, wie z. B. Energiespeicher mit einer aus Lithium-Eisen-Phosphat gebildeten ersten Elektrode und einer aus Lithium-Titanat gebildeten zweiten Elektrode, handelt, zeigen insbesondere in Folge von während des Ladens bzw. Entladens auftretenden Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien konstante oder nur marginal veränderliche LeerlaufSpannungen über ein weites Ladezustandsintervall. Mit anderen Worten weisen derartige Energiespeicher eine flache Kennlinie auf.

Beispielsweise liegt die LeerlaufSpannung eines Energiespei- chers mit einer aus Lithium-Eisen-Phosphat gebildeten Kathode und einer aus Lithium-Titanat gebildeten Anode über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 bis 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 10 bis ca. 95% während des Ladens konstant bei ca. 1,90 Volt und während des Entladens in einem zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 bis 100% liegenden Ladezustandsintervall von ca. 90 bis ca. 10% konstant bei ca. 1,75 Volt. Der Unterschied zwischen den in den genannten Ladezustandsintervallen gemessenen LeerlaufSpannungen während des Ladens bzw. Entladens ist durch das Hystereseverhalten des Energiespeichers bedingt.

Mithin ist bei entsprechenden Energiespeichern die Differenz der LeerlaufSpannungen während des Ladens bzw. Entladens größer als die Differenz der jeweiligen, während des Ladens bzw. Entladens über die genannten Ladezustandsintervalle gemessenen LeerlaufSpannungen . Demzufolge ist über bekannte Methoden kein sinnvoller Zusammenhang zwischen der LeerlaufSpannung und dem Ladezustand eines Energiespeichers herstellbar. Gleiches gilt für die über die entsprechenden Ladezustandsinter- valle konstante Differenz der während des Ladens bzw. Entladens gemessenen LeerlaufSpannungen .

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch insbesondere auch für Energiespeicher, die einen entsprechend flachen bzw. konstanten Verlauf der LeerlaufSpannung über ein zwischen entsprechenden Ladezustandsgrenzen liegendes Ladezustandsintervall bzw. ein entsprechendes Hystereseverhalten und sich daraus ergebende flache Spannungsdifferentiale zeigen, eine Möglichkeit, den Ladezustand genau zu ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei auch deshalb von Vorteil, weil es einfach und schnell, ohne großen apparativen Aufwand durchführbar ist. Es ist insbesondere möglich, den Ladezustand in situ, d. h. während des Betriebs des Energiespeichers, zu ermitteln. Hierauf basierend kann eine an den ermittelten Ladezustand des Energiespeichers angepasste Be- triebsweise gewählt bzw. eingestellt werden, so dass Alterungsprozesse und damit verbundene Kapazitätsverluste des Energiespeichers deutlich reduziert werden können. Entsprechend können im Weiteren Wartungsintervalle des Energiespeichers verlängert werden.

Zweckmäßig erfolgt vor dem Anlegen des Wechselstroms ein Ermitteln einer die Temperatur des Energiespeichers angebenden Temperaturinformation. Die Frequenz des Wechselstroms wird dann in Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation an- gegebenen Temperatur des Energiespeichers gewählt. Die Temperaturinformation gibt die Temperatur des Energiespeichers unmittelbar oder mittelbar an.

Insbesondere kann die Auswahl der Frequenz des Wechselstroms anhand von erfassten Impedanz spektren eines Referenzenergiespeichers bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen des Referenzenergiespeichers erfolgen. Es werden also zweckmäßig Messungen an einem Referenzenergiespeicher vorgenommen, welcher dem Energiespeicher, dessen La- dezustand ermittelt werden soll, im Hinblick auf seinen Aufbau bzw. seine elektrischen Eigenschaften identisch oder zumindest weitgehend ähnlich ist. Anhand von Impedanz spektren lässt sich insbesondere die Impedanz |z|, bei welcher es sich um den Wechselstromwiderstand handelt, ermitteln. Die Impe- danz lässt sich bekanntermaßen in eine üblicherweise mit Θ gekennzeichnete Phasenverschiebung, die dem Phasenwinkel zwischen (angelegtem) Wechselstrom und (gemessener) elektrischer Spannung entspricht, umrechnen. Um die Impedanz erfassen zu können, muss an den Referenzenergiespeicher ein Wechselstrom angelegt werden, d. h. der Referenzenergiespeicher muss mit Wechselstrom angeregt werden. Im Rahmen der beispielsweise mittels elektrochemischer ImpendanzSpektroskopie erfolgenden Erfassung von Impedanzspektren des Referenzenergiespeichers wird der Referenzenergiespeicher mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt. Typischerweise werden an den Referenzenergiespeicher Wechselströme mit Frequenzen im Bereich von 10 ^"2 bis 10 ⁴ Hertz angelegt.

An dem Referenzenergiespeicher werden demnach Impedanzspektren über einen bestimmten Frequenzbereich bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen durchgeführt. Die Messungen werden typischerweise derart durchge- führt, dass jeweils nur ein Messparameter verändert wird.

Entsprechend werden Impedanzspektren für eine bestimmte Temperaturen mit unterschiedlichen Ladezuständen und für einen bestimmten Ladezustand mit unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Die aus den Impedanzspektren ermittelten Kennt- nisse können jedoch kombiniert betrachtet werden.

Die Impedanzspektren zeigen unterschiedliche Impedanzwerte für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers an, wobei für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz bei einer bestimmten bzw. konstanten Temperatur hohe Impedanzen typischerweise mit niedrigen Ladezuständen korreliert sind. Gleiches gilt für die Phasenverschiebung, d. h. auch diese liegt für eine bestimmte Frequenz bei einer bestimmten bzw. konstanten Temperatur typischerweise bei niedrigen Ladezuständen betragsmäßig höher als bei hohen Ladezuständen. Letzterer Zusammenhang ergibt sich ebenso aus den Impedanzspektren, da aus diesen auch Phasenverschiebungen für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers ableitbar sind. Die Impedanzspektren zeigen bei einer bestimmten bzw. konstanten Frequenz des angelegten Wechselstroms und einem bestimmten bzw. konstanten Ladezustand des Referenzenergiespeichers für unterschiedliche Temperaturen ebenso unterschiedli - che Werte der gemessenen Impedanzen bzw. Phasenverschiebungen an. Für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz liegt die Impedanz bei niedrigen Temperaturen typischerweise höher als bei hohen Temperaturen. Umgekehrt verhält es sich mit der Phasenverschiebung, die demnach für eine bestimmte bzw. konstante Frequenz bei niedrigen Temperaturen typischerweise niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Diese Beobachtung deckt sich mit der Theorie, wonach elektrochemische Vorgänge bei niedrigen Temperaturen üblicherweise langsamer ablaufen.

Aus den Messungen lässt sich schließlich ein Zusammenhang zwischen der Frequenz, der Temperatur und dem Ladezustand des Referenzenergiespeichers herstellen. Anhand der Messungen lassen sich demnach Aussagen treffen, welche Impedanz bei welcher Temperatur welchem Ladezustand des Referenzenergiespeichers entspricht bzw. zuzuordnen ist. Analoges gilt für die Phasenverschiebung, d. h. anhand der Messungen lassen sich ebenso Aussagen treffen, welche Phasenverschiebung bei welcher Temperatur welchem Ladezustand des Referenzenergie- Speichers entspricht bzw. zuzuordnen ist.

Bevorzugt wird für die Anregung des Energiespeichers, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, eine Frequenz ausgewählt, bei der der Verlauf bzw. der Wert der Impedanz des Referenz - energiespeichers oder einer mit der Impedanz korrelierten Größe, wie insbesondere der Phasenverschiebung, für unterschiedliche Ladezustände des Referenzenergiespeichers, insbesondere für einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist. Die Ermittlung eines maximalen Abstands zwischen den Impedanzen für unterschiedliche Ladezustände des Referenzenergiespeichers erfolgt demnach typischerweise bei Messungen mit konstanter Temperatur des Referenzenergiespeichers. Entsprechende Messungen werden jedoch in der Regel jeweils für unter- schiedliche Temperaturen des Referenzenergiespeichers durchgeführt . Als gegebene Temperatur wird vorzugsweise zumindest eine für den Betrieb des Referenzenergiespeichers minimal zulässige Temperatur und/oder eine für den Betrieb des Referenzenergiespeichers maximal zulässige Temperatur verwendet. Selbstver- ständlich können, insbesondere auch zusätzlich, entsprechende Messungen ebenso bei zwischen den minimal bzw. maximal zulässigen Temperaturwerten liegenden Temperaturen durchgeführt werden . Die Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation erfolgt insbesondere auf Basis einer ermittelten Korrelation zwischen der elektrischen Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms und dem Ladezustand des Energiespeichers. Die Korrelation, welche ei- ne bestimmte Zuordnung der Spannungsinformation zu dem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers beschreibt, ermöglicht es, die durch die Spannungsinformation beschriebene, während des Anlegens des definierten Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelte Spannung mit dessen Ladezustand in einen sinnvollen Zusammenhang zu setzen. Entsprechend können aus der Spannungsinformation respektive der durch diese beschriebenen Spannung oder sonstigen mit der Spannung in einem Zusammenhang stehenden Größen, d. h. insbesondere Impedanz und Phasenverschiebung, Rückschlüsse auf den aktuellen Ladezu- stand des Energiespeichers gezogen werden.

Die Korrelation kann z. B. zwischen der bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelten Spannungsinformation und dem Ladezustand des Energiespeichers derart ermit- telt wird, dass bei einem Referenzenergiespeicher für unterschiedliche Ladezustände und unterschiedliche Temperaturen jeweils Spannungsinformationen ermittelt werden. Wie erwähnt, kann über die Korrelation grundsätzlich ein Zusammenhang zwischen einer bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer defi- nierten Frequenz an den Referenzenergiespeicher ermittelten Spannungsinformation und einem Ladezustand des Referenzenergiespeichers hergestellt werden, so dass anhand einer Spannungsinformation, die eine bei einem definierten Wechsel- ström, d. h. einem Wechselstrom mit definierter Frequenz, an dem Referenzenergiespeicher anliegende elektrische Spannung beschreibt, ein Rückschluss auf den Ladezustand des Referenz - energiespeichers gezogen werden.

Die Ermittlung der Korrelation, welche auch als Korrelationsfunktion bezeichnet werden kann, kann entsprechend darauf beruhen, dass für einen Referenzenergiespeicher mit einem bekannten konstanten Ladezustand bei bestimmten Wechselstrom- frequenzen und bei bestimmten konstanten Temperaturen Spannungsinformationen, d. h. insbesondere Impedanzen bzw. Phasenverschiebungen, ermittelt werden. Es werden also z. B. bei einer bestimmten Temperatur eine Anzahl an Referenzenergiespeichern mit unterschiedlichen, jedoch bekannten Ladezustän- den jeweils mit einem definierten, bekannten Wechselstrom beaufschlagt und Spannungsinformationen, d. h. insbesondere die Impedanz und/oder die Phasenverschiebung, ermittelt. Entsprechende Messungen werden in der Regel jeweils für unterschiedliche Temperaturen durchgeführt.

Erfolgt dann im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer bekannten Temperatur ein Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz, kann anhand der aus der ermittelten Spannungsinformation z. B. ableitbaren Impedanz ein Rückschluss auf den Ladezustand des Energiespeichers gezogen werden. Gleiches gilt für die aus der Spannungsinformation typischerweise ebenso ableitbare Phasenverschiebung . Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers. Die Vorrichtung, welche als Messvorrichtung bezeichnet werden kann ist derart ausgebildet bzw. konfiguriert, dass sie eine die elektrische Spannung des Energie- Speichers bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher angebende Spannungsinformation ermitteln kann. Die Vorrichtung ist ferner derart ausgebildet bzw. konfiguriert, dass sie anhand der Spannungsin- formation den Ladezustand des Energiespeichers ermitteln kann .

Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen, vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Entsprechend gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Zweckmäßig ist die Vorrichtung ferner zur Ermittlung einer die Temperatur des Energiespeichers angebenden Temperaturinformation ausgebildet, wobei sie derart konfiguriert ist, dass die Frequenz des Wechselstroms in Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation angegebenen Temperatur gewählt ist. Hierfür umfasst die Vorrichtung geeignete Sensoren, die eine unmittelbare oder mittelbare Ermittlung der Temperatur des Energiespeichers ermöglichen.

Die Vorrichtung kann ein Speichermittel umfassen, in welchem Wechselstromfrequenzen hinterlegt sind, bei welchen der Verlauf der Impedanz des Energiespeichers oder einer mit der Impedanz korrelierten Größe für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers, insbesondere für einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist.

In demselben oder einem anderen, der Vorrichtung zugehörigen Speichermittel kann ferner eine Korrelationsfunktion, die eine Korrelation zwischen einer elektrischen Spannung bei Anle- gen des Wechselstroms an den Energiespeicher und einem Ladezustand des Energiespeichers angibt, hinterlegt sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungs- beispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Ablaufplan eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers während eines Ladevorgangs; einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers während eines Entladevorgangs; je einen Verlauf der Impedanz |z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium- Ionen- Energiespeichers bei einer gegebenen Temperatur; je einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium- Ionen-Energiespeichers bei einer gegebenen Temperatur; einen Verlauf der Impedanz |z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium- Ionen- Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50%; einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium- Ionen- Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50%; einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Impedanz |z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur ; Fig. 13 einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines

Wechselstroms für die Phasenverschiebung Θ eines Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur;

Fig. 14 einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen Temperatur gemessenen Impedanzen | Z | eines Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand;

Fig. 15 einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen Temperatur gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand;

Fig. 16 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Impedanzen |z| eines Lithium- Ionen- Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand;

Fig. 17 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium- Ionen- Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand; und

Fig. 18 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren dient der Ermittlung eines Ladezustands eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers. Bei dem Energiespeicher handelt es sich typischerweise um einen Lithium- Ionen-Energiespeicher bzw. Lithium- Ionen-Akkumulator, im Weiteren abge- kürzt nur noch als Energiespeicher bezeichnet. Der Energiespeicher weist eine negative Elektrode (Anode) aus Lithium- Titanat und eine positive Elektrode (Kathode) aus Lithium- Eisen-Phosphat auf. Fig. 2 zeigt einen Verlauf der Spannung gegen den Ladezustand eines solchen Energiespeichers während eines Ladevorgangs. Fig. 3 zeigt einen Verlauf der Spannung gegen den La- dezustand eines solchen Energiespeichers während eines

Entladevorgangs. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, zeigt die Spannung des Energiespeichers während des Ladens über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 und 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 10 bis ca. 95% einen konstanten Verlauf. Die Spannung liegt hier konstant bei ca. 1,80 Volt. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, zeigt die Spannung des Energiespeichers auch während des Entladens über ein zwischen den Ladezustandsgrenzen von 0 und 100% liegendes Ladezustandsintervall von ca. 90 bis ca. 10% einen konstanten Verlauf. Die Spannung liegt hier konstant bei ca. 1,85 Volt.

Diese flachen Kennlinien des Energiespeichers sind dadurch bedingt, dass die Elektrodenmaterialien während des Ladens bzw. Entladens des Energiespeichers jeweils einen Phasenüber- gang durchgehen. Diese flachen Kennlinien des Energiespeichers, drücken sich im Übrigen auch in Spannungsdifferentialen in den genannten Ladezustandsintervallen aus, d. h. die Spannungsdifferentiale sind den genannten Ladezustandsintervallen gleich Null.

Anhand der Fig. 2, 3 ist ferner ersichtlich, dass sich für derartige Energiespeicher aufgrund des konstanten Spannungs- verlaufs über ein weites Ladezustandsintervall sowohl während des Ladens als auch während des Entladens kein Zusammenhang zwischen Spannung und Ladezustand herstellen lässt. Insbesondere ist kein in situ Verfahren bekannt, dass eine sinnvolle Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt zur Ermittlung des La- dezustands eines entsprechenden Energiespeichers einen besonderen technischen Ansatz vor. Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 ist es dabei vorgesehen, zunächst die Temperatur des Energiespeichers zu messen (vgl. Kasten 1) . Hierzu wird über eine geeignete Temperatursensorik eine die Temperatur des Energiespeichers unmittelbar oder mittelbar angebende Temperaturinformation ermittelt. In Abhängigkeit der durch die Temperaturinformation beschriebenen Temperatur des Energiespeichers wird ein Wechselstrom AC einer definierten Frequenz f ausgewählt (vgl. Kasten 2) und an den Energiespeicher angelegt (vgl. Kasten 3) . Das Anlegen des Wechselstroms AC (vgl. Kasten 3) an den Energiespeicher bedingt eine bestimmte messbare Spannungsantwort des Energiespeichers. Bei der Spannungsantwort des Energiespeichers handelt es sich typischerweise um eine durch den aufgebrachten Wechselstrom ausgebildete Wechsel Spannung .

Die sich während des Anlegens des Wechselstroms in dem Energiespeicher ausbildende Spannung oder eine mit dieser korrelierende Größe wird ermittelt und durch eine Spannungsinformation beschrieben (vgl. Kasten 4) . Die Spannungsinformation gibt grundsätzlich unmittelbar oder mittelbar die elektrische Spannung des Energiespeichers bei Anlegen des Wechselstroms an. Insbesondere gibt die Spannungsinformation den Wechselstromwiderstand, d. h. die Impedanz |z| und/oder eine den Phasenwinkel zwischen angelegtem Wechselstrom und gemessener elektrischer Spannung entsprechende Phasenverschiebung Θ an.

Anhand der Spannungsinformation bzw. der in dieser enthaltenen Größen, d. h. insbesondere der Impedanz |z| und/oder der Phasenverschiebung Θ können Rückschlüsse auf den in Fig. 1 kurz als SOC (engl. State of Charge) bezeichneten Ladezustand des Energiespeichers gezogen werden (vgl. Kasten 5) .

Wie es zu der Auswahl der Wechselstromfrequenz und insbesondere der Korrelation zwischen Spannungsinformation, d. h. insbesondere Impedanz |z| und Phasenverschiebung Θ, und Ladezustand des Energiespeichers kommt, wird mit Bezug auf die weiteren Fig. 4 - 17 erläutert. Grundsätzlich sind hierfür Untersuchungen eines mit dem Energiespeicher, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, identischen Referenzenergiespeichers erforderlich. Die Auswahl der Frequenz des Wechselstroms erfolgt anhand von erfassten Impedanz spektren des Referenzenergiespeichers bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen des Referenzenergiespeichers. Die aus diesen einer Kalibrierung entsprechenden Untersuchungen erhaltenen Kenntnisse bzw. Zusammenhänge können gespeichert und auf den Energiespeicher, dessen Ladezustand ermittelt werden soll, übertragen werden.

Die Fig. 4 - 6 zeigen je einen Verlauf der Impedanz |z| gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einer gegeben Temperatur. Die Fig. 7 - 9 zeigen entsprechend je einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Ladezustände eines Lithium- Ionen-Energiespeichers bei einer gegeben Temperatur. Die Fig. 4, 7 zeigen eine Messung der Impedanz |z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer ersten Temperatur Ti . Anhand der Fig. 4, 7 lässt sich erkennen, dass die Impedanz |z| bzw. die Phasenverschiebung Θ grundsätzlich vom Ladezustand des Energiespeichers abhängt. Dies gilt insbesondere für den Fre- quenzbereich von 10 ^"2 Hertz bis 2 Hertz. Ersichtlich liegt die einen Ladezustand von 1% repräsentierende Kurve 6 in diesem Frequenzbereich oberhalb der einen Ladezustand von 99% repräsentierenden Kurve 7. Die Beobachtung gilt auch für die Messung der Impedanz |z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer oberhalb der ersten Temperatur Ti liegenden zweiten Temperatur T ₂ (vgl. Fig. 5, 8) sowie für die Messung der Impedanz |z| bzw. der Phasenverschiebung Θ bei einer oberhalb der zweiten Temperatur T ₂ lie- genden dritten Temperatur T ₃ (vgl. Fig. 6, 9) .

Selbstverständlich können die Messungen bei den jeweiligen Temperaturen auch durch Impedanz- bzw. Phasenverschiebungs- verlaufe bei weiteren Ladezuständen des Energiespeichers ergänzt werden. Hierbei ist ebenso zu erkennen, dass für eine gegebene Temperatur und eine gegebenen Wechselstromfrequenz vergleichsweise hohe Impedanzen |z| bzw. Phasenverschiebungen Θ für niedrige Ladezustände und demnach vergleichsweise niedrige Impedanzen |z| bzw. Phasenverschiebungen Θ für hohe Ladezustände gemessen werden.

Anhand geeigneter mathematischer Auswertealgorithmen wird in den jeweiligen Messungen für jede gemessene Frequenz der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 ermittelt. Es wird dann eine Frequenz ausgewählt, bei der der Abstand zwischen den jeweiligen Verläufen der Impedanz |z| bzw. der Phasenverschiebung Θ maximal ist. Dies ist bei der in Fig. 4 gezeigten Messung bei einer Frequenz von ca. 0,03 Hertz der Fall, da bei dieser Frequenz der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 maximal ist (vgl. Markierung 8) . Wie sich aus Fig. 7 ergibt, ist für die entsprechende Messung der Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,4 Hertz gegeben (vgl. Markierung 8) .

Bei den in den Fig. 6, 8 gezeigten Messungen bei der im Vergleich zu der Temperatur Ti höheren Temperatur T ₂ ergibt sich für die Impedanz |z| ein maximaler Abstand zwischen den Kur- ven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,1 Hertz und für die

Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 2 Hertz (vgl. die jeweiligen Markierungen 8) . Bei den in den Fig. 7, 9 gezeigten Messungen bei der im Vergleich zu der Temperatur T ₂ höheren Temperatur T ₃ ergibt sich für die Impedanz |z| ein maximaler Abstand zwischen den Kurven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 0,45 Hertz und für die Phasenverschiebung Θ ein maximaler Abstand zwischen den Kur- ven 6, 7 bei einer Frequenz von ca. 5 Hertz (vgl. die jeweiligen Markierungen 8) . Die in den Fig. 4 - 6 bzw. in den Fig. 7 - 9 dargestellten Messergebnisse werden nun dazu verwendet, einen Zusammenhang zwischen den jeweiligen Frequenzen, bei denen der Abstand zwischen den unterschiedliche Ladezustände des Energiespei - chers anzeigenden Kurven 6, 7 maximal ist, und der Temperatur des Energiespeichers herzustellen. Dies erfolgt z. B. durch entsprechende in den Fig. 12, 13 dargestellte Auftragungen.

Zunächst soll jedoch anhand der Fig. 10, 11 veranschaulicht werden, dass die Temperatur des Energiespeichers bei einem konstanten Ladezustand von 50% einen Einfluss auf die gemessene Impedanz |z| bzw. die Phasenverschiebung Θ hat.

Fig. 10 zeigt einen Verlauf der Impedanz |z| gegen die Fre- quenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium-Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50% und Fig. 11 zeigt entsprechend einen Verlauf der Phasenverschiebung Θ gegen die Frequenz eines Wechselstroms für unterschiedliche Temperaturen eines Lithium- Ionen-Energiespeichers bei einem jeweiligen Ladezustand von 50% .

Die dargestellten Kurven stehen jeweils für unterschiedliche Temperaturen des Energiespeichers. Kurve 9 repräsentiert eine Temperatur von 0°C, Kurve 10 eine Temperatur von 25°C und Kurve 11 eine Temperatur von 40°C.

Die in den Fig. 10, 11 gezeigten Impedanzspektren zeigen den erheblichen Einfluss der Temperatur auf die gemessenen Größen Impedanz |z| und Phasenverschiebung θ. Sowohl der Anstieg der Impedanz |z| als auch der Peak in der Phasenverschiebung Θ sind bei der eine Temperatur von 0°C repräsentierenden Kurve 10 zu niedrigeren Frequenzen verschoben.

Fig. 12 zeigt einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Messungen der Impedanz |z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur. Aufgetragen sind dabei die in den Fig. 4 - 6 dargestellten Messergebnisse. Es ist also die Frequenz, bei der der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 in den in den Fig. 4 - 6 dargestellten Messungen jeweils maximal ist, mit der jeweils zugehörigen Temperatur des Energiespeichers während der Messung korreliert aufgetragen. Die einzelnen Punkte sind durch eine Fit-Kurve verbunden.

Fig. 13 zeigt entsprechend einen Zusammenhang zwischen Frequenzen eines Wechselstroms für die Phasenverschiebung Θ eines Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur. Aufgetragen sind dabei entsprechend die in den Fig. 7 - 9 dargestellten Messergebnisse. Es ist auch hier die Frequenz, bei der der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 in den in den Fig. 7 - 9 dargestellten Messungen jeweils maximal ist, mit der jeweils zugehörigen Temperatur des Energiespeichers wäh- rend der Messung korreliert aufgetragen. Die einzelnen Punkte sind auch hier durch eine Fit-Kurve verbunden.

Wie die Korrelation mit der durch die Spannungsinformation ausgedrückten Größen Impedanz | Z | und Phasenverschiebung Θ und dem Ladezustand des Energiespeichers zustande kommt, wird mit Bezug auf die Fig. 14, 15 erläutert. Grundsätzlich wird die Korrelation zwischen der bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher ermittelten Spannungsinformation, d. h. insbesondere der Impedanz |z| bzw. der Phasenverschiebung Θ, und dem Ladezustand des Energiespeichers derart ermittelt, dass bei einem Referenzenergiespeicher für unterschiedliche Ladezustände und unterschiedliche Temperaturen jeweils Spannungsinformationen ermittelt werden. Fig. 14 zeigt einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen konstanten Temperatur gemessenen Impedanzen |z| eines Lithium-Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand. Fig. 15 zeigt entsprechend einen Zusammenhang zwischen bei einer gegebenen konstanten Temperatur gemessenen Phasenverschiebungen Θ eines Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Ladezustand . Die in den Fig. 14, 15 gezeigten Messergebnisse basieren auf Untersuchungen von Referenzenergiespeichern, die jeweils mit Wechselströmen mit den in den Fig. 4 - 6 bzw. Fig. 7 - 9 markierten (vgl. Markierung 8) Wechselstromfrequenzen beauf- schlagt wurden.

Die in Fig. 14 dargestellte Messung zeigt gemessene Impedanzen |z| für unterschiedliche Ladezuständen des Energiespeichers bei einer konstanten Temperatur, welche z. B. der Tem- peratur ΊΊ entspricht. Entsprechend wurden die unterschiedlich geladenen Energiespeicher für die Messung bei der Temperatur i mit einem definierten Wechselstrom mit der in Fig. 4 markierten Frequenz, bei der ein maximaler Abstand zwischen den in Fig. 4 gezeigten Kurven 6, 7 gegeben ist, beauf- schlagt.

Fig. 14 zeigt für die gegebenen Randbedingungen, d. h. Temperatur und Wechselstromfrequenz, bestimmte gemessene Impedanzen für bestimmte Ladezustände, so dass hier ein Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz |z| und dem Ladezustand des Energiespeichers erkennbar ist. Ersichtlich sind auch hier die einzelnen Punkte durch eine Fit-Kurve verbunden.

Zweckmäßig werden der in Fig. 14 dargestellten Messung ent- sprechende Messungen für weitere Temperaturen, d. h. insbesondere die in den in den Fig. 5, 6 gezeigten Messungen gegebenen Temperaturen T ₂ , T ₃ , durchgeführt. Hierbei werden selbstverständlich an die Energiespeicher Wechselströme mit den jeweiligen Frequenzen, bei denen der Abstand zwischen den Kurven 6, 7 maximal ist, angelegt.

Die den in Fig. 14 für die Impedanz |z| gezeigten Messungen entsprechenden Messungen für die Phasenverschiebung Θ sind in Fig. 15 gezeigt. Auch hier ist ein Zusammenhang zwischen den Ladezuständen des Energiespeichers und der gemessenen Phasenverschiebung Θ erkennbar. Anhand sämtlicher in den Fig. 4 - 15 dargestellter Messergebnisse lassen sich die in den Fig. 16, 17 gezeigten Diagramme erstellen. Dabei zeigt Fig. 16 einen Zusammenhang zwischen gemessenen Impedanzen |z| eines Lithium-Ionen-Energiespei- chers und dessen Temperatur und Ladezustand, Fig. 17 zeigt einen Zusammenhang zwischen gemessenen Phasenverschiebungen Θ des Lithium- Ionen-Energiespeichers und dessen Temperatur und Ladezustand . Diese Art der Auftragung ist insbesondere deshalb zweckmäßig, da hierdurch ein übersichtlicher Zusammenhang zwischen allen relevanten Größen, d. h. den gemessenen Größen Temperatur und Impedanz |z| bzw. Phasenverschiebung Θ und dem jeweiligen Ladezustand des Energiespeichers hergestellt ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird insbesondere mit einer in Fig. 18 gezeigten, erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 durchgeführt . Die Vorrichtung 12 ist zur Ermittlung einer die elektrische Spannung des zu vermessenden Energiespeichers 13 bei Anlegen eines Wechselstroms mit einer definierten Frequenz an den Energiespeicher angebenden Spannungsinformation und zur Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers anhand der Spannungsinformation ausgebildet.

Hierzu umfasst die Vorrichtung 12 eine Einheit 14 zur Erzeugung eines an den Energiespeicher 13 anzulegenden Wechselstroms und eine Einheit 15 zur Ermittlung der Spannungsant- wort des Energiespeichers 13 bei Anlegen des Wechselstroms respektive einer die Spannungsantwort angebenden Spannungsinformation. Die Vorrichtung 12 umfasst ferner eine, insbesondere als Temperatursensorik, ausgebildete Einheit 16 zur Ermittlung einer die Temperatur des Energiespeichers 13 ange- benden Temperaturinformation.

Der Vorrichtung 12 umfasst zudem ein Speichermittel 17, in welchem Wechselstromfrequenzen hinterlegt sind, bei welchen der Verlauf der Impedanz |z| des Energiespeichers 13 oder einer mit der Impedanz |z| korrelierten Größe, wie insbesondere der Phasenverschiebung Θ, für unterschiedliche Ladezustände des Energiespeichers 13, insbesondere für einen minimalen La- dezustand und einen maximalen Ladezustand, bei einer gegebenen Temperatur maximal ist.

Daneben ist in dem Speichermittel 17 eine Korrelationsfunkti - on, die eine Korrelation zwischen einer elektrischen Spannung bei Anlegen des Wechselstroms an den Energiespeicher 13 und einem Ladezustand des Energiespeichers 13 angibt, hinterlegt.

Die Korrelationsfunktion kann beispielsweise die in den in den Fig. 4 - 14 und insbesondere in den Fig. 15, 16 gezeigten Informationen umfassen, so dass es auf einfache Weise und ohne großen Rechenaufwand möglich ist, bei jeder Temperatur eine geeignete Frequenz für den an den Energiespeicher 13 anzulegenden Wechselstrom auszusuchen und anhand der während des Anlegens des Wechselstroms ermittelten Spannungsinformation Rückschlüsse auf den Ladezustand des Energiespeichers 10 zu ziehen .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .