CN107980099A - 确定在电池组电池中阳极的电势和/或阴极的电势的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定在电池组电池（2）中的阳极（21）的电势（P1）和/或阴极（22）的电势（P2）的方法，所述电池组电池具有负端子（11）和正端子（12），所述方法包括下面的步骤：‑测量流过电池组电池（2）的电流（I），‑确定电池组电池（2）的电荷转移电阻，‑由电荷转移电阻求得阳极（21）的电荷转移电阻（Rct1）和/或阴极（22）的电荷转移电阻（Rct2），‑求得电池组电池（2）的空载电压，‑由空载电压求得电池组电池（2）的放电深度，‑由电池组电池（2）的放电深度求得阳极剩余电压（U1）和/或阴极剩余电压（U2），‑由阳极（21）的电荷转移电阻（Rct1）以及电流（I）求得阳极过电势（N1）和/或由阴极（22）的电荷转移电阻（Rct2）以及电流（I）求得阴极过电势（N2），‑由阳极剩余电压（U1）和阳极过电势（N1）求得阳极（21）的电势（P1）和/或从阴极剩余电压（U2）和阴极过电势（N2）求得阴极（22）的电势（P2）。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定在电池组电池中阳极的电势和/或阴极的电势的方法，其中所述电池组电池具有负端子和正端子。
背景技术
电能可以借助电池组来存储。电池组将化学反应能量转化为电能。在此情况下，初级电池组和次级电池组相区别。初级电池组是仅仅一次有效的，而也被称为蓄电池的次级电池组可以再次被充电。在此，电池组包括一个或多个电池组电池。
尤其是所谓的锂离子电池组电池被应用在蓄电池中。锂离子电池组电池特点尤其在于高的能量密度、热稳定性和极小的自放电。锂离子电池组电池尤其在机动车中、尤其是在电动车辆（Electric Vehicle，EV）、混合动力车辆（Hybride Electric Vehicle, HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV）中使用。
锂离子电池组电池具有也被称为阴极的正电极和也被称为阳极的负电极。阴极以及阳极各包括一个集流体（Stromableiter），在其上施加有活性材料。用于阴极的活性材料例如是金属氧化物。用于阳极活性材料例如是硅。但是，石墨也流行作为用于阳极活性材料。
锂原子被嵌入到阳极活性材料中。在电池组电池的放电过程中，电子在外部电流回路中从阳极向阴极流动。在电池组内部，锂离子在放电过程中从阳极向阴极流动。在此，锂离子从阳极活性材料中可逆地转移，这也被称为脱嵌（Deinterkalaiton）。在电池组电池的充电过程中，锂离子从阴极迁移到阳极。在此，锂离子又可逆地嵌入到阳极活性材料中，这也被称为嵌入。
电池组电池的电极膜状地构造，并且在将阳极与阴极隔开的隔离部的中间层下方被缠绕成电极线圈。这种电极线圈也被称为果冻卷（Jelly-Roll）。这些电极也相互层叠为电极堆叠。
电极线圈或者电极堆叠的两个电极借助集电极与电池组电池的极（也被称为端子）电连接。电池组电池通常包括一个或多个电极线圈或电极堆叠。这些电极和隔离部被通常为流体的电解质穿过。该电解质对于锂离子来说是导电的并且能够实现在电极之间的锂离子的传输。
例如由DE 10 2012 223 796 A1公开按照前序部分所述的电池组电池，该电池组电池包括布置在壳体内部的阳极和阴极以及两个端子。
在DE 10 2011 117 098 A1中公开用于评价电池组电池的功能状态的方法。在此，电池电压以及电池组电池的充电状态被监控并且电池组电池的功能状态参数被确定。
由EP 2 762 908 A1得知一种用于确定电池组电池的功率的方法。在此，主要是在电池组电池被充电或放电期间测量电池温度、电流和电压。从所测量的数据中接着确定电池组电池的内阻。
发明内容
推荐了一种用于确定在电池组电池中的阳极的电势P1和/或阴极的电势P2的方法。在此，电池组电池具有负端子和正端子，并且在电池组电池的负端子和正端子之间施加有电池电压Ucell。
阳极的电势P1相应于在阳极表面上的电化学电势φ1s和包围该阳极的电解质的电化学电势φ1e之间的差：
阴极的电势P2相应于在阴极表面上的电化学电势φ2s和包围该阴极的电解质的电化学电势φ2e之间的差：
电池电压Ucell相应于在阳极表面上的电化学电势φ1s和在阴极表面上的电化学电势φ2s之间的差：
在此，按照本发明规定下面的步骤：
-测量流过电池组电池的电流I，
-确定电池组电池的电荷转移电阻Rct，
-从电荷转移电阻Rct求得阳极的电荷转移电阻Rct1和/或阴极的电荷转移电阻Rct2，
-求得电池组电池的空载电压UR，
-从该空载电压UR求得电池组电池的放电深度DOD，
-从该电池组电池的放电深度DOD求得阳极剩余电压U1和/或阴极剩余电压U2，
-从阳极的电荷转移电阻Rct1以及电流I求得阳极过电势N1 和/或从阴极的电荷转移电阻Rct2以及电流I求得阴极过电势N2，
-从阳极剩余电压U1和阳极过电势N1求得阳极的电势P1和/或从阴极剩余电压U2和阴极过电势N2求得阴极的电势P2。
在此，电池组电池的电荷转移电阻Rct有利地由电池组管理系统确定。为此，相应的方法由现有技术已知。
通过对电池组电池的电荷转移电阻Rct的认识，可以求得阳极的电荷转移电阻Rct1和阴极的电荷转移电阻Rct2。在此，适用：
阳极的电荷转移电阻Rct1和阴极的电荷转移电阻Rct2相互成恒定比例，所述比例例如可以通过在阴极的电荷转移电阻Rct2与阳极的电荷转移电阻Rct1之间的比值k来描述。恒定的比值k有利地在方法准备上按照下式来确定：
阳极的电荷转移电阻Rct1可以由比值k和电荷转移电阻Rct求得。同样，阴极的电荷转移电阻Rct2也可以由比值k和电荷转移电阻Rct求得。适用：
在空载的电池组情况下、也即当没有电流I流过时，可以直接在电池组电池的端子之间测量空载电压UR。然而如果电池组电池在运行中并且有电流I流过，不能直接测量该空载电压UR。
在处于运行中的电池组电池的情况下，为了求得空载电压UR而确定电池组电池的欧姆电阻R0，并且测量附在电池组端子之间的电池电压Ucell。于是，根据下面的等式由电池电压Ucell、欧姆电阻R0、电荷转移电阻Rct和电流I求得空载电压UR：
在此，电池组电池的欧姆电阻R0有利地由电池组管理系统确定。为此，由现有技术已知相应的方法。
电池组电池的放电深度DOD与空载电压UR相关。由在方法准备上建立的放电表格FE得知电池组电池的放电深度，该放电表格说明电池组电池的根据空载电压的放电深度DOD。得到：
阳极剩余电压U1与电池组电池的放电深度DOD相关。由在方法准备上建立的阳极表格FA得知阳极剩余电压U1，该阳极表格说明根据放电深度DOD的阳极剩余电压U1。得到
阴极剩余电压U2与电池组电池的放电深度DOD相关。由在方法准备上建立的阴极表格FK得知阴极剩余电压U2，该阴极表格说明根据放电深度DOD的阴极剩余电压U2。得到
阳极过电势N1根据下面的等式由阳极的电荷转移电阻Rct1以及电流I求得：
阴极过电势N2根据下面的等式由阴极的电荷转移电阻Rct2以及电流I求得：
阳极的电势P1根据下面的等式由阳极剩余电压U1以及阳极过电势N1求得：
阴极的电势P2根据下面的等式从阴极剩余电压U2以及阴极过电势N2中求得：
还推荐了一种用于执行本发明方法的计算机程序，其中该计算机程序在可编程的计算机装置上实施。
此外，还推荐了一种电池组管理系统，其被设立用于执行按照本发明方法。
有利地，按照本发明方法应用在电动车辆（EV）中、混合动力车辆（HEV）中、插电式混合动力车辆（PHEV）中、或者消费电子产品中的电池组电池中。消费电子产品尤其可以被理解为移动电话、台式电脑或笔记本电脑。
本发明的优点
通过确定电池组电池的阳极的电势以及阴极的电势可以推导出电池组电池的状态、尤其是电池组电池的老化。以在线方式、尤其是通过测量对此所需的全部参数来确定电池组电池的阳极电势以及阴极电势是相对复杂和耗费的。为此，按照本发明方法使用了电池组电池的简化模型，由此阳极电势以及阴极电势的确定可以相对简单并且尤其可以利用相对简单的工具来实施。
附图说明
根据附图和后面的描述进一步阐述本发明的实施方式。
其中，
图1示出电池组电池的示意图，
图2示出图1的电池组电池的简化等效电路图以及
图3示出图2的等效电路图的、与图2中图示等价的图示。
具体实施方式
在图1中示意性示出电池组电池2。电池组电池2包括电池壳体3，该电池壳体棱柱状、当前平行六面体地构造。电池壳体3当前导电地实施并且例如由铝制成。电池壳体3却也可以由电绝缘材料、例如塑料制成。
电池组电池2包括负端子11和正端子12。经由端子11、12可以从电池组电池2分接可供使用的电压。此外，电池组电池2也可以经由端子11、12充电。端子11、12相互间隔地布置在棱柱状的电池壳体3的遮盖面上。
在电池组电池2的电池壳体3内部布置有电极线圈，所述电极线圈具有两个电极、也即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别膜状地被实施，并且在隔离部18的中间层下方被缠绕成电极线圈。也可以设想，将多个电极线圈设置在电池壳体3中。代替电极线圈例如也可以设置电极堆叠。
阳极21包括阳极活性材料41，其膜状地被实施。阳极活性材料41具有作为原材料的硅或者包含硅的合金。阳极21还包括集流体31，该集流体同样是膜状地构造。阳极活性材料41和集流体31平面地彼此放置并且相互连接。
阳极21的集流体31被实施为导电的并且由金属制成、例如由铜制成。阳极21的集流体31借助集电极与电池组电池2的负端子11电连接。
阴极22包括阴极的活性材料42，所述活性材料膜状地实施。阴极活性材料42具有作为原材料的金属氧化物、例如锂钴氧化物（LiCoO2）。阴极22还包括集流体32，所述集流体同样膜状地被构造。阴极的活性材料42和集流体32平面地彼此放置并且相互连接。
阴极22的集流体32被实施为导电的并且由金属制成、例如由铝制成。阴极22的集流体32借助集电极与电池组电池2的正端子12电连接。
阳极21和阴极22通过隔离部18相互分离。隔离部18同样膜状地构造。隔离部18电绝缘地构造，但是是离子传导的，也即对于锂离子可穿透。
电池组电池2的电池壳体3以流体的电解质15或者以聚合物电解质填充。在此，电解质15穿过阳极21、阴极22和隔离部18。电解质15也是离子传导的。
在图2中示出了图1的电池组电池2的简化的等效电路图。在此，端子11、12从电池壳体3中凸出并且是从外部可到达的，尤其对于测量是从外部可到达的。欧姆电阻形式的这里未示出的耗电器连接到端子11、12。
电池电压Ucell附在所述的端子11、12之间，该电池电压可以直接从外部测量。当前，电流I从正端子12通过电池组电池2流向负端子11，由此电池组电池2被充电。电流I可以从外部直接被测量。
阳极21通过由阳极电压源和电荷转移电阻Rct1组成的串联电路来模拟。在此，阳极电压源提供阳极剩余电压U1。
阴极22通过由阴极电压源和电荷转移电阻Rct2组成的串联电路来模拟。在此，阴极电压源提供阴极剩余电压U2。
此外，设置有欧姆电阻R0。在此，欧姆电阻R0包括电池组电池2的所有寄生子电阻、尤其是集流体31、32的电阻、未示出的保险装置的电阻、穿过隔离部18的离子运送的电阻、集电极以及端子11、12的电阻和活性材料41、42的电阻。
在电池组电池2的简化的等效电路图中，阳极21、阴极22和在负端子11和正端子12之间的欧姆电阻R0串联连接。因此电流I流过阳极21、阴极22和欧姆电阻R0。
因此，电流I也流过阳极21的电荷转移电阻Rct1。在此，称作阳极过电势N1的电压降落在阳极21的电荷转移电阻Rct1上。因此从阳极剩余电压U1和阳极过电势N1之和得到的电压附在阳极21上。所述阳极剩余电压U1和阳极过电势N1之和被称作阳极21的电势P1。
因此，电流I也流过阴极22的电荷转移电阻Rct2。在此，称作阴极过电势N2的电压降落在阴极22的电荷转移电阻Rct2上。因此，由阴极剩余电压U2和阴极过电势N2之和得到的电压附在阴极22上。所述阴极剩余电压U2和阴极过电势N2之和被称作阴极22的电势P2。
图3示出了在图2中所示等效电路图的、与图2中图示等价的图示。在此，提供阳极剩余电压U1的阳极电压源、提供阴极剩余电压U2的阴极电压源、阳极21的电荷转移电阻Rct1、阴极22的电荷转移电阻Rct2以及欧姆电阻R0以修改过的顺序串联连接在负端子11和正端子12之间。
因此，电流I此外还流过阳极电压源、阴极电压源、阳极21的电荷转移电阻Rct1、阴极22的电荷转移电阻Rct2和欧姆电阻R0。此外，电池电压Ucell附在电池组电池2的端子11、12之间。
阳极21的电荷转移电阻Rct1和阴极22的电荷转移电阻Rct2一起构成电荷转移电阻Rct。由阳极21的电荷转移电阻Rct1和阴极22的电荷转移电阻Rct2的值之和得到电荷转移电阻Rct的值。
阳极电压源和阴极电压源一起构成电压源，所述电压源提供电池组电池2的空载电压UR，其中所述阳极电压源提供阳极剩余电压U1，所述阴极电压源提供阴极剩余电压U2。
本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内可以进行各种改动，这些改动处于本领域技术人员的处理的范围内。
Claims (10)
1.一种用于确定在电池组电池（2）中阳极（21）的电势（P1）和/或阴极（22）的电势（P2）的方法，所述电池组电池具有负端子（11）和正端子（12），所述方法包括下面的步骤：
-测量流过所述电池组电池（2）的电流（I），
-确定所述电池组电池（2）的电荷转移电阻（Rct），
-由所述电荷转移电阻（Rct）求得所述阳极（21）的电荷转移电阻（Rct1）和/或所述阴极（22）的电荷转移电阻（Rct2），
-求得所述电池组电池（2）的空载电压（UR），
-由所述空载电压（UR）求得所述电池组电池（2）的放电深度（DOD），
-由所述电池组电池（2）的所述放电深度（DOD）求得阳极剩余电压（U1）和/或阴极剩余电压（U2），
-由所述阳极（21）的电荷转移电阻（Rct1）以及所述电流（I）求得阳极过电势（N1）
和/或由所述阴极（22）的电荷转移电阻(Rct2)以及所述电流（I）求得阴极过电势（N2），
-由所述阳极剩余电压（U1）和阳极过电势（N1）求得所述阳极（21）的电势P1和/或由所述阴极剩余电压（U2）和所述阴极过电势（N2）求得所述阴极（22）的电势（P2）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电荷转移电阻（Rct）由电池组管理系统确定。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在方法准备上确定在所述阴极（22）的所述电荷转移电阻（Rct2）与所述电荷转移电阻（Rct）之间的比值（k），以及
由所述比值（k）和所述电荷转移电阻（Rct）求得所述阳极（21）的所述电荷转移电阻（Rct1），和/或由所述比值（k）和所述电荷转移电阻（Rct）求得所述阴极（22）的所述电荷转移电阻（Rct2）。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定所述电池组电池（2）的欧姆电阻（R0），并且测量附在所述端子（11,12）之间的电池电压（Ucell），以及
由所述电池组电压（Ucell）、所述欧姆电阻（R0）、所述电荷转移电阻（Rct）和所述电流（I）求得所述空载电压（UR）。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述欧姆电阻（R0）由电池组管理系统确定。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，由在方法准备上建立的放电表格（FE）得知所述电池组电池（2）的所述放电深度（DOD），所述放电表格说明所述电池组电池（2）根据所述空载电压（UR）的所述放电深度（DOD）。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
由方法准备上建立的阳极表格（FA）得知所述阳极剩余电压（U1），所述阳极表格说明根据所述放电深度（DOD）的所述阳极剩余电压（U1），和/或
由方法准备上建立的阴极表格（FK）得知所述阴极剩余电压（U2），所述阴极表格说明根据所述放电深度（DOD）的所述阴极剩余电压（U2）。
8.用于执行根据上述权利要求之一所述的方法的计算机程序，其中所述计算机程序在可编程的计算机装置上实施。
9.电池组管理系统，所述电池组管理系统被设立用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法。
10.根据权利要求1至7所述的方法在电动车辆（EV）中、混合动力车辆（HEV）中、插电式混合动力车辆（PHEV）中、或者消费电子产品中的电池组电池（2）中的应用。
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