DE102012012633A1 - Method for optimization of operating window of lithium-ion cell of battery of electric vehicle, involves measuring temperature of electrode and determining anode potential, and regulating maximum power and performance values of cell - Google Patents

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Knut Hufeld
Herbert Rödig
Thomas Soczka-Guth
Martina Wisniewski
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Abstract

The method involves measuring (S1) temperature of the electrode and determining the anode potential by measuring a half-cell potential using a sensor device that is arranged inside the cell. The maximum power and performance values of the cell are regulated (S2) based on the measured temperature and the determined half cell potential. The lithium-ion cell is provided with an electrode based on carbon.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebsfensters von Lithium-Ionen Zellen und eine Lithium-Ionen Zelle.The present invention relates to a method for optimizing the operating window of lithium-ion cells and a lithium-ion cell.

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung von Lithium-Ionen Zellen ist es, die Anzahl an Be- und Entladezyklen zu erhöhen, unter welchen die einzelnen Zellen im geladenen Zustand eine Kapazität zur Verfügung stellen, die im Wesentlichen der Kapazität im Neuzustand entspricht. Nach dem derzeitigen Stand der Technik verschlechtert sich die maximale Speicherkapazität, je häufiger die Batterie be- und entladen wird. Um Schäden rechtzeitig festzustellen werden Batterien von Elektrofahrzeugen deshalb mit Sensoren überwacht, die über eine Leitung an eine Steuereinrichtung angeschlossen sind.One of the major objectives in the development of lithium-ion cells is to increase the number of charge and discharge cycles under which the individual cells in the charged state provide a capacity that substantially corresponds to the capacity when new. According to the current state of the art, the maximum storage capacity deteriorates the more frequently the battery is charged and discharged. To detect damage in time, therefore, batteries of electric vehicles are monitored by sensors which are connected via a line to a control device.

Üblicherweise ist dabei jeder Batteriezelle mindestens ein Sensor zugeordnet, der Zustandsdaten über eine Leitung an ein Steuergerät übertragen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine lokale Überhitzung, die zu einem Brand führen könnte, rechtzeitig erkannt und ein weiterer Temperaturanstieg verhindert werden.Usually, each battery cell is assigned at least one sensor that can transmit status data via a line to a control unit. In this way, for example, a local overheating, which could lead to a fire, detected in good time and a further increase in temperature can be prevented.

Aus der DE 10 2010 011 740 A1 ist eine Batterie für ein Elektrofahrzeug mit mehreren Zellen und mehreren Sensoren zur Überwachung des Zustands von Zellen bekannt. Die Batterie gemäß dieser Druckschrift weist wenigstens eine Kommunikationseinheit auf, mit deren Hilfe mit einem oder mehreren Sensoren ermittelte Zustandsinformationen von einer oder mehreren Zellen drahtlos an eine Zentraleinheit gesandt werden können.From the DE 10 2010 011 740 A1 For example, a battery for an electric vehicle having a plurality of cells and a plurality of sensors for monitoring the state of cells is known. The battery according to this document has at least one communication unit with the aid of which one or more sensors can be used to send state information of one or more cells wirelessly to a central unit.

Weiter ist aus der DE 10 2010 007 076 A1 ein elektrischer Energiespeicher mit Kontaktelektroden zumindest zum Abgriff einer elektrischen Nutzspannung, einer Vielzahl von Energiespeicherzellen, die über eine gemeinsame Kontaktierungseinheit unter Zwischenschaltung einer Kontrolleinheit zur Beeinflussung zumindest eines Entladevorgangs der einzelnen Energiespeicherzellen mit den Kontaktelektroden verbunden sind, bekannt. Der elektrische Energiespeicher gemäß dieser Druckschrift ist dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Energiespeicherzelle zumindest ein lese- und schreibfähiger Datenspeicher integriert ist, der über eine lösbare Schnittstelle mittel- oder unmittelbar mit der Kontrolleinheit verbindbar ist, dass jeder Energiespeicherzelle eine den aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzelle dynamisch erfassende Einheit zugeordnet ist, die dynamisch Ladezustandsinformationen von der Energiespeicherzelle erstellt und diese in den lese- und schreibfähigen Datenspeicher zur Erstellung und Abspeicherung einer Ladezustandshistorie überträgt, und dass jede Energiespeicherzelle über elektrische Anschlusskontakte verfügt, die lösbar mit der Kontaktierungseinheit verbindbar sind.Next is from the DE 10 2010 007 076 A1 an electrical energy storage with contact electrodes at least for tapping a useful electrical voltage, a plurality of energy storage cells, which are connected via a common contacting unit with the interposition of a control unit for influencing at least one discharge of the individual energy storage cells with the contact electrodes known. The electrical energy storage device according to this document is characterized in that at least one readable and writable data memory is integrated in each energy storage cell, which can be directly or indirectly connected to the control unit via a detachable interface, such that each energy storage cell dynamically detects the current state of charge of the energy storage cell Assigned unit that dynamically generates state of charge information from the energy storage cell and this transmits in the readable and writable data memory for creating and storing a state of charge state, and that each energy storage cell has electrical connection contacts that are detachably connected to the contacting unit.

Bei Lithium-Ionen Zellen ist bei tiefen Temperaturen in Laderichtung die maximale Leistungsfähigkeit durch ein geeignetes Betriebsfenster stark eingeschränkt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Optimierung des Betriebsfensters von Lithium-Ionen Zellen sowie eine verbesserte Lithium-Ionen Zelle zur Verfügung zu stellen.In the case of lithium-ion cells, the maximum efficiency is severely limited by a suitable operating window at low temperatures in the charging direction. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for optimizing the operating window of lithium-ion cells as well as an improved lithium-ion cell.

Diese Aufgaben werden gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Lithium-Ionen Zelle gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These objects are achieved by the method according to claim 1 and the lithium-ion cell according to claim 7. Advantageous developments of the invention are subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung des Betriebsfensters einer Lithium-Ionen Zelle vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels einer im Inneren der Zelle angeordneten Sensorvorrichtung eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt wird und maximale Strom- und/oder Leistungswerte der Zelle auf Grundlage der gemessenen Temperatur und/oder des ermittelten Halbzellenpotentials geregelt werden.According to the invention, a method is proposed for optimizing the operating window of a lithium-ion cell, which is characterized in that a temperature of the electrode is measured by means of a sensor device arranged in the interior of the cell and / or an anode potential is determined by measuring a half-cell potential and maximum current and / or power levels of the cell are controlled based on the measured temperature and / or the determined half cell potential.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine genauere Kenntnis der Temperatur der Elektrode und/oder die Kenntnis des Anodenpotentials durch Halbzellenmessungen dazu dienen kann, eine hochverlässliche Regelung der Zelle zu ermöglichen, wodurch die Kennfeld-basierte Steuerung der Temperatur- und Zeitabhängigkeit der Ströme ersetzt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Zelle ermöglicht, da durch die Messwerte auf zusätzliche Sicherheitsabschläge, wie sie bei der Verwendung von Kennfeld-basierter Steuerung verwendet wird, verzichtet werden kann.The method according to the invention has the advantage that a more accurate knowledge of the temperature of the electrode and / or the knowledge of the anode potential by half-cell measurements can be used to enable a highly reliable control of the cell, whereby the map-based control of the temperature and time dependence of the currents replaced can be. The method according to the invention also makes it possible to increase the efficiency of the cell, since the measured values make it possible to dispense with additional safety deductions, as used in the use of map-based control.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer die Lithium-Ionen Zelle mit zumindest einer auf Kohlenstoff basierender Elektrode angewandt. Dies ist insoweit von besonderem Vorteil, da bei derartigen Lithium-Ionen Zellen nach dem bisherigen Stand der Technik bei tiefen Temperaturen in Laderichtung die maximale Leistungsfähigkeit durch ein geeignetes Betriebsfenster stark eingeschränkt war, um eine Abscheidung von metallischem Lithium zu vermeiden.According to a first advantageous development of the invention, the method according to the invention is applied to a lithium-ion cell with at least one carbon-based electrode. This is of particular advantage insofar as in the case of such lithium-ion cells according to the prior art at low temperatures in the charging direction the maximum performance was severely limited by a suitable operating window in order to avoid deposition of metallic lithium.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann durch die Sensorvorrichtung weiter ein pH-Wert und/oder ein Innendruck der Zelle ermittelt und auf Grundlage dieser/dieses Werte/Werts zusammen mit der gemessenen Temperatur der Elektrode und/oder des ermittelten Halbzellenpotentials die maximalen Strom- und/oder Leistungswerte der Zelle geregelt werden.According to a second advantageous development of the invention, a pH value and / or an internal pressure of the cell can be further determined by the sensor device and based on this / this Values / value together with the measured temperature of the electrode and / or the determined half-cell potential, the maximum current and / or power values of the cell are controlled.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann/können der/die gemessene(n) und/oder ermittelte(n) Wert(e) drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermittelt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der/die gemessene(n) und/oder ermittelte(n) Wert(e) zu einer zentralen oder dezentralen Auswertungseinrichtung übermittelt wird/werden.According to a further advantageous development of the invention, the measured value (s) and / or determined value (s) can be transmitted wirelessly by radio or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device. In this case, it is advantageous if the measured value (s) and / or determined value (s) is / are transmitted to a central or decentralized evaluation device.

Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, auf Grundlage des/der gemessenen und/oder ermittelten Werts/Werte eine Abschätzung eines Alterungszustands und/oder eine Prognose für einen Spontanausfall der Zelle vorzunehmen.The method according to the invention can also be advantageously used to make an estimate of an aging condition and / or a prognosis for a spontaneous failure of the cell on the basis of the measured value (s) and / or the determined value (s).

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lithium-Ionen Zelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Inneren der Zelle angeordnet eine Sensorvorrichtung aufweist, mit deren Hilfe eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt werden kann.The present invention also relates to a lithium-ion cell, which is characterized in that it has arranged inside the cell, a sensor device by means of which a temperature of the electrode can be measured and / or an anode potential can be determined by measuring a half cell potential.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen Zelle zumindest eine auf Kohlenstoff basierender Elektrode auf, und ist gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung die Sensorvorrichtung der Lithium-Ionen Zelle derart eingerichtet ist, dass sie

  • (a) weiter einen pH-Wert und/oder einen Innendruck der Zelle ermitteln, und/oder
  • (b) wenigstens einen gemessenen und/oder ermittelten Wert drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermitteln kann.
According to a first advantageous development, the lithium-ion cell according to the invention has at least one carbon-based electrode, and according to a second advantageous development, the sensor device of the lithium-ion cell is set up such that it
  • (a) further determining a pH and / or an internal pressure of the cell, and / or
  • (B) can transmit at least one measured and / or determined value wirelessly by radio or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

Die Figur zeigt in vereinfachter, schematischer Weise den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.The figure shows in a simplified, schematic manner the sequence of the method according to the invention.

Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.The embodiments explained below represent preferred embodiments of the present invention. Of course, the present invention is not limited to these embodiments.

Wie in der Figur gezeigt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Optimierung des Betriebsfensters einer Lithium-Ionen Zelle in einem ersten Schritt S1 mittels einer im Inneren der Zelle angeordneten Sensorvorrichtung eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt, und wird in einem zweiten Schritt S2 die maximalen Strom- und/oder Leistungswerte der Zelle auf Grundlage der gemessenen Temperatur und/oder des ermittelten Halbzellenpotentials geregelt.As shown in the figure, in the method according to the invention for optimizing the operating window of a lithium-ion cell in a first step S1, a temperature of the electrode is measured by means of a sensor device arranged inside the cell and / or an anode potential is determined by measuring a half-cell potential in a second step S2, the maximum current and / or power values of the cell are regulated on the basis of the measured temperature and / or the determined half cell potential.

Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise ein elektronisches Bauteil, z. B. ein (Mikro)Chip sein oder diesen enthalten. Wenn durch die Sensorvorrichtung mehr als ein Parameter (z. B. Temperatur der bzw. in der Elektrode) gemessen werden soll, kann es sich bei der Sensorvorrichtung entweder um eine multifunktionale Sensorvorrichtung handeln, d. h. eine Sensorvorrichtung, die in der Lage ist, mehr als einen Parameter innerhalb der Zelle zu messen bzw. zu ermitteln, oder es können mehrere verschiedene Sensoreinrichtungen vorhanden sein (beispielsweise je eine zur Messung einer Temperatur, eines Halbzellenpotentials, eines Innendrucks und eines pH-Wertes).The sensor device may, for example, an electronic component, for. As a (micro) chip or contain this. If more than one parameter (eg, temperature of the or in the electrode) is to be measured by the sensor device, the sensor device may either be a multifunctional sensor device, i. H. a sensor device capable of measuring more than one parameter within the cell, or several different sensor devices may be present (for example, one each for measuring a temperature, a half-cell potential, an internal pressure, and a pH ).

Wenn erfindungsgemäß die Sensorvorrichtung in der Lage sein soll, die Temperatur einer auf Kohlenstoff basierenden Elektrode oder gegebenenfalls sogar in einer auf Kohlenstoff basierenden Elektrode zu messen, ist es von Vorteil, wenn sich Einrichtung der Sensorvorrichtung, mittels derer die Temperatur der oder in der Elektrode gemessen wird, möglichst nahe bei oder im Inneren der Elektrode befindet. Dies gilt insbesondere für den Teil der Sensorvorrichtung mit Hilfe dessen tatsächlich die Temperatur gemessen wird (z. B. Temperaturfühler). Auf diese Weise wird eine sehr genaue Messung der Temperatur der oder in der Elektrode ermöglicht.According to the invention, if the sensor device is to be able to measure the temperature of a carbon-based electrode or optionally even in a carbon-based electrode, it is advantageous if the device of the sensor device measures the temperature of or in the electrode is as close as possible to or inside the electrode. This is especially true for the part of the sensor device by means of which the temperature is actually measured (eg temperature sensor). In this way, a very accurate measurement of the temperature of or in the electrode is made possible.

Die von der Sensorvorrichtung gemessenen bzw. ermittelten Werte können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermittelt werden.The measured or determined by the sensor device values can be transmitted in accordance with a preferred embodiment wirelessly by radio or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device.

Im Falle einer drahtlosen Übermittlung muss die Sensorvorrichtung selbstverständlich über eine Kommunikationseinrichtung zum Aussenden von Funksignalen verfügen. Gleichzeitig muss die Auswertungseinrichtung dazu in der Lage sein, die ausgesandten Funksignale zu empfangen, oder es muss eine hiervon getrennte und geeignete Empfangseinrichtung vorhanden sein, die die empfangenen Funksignale an die Auswertungseinrichtung weiterzuleiten vermag.In the case of a wireless transmission, the sensor device must of course have a communication device for transmitting radio signals. At the same time, the evaluation device has to be able to receive the transmitted radio signals, or a separate and suitable receiving device must be present, which is able to forward the received radio signals to the evaluation device.

Durch eine drahtlose Datenübertragung lässt sich eine kostengünstige, zuverlässige und sichere Lithium-Ionen Zelle realisieren. Zum einen brauchen keine Leitungen zwischen der Sensorvorrichtung und einer Auswertungseinrichtung vorgesehen werden und zum anderen kann eine erfindungsgemäße Batterie vollständig eingekapselt werden, da ein Kabelaustritt für Verbindungsleitungen zwischen den Sensorvorrichtungen und einer Auswertungseinrichtung entfällt.Wireless data transmission makes it possible to realize a cost-effective, reliable and safe lithium-ion cell. On the one hand, no lines need to be provided between the sensor device and an evaluation device and, on the other hand, one can Battery according to the invention are completely encapsulated, since a cable outlet for connecting lines between the sensor devices and an evaluation device deleted.

Bei der Auswertungseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine zentrale oder dezentrale Auswertungseinrichtung handeln. Typische Beispiele sind etwa ein Batteriemanagementsystem (BMS) oder Zellüberwachungseinrichtungen (CSC).The evaluation device can be, for example, a central or decentralized evaluation device. Typical examples include a battery management system (BMS) or cell monitoring devices (CSC).

Eine Regelung insbesondere der maximalen Strom- und/oder Leistungswerte der Batterie erfolgt erfindungsgemäß anhand der von der Sensorvorrichtung gemessenen bzw. ermittelten Messwerte. Da eine Batterie (Sekundärbatterie, Akkumulator), beispielsweise eine zur Stromversorgung der Antriebsmotoren eines Elektrofahrzeugs, eine Mehrzahl an individuellen Zellen aufweist, kann jede Zelle wenigstens eine Sensorvorrichtung aufweisen, oder es können – beispielsweise aus Kostengründen – nur je eine Zelle innerhalb einer Zellengruppe (die beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder mehr Zellen aufweist) eine Sensorvorrichtung aufweisen. Bei der ersteren Lösung kann der Zustand jeder einzelnen Zelle individuell überwacht werden, bei der letzteren Lösung naturgemäß nur eine Zelle innerhalb einer Zellengruppe.A regulation in particular of the maximum current and / or power values of the battery takes place according to the invention on the basis of the measured values measured or determined by the sensor device. Since a battery (secondary battery, accumulator), for example one for powering the drive motors of an electric vehicle, a plurality of individual cells, each cell may have at least one sensor device, or it may - for cost reasons - only one cell within each cell group (the for example, 2, 3, 4, 5 or more cells) have a sensor device. In the former solution, the state of each individual cell can be monitored individually, with the latter solution, of course, only one cell within a cell group.

Sofern jede Zelle eine Sensorvorrichtung aufweist, kann auch eine individuelle Regelung für jede Zelle vorgesehen sein. Hierdurch kann in besonders genauer Weise der Zustand einer jeden Zelle berücksichtigt werden und die Leistungsfähigkeit der Gesamtbatterie in besonders günstiger Weise maximiert werden. Die übertragenen Werte können in vorteilhafter Weise beispielsweise auch bei der Steuerung von Be- und Entladevorgängen verwendet werden, um eine Symmetrisierung von Zellspannungen zu erreichen.If each cell has a sensor device, an individual control can also be provided for each cell. As a result, the state of each cell can be taken into account in a particularly accurate manner and the efficiency of the overall battery can be maximized in a particularly favorable manner. The transmitted values can also be advantageously used, for example, in the control of charging and discharging processes in order to achieve a symmetrization of cell voltages.

Beispielsweise aus Kostengründen kann es aber selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass eine Regelung lediglich für verschiedene Zellengruppen oder gar nur für die Gesamtbatterie vorgesehen ist.For reasons of cost, however, it may of course also be provided that a regulation is provided only for different cell groups or even only for the total battery.

Auch kann durch jede Sensorvorrichtung eine charakteristische Zellkennung übertragbar sein, die beispielsweise zusammen mit den von der Sensorvorrichtung gemessenen und/oder ermittelten Werten übertragen werden kann. So steht für die Auswertungseinrichtung zusätzlich eine Information dahin zur Verfügung, von welcher Zelle die übertragenen Daten stammen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine bestimmte Zelle als defekt erkannt und ein gezielter Austausch veranlasst werden.Also, a characteristic cell identifier can be transmitted by each sensor device, which can be transmitted, for example, together with the values measured and / or determined by the sensor device. Thus, the evaluation device additionally has information as to which cell the transmitted data originate from. In this way, for example, a specific cell can be recognized as defective and a targeted exchange can be initiated.

Auch kann vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung selbst eine Auswerteeinheit aufweist. Eine solche Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Vorauswertung und/oder Verdichtung (z. B. Mittelwertbildung) von gemessenen Daten durchführen, so dass das zu übertragende Datenvolumen reduziert wird. Auch kann vorgesehen sein, dass durch die Sensorvorrichtung kontinuierlich oder in vorgebbaren Zeitabständen Daten an die Auswertungseinrichtung übermittelt werden. Oder dass nur dann Daten an die Auswertungseinrichtung übermittelt werden, wenn die gemessenen und/oder ermittelten Daten einen vorgegebenen Schwellenwert unter- bzw. überschreiten oder sich außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befinden. In ähnlicher Weise kann vorgesehen sein, dass Daten an die Auswertungseinrichtung übermittelt werden, sofern eine Tendenz erkennbar ist, dass die gemessenen und/oder ermittelten Daten innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums einen vorgegebenen Schwellenwert unter- bzw. überschreiten oder sich außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befinden werden.It can also be provided that the sensor device itself has an evaluation unit. Such an evaluation unit can perform, for example, a preliminary evaluation and / or compression (eg averaging) of measured data, so that the data volume to be transmitted is reduced. It can also be provided that data is transmitted to the evaluation device continuously or at predefinable time intervals by the sensor device. Or that data are transmitted to the evaluation device only if the measured and / or determined data falls below or exceeds a predefined threshold value or is outside a predetermined value range. Similarly, it may be provided that data is transmitted to the evaluation device, provided that a tendency is apparent that the measured and / or determined data within a predetermined period of time below or below a predetermined threshold or will be outside a predetermined range of values.

Erfindungsgemäß können die von der Sensoreinrichtung gemessenen bzw. ermittelten Werte nicht nur zur Regelung der maximalen Strom- und/oder Leistungswerte der Batterie bzw. der Zellen verwendet werden, sondern auch zur Abschätzung eines Alterungszustands (Druck, pH-Werte in der Zelle) und/oder für eine Prognose eines Spontanausfalls der Zelle (Rauschen der Zelle).According to the invention, the values measured or determined by the sensor device can be used not only to regulate the maximum current and / or power values of the battery or cells, but also to estimate an aging state (pressure, pH values in the cell) and / or for a prognosis of a spontaneous failure of the cell (noise of the cell).

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Lithium-Ionen Zelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen Zelle mit zumindest einer auf Kohlenstoff basierender Elektrode, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Inneren der Zelle angeordnet eine Sensorvorrichtung aufweist, mit deren Hilfe eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Sensorvorrichtung in der Lithium-Ionen Zelle derart eingerichtet, dass sie (a) weiter einen pH-Wert und/oder einen Innendruck der Zelle ermitteln kann, und/oder (b) wenigstens einen gemessenen und/oder ermittelten Wert drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermitteln kann.The present invention also encompasses a lithium-ion cell, preferably a lithium-ion cell with at least one carbon-based electrode, which is characterized in that it has a sensor device arranged inside the cell, with the aid of which a temperature of the electrode is measured and / or an anode potential can be determined by measuring a half cell potential. According to a further advantageous development, the sensor device in the lithium-ion cell is set up in such a way that it (a) can further determine a pH and / or an internal pressure of the cell, and / or (b) at least one measured and / or determined one Wireless value can transmit via wireless or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device.

Fachleuten sind Sensorvorrichtungen zum Messen der verschiedenen Parameter sowie Einrichtungen zum drahtlosen oder drahtgebundenen Übermitteln der gemessenen und/oder ermittelten Parameter bekannt. Da die erfindungsgemäße Lithium-Ionen Zelle im Übrigen auf bereit bekannten Lithium-Ionen Zellen aufbaut, braucht auf den Aufbau der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen Zelle im vorliegenden Fall nicht näher eingegangen zu werden.Persons skilled in the art are aware of sensor devices for measuring the various parameters and devices for wireless or wired transmission of the measured and / or determined parameters. Moreover, since the lithium-ion cell according to the invention is based on ready-known lithium-ion cells, it is not necessary to discuss the structure of the lithium-ion cell according to the invention in the present case.

Durch die vorliegende Erfindung wird auf vorteilhafte Weise die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Zellen, bevorzugt solchen mit zumindest einer auf Kohlenstoff basierenden Elektrode, erhöht, da durch die Messung von Temperatur und/oder von Halbzellenpotential auf zusätzliche Sicherheitsabschläge, wie sie bei der Verwendung von Kennfeld-basierter Steuerung verwendet wird, verzichtet werden kann. Dies gilt insbesondere Lithium-Ionen Zellen mit auf Kohlenstoff basierenden Elektroden, bei denen bei Ladevorgängen bei niedrigen Temperaturen nach dem bisherigen Stand der Technik zur Vermeidung einer nachteiligen Abscheidung von metallischem Lithium ein nur stark eingeschränktes Betriebsfenster zur Verfügung stand. Durch die nunmehr mögliche genaue Kenntnis der Temperatur der oder in der Elektrode und/oder des Anodenpotentials durch Halbzellenmessungen ist eine hochverlässliche Regelung der Lithium-Ionen Zelle möglich und kann die kennfeldbasierte Steuerung der Temperatur- und Zeitabhängigkeit der Ströme ersetzt werden.By the present invention is advantageously the performance of lithium-ion cells, preferably those with at least a carbon-based electrode, because the measurement of temperature and / or half-cell potential can eliminate the need for additional safety margins, as used in the use of map-based control. This applies in particular to lithium-ion cells with carbon-based electrodes in which only a very limited operating window was available during charging operations at low temperatures in accordance with the prior art to avoid disadvantageous deposition of metallic lithium. By now possible precise knowledge of the temperature of or in the electrode and / or the anode potential by half-cell measurements a highly reliable control of the lithium-ion cell is possible and the map-based control of the temperature and time dependence of the currents can be replaced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • S1S1
    erster Verfahrensschrittfirst process step
    S2S2
    zweiter Verfahrensschrittsecond process step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010011740 A1 [0004] DE 102010011740 A1 [0004]
  • DE 102010007076 A1 [0005] DE 102010007076 A1 [0005]

Claims (9)

Verfahren zur Optimierung des Betriebsfensters einer Lithium-Ionen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Inneren der Zelle angeordneten Sensorvorrichtung eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt wird (S1) und maximale Strom- und/oder Leistungswerte der Zelle auf Grundlage der gemessenen Temperatur und/oder des ermittelten Halbzellenpotentials geregelt werden (S2).Method for optimizing the operating window of a lithium-ion cell, characterized in that a temperature of the electrode is measured by means of a sensor device arranged in the interior of the cell and / or an anode potential is determined by measuring a half cell potential (S1) and maximum current and / or power values the cell are controlled on the basis of the measured temperature and / or the determined half cell potential (S2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen Zelle eine Lithium-Ionen Zelle mit zumindest einer auf Kohlenstoff basierender Elektrode ist.A method according to claim 1, characterized in that the lithium-ion cell is a lithium-ion cell with at least one carbon-based electrode. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensorvorrichtung weiter ein pH-Wert und/oder ein Innendruck der Zelle ermittelt werden/wird und auf Grundlage dieser/dieses Werte/Werts zusammen mit der gemessenen Temperatur der Elektrode und/oder des ermittelten Halbzellenpotentials die maximalen Strom- und/oder Leistungswerte der Zelle geregelt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that further determined by the sensor device, a pH and / or an internal pressure of the cell / and based on this / these values / value together with the measured temperature of the electrode and / or determined half-cell potential, the maximum current and / or power levels of the cell are regulated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die gemessene(n) und/oder ermittelte(n) Wert(e) drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermittelt wird/werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measured (s) and / or determined (s) value (s) is transmitted wirelessly by radio or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device / are. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die gemessene(n) und/oder ermittelte(n) Wert(e) zu einer zentralen oder dezentralen Auswertungseinrichtung übermittelt werden.Method according to Claim 4, characterized in that the measured value (s) and / or determined value (s) are transmitted to a central or decentralized evaluation device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die gemessene(n) und/oder ermittelte(n) Wert(e) zur Abschätzung eines Alterungszustands und/oder für eine Prognose eines Spontanausfalls der Zelle verwendet wird/werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measured (s) and / or determined (s) value (s) is / are used to estimate an aging condition and / or to predict a spontaneous failure of the cell. Lithium-Ionen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Inneren der Zelle angeordnet eine Sensorvorrichtung aufweist, mit deren Hilfe eine Temperatur der Elektrode gemessen und/oder ein Anodenpotential durch Messung eines Halbzellenpotentials ermittelt werden kann.Lithium-ion cell, characterized in that it has arranged inside the cell, a sensor device, by means of which a temperature of the electrode can be measured and / or an anode potential can be determined by measuring a half-cell potential. Lithium-Ionen Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine auf Kohlenstoff basierender Elektrode aufweist.Lithium-ion cell according to claim 7, characterized in that it comprises at least one carbon-based electrode. Lithium-Ionen Zelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung derart eingerichtet ist, dass sie (a) weiter einen pH-Wert und/oder einen Innendruck der Zelle ermitteln kann, und/oder (b) wenigstens einen gemessenen und/oder ermittelten Wert drahtlos mittels Funk oder über einen stromführenden Ableiter der Zelle zu einer Auswertungseinrichtung übermitteln kann.Lithium-ion cell according to claim 7 or 8, characterized in that the sensor device is arranged such that it (a) can further determine a pH and / or internal pressure of the cell, and / or (b) at least one measured and / or value can be transmitted wirelessly by radio or via a current-carrying arrester of the cell to an evaluation device.
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