DE102011117249A1

DE102011117249A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen des Batteriefunktionszustands

Info

Publication number: DE102011117249A1
Application number: DE102011117249A
Authority: DE
Inventors: John S. Wang; Ping Liu; Shuoqin Wang; Souren Soukiazian; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: US20120105069A1; DE102011117249B4; US8680815B2; CN102565710B; CN102565710A

Abstract

Ein Verfahren zum Überwachen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält das Überwachen einer Batteriezellenspannung und einer entsprechenden Ladekapazität der Batteriezelle während eines Ereignisses elektrischer Leistung, das entweder ein Ladeereignis elektrischer Leistung oder ein Entladeereignis elektrischer Leistung enthalten kann. Durch Differenzieren der Ladekapazität nach der entsprechenden Batteriezellenspannung während des Ereignisses elektrischer Leistung wird eine gemessene Ladekapazitätsableitung bestimmt. Die gemessene Ladekapazitätsableitung wird mit einer bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung einer Anodenladekurve (für Entladeereignisse elektrischer Leistung) oder eine Anodenentladekurve (für Ladeereignisse elektrischer Leistung) und mit einer bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung einer Katodenladekurve (für Ladeereignisse elektrischer Leistung) oder einer Katodenentladekurve (für Entladeereignisse elektrischer Leistung) verglichen. Es wird ein erster Funktionszustandsparameter der Batteriezelle bestimmt, der dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenkurve entspricht. Außerdem wird ein zweiter Funktionszustandsparameter der Batteriezelle bestimmt, der dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenkurve entspricht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf die Überwachung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt bieten lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
Lithium-Ionen-Batterien werden genutzt, um in tragbaren Anwendungen einschließlich z. B. mobilen Vorrichtungen, Computervorrichtungen und Vortriebssystemen für Fahrzeuge hohe Leistung und hohe Energiedichten bereitzustellen. Das Leistungs- und Energiemanagement von Lithium-Ionen-Batterien stützt sich auf die genaue Bestimmung von Batterieparametern einschließlich des Ladezustands (SOC) und des Funktionszustands (SOH) in Echtzeit. Bekannte Systeme zum Bestimmen des SOC und des SOH können einen adaptiven Algorithmus zum Liefern einer Echtzeitvorhersage des SOC und des SOH mit zugeordneten Fehlern wegen Ungenauigkeiten beim Schätzen des SOC enthalten.
Der SOC bezieht sich auf die gespeicherte elektrische Ladung eines Batteriesystems, die die zur Verrichtung von Arbeit verfügbare elektrische Leistung relativ zu jener angibt, die verfügbar ist, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Der SOC kann als eine thermodynamische Größe angesehen werden, die das Beurteilen der potentiellen Energie des Systems ermöglicht. Der SOC kann dafür verwendet werden, den Leistungsfluss von der Batteriegruppe so zu regulieren, dass mechanische Arbeit im Gleichgewicht mit mechanischer Leistung, die von einem Verbrennungsmotor ausgeht, erzeugt wird.
Um die Vortriebsbatteriesysteme in Fahrzeugen besser für lange Batterielebensdauer und gute Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu steuern, bestimmen und verarbeiten Bordsysteme Batterieparameter wie etwa die Leerlaufspannung (OCV), den ohmschen Widerstand der Batterie, die Batteriekapazität und andere Parameter, um den SOC zu bestimmen. Allerdings sind die OCV und andere interne Batterieparameter während des Fahrzeugbetriebs nicht direkt messbar.
Es ist im Gebiet bekannt, zum Regulieren einer Batteriegruppe eine vorgegebene Kalibrierungstabelle zu verwenden, die vorgegebene Parameter aufweist, die auf einem Standardfahrzeug oder auf einem experimentellen Fahrzeug beruhen. Es ist bekannt, zum Bestimmen eines SOC-Werts eines Batteriesystems die Coulomb-Zählung zu verwenden. Die Coulomb-Zählung kann implementiert werden, wenn ein Anfangs-SOC und ein gegenwärtiger Wirkungsgrad bekannt sind, die Ungenauigkeiten aufweisen können. Es ist bekannt, eine Spannungsdifferentialanalyse, d. h. dV/dQ über V, zu verwenden, um die Quelle eines Kapazitätsschwunds für Lithium-Ionen-Batterien zu bestimmen. Es ist bekannt, eine Ladungsdifferentialanalyse, d. h. dQ/dV über Q, zu verwenden, um den Kapazitätsschwund für Lithium-Ionen-Batterien zu bestimmen und um die Zusammensetzungsänderung in Materialien zu quantifizieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Überwachen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält das Überwachen einer Batteriezellenspannung und einer entsprechenden Ladekapazität der Batteriezelle während eines Ereignisses elektrischer Leistung, das entweder ein Ladeereignis elektrischer Leistung oder ein Entladeereignis elektrischer Leistung enthalten kann. Durch Differenzieren der Ladekapazität nach der entsprechenden Batteriezellenspannung während des Ereignisses elektrischer Leistung wird eine gemessene Ladekapazitätsableitung bestimmt. Die gemessene Ladekapazitätsableitung wird mit einer bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung einer Anodenladekurve (für Entladeereignisse elektrischer Leistung) oder einer Anodenentladekurve (für Ladeereignisse elektrischer Leistung), und mit einer bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung einer Katodenladekurve (für Ladeereignisse elektrischer Leistung) oder einer Katodenentladekurve [engl.: ”cathode discharge charge curve”] (für Entladeereignisse elektrischer Leistung) verglichen. Es wird ein erster Funktionszustandsparameter der Batteriezelle bestimmt, der dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenkurve entspricht. Außerdem wird ein zweiter Funktionszustandsparameter der Batteriezelle bestimmt, der dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenkurve entspricht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist;
2 schematisch einen Ablaufplan zeigt, der einen Prozess zum Überwachen und Bewerten von Komponenten, die den SOH der Batteriezelle beeinflussen, unter Verwendung einer Differentialkurventechnik in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt;
3 eine graphische Darstellung von Daten ist, die der Lade/Entlade-Charakteristik für eine beispielhafte Batteriezelle einschließlich einer Brennstoffzellenentladung, einer Katodenentladeansprechkurve gegen Lithium und einer Anodenladeansprechkurve gegen Lithium in Übereinstimmung mit der Offenbarung zugeordnet sind;
4 eine graphische Darstellung einer Katodenentladeansprechkurve und einer entsprechenden bevorzugten Katodenpotentialableitung in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist;
5 eine graphische Darstellung einer Anodenladeansprechkurve und einer entsprechenden bevorzugten Anodenpotentialableitung in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist;
6 eine graphische Darstellung der bevorzugten Anodenpotentialableitung 355 und der aus einem gemessenen Entladespannungsprofil einer Batteriezelle berechneten gemessenen Potentialableitung in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist; und
7 eine graphische Darstellung der bevorzugten Katodenentladeansprechkurve und der bevorzugten Katodenpotentialableitung, einer gemessenen Katodenentladeansprechkurve und der gemessenen Katodenpotentialableitung in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun in den Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zu deren Beschränkung dienen, zeigt 1 schematisch ein Diagramm einer Ersatzschaltung (oder eines Modells) 200 einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 100. Die Ersatzschaltung 200 weist einen ersten Knoten 202 und einen zweiten Knoten 204 auf, wobei zwischen den Knoten eine messbare Batteriespannung 207 (V) vorhanden ist. Der erste Knoten 202 entspricht einer Katodenelektrode (positiven Elektrode), die vorzugsweise aus FePO₄ hergestellt ist, z. B. einer Graphit-FePO₄-Zelle. Der zweite Knoten 204 entspricht einer Anodenelektrode (negativen Elektrode), die vorzugsweise aus Graphit hergestellt ist, z. B. einer Graphit-FePO₄-Zelle. Zwischen dem ersten Knoten 202 und dem zweiten Knoten 204 kann eine Spannungsvorrichtung 206 wie etwa ein Voltmeter angeordnet sein, um einen Messwert der gemessenen Batteriespannung 207 (V) zu erhalten. Eine Vorrichtung 208 zum Messen des elektrischen Stroms misst einen elektrischen Strom 209 (I) beim ersten Knoten 202. Der in den ersten Knoten 202 fließende elektrische Strom repräsentiert einen positiven Ladestrom für die Ersatzschaltung 200. Der gestrichelte Pfeil repräsentiert diesen positiven Ladestrom.
Die Ersatzschaltung 200 enthält einen Reihenwiderstand 210 (R), der zwischen einem dritten Knoten 212 und dem ersten Knoten 202 angeordnet ist. Zwischen dem dritten Knoten 212 und einem vierten Knoten 218 ist eine Kapazität 214 (C) angeordnet, die zu einem Widerstand 216 (Rct) parallelgeschaltet ist. Die Kapazität 214 (C) repräsentiert die Kapazität einer inneren Doppelschicht des Batteriemodells. Der Widerstand 216 (Rct) repräsentiert einen Ladungsübertragungswiderstand des Batteriemodells. Die Spannung 211 über die Kapazität 214 und über den Widerstand 216 wird als eine Doppelschichtspannung (Vdl) bezeichnet und ist eine innere Spannung, die in einer praktischen Batterie nicht leicht gemessen werden kann. Außerdem kann es einen Beitrag zu der Leerlaufspannung wegen einer Hysterese in der Batteriezelle 100 geben, durch die frühere elektrische Ströme die Größe der Leerlaufspannung (OCV) beeinflussen.
Die Ersatzschaltung 200 enthält eine Batteriespannungsquelle 220, die zwischen dem vierten Knoten 218 und dem zweiten Knoten 204 angeordnet ist. Die Leerlaufspannung 224 (OCV) ist zwischen dem vierten Knoten 218 und dem zweiten Knoten 204 definiert und repräsentiert eine Spannung bei offenen Anschlüssen der Batteriespannungsquelle 220, die unter normalen Betriebsbedingungen nicht leicht gemessen werden kann, da die Batteriespannungsquelle 220 mit einem elektrischen System verbunden ist. Die gemessene Batteriespannung (V) 207 kann durch die folgende Beziehung dargestellt werden: V = OCV + Vdl + IR (1)
Ein Steuermodul kann geeignet dafür konfiguriert sein, auf der Grundlage messbarer Batterieparameter, d. h. der gemessenen Batteriespannung (V) 207, des gemessenen Stroms 209 (I) und einer gemessenen Batterietemperatur, Batterieparameter für die Lithium-Ionen-Batteriezelle 100 zu bestimmen.
Während eines Entladeereignisses einer Lithium-Batterie, z. B. der Batteriezelle 100, bewegen sich Lithiumionen von der Anodenelektrode zu der Katodenelektrode. Somit wird die Katodenelektrode durch einen Lithiumeinlagerungsprozess entladen und wird die Anodenelektrode durch einen Lithiumauslagerungsprozess geladen. Während eines Ladeereignisses der Lithium-Batteriezelle 100 bewegen sich Lithiumionen von der Katodenelektrode zu der Anodenelektrode. Somit wird die Katodenelektrode durch einen Lithiumauslagerungsprozess geladen und wird die Anodenelektrode durch einen Lithiumeinlagerungsprozess entladen.
Die Beziehung zwischen der Batteriespannung V_battery, der Katodenspannung V_cathode und der Anodenspannung V_anode kann wie folgt ausgedrückt werden. V_battery = V_cathode – V_anode (2)
Eine Ableitung als eine Funktion der Ladungsspeicherung Q kann wie folgt ausgedrückt werden. [ dV / dQ]_battery = [ dV / dQ]_cathode – [ dV / dQ]_anode (3)
Es wird eine Differentialkurventechnik angewendet, um den Funktionszustand (SOH) der Lithium-Ionen-Batteriezelle 100 direkt zu überwachen. Dies enthält das Analysieren von Ableitungen einer OCV-SOC-Beziehung einer Batteriezelle während eines längeren Entladeereignisses, wobei die OCV die Leerlaufspannung ist und der SOC ein Ladezustand oder ein Entladezustand der Batteriezelle ist. Die Differentialkurventechnik liefert Informationen in Bezug auf einzelne OCV-SOC-Verhaltensweisen der Katode und der Anode der Batteriezelle und liefert Informationen in Bezug auf eine Größe des Verlusts von aktivem Lithium. Diese Informationen verbessern die Genauigkeit der SOC- und SOH-Überwachung der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Anhand der Informationen in Bezug auf den Verlust an Katodenmaterial, Anodenmaterial und aktivem Lithium kann ebenfalls die Quelle der Zellalterung bestimmt werden.
Die Differentialkurventechnik enthält das Bestimmen einer Potentialableitung, d. h. dV/dQ über Q, und einer zugeordneten Spannungsdifferentialkurve und einer Ladekapazitätsableitung, d. h. dQ/dV über V, und einer zugeordneten Ladungsdifferentialkurve. Jede von beiden kann zum Überwachen des SOH der Batteriezelle durch Bestimmen und Analysieren charakteristischer Signaturspitzen aus der jeweiligen Spannungsdifferential- oder Ladungsdifferentialkurve verwendet werden. Die Signaturspitzen in der Spannungsdifferentialkurve beziehen sich auf Phasenübergänge der Elektrodenmaterialien. Die Signaturspitzen der Ladungsdifferentialkurve geben die Phasengleichgewichte der Elektrodenmaterialien an.
Die elektrochemischen Verhaltensweisen sowohl der Katode als auch der Anode werden aus der Lade/Entlade-Charakteristik der Batteriezelle entfaltet und auf der Grundlage der Gräte und der Spannungspositionsverschiebung von in einer der Differentialkurven identifizierten Spitzen quantifiziert. Es werden eine Kapazität der Batteriezellenschwunde und Informationen über den Verlust an Katodenmaterial, an Anodenmaterial und an aktivem Lithium erhalten.
2 zeigt schematisch einen Ablaufplan, der einen Prozess zum Überwachen und Bewerten von Komponenten, die den SOH der Batteriezelle 100 beeinflussen, unter Verwendung einer Differentialkurventechnik zeigt. Es wird gewürdigt werden, dass es drei messbare Komponenten, die den SOH einer Batteriezelle beeinflussen, einschließlich einer Katodenkapazität, einer Anodenkapazität und einer Menge von aktivem Lithium, gibt. Der in dem Ablaufplan gezeigte Prozess ist nutzbar zum Extrahieren der Katodenkapazität, der Anodenkapazität und der Menge von aktivem Lithium in einer Batteriezelle und ist anhand der in 1 beschriebenen Batteriezelle 100 beschrieben. Die Begriffe Zelle, Batterie und Batteriezelle sind durchgängig. austauschbar verwendet.

Tabelle 1 ist als ein Schlüssel für den in 2 dargestellten Ablaufplan gegeben, wobei die mit Bezugszeichen bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1

BLOCK	Fig. 2 BLOCKINHALTE
105	Entwickle Kalibrierung an neuer Batteriezelle
110	Miss Daten, bestimme eine Katodenentladeansprechkurve und eine Anodenladeansprechkurve
120	Bestimme bevorzugte Katodenpotentialableitung und bevorzugte Anodenpotentialableitung
125	Überwache SOH
130	Miss Batteriezellenentladung, um gemessenes Entladespannungsprofil zu bestimmen
140	Berechne gemessene Potentialableitung
145	Vergleiche gemessene Potentialableitung mit der bevorzugten Anodenpotentialableitung
150	Vergleiche gemessene Signaturspitzen, um Gesamtanodenkapazität zu bestimmen
155	Berechne Gesamtanodenkapazität
160	Bewerte Katode Vergleiche gemessene Potentialableitung mit der bevorzugten Katodenpotentialableitung
165	Bestimme Gesamtkatodenkapazität
170	Bestimme SOH, der Verlusten der Katode, der Anode und von aktivem Lithium zugeordnet ist

Der Ablaufplan enthält das Entwickeln einer Kalibrierung (105) zum Bestimmen von Beziehungen der positiven und der negativen Elektrode zum Entwickeln einer idealen Kalibrierungskurve für eine Ausführungsform der Batteriezelle, die eine Mischoxidkatode und eine Graphitanode aufweist. Die Kalibrierung (105) zum Bestimmen von Beziehungen der positiven und der negativen Elektrode zum Entwickeln einer idealen Kalibrierungskurve (idealer Kalibrierungskurven) kann an einer repräsentativen Batteriezelle entwickelt und zur Überwachung und Steuerung anderer Batteriezellen in Verwendung implementiert werden.
Ein Kalibrierungsprozess für eine neue Batteriezelle enthält das Messen von Batterieparametern, die mit Lade/Entlade-Charakteristiken der Mischoxidkatode und der Graphitanode korreliert sind, gegen eine bekannte Gegenelektrode, z. B. ein Lithiummetall (110). Die gemessenen und analysierten Batterieparameter zum Bestimmen der Lade/Entlade-Charakteristiken für eine beispielhafte Batterie sind anhand von 3 beschrieben, wobei OCV die Leerlaufspannung angibt, die wie anhand von 1 beschrieben bestimmt wird, und SOC und Q einen Ladezustand oder eine Ladekapazität der Batterie angeben. Die gemessenen Daten enthalten eine Katodenentladeansprechkurve 340 und eine Anodenladeansprechkurve 345, die anhand von 3 gezeigt sind.
3 ist eine graphische Darstellung von Daten, die den Lade/Entlade-Charakteristiken einer beispielhaften Batteriezelle zugeordnet sind, einschließlich des auf der y-Achse gezeigten elektrischen Potentials V (310), das in Bezug zu einer auf der x-Achse gezeigten Ladekapazität (315) dargestellt ist. Die Daten sind veranschaulichend. Die gezeigten Daten enthalten eine volle Zellenentladung 311, eine Katodenentladeansprechkurve 340 der Katode der neuen Batteriezelle gegen Lithium und eine Anodenladeansprechkurve 345 der Anode der neuen Batteriezelle gegen Lithium. Die Lade/Entlade-Charakteristiken werden mit einer langsamen Lade/Entlade-Rate (z. B. < C/20) gemessen, um Gleichgewichtskurven zu erhalten, die Halbzellendaten, d. h. der Katode oder der Anode, von OCV-SOC-Kurven liefern, die OCV-SOC-Beziehungen der Katode und der Anode für die neue Batteriezelle, d. h. die Katodenentladeansprechkurve 340 und die Anodenladeansprechkurve 345, zeigen.
Ableitungen der Katodenentladeansprechkurve 340 und der Anodenladeansprechkurve 345 werden ebenfalls bestimmt und mit dem SOC korreliert (120). Die Ableitungen können die Potentialableitung des elektrischen Potentials, berechnet für das Spannungsdifferential [engl.: ”differential voltage”], d. h. dV/dQ über Q, oder alternativ die Ladekapazitätsableitung der elektrischen Ladekapazität, berechnet für das Ladungsdifferential [engl.: ”differential charge”], d. h. dQ/dV über V, enthalten.
Es werden bevorzugte Signaturspitzen, die den Ableitungen der Katodenentladeansprechkurve 340 und der Anodenladeansprechkurve 345 zugeordnet sind, identifiziert und in nachfolgenden Berechnungen verwendet. Durch Verwendung der Ableitungen der Katodenentladeansprechkurve 340 und der Anodenladeansprechkurve 345 können Signaturspitzen erfasst werden, die repräsentativ für die Katode und für die Anode sind.
4 ist eine graphische Darstellung des elektrischen Potentials V (310) und einer Potentialableitung des elektrischen Potentials dV/dQ (320), die beide auf der y-Achse gezeigt sind, wobei sie gegen die Entladekapazität (325) dargestellt sind, die auf der x-Achse gezeigt ist. Die Entladekapazität (325) kann in Einheiten von Amperestunden oder normiert auf 100% Entladung oder in anderen geeigneten Einheiten sein. Die gezeigten Daten enthalten eine Katodenentladeansprechkurve 340 und eine entsprechende bevorzugte Katodenspannungsdifferentialkurve 350, die auch als bevorzugte Katodenentladeableitung 350 bezeichnet ist. Die bevorzugte Katodenspannungsdifferentialkurve 350 ist eine Potentialableitung der Katodenentladeansprechkurve 340, die ein charakteristisches Ansprechen des elektrischen Potentials für die Mischoxidkatodenentladung gegen die bekannte Gegenelektrode, d. h. dV/dQ über dem SOC der Katodenentladung, liefert.
5 ist eine graphische Darstellung des elektrischen Potentials V (310) und einer Potentialableitung des elektrischen Potentials dV/dQ (320), die beide auf der y-Achse gezeigt sind, dargestellt über der Ladekapazität (315), die auf der x-Achse gezeigt ist. Die Ladekapazität (315) kann in Einheiten von Amperestunden oder normiert auf 100% Ladung oder in anderen geeigneten Einheiten sein. Die gezeigten Daten enthalten eine Anodenladeansprechkurve 345 und eine entsprechende bevorzugte Anodenspannungsdifferentialkurve 355, die auch als eine bevorzugte Anodenpotentialableitung 355 bezeichnet wird. Die bevorzugte Anodenspannungsdifferentialkurve 355 ist eine Potentialableitung der Anodenladeansprechkurve 345. Die bevorzugte Anodenpotentialableitung 355, d. h. dV/dQ über dem SOC der Anodenladung, weist zwei Spitzen 360 und 365 auf, die in Punkten auf der Entladekapazität (315) liegen, die sich um näherungsweise 0,33 oder 33% der normierten Gesamtladekapazität unterscheiden, und wird hier als bevorzugte Gesamtanodenkapazität bezeichnet. Es wird gewürdigt werden, dass die zwei Spitzen 360 und 365 und ihre Differenz lediglich veranschaulichend gemeint sind. Die Spitzen 360 und 365 können als die bevorzugten Signaturspitzen für die Graphitanode 360 und 365 identifiziert werden und zum Bewerten der Funktion der Batteriezelle während des andauernden Betriebs genutzt werden.
Alternativ können die OCV-SOC-Kurven unter Verwendung der Ladekapazitätsableitung, d. h. dQ/dV über V, analysiert werden. Signaturspitzen für die Potentialableitung, d. h. dV/dQ über Q, entsprechen Phasenübergängen in den Elektrodenmaterialien, während Signaturspitzen für die Ladekapazitätsableitung dQ/dV über V Phasengleichgewichte der Elektrodenmaterialien angeben.
Wieder in 2 wird während des andauernden Betriebs ein Funktionszustand (SOH) der Batterie während eines Ereignisses elektrischer Leistung überwacht (125). Das Verfahren wird anhand des Sammelns von Batteriedaten während eines Ereignisses elektrischer Leistung, das hauptsächlich ein Batterieentladeereignis ist, zum Erzeugen eines Entladespannungsprofils beschrieben. Ein beispielhaftes Batterieentladeereignis findet während des Betriebs eines Hybridfahrzeugs oder eines elektrisch mit Leistung betriebenen Fahrzeugs statt, wenn Batterieleistung für den Fahrzeugvortrieb verwendet wird. Das Verfahren ist gleichfalls auf das Sammeln von Batteriedaten während eines Ereignisses elektrischer Leistung, das hauptsächlich ein Batterieladeereignis ist, anwendbar, um ein Ladespannungsprofil zu erzeugen. Dies enthält die Verwendung der in 4 gezeigten bevorzugten Katodenpotentialableitung 350 und der in 5 gezeigten bevorzugten Anodenpotentialableitung 355.
Die Entladung der Batteriezelle wird während des Betriebs gemessen, der eine niedrige Entladerate enthält, um ein gemessenes Entladespannungsprofil zu bestimmen. Messdaten, die der Entladung der Batteriezelle zugeordnet sind, sind in Tabelle 2 beschrieben (130). Tabelle 2

Zeit (s) Strom (A) Spannung (V) Temp (C) OCV (V) SOC, Q (AH)
Die Messdaten enthalten gemessene Batterieparameter über die Anschlüsse der Batteriezelle, einschließlich des Stroms 208 und der Spannung 207, und eine Batterietemperatur (Temp) als eine Funktion der verstrichenen Zeit, während eines längeren Entladeereignisses, wie anhand von 1 beschrieben ist. Es wird gewürdigt werden, dass Daten, die dem Laden der Batteriezelle zugeordnet sind, mit einer niedrigen Rate der Batterieladung gemessen werden können, um unter Verwendung derselben Daten wie in Tabelle 2 beschrieben ein gemessenes Ladespannungsprofil zu bestimmen.
Die gemessenen Batterieparameter werden dazu verwendet, ein gemessenes Entladespannungsprofil zu bestimmen, das mit dem Ladezustand Q korreliert wird, d. h. OCV über Q, wobei OCV die Leerlaufspannung ist und Q der Ladezustand ist (130). Ein beispielhaftes längeres Entladeereignis kann ein Entladeereignis von mehr als 80% SOC auf weniger als 20% SOC enthalten. Auf die gemessenen Batterieparameter kann eine Batteriezustandsschätzfunktion angewendet werden, um die Batteriezustände einschließlich der Leerlaufspannung OCV und des Ladezustands Q zu schätzen. Batteriezustandsschätzfunktionen sind bekannt und hier nicht ausführlich beschrieben.
Aus dem gemessenen Entladespannungsprofil der Batterie wird, vorzugsweise unter Verwendung von Differentialanalyseverfahren, eine gemessene Potentialableitung (dV/dQ über Q) berechnet (140).
Durch Vergleichen der aus dem gemessenen Entladespannungsprofil der Batteriezelle abgeleiteten gemessenen Potentialableitung (dV/dQ über Q) mit der bevorzugten Anodenpotentialableitung 355, d. h. dV/dQ über dem SOC der Anodenelektrode (145), werden Signaturspitzen für die Graphitanodenelektrode identifiziert. Dies ist in 6 gezeigt.
6 ist eine graphische Darstellung der Potentialableitung des elektrischen Potentials dV/dQ (320), auf der y-Achse gezeigt, dargestellt über der Ladekapazität (315), die auf der x-Achse gezeigt ist. Die gezeigten Daten enthalten die bevorzugte Potentialableitung 355 einer Anodenladekurve und die gemessene Potentialableitung einer Zellenentladekurve (dV/dQ über Q) 370, die aus dem gemessenen Entladespannungsprofil der Batteriezelle berechnet worden ist. Die bevorzugte Anodenpotentialableitung 355 enthält bevorzugte Signaturspitzen 360 und 365 einer Anode. Die gemessene Potentialableitung der Zellenentladekurve (dV/dQ über Q) 370 enthält gemessene Signaturspitzen 375 und 380.
Wieder anhand von 2 enthält die aus dem gemessenen Entladespannungsprofil der Batterie berechnete gemessene Potentialableitung der Zellenentladekurve 370 außerdem die zwei gemessenen Signaturspitzen 375 und 380, die in 6 identifiziert und gezeigt sind (145). Die Entfernung zwischen den Signaturspitzen 375 und 380, die vorzugsweise in Einheiten von Amperestunden oder in einer anderen geeigneten Metrik gemessen wird, repräsentiert einen Bruchteil (z. B. 33%) der Gesamtanodenkapazität. Somit wird eine gemessene Gesamtanodenkapazität bestimmt.
Die gemessenen Signaturspitzen 375 und 380 in der gemessenen Ladeableitung 370 werden quantitativ mit den bevorzugten Signaturspitzen 360 und 365 der bevorzugten Potentialableitung der Anodenladekurve 355 verglichen, um die Gesamtanodenkapazität zu bestimmen (150). Das quantitative Vergleichen der gemessenen Signaturspitzen enthält das Vergleichen der gemessenen Gesamtanodenkapazität für die gemessenen Signaturspitzen mit der bevorzugten Gesamtanodenkapazität, wobei der Vergleich vorzugsweise in Einheiten von Amperestunden Differenz zwischen den Signaturspitzen erfolgt. Quantitatives Vergleichen der gemessenen Signaturspitzen enthält außerdem das Ausrichten einer der gemessenen Signaturspitzen, z. B. der Spitze 380, auf eine Entsprechende der bevorzugten Signaturspitzen für die bevorzugte Anodenladeableitung 355, z. B. auf die Spitze 365, um die Position der Anodenelektrode in Bezug auf die vollständige Batteriezelle zu bestimmen.
Quantitatives Vergleichen der gemessenen Signaturspitzen 375 und 380 in der gemessenen Potentialableitung 370 mit den bevorzugten Signaturspitzen 360 und 365 der bevorzugten Anodenpotentialableitung 355 enthält ferner das Ausrichten der jeweiligen Spitzen, um die Position der Anode in Bezug auf die Batteriezelle zu bestimmen, was das Entfalten der OCV-SOC-Beziehung der Anode in Bezug auf die Batteriezelle zulässt.
Eine Gesamtgraphitanodenkapazität kann als ein Verhältnis der Gesamtanodenkapazität der gemessenen Signaturspitzen und der bevorzugten Gesamtanodenkapazität berechnet werden (155). Die Gesamtgraphitanodenkapazität ist als ein Indikator des Graphitanodenverlusts verwendbar. Es wird eine Verschiebung der Positionen einer oder beider der gemessenen Signaturspitzen in Bezug auf die bevorzugten Signaturspitzen 360 und 365 für die Graphitanode berechnet, wobei sie beim Vergleich mit der bevorzugten Gesamtanodenkapazität eine Angabe des Lithiumverlusts und des Gesamtkapazitätsverlusts ist. Eine Verminderung der Entfernung zwischen den Signaturspitzen widerspiegelt einen Graphitanodenverlust. Eine Linksverschiebung der Positionen der Spitzen ausschließlich Verminderung gibt eine Menge des Lithiumverlusts oder des Gesamtkapazitätsverlusts an. Zum Berechnen von Parametern, die mit der Gesamtgraphitanodenkapazität, mit dem Lithiumverlust und mit dem Gesamtkapazitätsverlust korrelierbar sind, können geeignete analytische Prozesse, z. B. ratiometrische Vergleiche, genutzt werden.
Messungen, die der Katode zugeordnet sind, werden ebenfalls ausgewertet, einschließlich des quantitativen Vergleichens einer gemessenen Potentialableitung mit der bevorzugten Katodenpotentialableitung (160). Dies enthält das Vergleichen gemessener Signaturspitzen in der Potentialableitung mit bevorzugten Signaturspitzen, um eine Gesamtkatodenkapazität zu bestimmen (165). Dies enthält das Berechnen der OCV-SOC-Beziehung der Katodenelektrode unter Verwendung der zuvor bestimmten Zellenentladespannung, d. h. der der Tabelle 2 zugeordneten Daten, und einer entfalteten OCV-SOC-Beziehung der Anode in Beziehung zu der Batteriezelle, d. h. der darin beschriebenen V_anode(SOC).
Ein Katodenspannungsansprechen wird durch Addieren der Zellenspannung, d. h. OCV oder V_battery(SOC), und der entfalteten Anodenspannung V_anode(SOC) miteinander bei jedem spezifischen SOC für die anhand von Tabelle 2 beschriebenen Daten bestimmt.
Das Katodenspannungsansprechen wird durch die folgende arithmetische Beziehung beschrieben. V_cathode(SOC) = V_battery(SOC) + V_anode(SOC) (4)
Ähnlich kann die Potentialableitung für das Katodenspannungsansprechen wie folgt bestimmt werden. dV/dQ_cathode = dV/dQ_battery + dV/dQ_anode (5)
Die Messungen, die der Katode zugeordnet sind, werden ausgewertet, einschließlich des quantitativen Vergleichens der gemessenen Potentialableitung für das Katodenspannungsansprechen, d. h. dV/dQ_cathode, mit der bevorzugten Katodenpotentialableitung einer Entladekurve 350. Anhand von 7 sind veranschaulichende Daten gezeigt.
7 ist eine graphische Darstellung einer Potentialableitung des elektrischen Potentials dV/dQ (320) und des elektrischen Potentials V (310), die auf der y-Achse gezeigt sind, dargestellt über der Entladekapazität (330), die auf der x-Achse gezeigt ist. Die gezeigten Daten enthalten die bevorzugte berechnete Katodenentladeansprechkurve 340 und die bevorzugte berechnete Katodenpotentialableitung 350. Außerdem enthalten die gezeigten Daten die gemessene Katodenentladeansprechkurve 390 und die gemessene Katodenspannungsdifferentialkurve 395, die beide aus dem gemessenen Entladespannungsprofil der beispielhaften Batterie 370, d. h. aus V_battery(SOC) und aus der Spannung V_anode(SOC) der negativen Elektrode, berechnet wurden, zusammen bei jedem spezifischen SOC für die wie anhand von 2 beschrieben erhaltenen Messdaten.
Während der Verwendung der Batteriezelle werden Änderungen der Position und der Größe der Spitzen der Anode und der Katode unter Verwendung der Differential-dV/dQ-Analyse überwacht. Durch Überwachen der Verschiebung der Spitzenposition(en), der Verminderung der Größe der Spitzen und der Verminderung der Entfernung zwischen den Spitzen werden Kapazitätsschwundverhaltensweisen der Anode und der Katode und Informationen über den Verlust an aktivem Lithium bestimmt.
Das anhand von 2 beschriebene Verfahren kann ebenfalls zum Überwachen der Lithium-Ionen-Batteriezelle 100 während eines Ereignisses der Entladung elektrischer Leistung angewendet werden. Dies enthält das Überwachen der Batteriespannung und eines entsprechenden Ladezustands der Batteriezelle während des Ladeereignisses, wie anhand von Tabelle 2 beschrieben, unter Verwendung analytischer Verfahren, die analog zu den anhand von 2 beschriebenen sind. Durch Differenzieren der Batteriespannung nach dem entsprechenden Ladezustand der Batterie während des Ereignisses der Entladung elektrischer Leistung wird eine gemessene Potentialableitung bestimmt. Die gemessene Potentialableitung wird mit einer bevorzugten Anodenpotentialableitung der Anodenentladekurve verglichen. Die gemessene Potentialableitung wird ebenfalls mit einer bevorzugten Katodenpotentialableitung der Katodenladekurve verglichen. Es kann ein erster Funktionszustandsparameter der Lithium-Ionen-Batteriezelle bestimmt werden, wobei er dem Vergleich der gemessenen Potentialableitung mit der bevorzugten Potentialableitung der Anodenentladekurve entspricht. Es kann ein zweiter Funktionszustandsparameter der Lithium-Ionen-Batteriezelle bestimmt werden, wobei er dem Vergleich der gemessenen Potentialableitung mit der bevorzugten Katodenpotentialableitung der Katodenladekurve entspricht.
Alternativ oder außerdem enthält das Überwachen der Lithium-Ionen-Batteriezelle das Überwachen der Batteriespannung und einer entsprechenden Ladekapazität der Batteriezelle entweder während des Ladeereignisses elektrischer Leistung oder während eines Entladeereignisses elektrischer Leistung, wie zuvor anhand der in Tabelle 2 beschriebenen Daten beschrieben wurde, unter Verwendung analytischer Verfahren, die analog den anhand von 2 beschriebenen sind. Durch Differenzieren der Ladekapazität nach der entsprechenden Batteriespannung während des Ereignisses elektrischer Leistung kann eine gemessene Ladekapazitätsableitung bestimmt werden. Die gemessene Ladekapazitätsableitung wird mit einer bevorzugten Ladekapazitätsableitung einer Anodenkurve verglichen. Die gemessene Ladekapazitätsableitung wird mit einer bevorzugten Ladekapazitätsableitung einer Katodenkurve verglichen. Es wird ein erster Funktionszustandsparameter der Lithium-Ionen-Batteriezelle bestimmt, wobei er dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Anodenkurve entspricht. Es wird ein zweiter Funktionszustandsparameter der Lithium-Ionen-Batterie bestimmt, der dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Katodenkurve entspricht. Ein Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Anodenkurve kann das Identifizieren bevorzugter Signaturspitzen der bevorzugten Ladekapazitatsableitung der Anodenkurve, das Identifizieren gemessener Signaturspitzen der gemessenen Ladekapazitätsableitung und das Bestimmen einer Anodenkapazität, die den gemessenen Signaturspitzen entspricht, relativ zu den bevorzugten Signaturspitzen enthalten. Außerdem kann das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Katodenkurve das Integrieren der gemessenen Ladekapazitätsableitung, das Integrieren der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Katodenkurve und das Vergleichen der integrierten gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Ladekapazitätsableitung der Katodenkurve enthalten.
Wieder anhand von 2 kann eine Gesamtkatodenkapazität als ein Verhältnis einer Gesamtkatodenkapazität für die gemessenen Signaturspitzen und einer bevorzugten Gesamtkatodenkapazität bestimmt werden (165).
Die Gesamtkatodenkapazität ist als ein Indikator des Katodenmaterialverlusts verwendbar.
Die Analyse lässt eine Bestimmung des SOH der Batterie hinsichtlich eines Verlusts der Katodenelektrode, eines Verlusts der Anodenelektrode und eines Verlusts von aktivem Lithium zu, was einen Gesamtkapazitätsverlust angibt (170).
Der Prozess zum Überwachen und Bewerten von Komponenten, die den SOH der Batteriezelle 100 beeinflussen, unter Verwendung einer hier beschriebenen Differentialkurventechnik wird vorzugsweise unter Verwendung von Algorithmen und vorgegebenen Kalibrierungen ausgeführt, die in einem fahrzeugintegrierten Steuermodul gespeichert sind.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten irgendein geeignetes oder verschiedene Kombinationen eines oder mehrerer einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen) (ASIC), einer elektronischen Schaltung (elektronischer Schaltungen), einer Zentraleinheit (Zentraleinheiten), vorzugsweise eines Mikroprozessors (Mikroprozessoren)) und zugeordnetem Speicher und Ablage (nur Lesen, programmierbar nur Lesen, Schreiben-Lesen, Festplatte usw.), die eines oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einer Kombinationslogikschaltung (Kombinationslogikschaltungen), einer Eingabe/Ausgabe-Schaltung (Eingabe/Ausgabe-Schaltungen) und -Vorrichtungen, einer geeigneten Signalaufbereitungs- und -pufferschaltungsanordnung und anderer geeigneter Komponenten zur Bereitstellung der beschriebenen Funktionalität. Das Steuermodul besitzt einen Satz von Steueralgorithmen einschließlich residenter Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen, die im Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die beschriebenen Funktionen bereitzustellen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden wie etwa durch eine Zentraleinheit ausgeführt und sind zum Überwachen von Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Aktuatoren betreibbar. Die Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des andauernden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Änderungen daran beschrieben. Weitere Änderungen und Abwandlungen können Anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung einfallen. Somit soll die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform (auf die besonderen Ausführungsformen), die als die am besten für die Ausführung dieser Offenbarung betrachtete Ausführungsform offenbart ist, beschränkt sein, sondern soll die Offenbarung alle Ausführungsformen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen, enthalten.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: Überwachen der Batteriezellenspannung und einer entsprechenden Ladekapazität der Batteriezelle während eines Ereignisses elektrischer Leistung, das ein Ladeereignis elektrischer Leistung oder ein Entladeereignis elektrischer Leistung umfasst; Bestimmen einer gemessenen Ladekapazitätsableitung durch Differenzieren der Ladekapazität nach der entsprechenden Batteriezellenspannung während des Ereignisses elektrischer Leistung; Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit einer bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung einer Anodenkurve; Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit einer bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung einer Katodenkurve; Bestimmen eines ersten Funktionszustandsparameters der Batteriezelle entsprechend dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenkurve; und Bestimmen eines zweiten Funktionszustandsparameters der Batteriezelle entsprechend dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenkurve.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Ereignis elektrischer Leistung ein Entladeereignis elektrischer Leistung umfasst; die Anodenkurve eine Anodenladekurve umfasst; und die Katodenkurve eine Katodenentladekurve umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenladekurve umfasst: Identifizieren gemessener Signaturspitzen der gemessenen Ladekapazitätsableitung; und Bestimmen einer gemessenen Gesamtanodenkapazität, die eine Ladekapazitätsdifferenz zwischen den gemessenen Signaturspitzen der gemessenen Ladekapazitätsableitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst: Identifizieren bevorzugter Signaturspitzen der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenladekurve; und Bestimmen einer bevorzugten Gesamtanodenkapazität, die eine Ladekapazitätsdifferenz zwischen den bevorzugten Signaturspitzen der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung umfasst; wobei das Bestimmen des ersten Funktionszustandsparameters der Batteriezelle entsprechend dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenladekurve das Bestimmen einer Gesamtgraphitanodenkapazität durch Vergleichen der gemessenen Gesamtanodenkapazität und der bevorzugten Gesamtanodenkapazität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenladekurve umfasst: Identifizieren bevorzugter Signaturspitzen der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung; Identifizieren gemessener Signaturspitzen der gemessenen Ladekapazitätsableitung; und Bestimmen einer Verschiebung der gemessenen Signaturspitzen relativ zu den bevorzugten Signaturspitzen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen des ersten Funktionszustandsparameters der Batteriezelle entsprechend dem Vergleich der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung der Anodenladekurve das Bestimmen einer Größe des Lithiumverlusts und des Gesamtkapazitätsverlusts der Batteriezelle entsprechend der Verschiebung der gemessenen Signaturspitzen relativ zu den bevorzugten Signaturspitzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve umfasst: Bestimmen einer Ladekapazitätsableitung für ein Katodenspannungsansprechen auf der Grundlage des Vergleichs der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Anodenladekapazitätsableitung; und Vergleichen der Ladekapazitätsableitung für das Katodenspannungsansprechen mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entladeereignis elektrischer Leistung eine Entladung der Batteriezelle von einem Ladezustand höher als 80% auf einen Ladezustand niedriger als 20% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit einer Katodenladekapazitätsableitung einer Katodenentladekurve für eine neue Batteriezelle umfasst, wobei die Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve für die neue Batteriezelle durch Messen von Batterieparametern, die mit der Katode korreliert sind, gegen eine Lithiumelektrode während eines Entladeereignisses der neuen Batteriezelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve das Integrieren der gemessenen Ladekapazitätsableitung, das Integrieren der bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve und das Vergleichen der integrierten gemessenen Ladekapazitätsableitung mit der integrierten bevorzugten Katodenladekapazitätsableitung der Katodenentladekurve umfasst.