CN114556738A - 快速充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对蓄电池系统从起初的充电状态SOC0出发快速充电到预先确定的目标充电状态SOCziel的方法，所述蓄电池系统具有多个锂离子电池单体，其中，由各个电池单体组成或由并联连接的电池单体的堆组成的单元串联连接，并且此外设有用于测量这些电池单体单元的电压和阻抗的至少一个分量的机构，在所述方法中，在使用阻抗测量或阻抗频谱研究(EIS)的情况下确定优化的快速充电条件。本发明的另一个方面涉及蓄电池系统，在所述蓄电池系统中执行所述方法。

Description

快速充电方法
技术领域
本发明涉及一种用于在借助阻抗测量或阻抗频谱研究的情况下对锂离子电池单体或具有多个锂离子电池单体的蓄电池系统快速充电的方法。
背景技术
对于用于汽车应用、尤其是用于纯电运行车辆的蓄电池系统，快速充电能力构成特别的挑战。在实际方面值得期望的是，蓄电池系统的充电不显著持续长于在以内燃机运行的车辆中的加油过程。
为此要求在例如2C或更大的范围中的高充电电流。这样的充电电流然而可能导致强烈的自加热和因此导致电解质的逐步退化和蓄电池的加速老化。此外，在高电流时存在危险，即，在阳极上除了坎入之外也有金属的锂析出，这再次会导致内部的短路。
此外造成困难的是，适合的快速充电条件又典型地依赖于电池单体的老化状态(State-of-Health，SOH)。这样会出现，借助新的电池单体优化的一定的快速充电条件在具有差的SOH的电池单体中导致问题。
当前直至350kW充电功率的用于汽车应用的快速充电策略在OEM和电池单体制造商那里被制定/研究。基于缺乏关于快速充电对老化的影响的信息和缺乏对该具有直至350kW充电功率的使用情况的现场数据，充电策略只可以以大的缓冲非常保守地设计，以便也在电池单体继续老化时还起作用。
任务提出
在现有技术的目前的快速充电方法中，充电条件典型地借助SOC适配，所述SOC又由电池单体电压(无负载电压)确定。例如可以在低SOC时首先以恒定的充电电流(constantcurrent，CC)充电，在超过界限值时，CC充电以较低的充电电流继续，并且在超过另一个界限值时以恒定的电压(constant voltage，CV)继续充电，直至达到确定的目标SOC(即确定的目标电压)。然而电池单体电压不仅通过SOC确定，而且也可以依赖于温度和老化状态，即不一定仅电压是用于SOC的可靠量度。
此外也值得期望的是，依赖于温度地指定快速充电条件，因为结合高充电电流在高温度时会促进电解质退化，而在低温度时会出现锂析出。在这里然而有困难，即，例如通过在蓄电池系统或电池单体的壳体上安装的传感器测量的环境温度可能偏离在电池单体内部的温度。最后应该尤其是也将老化状态(SOH)的影响考虑作为用于最大充电电流或最大充电速率的限定因数。
概括地，锂离子电池单体的理想的快速充电条件尤其是依赖于温度、SOC或电池单体电压以及SOH。因此考虑到该问题，任务是，开发一种快速充电方法，其考虑这些相关性并且由此一方面能够实现尽可能短的充电时间，并且另一方面可以避免电池单体的仓促老化或损坏。
本发明的概述
关于上述的任务提出，本发明提供一种用于对蓄电池系统快速充电的方法，在所述方法中，依赖于电池单体温度T、SOC和SOH中的至少一个在使用阻抗测量或阻抗频谱研究(EIS)的情况下确定优化的快速充电条件。
特别是本发明涉及一种用于对蓄电池系统从起初的充电状态SOC0出发快速充电到预先确定的目标充电状态SOCziel的方法，所述蓄电池系统具有多个锂离子电池单体，其中，由各个电池单体组成或由并联连接的电池单体的堆组成的单元串联连接，并且此外设有用于测量这些电池单体单元的电压和阻抗的至少一个分量的机构，
其中，所述方法包括：
-连续或间歇地确定电池单体单元的电池单体电压和阻抗值，其中，所述阻抗值具有在一个或多个频率时阻抗的一个或多个分量；
-由电池单体电压并且可选地由确定的阻抗值来确定蓄电池系统的充电状态SOC；
-由确定的阻抗值来确定各个电池单体单元的温度T1…N；
-确定各个电池单体单元的老化状态SOH1…N，所述老化状态至少具有与容量相关的老化状态SOH_C1…N并且优选也具有由确定的阻抗值确定的与内电阻相关的老化状态SOH_R1…N；
-以第一充电曲线P1——其借助用于SOC0以及用于T1…N和SOH1…N的检测的值而选择——对蓄电池系统充电，直至达到第一充电状态界限值SOC1，或直至在电池单体单元之一中超过预先确定的最高温度Tmax，1或低于最低温度Tmin，1，
-以一个或多个其它的充电曲线P2...M——其借助用于SOC以及用于T1…N和SOH1…N的分别检测的值而选择——对蓄电池系统充电，直至对于相应的充电曲线达到相应的充电状态界限值SOC1...N，或直至在电池单体单元之一中超过预先确定的最高温度Tmax，2...M或低于最低温度Tmin，2...M，
直至达到目标充电状态SOCziel或中断充电过程。
本发明的另一个方面涉及蓄电池系统，其设计用于实施所述快速充电方法。
详细的说明
蓄电池系统
按照本发明的快速充电方法用于对具有多个锂离子电池单体的蓄电池系统充电。所述电池单体单独地或以并联连接的电池单体的堆的形式链状串联连接，以便提供对于在电运行车辆或(插电式)混合电动车中的使用而言典型地需要的200至500伏特的总电压。由并联连接的单电池单体构成的堆如具有相应较大容量的单电池单体那样电地起作用。接着，在蓄电池系统中串联连接的单电池单体或并联的堆概括地称为电池单体单元。
对于每个电池单体单元，提供用于监控电压和用于测量阻抗的至少一个分量的机构，其中，所述机构的执行不特别限制。在一种可能的实施形式中，每个电池单体单元可以设有用于电池单体监控的控制器(Cell Supervision Circuit，CSC)，所述控制器至少设计用于测量电压。所述CSC再次与用于蓄电池管理的中央控制器(Battery management unit，BMU)连接。有利地，测量的电压数据同时用于确定阻抗，其中，阻抗计算可以可选地在CSC或BMU中进行。为了避免通讯信道以电压数据的过量负载，通过CSC的计算是优选的。
此外也可以使用同时监控多个电池单体单元的CSC，或全部的电池单体单元的监控功能可以集成到作为唯一的控制器的BMU中。
快速充电方法的控制典型地通过BMU在考虑各个电池单体单元的电压和阻抗数据的情况下进行。为此，BMU通过合适的数据连接、例如CAN总线与充电器连接，从而提供的充电电流或施加的电压可以对应地调节。
提供充电电流的充电器可以固定地集成到蓄电池系统或车辆中，蓄电池系统安装在所述车辆中，或可以使用外部的充电器，其与蓄电池系统连接只用于实施充电过程。
阻抗测量
在按照本发明的快速充电方法中，阻抗测量或阻抗频谱研究尤其是用于一个或多个以下的目的：
-确定电池单体温度T；借助阻抗可以在相应时刻直接确定在电池单体内部的温度；可以避免如在常规温度传感器中的时间上的惯性效应或在多个电池单体上的空间上的平均；
-改善SOC的确定；按常规，借助无负载电压确定SOC，但所述无负载电压也许也依赖于老化状态并且因此可能不充分地再次给出SOC；
-确定SOH；阻抗频谱能够实现电解质传导性的确定并且允许推断在电极上的锂坎入/迁出的动力学；由此可以再次评定电解质和电极的老化状态；-确定锂析出界限；由此可以确定优化的温度界限值，在低于所述温度界限值时应该减少充电电流或中断充电。
一般地可以测量阻抗，其方式为，作为激励信号将振荡的电流信号(I(t)，恒电流)或电压信号(U(t)，恒电位)施加到电池单体上并且测量对应的应答信号U(t)或I(t)。所述阻抗能够然后作为U(t)/I(t)计算并且通常是复数。
有利地，在按照本发明的方法中作为激励信号使用电流信号，所述电流信号可以例如调制
Figure BDA0003595308280000051
到充电电流，并且对于各个电池单体单元提供的用于电压测量的机构同时用于探测应答信号。
激励信号可以具有一个单个频率或多个频率的叠加，并且其可以连续或脉冲地施加到电池单体上。所述频率不特别地限制并且可以例如处于10Hz至10kHz的范围中、有利地100Hz至5kHz的范围中。原则上足够的是使用一个单个激励频率。备选地，可以交替或叠加地使用两个或更多个激励频率，或可以穿过激励频率的预先确定的带宽，以便接收频谱。作为其它的可能性，激励可以脉冲地进行，例如以构成许多频率的叠加的脉冲的形式，并且借助傅立叶变换来分析测量的信号。这样获得的频谱于是与激励脉冲的频谱相互作用，以便同样获得阻抗频谱。
一般地，所述频率对在电池单体中的过程有影响，所述影响有助于应答信号。在高频率(例如1kHz)时，阻抗主要通过在电解质中以及在电极和导出体中的离子的和电子的阻抗分量实现，而在低频率时添加有其它的贡献，所述贡献可归结于具有相对缓慢的时间标度的过程、如固体扩散或电荷穿透反应。
此外在低频率时，与其它因数(如尤其是电池单体的充电状态(SOC)和老化状态(SOH))的相关性也提高。在较高频率时，与之相反，主要是考虑电解质阻抗的影响，其基本上依赖于温度和老化状态。
基于温度、SOC和SOH对阻抗的影响的不同的频率相关性(其中此外也可以将影响区分为实部或虚部)，可以反之通过在多个不同的频率时的阻抗测量来确定温度、SOC和SOH。
用于借助阻抗确定T、SOC和SOH的合适方法在现有技术中原则上已知并且可以用于按照本发明的方法。因此DE102013103921例如描述了通过基于由逆变器预定的交流电压信号来确定电池单体阻抗而在电运行车辆的锂电池单体系统中的电池单体温度测量和退化测量。所述方法基于如下观察，即，阻抗相对于信号频率的记录的变化曲线与温度相关。
锂析出界限的探测例如可以通过在测量内阻以确定SOH_R时评定阳极超电压而进行。
在一种可能的实施形式中，可以确定参考数据，其方式为，将电池单体置于预先确定的温度(T)和SOC值，并且测量在多个频率f时的阻抗，以便获得作为T、SOC和f的函数的阻抗。由所述数据可以然后例如构建Lookup表。在实施按照本发明的快速充电方法时，于是可以由该表在输入对于不同测量频率测量的阻抗值时例如对用于T和SOC的相应值进行读取或插值。附加地，可以研究所述数据依赖于电池单体循环次数和/或寿命的改变，以便确定SOH的影响。
优选可以在此附加地考虑其它的参数、如尤其是电池单体电压和壳体温度。因此可以例如考虑电池单体电压作为用于SOC的附加输入参数，由此自由度可以减少并且在确定其余参数如T和SOH时的精确性可以改善。例如可以考虑壳体温度以用于测试结果可信度，例如偏差也可以是用于异常、例如开始短路的记号，这可以使得需要其它措施、如中断充电过程或输出报警。
在另一种实施形式中，电池单体可以通过包括串联阻抗Rs和至少一个RC环节的等效电路图为了描述在电极中的固体扩散而建模，所述串联阻抗构成电解质阻抗，所述RC环节必要时通过Warburg元件补充，其中，R代表穿透阻抗并且C代表电荷双层的电容。等效电路的参数随后由阻抗测量值确定，并且与T以及SOC和SOH相互作用。
因此，Rs基本上依赖于温度和电解质的老化状态。R和C与之相反依赖于SOC、T并且也许也依赖于电极的老化状态，然而所述温度相关性区分于Rs的温度相关性并且大致具有Arrhenius特性。对于等效电路的参数的SOC-、SOH-和T-相关性能够再次构建参考数据，由所述参考数据然后在实施按照本发明的方法时、必要时在考虑电池单体电压和外界温度的情况下确定SOC、SOH和T。
充电方法
按照本发明的方法用于将蓄电池系统从起初的充电状态SOC0出发快速充电到预先确定的目标充电状态SOCziel。
一般地，按照需要的外部供电在交变电流充电(AC充电)和直流充电(DC充电)之间区分。在AC充电时，蓄电池系统设有集成到车辆中的充电器(典型地<11kW)，所述充电器连接到交流网络上，以便提供用于对蓄电池系统充电需要的直流。在DC充电时与之相反使用提供充电电流的外部充电器(>50kW，直至350kW)。对于如用于快速充电所需的高充电电流，目前通常使用DC充电。按照本发明的方法不仅可结合AC充电而且可结合DC充电使用。
初始SOC即SOC0不特别限制。然而在实践中快速充电尤其是在如下情况下考虑，即，蓄电池系统已经很大程度上放电并且应该在短时间内再次尽可能多地充电，例如在以电运行车辆的行驶中必须放入充电立柱上的“加油站(Tank-Stopp)”，并且行驶随后应该继续。因此SOC0典型地为少于总容量的50％、例如大约10至30％。
为了避免仓促的老化，目标充电状态SOCziel优选为小于总容量的100％，并且例如为60至80％。在这里可以是预先确定的最大SOC，蓄电池系统关于快速充电指定该最大SOC。备选地，可以按照使用情况预定希望的较低的目标SOC，所述目标SOC例如考虑到以电运行车辆还要行驶的路程而选择。作为其它的备选方案，可以预定可供使用的充电时间，并且在该时间中可达到的目标SOC由蓄电池管理系统计算。
目前的SOC的确定至少借助无负载电压(电池单体电压)进行，所述无负载电压对于每个电池单体在充电期间被监控。在SOC和电池单体电压之间的关联例如通过接收特性曲线在先已知，并且在蓄电池管理系统中以参考数据的形式存储，从而由测量的电池单体电压可以导出SOC。
然而电池单体电压也可以依赖于其它影响因数、例如温度(T)和与容量相关的老化状态(SOH_C)。在按照本发明的方法中，优选同样考虑这些附加的影响，例如通过借助阻抗测量附加地确定SOC并且必要时校正由电池单体电压确定的SOC值。此外，SOC参考数据也可以包含T-或SOH-相关性。借助在按照本发明的方法中使用的阻抗测量，可以确定T和SOH并且考虑到SOC的确定中。在此必要时在考虑其它SOH相关的参数、如尤其是电池单体的老化、充电周期的数量和/或总体上取出的或充电的能量的情况下进行SOH的确定，所述参数记录在蓄电池管理系统中。
充电曲线P1...PN可以尤其是具有恒定电流的充电曲线(constant current，CC)或具有恒定电压的充电曲线(constant voltage，CV)。在CC充电时，电流保持恒定，并且电压随着SOC上升而增加，而在CV充电时，电压保持恒定，并且电流随着SOC上升而减小。此外具有恒定功率的充电曲线也是可能的，其中电流和电压的乘积保持恒定。同样考虑脉冲充电，其中电流脉冲例如作为矩形脉冲、由停顿跟随地、被输送。所述脉冲可以再次具有恒定的电流幅值或恒定的电压。
在按照本发明的方法中，优选作为第一充电曲线P1使用CC充电曲线，并且作为在达到目标SOC之前的最后的充电曲线P2或PN使用CV充电曲线。在其间可以在达到确定的SOC阈值SOC1...SOCN-1时更换充电曲线，例如更换到另一个具有减少的充电电流的CC充电曲线。
在充电曲线中的选择的充电电流典型地随着SOC增加而减少，即，电流通常在第一充电曲线P1中最大，其中，选择的值至少依赖于初始SOC并且必要时依赖于温度和SOH。蓄电池系统的充电或放电电流一般相对于蓄电池系统的容量作为所谓的C速率给出，其定义为最大的电流和(额定)容量的商数。1的C速率例如表示在具有1Ah的额定容量的蓄电池系统中，在1h上以电流1A的充电或放电。在快速充电时，少于30分钟、例如大约10至15分钟的充电时间是值得期望的，这与此对应地相应于大约2.0至6.0C的理论充电电流。然而初始SOC典型地大于0％并且目标SOC小于100％，即，待输送的充电小于额定容量，从而也考虑小的充电电流。另一方面，充电电流典型地依赖于SOC选择并且可以起初较高并且随着SOC上升而减少。因此在大约10-30％的起初的SOC区域中，充电电流可以为例如2.0至10.0C、优选2.5至5.0C。随着SOC增加，然后可以转入较小的充电电流，例如用于30-50的SOC的1.0至5.0C、优选1.5至3.0C，并且接着电流可以进一步减少或更换到具有恒定功率或恒定电压的充电曲线。
必要时可以需要的是，首先对于P1选择具有较小电流的充电曲线，例如以便在低温度时预防锂析出的危险。电池单体在充电时加热，从而在达到确定的温度界限值时可以更换到具有较大电流的充电曲线。
电池单体温度在按照本发明的方法中由用于各个电池单体的阻抗数据确定，以便使充电曲线与温度适配。在例如50℃上方的高温度时，存在仓促的老化危险，而在过低温度、例如10℃之下时，尤其是结合大的充电电流可能出现锂析出。
如果电池单体温度超过或低于确定的温度界限值Tmax或Tmin，则可以因此更换到具有减少的充电电流的相应适配的充电曲线，或可以中断快速充电，以便将电池单体首先通过冷却或加热到理论温度。也可以选择多个温度界限值Tmax，1...N或Tmin，1...N，其中在超过或低于时，首先分别连续减少充电电流并且最后中断充电过程。
SOH再次给出电池单体的老化状态。随着电池单体的不仅在时间上而且关于循环次数和总体上转化的能量的增加的老化，可能出现不可逆的退化过程、如尤其是电解质分解、锂损耗、活性材料退化或腐蚀效果。所述退化过程导致内阻的增加和可用容量相比于最初额定容量的损耗。与此对应地，在与容量相关的SOH(SOH_C)和与阻抗相关的SOH(SOH_R)之间区分。
SOH_C可以通过容量损耗表示，例如作为可用容量与最初额定容量的比例。可用容量能够从由蓄电池管理系统确定的SOC数据结合取出的或在充电时输送的充电量确定，并且对于每个电池单体单元存储在蓄电池管理系统的存储器中并且在运行期间连续更新。
SOH_R再次给出内阻通过电解质老化的增加并且可以由阻抗数据确定。在按照本发明的方法中，确定SOH至少是确定SOH_C、优选不仅确定SOH_C而且确定SOH_R。此外可以将其它的准则、例如电池单体的老化、充电周期的数量或总体上转化的能量也考虑到SOH的确定中。
在按照本发明的方法中，在差的SOH时选择具有较低充电电流的充电曲线。此外温度界限值Tmax或Tmin(在所述温度界限值时，更换充电曲线或中断充电，以便对电池单体调温)可以依赖于SOH而确定，从而在具有差的SOH的电池单体中，较狭窄的界限值是适用的，以便预防老化的进一步加速并且阻止可能的损害。
充电曲线P1…N的选择因此至少依赖于蓄电池系统的SOC以及电池单体单元的T和SOH进行。然而也可以在考虑其它外部条件、例如考虑用于可供使用的充电时间的规定的情况下进行所述选择。如果有足够的时间可供使用，则可以必要时选择具有较低充电电流的较保守的充电曲线，以便预防蓄电池系统的仓促的老化。
此外，充电也可以在达到目标SOC之前中断，例如通过用户输入亦或通过蓄电池管理系统，以便例如在充电期间探测到在电池单体之一中的不正常运行状态(例如强烈的温度升高)时阻止损害。

Claims (9)

1.用于对蓄电池系统从起初的充电状态SOC0出发快速充电到预先确定的目标充电状态SOCziel的方法，所述蓄电池系统包括多个锂离子电池单体，其中，由各个电池单体组成或由并联连接的电池单体的堆组成的单元串联连接，并且此外设有用于测量这些电池单体单元的电压和阻抗的至少一个分量的机构，
其中，所述方法包括：
-连续或间歇地确定电池单体单元的电池单体电压和阻抗值，其中，所述阻抗值包括在一个或多个频率时阻抗的一个或多个分量；
-由电池单体电压并且可选地由确定的阻抗值来确定蓄电池系统的充电状态SOC；
-由确定的阻抗值来确定各个电池单体单元的温度T1…N；
-确定各个电池单体单元的老化状态SOH1…N，所述老化状态至少包括与容量相关的老化状态SOH_C1…N并且优选也包括由确定的阻抗值所确定的与内电阻相关的老化状态SOH_R1…N；
-以第一充电曲线P1——其借助用于SOC0以及用于T1…N和SOH1…N的检测的值而选择——对蓄电池系统充电，直至达到第一充电状态界限值SOC1，或直至在电池单体单元之一中超过预先确定的最高温度Tmax，1或低于最低温度Tmin，1，
-以一个或多个其它的充电曲线P2...M——其借助用于SOC以及用于T1…N和SOH1…N的分别检测的值而选择——对蓄电池系统充电，直至对于相应的充电曲线达到相应的充电状态界限值SOC1...N，或直至在电池单体单元之一中超过预先确定的最高温度Tmax，2...M或低于最低温度Tmin，2...M，
直至达到目标充电状态SOCziel或中断充电过程。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，从具有恒定电流的充电曲线、具有恒定电压的充电曲线、具有恒定功率的充电曲线和它们的组合中选择充电曲线P1…N。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，脉冲地进行充电。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其中，SOC0为容量的10-30％，并且P1是具有在2.0至10.0C的范围中的恒定充电电流的充电曲线。
5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其中，在达到SOCziel之前的最后的充电曲线P2或PN是具有恒定电压的充电曲线。
6.按照权利要求1至3之一所述的方法，其中，SOCziel为60-80％。
7.按照权利要求1至4之一所述的方法，其中，阻抗值包括在至少两个不同频率时的实部和虚部。
8.按照权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述方法在超过Tmax，1或Tmax，2或低于Tmin，1或Tmin，2时在充电过程继续之前此外包括中断充电过程和将蓄电池系统调温到额定温度。
9.蓄电池系统，其配置用于实施按照权利要求1至8至少之一所述的方法，该蓄电池系统具有：
多个电池单体单元，它们由各个锂离子电池单体或并联连接的锂离子电池单体的堆构成，所述电池单体单元分别相互串联连接；
设计用于将交变电流信号作为激励信号共同施加到所有电池单体或堆上的一个信号发生器，或用于将激励信号单独施加到电池单体或堆上的一个或多个信号发生器，
用于每个电池单体或每个堆的至少一个电压测量设备，其设计用于测量整个电池单体电压U和交流电压分量；
一个或多个控制器，其设计用于由激励信号和电池单体电压的交流电压分量来确定阻抗值；以及
用于控制充电过程的蓄电池管理控制器，其设计用于实施按照权利要求1至8之一所述的方法。
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