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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Entladespannungsgrenzwertes einer elektrochemischen Einzelzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die
DE 10 2010 004 216 beschreibt eine Energieversorgungseinrichtung mit einer eine Spannung bereit stellenden Energiequelle und einer mit dieser elektrisch verbundenen Überwachungseinrichtung, die bei Stromentnahme aus der Energiequelle Spannung, Stromstärke und Temperatur an der Energiequelle misst und bei Unterschreiten eines Abschaltgrenzwertes für die Spannung die Stromentnahme unterbricht, wobei der Abschaltgrenzwert von der Temperatur an der Energiequelle und von der Stromstärke abhängt.
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Die
EP 2 169 758 beschreibt eine Einrichtung, die nach galvanischen Prinzipien arbeitet, wie insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, und ein Verfahren zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Betriebszustands der Einrichtung. Die Einrichtung weist mindestens eine galvanische Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle und ein Betriebsmanagementsystem zum Überwachen und Steuern des elektrischen Betriebszustands der Einrichtung sowie zum Überwachen einer repräsentativen Temperatur der Einrichtung auf. Das Betriebsmanagementsystem ist dazu ausgebildet, den elektrischen Betriebszustand, beispielsweise einen Ladestrom bzw. einen Entladestrom der Einrichtung, in Abhängigkeit von der Temperatur zu steuern. Der elektrische Betriebszustand der Einrichtung kann in mindestens zwei verschiedenen Temperaturintervallen vermittels voneinander unterschiedlicher Temperaturabhängigkeiten gesteuert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Entladespannungsgrenzwertes einer elektrochemischen Einzelzelle anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens zur Ermittlung mindestens eines Entladespannungsgrenzwertes einer elektrochemischen Einzelzelle wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim Verfahren zur Ermittlung mindestens eines Entladespannungsgrenzwertes einer elektrochemischen Einzelzelle für eine Batterie wird erfindungsgemäß die elektrochemische Einzelzelle bei vorgebbaren Umgebungstemperaturen und/oder vorgebbaren Lade- und Entladezuständen zur Bestimmung eines insbesondere unteren Entladespannungsgrenzwertes für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand entladen.
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Bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen sinkt eine Leitungsfähigkeit der elektrochemischen Einzelzellen und es tritt insbesondere ein Kapazitätsverlust ein.
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Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Einzelzellen als elektrochemische Einzelzelle bewirkt ein Absenken des unteren Entladespannungsgrenzwertes bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen vorteilhafterweise eine signifikante Steigerung der Kapazität.
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Um während des Betriebs der elektrochemischen Einzelzelle ein Absenken des unteren Entladespannungsgrenzwertes bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen zu ermöglichen, wird dieser für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt und in einem Batteriemanagementsystem als unterer Grenzwert eines Betriebsfensters hinterlegt.
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Mittels eines solchen vorgebbaren Betriebsfensters steuert und/oder regelt das Batteriemanagementsystem die Entladespannungen und -ströme der elektrochemischen Einzelzelle in Abhängigkeit der jeweiligen Umgebungstemperatur und des Lade- oder Entladezustands.
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Vorteilhafterweise ist damit ein Kaltstartverhalten einer elektrochemischen Einzelzelle oder einer Batterie aus einer Mehrzahl gekoppelter elektrochemischer Einzelzellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen signifikant verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Herkömmlicherweise werden mehrere herkömmliche elektrochemische Einzelzellen elektrisch zu einer Batterie gekoppelt. Dazu werden üblicherweise mehrere elektrochemische Einzelzellen in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung elektrisch untereinander gekoppelt.
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Zur Steuerung und/oder Regelung der Auf- oder Entladung der Batterie ist selbige im Betrieb mit einem Batteriemanagementsystem gekoppelt.
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Dabei kann das Batteriemanagementsystem separat mit einer jeden elektrochemischen Einzelzelle der Batterie gekoppelt sein oder das Batteriemanagementsystem ist mit der Batterie gekoppelt.
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In einem solchen Batteriemanagementsystem ist zumindest ein vorgebbares Betriebsfenster für die jeweilige Batterie oder für jede elektrochemische Einzelzelle der Batterie hinterlegt.
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Anhand des Betriebsfensters werden die Entladespannungen und -ströme sowie die Ladespannungen und -ströme der jeweiligen elektrochemischen Einzelzelle oder der gesamten Batterie während des Betriebs eingestellt.
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Dabei erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Entladespannungen und -ströme sowie der Ladespannungen und -ströme beispielsweise in Abhängigkeit einer Betriebssituation, einer Umgebungstemperatur und/oder eines Lade- oder Entladezustands der Einzelzelle oder der Batterie.
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Bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen sinkt eine Leitungsfähigkeit von elektrochemischen Einzelzellen und es tritt insbesondere ein Kapazitätsverlust der Einzelzellen und der aus diesen gebildeten Batterie ein.
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Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Einzelzellen als elektrochemische Einzelzelle bewirkt ein Absenken eines unteren Entladespannungsgrenzwertes bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen der Einzelzellen vorteilhafterweise eine signifikante Steigerung der Kapazität und der Leistungsfähigkeit.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Entladespannungsgrenzwert, insbesondere ein unterer Entladespannungsgrenzwert einer elektrochemischen Einzelzelle oder einer Batterie in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur und/oder eines Lade- und Entladezustands ermittelt, so dass das entsprechende, im Batteriemanagementsystem hinterlegte Betriebsfenster an diesen ermittelten unteren Entladespannungsgrenzwert anpassbar ist.
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Um während des Betriebs der elektrochemischen Einzelzelle ein Absenken des unteren Entladespannungsgrenzwertes bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen zu ermöglichen, wird der untere Entladespannungsgrenzwert für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und/oder für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt und im Batteriemanagementsystem als unterer Grenzwert des Betriebsfensters hinterlegt.
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Dabei wird der untere Entladespannungsgrenzwert im Vergleich zum Stand der Technik bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen abgesenkt und als unterer Grenzwert des Betriebsfensters verwendet.
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Bei der Durchführung des Verfahrens werden in einem ersten Verfahrensschritt I eine Kapazität, eine Leistung und ein Innenwiderstand der elektrochemischen Einzelzelle bei Raumtemperatur vor Beginn eines gepulsten Entladeverfahrens ermittelt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt II wird die elektrochemische Einzelzelle mittels des gepulsten Entladeverfahrens entladen. Dabei werden Pulsströme vorgebbarer Dauer und vorgebbarer Höhe eingestellt.
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Dabei wird für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand mittels des gepulsten Entladeverfahrens ein erster Spannungsgrenzwert G1 ermittelt.
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In einem dritten Verfahrensschritt III werden eine Kapazität, eine Leistung und ein Innenwiderstand der elektrochemischen Einzelzelle bei Raumtemperatur nach Beendigung des gepulsten Entladeverfahrens ermittelt.
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In einem vierten Verfahrensschritt IV werden eine Kapazität, eine Leistung und ein Innenwiderstand der elektrochemischen Einzelzelle bei Raumtemperatur vor Beginn eines kontinuierlichen Entladeverfahrens ermittelt.
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In einem fünften Verfahrensschritt V wird die elektrochemische Einzelzelle mittels des kontinuierlichen Entladeverfahrens entladen. Dabei erfolgt eine Durchführung des kontinuierlichen Entladeverfahrens unter Berücksichtigung des zumindest einen ermittelten ersten Spannungsgrenzwertes G1 oder einer Mehrzahl ermittelter erster Spannungsgrenzwerte G1.
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Mittels des kontinuierlichen Entladeverfahrens wird für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand ein separater unterer Entladespannungsgrenzwert G ermittelt.
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In einem sechsten Verfahrensschritt VI werden eine Kapazität, eine Leistung und ein Innenwiderstand der elektrochemischen Einzelzelle bei Raumtemperatur nach Beendigung des kontinuierlichen Entladeverfahrens ermittelt.
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In einem siebten Verfahrensschritt VII werden die für jede vorgegebene Umgebungstemperatur und für jeden vorgegebenen Lade- und Entladezustand ermittelten unteren Entladespannungsgrenzwerte G im Batteriemanagementsystem hinterlegt.
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Dabei wird das im Batteriemanagementsystem hinterlegte Betriebsfenster an die jeweiligen ermittelten unteren Entladespannungsgrenzwerte G angepasst.
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Besonders bevorzugt wird der in Abhängigkeit der jeweiligen Umgebungstemperatur und/oder des jeweiligen Lade- und Entladezustands ermittelte und hinterlegte untere Entladespannungsgrenzwert G als unterer Grenzwert des Betriebsfensters verwendet.
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Vorteilhafterweise ist damit ein Kaltstartverhalten einer elektrochemischen Einzelzelle oder einer Batterie aus einer Mehrzahl gekoppelter elektrochemischer Einzelzellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder niedrigen Lade- und Entladezuständen signifikant verbessert.
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Als Lade- und Entladeverfahren wird bei der Durchführung des Verfahrens ein IU-Ladeverfahren verwendet. Das IU-Ladeverfahren, auch als CC-CV für constant current und constant voltage bezeichnet, verbindet das herkömmliche Konstantstrom- mit dem herkömmlichen Konstantspannungs-Ladeverfahren. In der ersten Phase der Ladung wird mit einem konstanten, vorgebbaren Strom geladen. Gegenüber dem reinen Konstantspannungs-Ladeverfahren wird so eine Begrenzung des sonst hohen Anfangsladestroms bewirkt. Bei Erreichen der vorgebbaren Ladeschlussspannung an der elektrochemischen Einzelzelle wird von Strom- auf Spannungsregelung umgeschaltet und in der zweiten Ladephase mit konstanter Spannung weiter geladen, dabei sinkt mit zunehmendem Ladestand der elektrochemischen Einzelzelle der Ladestrom selbsttätig ab. Als Kriterium für die Beendigung der Ladung der elektrochemischen Einzelzelle kann bei Lithium-Ionen-Einzelzellen die Unterschreitung eines vorgebbaren minimalen Ladestroms angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- I bis VII
- Verfahrensschritt
- G
- unterer Entladespannungsgrenzwert
- G1
- Spannungsgrenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004216 [0002]
- EP 2169758 [0003]
