DE102014220993B4

DE102014220993B4 - Lithiumbatterie mit Referenzelektrode

Info

Publication number: DE102014220993B4
Application number: DE102014220993.5A
Authority: DE
Inventors: Chi Paik; Feng Li
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: US9419313B2; CN104577238B; CN104577238A; DE102014220993A1; US20150111077A1

Abstract

Verfahren (900) zum Herstellen einer Referenzelektrode (220) für eine Lithiumionen-Batterie (200), das Folgendes umfasst:das Aufladen (910) der Batterie (200) auf einen Ladezustandsschwellenwert, wobei die Batterie (200) Folgendes enthält:einen neutralen Metallbecher (108) und eine negative Elektrode (130); unddas galvanische Abscheiden (940) einer Referenzelektrode (220) auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers (108) durch elektrisches Verbinden des neutralen Metallbechers (108) mit der negativen Elektrode (130), wobei ein Potential des neutralen Metallbechers (108) höher als ein Potential der negativen Elektrode (130) liegt.

Description

Handelsübliche Lithiumionen-Batterien mit zwei Elektroden zur Leistungsversorgung von Elektro- und Hybridfahrzeugen sind üblicherweise dazu angepasst, das Überwachen des Batteriegesundheitszustands (SOH, state of health) und/oder des -ladezustands (SOC, state of charge) zu ermöglichen, indem verschiedene Sensoren an der Batterie verbaut werden. Allerdings können in Zweielektrodensystemen nur relative Messungen zwischen den Arbeitselektroden bestimmt werden. Dreielektroden-Lithiumionen-Batterien, bei denen eine Referenzelektrode in die Batterie integriert ist, können eine exaktere Bewertung des Batteriegesundheitszustands und/oder des Batterieladezustands bereitstellen, weil absolute Messungen jeder Arbeitselektrode bezogen werden können. Referenzelektroden werden entweder während der Herstellung einer neuen Batterie verbaut, oder bei vorhandenen Zweielektrodenbatterien wird möglicherweise eine Referenzelektrode nachgerüstet.
In der US 2012 / 0 043 301 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern und Überwachen eines Prozesses zum galvanischen Beschichten beschrieben, bei dem zum Messen des Potentials der Kathode eine mit einer Messeinrichtung elektrisch verbundene Referenzelektrode vorgesehen ist. In der US 5 304 433 A wird eine Bleisäurebatterie mit einem Kapazitätsindikator beschrieben, bei der die Spannung zwischen den negativen Platten und einer Referenzelektrode gemessen werden kann. In der US 2009 / 0 208 834 A1 wird eine Sekundärbatterie mit einer Hilfselektrode beschrieben, die mit der Kathode oder der Anode elektrisch in Serie verbunden ist. Zudem wird in der DE 10 2015 119 214 A1 ein Verfahren zum Bilden eines porösen Materials mit Hilfe einer elektrochemischen Zelle beschrieben, die eine Arbeits-, eine Gegen- und eine Referenzelektrode aufweist.
Als weiteres Beispiel offenbart Fulo: (US 2012 / 0 263 986 A1) eine wiederaufladbare Lithiumzelle mit Referenzelektrode zur SOH-Überwachung, wobei eine Referenzelektrode aktives Material umfasst, das auf einem Metall-Stromkollektor abgeschieden ist oder das als Partikel mit Bindemittel und einem leitfähigen Additiv gemischt ist und mit dem dann eine Metallfolie überzogen wird. Die Referenzelektrode ist möglicherweise elektronisch mit dem Becher verbunden. In Fällen, in denen der Becher aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Titan besteht, ist der Becher weiterhin in der Lage, als die Referenz-elektrode zu dienen, wobei die innere Wandungsfläche des Bechers mit schützendem Isoliermaterial überzogen ist, um elektronische Isolierung des Bechers von den Arbeitselektroden bereitzustellen.
Die Erfinder haben hierin potentielle Probleme mit den oben genannten Ansätzen erkannt. Konventionelle Verfahren des Verbauens von Referenzelektroden während der Herstellung von neuen Batterien können nämlich teuer und kompliziert sein, weil ein zusätzlicher Batterieanschluss zugefügt und korrekt abgedichtet werden muss, um die Referenzelektrode unterzubringen. Weiterhin reduziert das Hinzufügen der Referenzelektrode möglicherweise die Batteriekapazität für eine gegebene Größe, weil die Referenzelektrode mit verknüpfter Dichtung, Anschluss, Separator usw. Raum einnimmt, der sonst möglicherweise für aktives Batteriematerial verwendet wird.
Weiterhin noch beziehen konventionelle Verfahren, Zweielektrodenbatterien mit einer Referenzelektrode nachzurüsten, das Aufbrechen des abgedichteten Bechers der Batterie ein, was teuer sein und die Batteriekomponenten häufig beschädigen kann, was zu vorzeitigem Batterieausfall führt. Weiterhin noch sind die Aluminium-, Titan-, Kupfer- oder Edelstahl-Becher-Referenzelektroden nach Fulop keine stabilen, nicht polarisierbaren Referenzelektroden, die absolute Potentiale jeder Arbeitselektrode exakt messen können. Weiterhin noch ist das Mischen von Partikeln mit Bindemittel und einem leitfähigen Additiv und dann das Überziehen einer Metallfolie mit der Mischung ein kompliziertes Mehrschritt-, Mehrkomponenten-Verfahren zum Bilden von Referenzelektroden, das den Herstellungswirkungsgrad reduziert und Herstellungskosten erhöht.
Ein Ansatz, der die oben genannten Probleme wenigstens teilweise überwindet und als technisches Ergebnis die Herstellung einer Referenzelektrode in einer vorhandenen, abgedichteten Batterie erreicht, ist ein Verfahren zur Herstellung einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie, das Folgendes umfasst: das Aufladen der Batterie auf einen Ladezustandsschwellenwert, wobei die Batterie einen neutralen Metallbecher und eine negative Elektrode enthält und das galvanische Abscheiden einer Referenzelektrode auf einer Innenfläche des Bechers durch elektrisches Verbinden des neutralen Metallbechers mit der negativen Elektrode, wobei ein Potential des neutralen Metallbechers höher als ein Potential einer negativen Elektrode liegt. Auf diese Weise ist es möglich, vorhandene Zweielektrodenbatterien nachzurüsten, indem die Referenzelektrode ohne Aufbrechen der Dichtung der Batterie gebildet wird, und Referenzelektroden für Lithiumionen-Batterien auf eine, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, kosteneffizientere und weniger komplizierte Art und Weise herzustellen. Weiterhin kann eine stabile, nicht polarisierende Referenzelektrode zur exakten Überwachung des SOH über die Batterielebensdauer bereitgestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Lithiumionen-Batterie einen neutralen Metallbecher und eine Referenzelektrode, die galvanisch auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug-Batteriemanagementsystem Folgendes: eine Lithiumionen-Batterie, die einen neutralen Becher und eine Referenzelektrode enthält, die galvanisch auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden ist, und einen Controller mit ausführbaren Befehlen, um einen Gesundheitszustand einer Batterie zu bestimmen, indem eine Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode gemessen wird, und das Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode.
In einer anderen Ausführungsform wird die Referenzelektrode möglicherweise hergestellt, indem der neutrale Metallbecher und eine Elektrode der Lithiumionen-Batterie mit einer elektrischen Leistungsquelle verbunden werden und Strom von der elektrischen Leistungsquelle zum neutralen Metallbecher geleitet wird.
Es sollte verstanden werden, dass die oben genannte Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Es ist nicht beabsichtigt, wesentliche oder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Schutzbereich einzig durch die auf die ausführliche Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die irgendeinen der Nachteile beheben, die oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung erwähnt werden.
Die Figuren zeigen:

1 zeigt ein Schema einer beispielhaften Lithiumionen-Batterie.
2 zeigt ein Schema einer beispielhaften Lithiumionen-Batterie, die mit einer Referenzelektrode nachgerüstet ist.
3 zeigt ein Schema einer beispielhaften Vorrichtung zum Herstellen einer Referenzelektrode.
4 zeigt einen Verlauf der Leerlaufspannung einer Batterie mit einer Aluminiumbecher-Referenzelektrode über der Zeit.
5 zeigt einen Verlauf der Leerlaufspannung einer Batterie mit einer galvanisch lithiumbeschichteten Aluminiumbecher-Referenzelektrode über der Zeit.
6 - 8 zeigen Verläufe, die einen Referenzelektroden-Polarisationstest veranschaulichen.
9 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode.
10 zeigt ein Fahrzeugantriebssystem einschließlich eines Batteriemanagementsystems, das eine Batterie mit einer gemäß dem Verfahren aus 9 hergestellten Referenzelektrode umfasst.
11 zeigt einen schematisch veranschaulichten Betrieb einer Lithiumionen-Batterie.
12 - 13 veranschaulichen eine beispielhafte Vorrichtung zum Herstellen einer Referenzelektrode.
14 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode.

Die Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie, wie zum Beispiel für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug. 1 zeigt ein Beispiel für eine Zweielektroden-Lithiumionen-Batterie ohne Referenzelektrode, und 2 veranschaulicht schematisch die Lithiumionen-Batterie aus 1 nach dem Bilden der Referenzelektrode. 3 veranschaulicht eine beispielhafte Vorrichtung zum Bilden einer in 2 gezeigten Referenzelektrode. 4 zeigt ein Diagramm, das Leerlaufspannungsstabilität einer neutralen Aluminiumbecher-Referenzelektrode veranschaulicht, und 5 zeigt die Leerlaufspannungsstabilität der in 2 gezeigten Referenzelektrodenausführungsform. Die 6 - 8 veranschaulichen Ergebnisse von Polarisations- und Stabilitätstests für die in 2 ausgeführte Referenzelektrode. 9 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen der in 2 ausgeführten Referenzelektrode, und 10 veranschaulicht ein Fahrzeugantriebssystem, das ein Batteriemanagementsystem einschließlich einer Batterie mit einer Referenzelektrode umfasst. 11 veranschaulicht schematisch den Betrieb einer Lithiumionen-Batterie. Die 12 - 13 veranschaulichen eine Vorrichtung für eine andere Ausführungsform zum Herstellen einer Referenzelektrode, und 14 ist ein Flussdiagramm für das Verfahren zum Herstellen einer in den 12 - 13 ausgeführten Referenzelektrode.
Eine Referenzelektrode ist ein Bauelement, das einen festen Wert seines Potentials im Bezug zur flüssigen Elektrolytphase behält (z. B. potentialstabil) und kann somit für potentiometrische Messungen eines Elektrodensystems im Verhältnis zur Referenzelektrode verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Referenzelektrode verwendet werden, um absolute Messungen von jeder Arbeitselektrode (z. B. der positiven Elektrode und der negativen Elektrode) einer Lithiumionen-Batterie zu beziehen. Eine ideale Referenzelektrode ist reversibel und folgt der Nernst-Gleichung in Hinsicht auf die elektrolytaktiven Spezies. Weiterhin ist ein Referenzelektrodenpotential stabil (z. B. potentialstabil) über der Zeit und kehrt zu seinem Anfangswert zurück, nachdem kleine Ströme durch die Elektrode gelaufen sind (z. B. keine Hysterese).
Es ist bekannt, dass eine Lithiummetallelektrode in lithiumbasierten Redoxsystemen ein stabiles, reversibles Potential aufweist. Konventionelle Lithiumelektroden umfassen möglicherweise eine Lithiumfolie oder metallisches Lithium, das an einem Kupferdraht oder -netz oder einer Stahllage angebracht ist. Wenn konventionelle Lithiumelektroden in Lithiumionen-Batterien eingefügt werden, können sie die Batteriekapazität durch Volumenverdrängung reduzieren. Weil Lithiummetall an Luft leicht explosiv ist, werden konventionelle Lithiummetall-Elektroden in einer reaktionsträgen Umgebung hergestellt.
Durch galvanisches Abscheiden einer Lithiumreferenzelektrode auf einer Innenfläche einer Lithiumionen-Batterie gemäß der vorliegenden Beschreibung wird der Umgang mit Lithiummetall außerhalb der Batterie vermieden, was die Herstellung vereinfacht. Weiterhin werden vorhandene abgedichtete Zweielektroden-Lithiumionen-Batterien möglicherweise mit einer galvanisch abgeschiedenen Lithiummetall-Referenzelektrode an der Innenfläche des Zellenbechers nachgerüstet, ohne die Dichtung der Batterie aufzubrechen. Weiterhin noch wird möglicherweise eine kleine Menge von Lithiummetall verwendet, um die Referenzelektrode zu bilden, was den Herstellungswirkungsgrad verbessert, während es verbesserte Fähigkeiten zur Batterieleistungsüberwachung ermöglicht. Zum Beispiel wird eine Referenzelektrode möglicherweise verwendet, um die Spannungsänderungen an der Kathode und Anode im Bezug zur Referenzelektrode während des Batterieaufladens und -entladens zu überwachen. Weiterhin wird die Referenzelektrode möglicherweise verwendet, um den Kathoden- und den Anodenbeitrag zur Zellimpedanz zu unterscheiden. Weiterhin noch hilft die Referenzelektrode möglicherweise beim Diagnostizieren der Batteriezellen-Alterungsmechanismen und der Grundursachen von zyklischen Leistungscharakteristika.
Unter Bezugnahme auf 1: Sie veranschaulicht ein Schema einer beispielhaften Batteriezelle einer Lithiumionen-Batterie 100, einschließlich einem Batteriegehäuse oder -kapsel, wie zum Beispiel einem neutralen Metallbecher 108, und zwei Arbeitselektroden 120 und 130. Die Arbeitselektroden 120 und 130 werden möglicherweise als positive Elektrode 120 und negative Elektrode 130 bezeichnet. Die Isolierkörper 140 sind zwischen dem neutralen Metallbecher 108 und sowohl der positiven Elektrode 120 als auch der negativen Elektrode 130 positioniert, so dass zwischen diesen keine elektrische Verbindung besteht. Der neutrale Metallbecher 108 umfasst möglicherweise Aluminium, Edelstahl oder vernickelten Stahl und Legierungen davon und umfasst möglicherweise eine Innenfläche 111.
Unter Bezugnahme auf 11: Sie veranschaulicht den Betrieb einer Lithiumionen-Batterie 1100. Die positive Elektrode 120 einer Lithiumionen-Batterie ist möglicherweise mit einem positiven Elektroden-Stromkollektor 1122 verbunden. Der positive Stromkollektor 1122 und die positive Elektrode 120 umfassen möglicherweise ein Metalloxid, wie zum Beispiel LiMO₂, wobei M möglicherweise Co, Ni, Mn oder ähnliches ist. Andere bekannte Materialien für die positive Elektrode werden möglicherweise auch genutzt. Das positive Elektrodenmaterial weist möglicherweise weiterhin eine geschichtete kristalline Struktur 1150 auf. Die negative Elektrode ist möglicherweise elektrisch mit einem negativen Stromkollektor 1132 verbunden. Der negative Stromkollektor 1132 und das negative Elektrodenmaterial 130 umfassen möglicherweise Graphitkohlenstoff, der eine graphitisch geschichtete Struktur 1140 aufweist. Ein Lithiumionen leitender Elektrolyt, wie zum Beispiel Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), das in einer Mischung organischer Lösungsmittel (z. B. Karbonate) gelöst ist, fungiert innerhalb der Batterie als ein lonenleitweg zwischen dem positiven und dem negativen Elektrodenmaterial. Der Elektrolyt wird möglicherweise abhängig von den verwendeten Elektrolytmaterialien und den Batteriebetriebsbedingungen erstellt. Der Elektrolyt umfasst möglicherweise weiterhin Additive zum Abschwächen von Überladung und Verlängern der Batterielebensdauer. Wie in 11 gezeigt wird, ist der neutrale Metallbecher 108 mit keiner der beiden Elektroden elektrisch verbunden.
Während des Batterieaufladens wird Spannung an die Batterie über eine Last 1180 angelegt, die mit beiden Elektroden, der positiven Elektrode 120 und der negativen Elektrode 130, über den elektrischen Verbinder 1190 verbunden ist, dadurch werden Li⁺-Ionen 1130 vom Zwischenraum zwischen den Schichten des positiven Elektrodenmaterials durch elektrochemische Oxidation und zeitgleiches Leiten von Stromfluss (z. B. die Elektronen 1178) von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode extrahiert, wie durch die Pfeile 1170 angegeben wird. Die extrahierten Li⁺-Ionen werden durch den flüssigen Elektrolyten geleitet, wie durch die Pfeile 1160 angegeben wird, und während elektrochemischer Reduktion des Graphitkohlenstoffmaterials in den Schichten des negativen Elektrodenmaterials interkaliert.
Die elektrochemischen Reaktionen, die in der Batterie aufgrund der Li⁺-Extraktion und -Einfügung an den negativen und positiven Elektroden während des Batterieaufladens stattfinden, werden durch die nachstehenden Gleichungen (1) und (2) beschrieben: $L i M O_{2} \overset{L a d u n g}{\to} L i_{1 - x} C o O_{2} + x L i^{+} + x e^{-} (0 \leq x \leq 0.5)$
$6 C + y L i^{+} + y e^{-} \overset{L a d u n g}{\to} L i_{y} C_{6} (0 \leq y \leq 1)$
Somit wird die Gesamtreaktion während des Batterieaufladens durch die Gleichung (3) dargestellt: $L i C o O_{2} \overset{L a d u n g}{\to} L i_{y} C_{6} + L i_{1 - x} C o O_{2}$
Wenn die positive Elektrode 120 und die negative Elektrode 130 einer aufgeladenen Batterie elektrisch über den elektrischen Verbinder 1190 und die Last 1180 verbunden werden, entlädt sich die Lithiumionen-Batterie spontan. Während des Entladens wird Graphitkohlenstoff an der negativen Elektrode 130 oxidiert, weil Li⁺-Ionen von den negativen Elektrodenmaterialschichten deinterkaliert und durch den flüssigen Elektrolyten zum positiven Elektrodenmaterial geleitet werden, wo sie interkaliert werden. Am negativen Elektrodenmaterial generierte Elektronen fließen von der negativen Elektrode 130 zur positiven Elektrode 120 und bestromen die Last 1180. Während des Entladens wird positives Elektrodenmaterial reduziert. Das Entladen an der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und die gesamten elektrochemischen Reaktionen werden durch die umgekehrten Reaktionen der Gleichungen (1), (2) bzw. (3) dargestellt.
Die Lithiumionen-Batterie umfasst möglicherweise auch ein Solid Electrolyte Interface (SEI) (in 11 nicht dargestellt) zwischen dem negativen Elektrodenmaterial und dem flüssigen Elektrolyten. Die SEI ist für Lithiumionen durchlässig, jedoch nicht für den flüssigen Elektrolyten, und schützt damit die interkalierten Lithiumionen im negativen Elektrodenmaterial davor, mit dem flüssigen Elektrolyten zu reagieren. Während des anfänglichen Aufladens der Batterie wird möglicherweise eine dauerhafte Passivierungsschicht aus SEI an der Grenzfläche zwischen der negative Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten gebildet. Dementsprechend steht der flüssige Elektrolyt in Fluidkontakt mit der SEI, dem positive Elektrodenmaterial und dem neutralen Metallbecher.
Die Geometrie der Lithiumionen-Batteriezellen ist möglicherweise zylindrisch, prismatisch, pseudo-prismatisch oder Ähnliches, wie in der Technik bekannt ist.
Unter Bezugnahme auf 2: Sie veranschaulicht ein Beispiel für eine Lithiumionen-Batterie 200, die eine Referenzelektrode 220 aufweist, die auf der Innenfläche des neutralen Metallbechers 108 galvanisch abgeschieden ist, und 3 veranschaulicht eine beispielhafte Vorrichtung 300 zum Herstellen der Referenzelektrode 220. Wie in den 1 - 3 und 11 gezeigt wird, überzieht die Referenzelektrode 220 möglicherweise einen Teil der Innenfläche des neutralen Metallbechers 108, in einigen Ausführungsformen allerdings beschichtet die Referenzelektrode 220 die Innenfläche des neutralen Metallbechers gleichförmig.
Die Vorrichtung 300 zum galvanischen Abscheiden der Referenzelektrode 220 auf der Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers enthält einen Widerstand 330, der die negative Elektrode 130 mit dem neutralen Metallbecher 108 verbindet. Eine Spannungsüberwachungseinrichtung 350 ist mit beiden Enden des Widerstands 330 verbunden, um den Spannungsabfall über dem Widerstand 330 zu messen.
Um die Referenzelektrode herzustellen, wird die Lithiumionen-Batterie möglicherweise bis zu einem Ladezustands- (SOC-) Schwellenwert aufgeladen. Der SOC-Schwellenwert wird möglicherweise gemäß der Gesamtbatteriekapazität, der Masse der zu bildenden Referenzelektrode und Ähnlichem vorbestimmt. In einem Beispiel umfasst der SOC-Schwellenwert möglicherweise 20 % der gesamten Batterieladekapazität. Das Aufladen der Batterie auf den SOC-Schwellenwert hilft möglicherweise, sicherzustellen, dass das Potential des neutralen Metallbechers höher als das Potential der lithiierten negativen Elektrode liegt. Nachdem die Batterie auf den SOC-Schwellenwert aufgeladen ist, wird der Widerstand 330 möglicherweise zwischen der negativen Elektrode 130 und dem neutralen Metallbecher 108 verbunden. Der neutrale Metallbecher weist ein höheres Potential als die negative Elektrode auf. Dementsprechend wird Strom von der negativen Elektrode durch den Widerstand 330 zum neutralen Metallbecher fließen, und Lithiumionen werden im Inneren der Batterie vom negativen Elektrodenmaterial durch den flüssigen Elektrolyten zur Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers fließen, wo die Lithiumionen reduziert werden, was die Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers galvanisch beschichtet.
Die Rate des galvanischen Abscheidens der Referenzelektrode wird möglicherweise erhöht oder verringert, indem der Widerstandswert des Widerstands 330 reduziert bzw. erhöht wird. Weiterhin wird die Lithiummenge, die galvanisch auf der Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers 108 abgeschieden wird, möglicherweise durch die Gesamtgalvanisierungszeit und den durch den Widerstand laufenden Strom bestimmt. In einem Beispiel wird weniger als 1 Prozent der gesamten Lithiumzellkapazität auf der Innenfläche 111 zum Bilden der Referenzelektrode abgeschieden. Von daher hat das Bilden der Referenzelektrode einen vernachlässigbaren Einfluss auf die gesamte Lithiumionen-Batteriekapazität.
Der Teil der Innenfläche 111, der in Kontakt zum Elektrolyten steht, wird möglicherweise galvanisch mit Lithium beschichtet, um eine Referenzelektrode zu bilden. In einem Beispiel füllt das Elektrolytvolumen den Becher nicht auf. Von daher wird die Innenfläche 111 des Zellbechers teilweise galvanisch beschichtet.
In einem Beispiel für das Bilden einer Referenzelektrode wird möglicherweise eine 5-Amperestunden (Ah) Lithiumionen-Batterie auf 4,1 Volt aufgeladen und anschließend wird möglicherweise ein 10-Ohm-Widerstand mit dem neutralen Aluminiumbecher und der negativen Elektrode verbunden, wodurch möglicherweise 30 mAh Lithium auf der Innenfläche des neutralen Aluminiumbechers abgeschieden werden. Das galvanische Abscheiden von Lithiummetall auf der Innenfläche 111 wird möglicherweise auf der blanken Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers 108 ausgeführt. Das galvanische Abscheiden der Lithiumreferenzelektrode wird möglicherweise ohne Vorbehandlung oder Vorbeschichten der Innenfläche 111 ausgeführt. Weiterhin wird auf diese Art und Weise das Bilden der Referenzelektrode möglicherweise mit einer vorhandenen, abgedichteten Lithiumionen-Batterie ausgeführt, ohne die Dichtung aufzubrechen und/oder zusätzliche Anschlüsse zuzufügen. Weiterhin noch bildet die Referenzelektrode möglicherweise eine Lithiumreferenzelektrode oder eine Lithium-Aluminium-Legierungsreferenzelektrode.
Für den Fall eines neutralen Aluminiumbechers bzw. des neutralen Aluminiumbechers mit galvanisch abgeschiedenem Lithium auf seiner Innenfläche wird in den 4 und 5 die Leerlaufspannung zwischen dem neutralen Aluminiumbecher und der negativen Elektrode über der Zeit verglichen. Wie im Diagramm 400 in 4 gezeigt wird, ist die Leerlaufspannung 440 des neutralen Aluminiumbechers (ohne galvanisch abgeschiedenes Lithium auf seiner Innenfläche) instabil und verringert sich aufgrund der Polarisation an der Elektrode über 2 h um mehr als 1 mV. Wie im Diagramm 500 in 5 gezeigt wird, zeigt die Leerlaufspannung 520 des neutralen Aluminiumbechers mit dem galvanisch abgeschiedenen Lithium auf seiner Innenfläche als Referenzelektrode im Vergleich dazu ein sehr viel stabileres Signal, das sich über einen ganzen Tag um weniger als 1 mV ändert. Dementsprechend ist der neutrale Aluminiumbecher mit dem galvanisch abgeschiedenen Lithium auf seiner Innenfläche im Verhältnis zum blanken neutralen Aluminiumbecher nahezu nicht polarisierbar.
Unter Bezugnahme auf die 6 - 8: Sie veranschaulichen ein anderes Beispiel für das Vergleichen einer Zelle mit einer Lithiumreferenzelektrode, die galvanisch auf der Innenfläche eines neutralen Aluminiumbechers abgeschieden ist, mit einem reinen Aluminiumbecher als Referenzelektrode einer Lithiumionen-Batterie. Eine ideale Referenzelektrode sollte reversibel und reproduzierbar sein. Weil alle potentiellen Detektionssysteme durch Strom betrieben werden, muss eine gewisse Strommenge, auch wenn sie sehr klein ist, durch die Referenzelektrode laufen. In diesem Beispiel wies die neutrale Aluminiumbecherzelle eine Ladekapazität von 5 Ah auf und die Zelle wurde auf 4,1 V aufgeladen. Ein 10-Ohm-Widerstand wurde genutzt, um die negative Elektrode und den neutralen Aluminiumbecher elektrisch zu verbinden, wobei ein Kurzschlusszeitraum gewählt wurde, um einen amorphen, galvanisch abgeschiedenen Lithium-Aluminium-Legierungsüberzug auf der Innenfläche des neutralen Aluminiumbechers zu bilden. Während des galvanischen Abscheidens der Referenzelektrode betrug die gemessene Potentialdifferenz über dem Widerstand ungefähr 10 mV, wobei die Spannung des neutralen Aluminiumbechers höher war als die Spannung der negativen Elektrode.
Es wurde ein EC-Lab-Potentialsystem verwendet, um die Spannung über dem Widerstand zu überwachen und die Kapazität der galvanischen Lithiumabscheidung zu berechnen. Nach dem Kurzschlusszeitraum betrug die Gesamtkapazität der galvanischen Lithiumabscheidung 50 mAh, das Potential des Bechers im Verhältnis zur negativen Elektrode wurde von 2,27 V auf 0,25 V geändert und eine 50-mAh-Kapazität von Lithium wurde galvanisch auf der Becherinnenfläche abgeschieden. Nach dem Bilden der Referenzelektrode driftete das Potential des Zellbechers im Verhältnis zur negativen Elektrode um 1 mV über 20 h.
Dann wurde die oben beschriebene Lithiumionen-Batteriezelle mit der galvanisch abgeschiedenen Referenzelektrode auf 50 % SOC aufgeladen. Eine zweite 5-Ah-Lithiumionen-Batteriezelle, die keine auf der Innenfläche des Zellbechers galvanisch abgeschiedene Lithiumreferenzelektrode aufwies, jedoch in allen anderen Aspekten äquivalent war, wurde ebenfalls auf 50 % SOC aufgeladen. Die beiden aufgeladenen Zellen wurden zur Bestimmung der Polarisationseigenschaften jedes Zellbechers einem Profil eines Eingangsstromsignals 610 ausgesetzt, wie durch das Diagramm 600 in 6 gezeigt wird, einschließlich positiven und negativen Stromimpulsen von 10 µA und 1 µA, die durch die positive Elektrode und den Zellbecher liefen. Weil die Stromimpulsdauer gering ist und die Stromimpulsdichte klein ist, wird angenommen, dass die positive Elektrode während des Experiments nicht verändert wird.
7 veranschaulicht ein Diagramm 700 der Potentialdifferenz 710 zwischen der positiven Elektrode und dem nicht galvanisch lithiumbeschichteten Becher (z. B. einer Aluminiumbecher-Referenzelektrode). Die großen Betragsänderungen und die Hysterese und Irreversibilität der Potentialdifferenz 710 als Reaktion auf die positiven und negativen Impulse von 10 µA und die positiven und negativen Impulse von 1 µA geben die Polarisierbarkeit der Aluminiumbecher-Referenzelektrode an. Die Polarisation der Referenzelektrode kann aus der Bildung einer Ladungsdoppelschicht an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche der Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten resultieren, was das Leiten von Lithiumionen in die Nähe der Elektrodenfläche beeinflusst. Von daher ist der Aluminiumbecher nicht zur Verwendung als Referenzelektrode geeignet.
Im Gegensatz dazu veranschaulicht 8 ein Diagramm 800, das die Potentialdifferenz 810 zwischen der positiven Elektrode und der Referenzelektrode, die das galvanisch abgeschiedene Lithiummetall auf der Innenfläche des Bechers aufweist, als Reaktion auf das Eingangsstromsignal 610 zeigt. Änderungen der Potentialdifferenz 810 sind im Verhältnis zu den Änderungen der Potentialdifferenz 710 als Reaktion auf das Eingangsstromsignal 610 sehr gering. Als Reaktion auf die positiven und negativen Eingangsstromimpulse zeigt die Potentialdifferenz 810 weiterhin eine Reaktion, die reversibel ist und keine erkennbare Hysterese aufweist. Dementsprechend sind das Oberflächen-Überpotential und das Konzentrations-Überpotential sehr klein, und die galvanisch lithiumbeschichtete Aluminium-Referenzelektrode kann als eine Referenzelektrode verwendet werden, um die Potentialänderung einzelner Elektroden zur Überwachung des SOH und/oder SOC der Lithiumionen-Batterie zu messen.
Auf diese Art und Weise umfasst eine Lithiumionen-Batterie möglicherweise einen neutralen Metallbecher und eine Referenzelektrode, die galvanisch auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden ist. Die Referenzelektrode umfasst möglicherweise Lithium, wobei das Lithium weniger als 1 Gewichtsprozent eines Batterie-Lithiumgehalts umfasst. Weiterhin besteht die Referenzelektrode möglicherweise im Wesentlichen aus Lithium-Aluminium-Legierung. Weiterhin noch umfasst der neutrale Metallbecher möglicherweise einen neutralen Aluminiumbecher. Weiterhin noch umfasst der neutrale Metallbecher möglicherweise eines von Folgenden: einen neutralen Edelstahlbecher oder einen neutralen, vernickelten Stahlbecher. Weiterhin noch umfasst die Referenzelektrode möglicherweise eine nicht polarisierbare Referenzelektrode.
Unter Bezugnahme auf 9: Sie veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 900 zur Herstellung einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie. Die Lithiumionen-Batterie ist möglicherweise eine vorhandene, abgedichtete Zweielektroden-Batterie. Weiterhin umfasst die Lithiumionen-Batterie möglicherweise eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen neutralen Metallbecher.
Das Verfahren 900 beginnt möglicherweise mit 910, wo eine vorhandene oder neue Lithiumionen-Batterie auf einen Ladezustandsschwellenwert SOC_TH aufgeladen wird. Als ein Beispiel umfasst der SOC_TH möglicherweise 20 % der Batteriekapazität. In anderen Beispielen umfasst der SOC_TH möglicherweise einen vorbestimmten SOC, der hoch genug ist, um eine Lithiumreferenzelektrode galvanisch auf der Innenfläche des Bechers abzuscheiden. Wie in den 12 - 13 in einem Beispiel gezeigt wird, wird zum Aufladen der Lithiumionen-Batterie auf den SOC-Schwellenwert möglicherweise eine Leistungsquelle elektrisch mit dem neutralen Metallbecher und der negative Elektrode oder der positive Elektrode der Lithiumionen-Batterie verbunden.
In 920 bestimmt das Verfahren 900, ob der Strom zum Becher während der Bildung der Referenzelektrode abgeschwächt werden soll. Falls der Strom abgeschwächt werden soll, wird der neutrale Metallbecher in 924 über einen Widerstand elektrisch mit der negativen Elektrode verbunden. In dem Fall, dass der Widerstandswert des Widerstands relativ groß ist, wird der Strom stark abgeschwächt. In dem Fall, dass der Widerstandswert des Widerstands relativ klein ist, wird der Strom leicht abgeschwächt. Das Abschwächen des Stroms hilft möglicherweise, die Bildungsrate (z. B. die Rate des galvanischen Abscheidens) der Referenzelektrode auf der Innenfläche des Bechers zu steuern, wodurch das Risiko reduziert wird, eine große Menge Lithium zu verbrauchen, was möglicherweise die Batteriekapazität reduziert. Das Abschwächen der Rate des galvanischen Abscheidens hilft möglicherweise beim Bilden einer Referenzelektrode mit einer homogenen Morphologie.
Zurück zu 920: Falls der Strom nicht abgeschwächt werden soll, fährt das Verfahren 900 mit 928 fort, wo der neutrale Metallbecher ohne einen Widerstand elektrisch mit der negativen Elektrode verbunden wird. Das elektrische Verbinden des neutralen Metallbechers mit der negativen Elektrode ohne einen Widerstand hilft möglicherweise, eine höhere Rate galvanischen Abscheidens zu erzielen, was eine Zeit zum Herstellen der Referenzelektrode reduziert.
Das Verfahren 900 fährt mit 940 fort, wo die Lithiumreferenzelektrode galvanisch auf der Innenfläche des Bechers abgeschieden wird. In einer Ausführungsform wird die Referenzelektrode erst galvanisch auf der Innenfläche des Bechers abgeschieden, nachdem die Lithiumionen-Batterie auf den Ladezustandsschwellenwert aufgeladen worden ist. Das galvanische Abscheiden der Referenzelektrode erst nach dem Aufladen der Lithiumionen-Batterie auf den SOC_TH hilft möglicherweise sicherzustellen, dass die Referenzelektrode geeignet gebildet wird. Wie vorher beschrieben worden ist, wird das Lithium möglicherweise direkt auf der blanken, unbehandelten Innenfläche des neutralen Metallbechers galvanisch abgeschieden. Der neutrale Metallbecher umfasst möglicherweise Aluminium, Edelstahl oder vernickelten Stahl. Weiterhin wird das galvanische Beschichten möglicherweise ohne Aufbrechen der Dichtung der Lithiumionen-Batterie ausgeführt.
In 960 überwacht das Verfahren 900 möglicherweise die Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode und dem neutralen Metallbecher. Als ein Beispiel: Möglicherweise wird eine Vorrichtung 300 (z. B. mit oder ohne den Widerstand 330) verwendet, um die Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode und dem neutralen Metallbecher zu überwachen. Das Überwachen der Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode und dem neutralen Metallbecher gestattet möglicherweise das Bestimmen und Steuern der Kapazität des galvanischen Lithiumabscheidens (z. B. der Masse des galvanisch abgeschiedenen Lithiums) der Referenzelektrode.
Auf diese Art und Weise umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie möglicherweise das Aufladen der Batterie auf einen Ladezustandsschwellenwert, wobei die Batterie einen neutralen Metallbecher und eine negative Elektrode enthält, und das galvanische Abscheiden einer Referenzelektrode auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers durch elektrisches Verbinden des neutralen Metallbechers mit der negativen Elektrode, wobei ein Potential des neutralen Metallbechers höher als ein Potential der negativen Elektrode liegt. Das Verfahren umfasst möglicherweise weiterhin das Überwachen einer Spannung zwischen dem neutralen Metallbecher und der negativen Elektrode während des galvanischen Abscheidens der Referenzelektrode, um eine Kapazität des galvanischen Abscheidens zu bestimmen. Weiterhin wird eine Zweielektroden-Lithiumionen-Batterie auf den Ladezustandsschwellenwert aufgeladen, wobei die Zweielektroden-Lithiumionen-Batterie einen neutralen Aluminiumbecher umfasst. Weiterhin noch umfasst die Innenfläche des neutralen Aluminiumbechers blankes, unbehandeltes Aluminium.
Weiterhin wird die Referenzelektrode möglicherweise erst galvanisch auf der Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden, nachdem die Batterie auf den Ladezustandsschwellenwert aufgeladen worden ist. Weiterhin noch umfasst das Aufladen der Batterie auf den Ladezustandsschwellenwert das Aufladen der Lithiumionen-Batterie auf 20 % der Ladekapazität einer abgedichteten Batterie. Weiterhin noch umfasst der neutrale Metallbecher möglicherweise einen abgedichteten neutralen Metallbecher, wobei das Herstellen der Referenzelektrode ohne das Aufbrechen des abgedichteten neutralen Metallbechers ausgeführt wird. Weiterhin noch wird möglicherweise weniger als 1 Gewichtsprozent eines Batterie-Lithiumgehalts galvanisch auf der Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden.
Unter Bezugnahme auf 12: Sie veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 1200 zur Herstellung einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie. Die Vorrichtung 1200 enthält eine Leistungsquelle 1210, die elektrisch mit einer lithiierten negativen Elektrode 130 und dem neutralen Metallbecher 110 verbunden ist. In einem Beispiel ist die Leistungsquelle 1210 möglicherweise eine Gleichstrom-Leistungsquelle.
Zum Herstellen der Referenzelektrode leitet die elektrische Leistungsquelle möglicherweise Strom von der lithiierten negativen Elektrode zum neutralen Metallbecher. Dementsprechend werden Lithiumionen im Inneren der Batterie vom negativen Elektrodenmaterial durch den flüssigen Elektrolyten zur Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers fließen, wo die Lithiumionen reduziert werden, was den neutralen Metallbecher galvanisch beschichtet. Wie in 12 gezeigt wird, wird möglicherweise eine Spannungsüberwachung 350 verwendet, um den Spannungsabfall über der Leistungsquelle 1210 zu überwachen, um die Rate des galvanischen Abscheidens zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf 13: Sie veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 1300 zur Herstellung einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie. Die Vorrichtung 1300 enthält eine Leistungsquelle 1210, die elektrisch mit einer positiven Elektrode 120 und dem neutralen Metallbecher 110 verbunden ist.
Zum Herstellen der Referenzelektrode leitet die elektrische Leistungsquelle 1210 möglicherweise Strom von der positiven Elektrode zum neutralen Metallbecher, was bewirkt, dass Lithiumionen im Inneren der Batterie vom positiven Elektrodenmaterial durch den flüssigen Elektrolyten zur Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers fließen. An der Innenfläche 111 des neutralen Metallbechers werden die Lithiumionen reduziert werden, wodurch der neutrale Metallbecher galvanisch beschichtet wird. Wie in 13 gezeigt wird, wird möglicherweise eine Spannungsüberwachung 350 verwendet, um den Spannungsabfall über der Leistungsquelle 1210 zu überwachen, um die Rate des galvanischen Abscheidens zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf 14: Sie veranschaulicht ein Flussdiagramm eines anderen beispielhaften Verfahrens 1400 zur Herstellung einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie. Das Verfahren 1400 beginnt in 1410, wo eine elektrische Leistungsquelle elektrisch mit einem neutralen Metallbecher und einer Elektrode einer Lithiumionen-Batterie verbunden wird. In einem Beispiel ist die Elektrode möglicherweise eine lithiierte negative Elektrode, und in einem anderen Beispiel ist die Elektrode möglicherweise eine positive Elektrode einer Lithiumionen-Batterie. In 1420 leitet die elektrische Leistungsquelle möglicherweise Strom zum neutralen Metallbecher, so dass Lithium in 1430 galvanisch auf die blanke Innenfläche des Bechers abgeschieden wird, ohne dass die abgedichtete Batterie aufgebrochen wird. Wie oben beschrieben wird, werden Lithiumionen im flüssigen Elektrolyten möglicherweise elektrochemisch reduziert und in 1430 galvanisch auf der Innenfläche des Bechers abgeschieden. Als Nächstes wird in 1440 möglicherweise die Spannungsdifferenz zwischen dem neutralen Metallbecher und der negativen Elektrode von einer Spannungsüberwachungseinrichtung überwacht, um die auf der Innenfläche des neutralen Metallbechers galvanisch abgeschiedene Lithiummenge zu bestimmen.
Auf diese Art und Weise umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode für eine Lithiumionen-Batterie möglicherweise das elektrische Verbinden einer elektrischen Leistungsquelle mit einem neutralen Metallbecher und einer Elektrode der Lithiumionen-Batterie und das galvanische Abscheiden einer Referenzelektrode auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers durch Leiten von Strom zum neutralen Metallbecher mit der elektrischen Leistungsquelle. Die elektrische Leistungsquelle wird möglicherweise elektrisch mit dem neutralen Metallbecher und einer lithiierten negativen Elektrode der Lithiumionen-Batterie verbunden. In einem anderen Beispiel wird die elektrische Leistungsquelle möglicherweise elektrisch mit dem neutralen Metallbecher und einer positiven Elektrode der Lithiumionen-Batterie verbunden.
Weiterhin umfasst die Referenzelektrode möglicherweise Lithium, das direkt auf eine blanke Innenfläche des neutralen Metallbechers galvanisch abgeschieden ist.
Unter Bezugnahme auf 10: Sie veranschaulicht ein Beispiel für ein Fahrzeugantriebssystem 1000. Das Fahrzeugantriebssystem 1000 enthält möglicherweise eine Kraftstoff verbrennende Maschine 110 und einen Motor 120. Als ein nicht einschränkendes Beispiel umfasst die Maschine 110 eine Maschine mit innerer Verbrennung, und der Motor 120 umfasst einen Elektromotor. Von daher ist das Fahrzeugantriebssystem 1000 möglicherweise ein Antriebssystem für ein Hybrid-Elektrofahrzeug. Allerdings ist das Fahrzeugantriebssystem möglicherweise auch ein Antriebssystem für ein Nicht-Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor und ohne Verbrennungsmotor. Der Motor 120 ist möglicherweise zur Nutzung oder zum Verbrauch einer anderen Energiequelle als die Maschine 110 ausgelegt. Zum Beispiel verbraucht die Maschine 110 möglicherweise einen flüssigen Kraftstoff (z. B. Benzin), um eine Maschinenausgangsleistung zu erzeugen, während der Motor 120 möglicherweise elektrische Energie zur Erzeugung einer Motorausgabe verbraucht. Von daher wird ein Fahrzeug mit dem Antriebssystem 1000 möglicherweise als ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle) bezeichnet. In anderen Beispielen, in denen das Fahrzeugantriebssystem 1000 einem Elektrofahrzeug dient, wird das Fahrzeugantriebssystem möglicherweise als ein Elektrofahrzeug (EV) bezeichnet.
Das Fahrzeugantriebssystem 1000 nutzt möglicherweise eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsarten, abhängig von den Betriebsbedingungen, die das Fahrzeugantriebssystem vorfindet. Einige dieser Betriebsarten können es ermöglichen, den Verbrennungsmotor 110 in einem Aus-Zustand zu halten (z. B. ihn in einen deaktivierten Zustand zu setzen), bei dem die Verbrennung von Kraftstoff im Verbrennungsmotor ausgesetzt wird. Zum Beispiel kann der Elektromotor 120 unter ausgewählten Betriebsbedingungen das Fahrzeug über das Antriebsrad 130 antreiben, wie durch Pfeil 122 angegeben wird, während der Verbrennungsmotor 110 deaktiviert ist.
Unter anderen Betriebsbedingungen wird der Verbrennungsmotor 110 möglicherweise in einen deaktivierten Zustand gesetzt (wie oben beschrieben), während Elektromotor 120 zum Aufladen einer Energiespeichereinrichtung, wie zum Beispiel einem Batteriemanagementsystem (BMS) 1010 betrieben wird. Zum Beispiel nimmt der Elektromotor 120 möglicherweise Radmoment vom Antriebsrad 130 auf, wie durch Pfeil 122 angegeben wird, wobei der Elektromotor möglicherweise die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie zum Speichern im BMS 1010 umwandelt, wie durch Pfeil 124 angegeben wird. Dieser Betrieb kann als Bremsenergierückgewinnung des Fahrzeugs bezeichnet werden. Somit kann der Elektromotor 120 in manchen Ausführungsformen eine Generatorfunktion bereitstellen. Allerdings nimmt in anderen Ausführungsformen stattdessen möglicherweise der Generator 160 Radmoment vom Antriebsrad 130 auf, wobei der Generator möglicherweise die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie zum Speichern im BMS 1010 umwandelt, wie durch Pfeil 162 angegeben wird.
Unter noch anderen Betriebsbedingungen wird der Verbrennungsmotor 110 möglicherweise durch Verbrennung von Kraftstoff betrieben, den er aus dem Kraftstoffsystem 140 aufnimmt, wie durch Pfeil 142 angegeben wird. Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor 110 dazu betrieben werden, das Fahrzeug mittels des Antriebsrades 130 anzutreiben, wie durch Pfeil 112 angegeben wird, während der Elektromotor 120 deaktiviert ist. Unter anderen Betriebsbedingungen werden möglicherweise sowohl der Verbrennungsmotor 110 als auch der Elektromotor 120 betrieben, um das Fahrzeug mittels des Antriebsrades 130 anzutreiben, wie durch die Pfeile 112 bzw. 122 angegeben wird. Eine Anordnung, in der möglicherweise beide, sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor, wahlweise das Fahrzeug antreiben, wird möglicherweise als ein paralleles Hybridantriebssystem bezeichnet. Es ist anzumerken, dass in einigen Ausführungsformen der Elektromotor 120 möglicherweise das Fahrzeug mittels eines ersten Satzes Antriebsräder antreibt und der Verbrennungsmotor 110 das Fahrzeug möglicherweise mittels eines zweiten Satzes Antriebsräder antreibt.
In anderen Ausführungsformen ist das Fahrzeugantriebssystem 1000 möglicherweise als ein serielles Hybridantriebssystem ausgelegt, wobei der Verbrennungsmotor die Antriebsräder nicht direkt antreibt. Stattdessen wird der Verbrennungsmotor 110 möglicherweise dazu betrieben, den Elektromotor 120 zu versorgen, der möglicherweise wiederum das Fahrzeug mittels des Antriebsrades 130 antreibt, wie durch Pfeil 122 angegeben wird. Zum Beispiel treibt der Verbrennungsmotor 110 unter ausgewählten Betriebsbedingungen möglicherweise den Generator 160 an, der möglicherweise wiederum elektrische Energie an den Elektromotor 120, wie durch Pfeil 114 angegeben wird, oder an das BMS 1010, wie durch Pfeil 162 angegeben wird, oder an beide liefert. Als anderes Beispiel kann der Verbrennungsmotor 110 zum Antreiben des Elektromotors 120 betrieben werden, der wiederum eine Generatorfunktion bereitstellt, um die Verbrennungsmotorausgangsleistung in elektrische Energie zu wandeln, wobei die elektrische Energie möglicherweise im BMS 1010 zur späteren Verwendung durch den Elektromotor gespeichert wird. Das Fahrzeugantriebssystem ist möglicherweise dazu ausgelegt, zwischen zwei oder mehr der oben beschriebenen Betriebsarten zu wechseln, abhängig von den Fahrzeugbetriebsbedingungen. Als ein anderes Beispiel: Das Fahrzeugantriebssystem ist möglicherweise ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug (z. B. ohne Verbrennungsmotor), wobei möglicherweise ein Elektromotor, der elektrische Leistung aus dem BMS 1010 (z. B. einer Batterie) aufnimmt, das Fahrzeug antreibt.
Das BMS 1010 enthält möglicherweise mehrere Batteriezellen 1056, die in Reihe und/oder parallel verbunden sind, um dem Fahrzeugantriebssystem 1000 Energie zuzuführen. Jede der mehreren Batteriezellen 1056 umfasst möglicherweise eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Referenzelektrode, die direkt auf einer Innenfläche des neutralen Batteriebechers galvanisch abgeschieden ist. Die Referenzelektrode wird in 10 nicht gezeigt, ist jedoch möglicherweise eine Referenzelektrode 220, die auf der Innenfläche des neutralen Metallbechers galvanisch abgeschieden ist, wie in 2 gezeigt wird. Das BMS 1010 umfasst möglicherweise weiterhin einen Batterie-Controller 1016, der möglicherweise mit den Batteriesatzanschlüssen 1020, 1022 verbunden ist, einschließlich der Verbindung mit den Referenzelektroden der Zellen, und der Signale aus dem Batteriesatz aufnimmt, die den Gesundheitszustand (SOH) und/oder den Ladezustand (SOC) des Batteriesatzes angeben. Dass es mit den Referenzelektroden der Zellen verbunden ist, hilft dem BMS möglicherweise, den Ladezustand der Zellen zu überwachen und Änderungen an den negativen Elektroden und positiven Elektroden der Zelle zu unterscheiden (z. B. Änderungen des Elektrodenpotentials). Weiterhin nimmt der Batterie-Controller 1016 möglicherweise Signale aus dem Batteriesatz auf, die einen Gesamt-SOH und/oder - SOC oder einzelne SOH und SOC für jede Batteriezelle 1056 des Batteriesatzes 1050 angeben. Der Batterie-Controller 1016 kommuniziert möglicherweise auch mit dem Steuerungssystem 190. In einem anderen Beispiel umfasst das Steuerungssystem 190 möglicherweise den Batterie-Controller 1016.
Die Kraftstoffanlage 140 enthält möglicherweise einen oder mehrere Kraftstofftanks 144 zum fahrzeugseitigen Speichern von Kraftstoff. Zum Beispiel speichert der Kraftstofftank 144 möglicherweise einen oder mehrere flüssige Kraftstoffe, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Benzin, Diesel oder Alkoholkraftstoffe. In einigen Beispielen wird der Kraftstoff möglicherweise fahrzeugseitig als ein Gemisch aus zwei oder mehr verschiedenen Kraftstoffen gespeichert. Zum Beispiel ist der Kraftstofftank 144 möglicherweise dazu ausgelegt, ein Gemisch aus Benzin und Ethanol (z. B. E10, E85 usw.) oder ein Gemisch aus Benzin und Methanol (z. B. M10, M85 usw.) zu speichern, wobei diese Kraftstoffe oder Kraftstoffgemische möglicherweise an den Verbrennungsmotor 110 abgegeben werden, wie durch Pfeil 142 angegeben wird. Möglicherweise werden noch andere geeignete Kraftstoffe oder Kraftstoffgemische an den Verbrennungsmotor 110 geliefert, wo sie möglicherweise im Verbrennungsmotor verbrannt werden, um eine Verbrennungsmotorausgangsleistung zu erzeugen. Die Verbrennungsmotorausgangsleistung wird möglicherweise zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt, wie durch Pfeil 112 angegeben wird, oder um das BMS 1010 über den Elektromotor 120 oder den Generator 160 wieder aufzuladen.
In einigen Ausführungsformen ist das BMS 1010 möglicherweise dazu ausgelegt, elektrische Energie zu speichern, die möglicherweise an andere fahrzeugseitige elektrische Lasten geliefert wird (andere als den Elektromotor), einschließlich Innenraumheizung und Klimaanlage, Starten des Verbrennungsmotors, Scheinwerfer, Innenraum-Audio- und Videosysteme, ein Abgasheizgitter, einen Abgasrückführungskühler usw. Als ein nicht einschränkendes Beispiel enthält das BMS 1010 möglicherweise eine oder mehrere Batterien und/oder Kondensatoren.
Das Steuerungssystem 190 kommuniziert möglicherweise mit dem Verbrennungsmotor 110, dem Elektromotor 120, dem Kraftstoffsystem 140, dem BMS 1010 oder dem Generator 160 oder mehreren davon. Wie in 2 beschrieben werden wird, umfasst das Steuerungssystem 190 möglicherweise den Controller 211 und nimmt möglicherweise sensorische Rückmeldeinformationen vom Verbrennungsmotor 110, vom Elektromotor 120, vom Kraftstoffsystem 140, vom BMS 1010 oder vom Generator 160 oder von mehreren davon auf. Weiterhin sendet das Steuerungssystem 190 möglicherweise Steuersignale an den Verbrennungsmotor 110, den Elektromotor 120, das Kraftstoffsystem 140, das BMS 1010 oder den Generator 160 oder mehrere davon, die hinsichtlich dieser sensorischen Rückmeldung reaktionsfähig sind. Von einem Fahrzeugnutzer 102 nimmt das Steuerungssystem 190 möglicherweise einen Messwert einer nutzerangeforderten Fahrzeugantriebssystemausgabe auf. Zum Beispiel nimmt das Steuerungssystem 190 möglicherweise sensorische Rückmeldung vom Pedalstellungssensor 194 auf, der mit dem Pedal 192 kommuniziert. Das Pedal 192 entspricht schematisch einem Bremspedal und/oder einem Gaspedal.
Das BMS 1010 nimmt möglicherweise periodisch elektrische Energie von einer Leistungsquelle 180 auf, die sich außerhalb des Fahrzeugs befindet (z. B. nicht Teil des Fahrzeugs ist), wie durch Pfeil 184 angegeben wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist das Fahrzeugantriebssystem 1000 möglicherweise als ein Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) ausgelegt, wobei dem BMS 1010 möglicherweise elektrische Energie aus der Leistungsquelle 180 über ein elektrisches Energieübertragungskabel 182 zugeführt wird. Als ein weiteres, nicht einschränkendes Beispiel ist das Fahrzeugantriebssystem 1000 möglicherweise als ein Plug-in Elektrofahrzeug (EV) ausgelegt, wobei dem BMS 1010 möglicherweise elektrische Energie aus der Leistungsquelle 180 über ein elektrisches Energieübertragungskabel 182 zugeführt wird. Das Steuerungssystem 190 steuert möglicherweise weiterhin die Ausgabe von Energie oder Leistung aus dem BMS 1010 (z. B. einer Batterie) abhängig von der elektrischen Last des Fahrzeugantriebssystems 1000. Zum Beispiel setzt das Steuerungssystem 190 möglicherweise während Betrieb mit reduzierter elektrischer Last die vom BMS 1010 gelieferte Spannung über einen Wechselrichter/Wandler herab, um Energie zu sparen.
Während eines Wiederaufladebetriebs des BMS 1010 aus der Leistungsquelle 180 verschaltet das elektrische Übertragungskabel 182 möglicherweise das BMS 1010 und die Leistungsquelle 180. Während das Fahrzeugantriebssystem zum Antrieb des Fahrzeugs betrieben wird, ist das elektrische Übertragungskabel 182 möglicherweise von der Leistungsquelle 180 und dem BMS 1010 abgekoppelt. Das Steuerungssystem 190 ermittelt und/oder steuert möglicherweise die Menge elektrischer Energie, die im BMS gespeichert wird, was möglicherweise als der Ladezustand bezeichnet wird.
In anderen Beispielen wird das elektrische Übertragungskabel 182 möglicherweise weggelassen, wenn elektrische Energie möglicherweise drahtlos vom BMS 1010 aus der Leistungsquelle 180 aufgenommen wird. Zum Beispiel nimmt das BMS 1010 möglicherweise elektrische Energie aus der Leistungsquelle 180 über elektromagnetische Induktion, Funkwellen oder elektromagnetische Resonanz oder mehrere davon auf. Von daher versteht es sich, dass möglicherweise jeder geeignete Ansatz zum Wiederaufladen des BMS 1010 aus einer Leistungsquelle verwendet wird, die nicht einen Teil des Fahrzeugs umfasst. Auf diese Weise treibt der Elektromotor 120 möglicherweise das Fahrzeug an, indem er eine andere Energiequelle nutzt, als den Kraftstoff, der vom Verbrennungsmotor 110 genutzt wird.
Das Kraftstoffsystem 140 nimmt möglicherweise periodisch Kraftstoff aus einer außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Kraftstoffquelle auf. Als ein nicht einschränkendes Beispiel wird das Fahrzeugantriebssystem 1000 möglicherweise aufgetankt, indem es Kraftstoff über eine Kraftstoff-Zapfeinrichtung 170 aufnimmt, wie durch Pfeil 172 angegeben wird. In einigen Ausführungsformen ist der Kraftstofftank 144 möglicherweise dazu ausgelegt, den aus der Kraftstoff-Zapfeinrichtung 170 aufgenommenen Kraftstoff zu speichern, bis er dem Verbrennungsmotor 110 zur Verbrennung zugeführt wird.
Ein Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug, wie es unter Bezugnahme auf das Fahrzeugantriebssystem 1000 beschrieben wird, ist möglicherweise dazu ausgelegt, eine sekundäre Energieform (z. B. elektrische Energie) zu nutzen, die periodisch aus einer Energiequelle aufgenommen wird, die sonst nicht Teil des Fahrzeugs ist.
Das Fahrzeugantriebssystem 1000 enthält möglicherweise auch ein Message Center 196, einen Umgebungstemperatur/-feuchtesensor 198, einen elektrischen Belastungssensor 154 und einen Wankstabilitätskontrollsensor, wie zum Beispiel einen Querachsen- und/oder Längs- und/oder Lenkradstellungs- oder Gierwinkelsensor oder - sensoren 199. Das Message Center enthält möglicherweise Kontrollleuchte(n) und/oder ein textbasiertes Display, auf dem einem Nutzer Nachrichten angezeigt werden, wie zum Beispiel eine Nachricht, die eine Nutzereingabe zum Starten des Verbrennungsmotors anfordert, wie nachstehend erörtert wird. Das Message Center enthält möglicherweise auch verschiedene Eingabebereiche zum Aufnehmen von Nutzereingaben, wie zum Beispiel Knöpfe, Touch-Screens, Spracheingabe/-erkennung, GPS-Einrichtung usw. In einer alternativen Ausführungsform kommuniziert das Message Center möglicherweise ohne Display Audionachrichten an den Nutzer. Weiterhin zählt zu dem bzw. den Sensor(en) 199 möglicherweise ein Vertikalbeschleunigungssensor, um Fahrbahnrauigkeit anzugeben. Diese Einrichtungen werden möglicherweise mit dem Steuerungssystem 190 verbunden. In einem Beispiel passt das Steuerungssystem möglicherweise Verbrennungsmotorausgangsleistung und/oder die Radbremsen an, um die Fahrzeugstabilität als Reaktion auf den/die Sensor(en) 199 zu erhöhen. Weiterhin zeigt der Controller 190 möglicherweise auch Nachrichten an, um einem Fahrzeugnutzer 102 zu melden, wenn ein Batterie-SOH unter einen SOH-Schwellenwert fällt oder wenn ein Batterie-SOC unter einen SOC-Schwellenwert fällt.
Auf diese Art und Weise umfasst ein Fahrzeug-Batteriemanagementsystem möglicherweise Folgendes: eine Lithiumionen-Batterie, die einen neutralen Metallbecher und eine Referenzelektrode enthält, die galvanisch auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers abgeschieden ist, und einen Controller mit ausführbaren Befehlen, um einen Gesundheitszustand einer Batterie zu bestimmen, indem eine Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode gemessen wird, und das Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode. Weiterhin wird der Gesundheitszustand der Batterie möglicherweise nach einem Schwellenwertzeitraum bestimmt. Der Controller umfasst möglicherweise weiterhin Folgendes: ausführbare Befehle, um einen Ladezustand der Batterie zu überwachen, indem eine Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode gemessen wird, und das Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer negativen Elektrode. Weiterhin wird möglicherweise der Gesundheitszustand der Batterie bei Fehlen weiterer batterieinterner Sensoren bestimmt.

Claims

Verfahren (900) zum Herstellen einer Referenzelektrode (220) für eine Lithiumionen-Batterie (200), das Folgendes umfasst: das Aufladen (910) der Batterie (200) auf einen Ladezustandsschwellenwert, wobei die Batterie (200) Folgendes enthält: einen neutralen Metallbecher (108) und eine negative Elektrode (130); und das galvanische Abscheiden (940) einer Referenzelektrode (220) auf einer Innenfläche des neutralen Metallbechers (108) durch elektrisches Verbinden des neutralen Metallbechers (108) mit der negativen Elektrode (130), wobei ein Potential des neutralen Metallbechers (108) höher als ein Potential der negativen Elektrode (130) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Überwachen (960) einer Spannung zwischen dem neutralen Metallbecher (108) und der negativen Elektrode (130) während des galvanischen Abscheidens (940) der Referenzelektrode (220) umfasst, um eine Kapazität des galvanischen Abscheidens zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Zweielektroden-Lithiumionen-Batterie auf den Ladezustandsschwellenwert aufgeladen wird, wobei das Potential des neutralen Metallbechers (108) höher als das Potential der negativen Elektrode liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zweielektroden-Lithiumionen-Batterie einen neutralen Aluminiumbecher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Innenfläche des neutralen Aluminiumbechers blankes, unbehandeltes Aluminium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Referenzelektrode (220) erst galvanisch auf der Innenfläche (111) des neutralen Metallbechers (108) abgeschieden wird, nachdem die Batterie (200) auf den Ladezustandsschwellenwert aufgeladen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufladen (910) der Batterie (200) auf den Ladezustandsschwellenwert das Aufladen der Lithiumionen-Batterie auf 20 % der Ladekapazität einer abgedichteten Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der neutrale Metallbecher (108) einen abgedichteten, neutralen Metallbecher umfasst und wobei das Herstellen der Referenzelektrode (220) ohne das Aufbrechen des abgedichteten, neutralen Metallbechers ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei weniger als 1 Gewichtsprozent eines Batterie-Lithiumgehalts galvanisch auf der Innenfläche (111) des neutralen Metallbechers (108) abgeschieden wird.