DE102015109497A1

DE102015109497A1 - Verfahren zur revitalisierung und kapazitätserhöhung von lithium-ionen-batterien

Info

Publication number: DE102015109497A1
Application number: DE102015109497.5A
Authority: DE
Inventors: Edward Vann Decker; Chi Paik; Dawn Bernardi; William T. Moore
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN105206880B; DE102015109497B4; US9358899B2; US20150367747A1; CN105206880A

Abstract

Ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug umfasst eine Lithium-Ionen-Batterie und eine Steuerung. Die Steuerung ist so programmiert, dass sie die Batterie durch eine elektrische Last auf eine vorbestimmte Spannung entlädt, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit den Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der maximalen Batteriekapazität führt. Die Steuerung kann fahrzeugintern oder fahrzeugextern sein. Die elektrische Last kann ein Teil des Fahrzeugs oder außerhalb des Fahrzeugs sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen die Erhöhung der Batterieladekapazität einer Lithium-Ionen-Batterie.
HINTERGRUND
Hybrid- und Elektrofahrzeuge hängen von einer Traktionsbatterie zum Zuführen von Energie für Antrieb und Zusatzlasten ab. Die Traktionsbatterie kann aus einer Vielzahl von chemischen Präparaten hergestellt sein. Eine Traktionsbatterie kann aus einer Lithium-Ionen-Verbindung hergestellt sein. Eine Charakteristik einer Lithium-Ionen-Batterie ist, dass die Kapazität der Batterie dazu neigt, mit dem Alter der Batterie abzunehmen. Im Zeitablauf kann die Batterie wiederholten Lade- und Entladezyklen unterworfen sein. Wenn die Batterieladekapazität abnimmt, wird weniger Energie in der Batterie gespeichert, was zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs führen kann. Zum Beispiel kann ein Elektrofahrzeug weniger Reichweite bei voller Ladung haben. Ein Hybridfahrzeug kann eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs erleiden, da der Benzinmotor möglicherweise länger betrieben werden muss.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie umfasst ein Entladen der Batterie durch eine Steuerung in Reaktion auf einen Verlust von Batterieladekapazität über einem vorbestimmten Verlust auf eine vorbestimmte Spannung, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit positiven und negativen Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der Batterieladekapazität führt. Die vorbestimmte Spannung kann um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt sein. Der vorbestimmte Verlust kann ein vorbestimmter Prozentsatz einer Ladekapazität der Batterie zu Beginn ihrer Lebensdauer sein. Ein Strom zum Entladen der Batterie kann im Wesentlichen niedriger als ein Nennstrom der Batterie sein. Das Verfahren kann ein Verbinden einer Leistungsquelle mit der Batterie durch die Steuerung und Aufladen der Batterie auf eine Spannung umfassen, die einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist.
Ein Fahrzeug umfasst eine Batterie, die eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit assoziierten positiven und negativen Elektroden umfasst. Das Fahrzeug umfasst mindestens eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie die Batterie durch eine elektrische Last auf eine vorbestimmte Spannung entlädt, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass relative Lithiierungsgrade, die mit den Elektroden der Batterie assoziiert sind, sich für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der maximalen Batteriekapazität führt. Das Fahrzeug kann ferner eine Kraftmaschine, einen mit der Kraftmaschine gekoppelten Generator und mindestens eine Steuerung umfassen, die ferner so programmiert sein kann, dass sie in Reaktion darauf, dass die Spannung der Batterie niedriger als die vorbestimmte Spannung ist, den Generator und die Kraftmaschine so betreibt, dass die Batterie aufgeladen wird, bis die Spannung der Batterie einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist. Das Fahrzeug kann ferner eine Ladeanschluss umfassen, der eine externe Leistungsquelle mit dem Fahrzeug verbindet, und wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert sein kann, dass sie sie die externe Leistungsquelle so betreibt, dass sie die Batterie auflädt, bis die Spannung der Batterie einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist. Der Ladeanschluss kann die elektrische Last mit dem Fahrzeug verbinden. Das Fahrzeug kann ferner eines oder mehrere von einem Widerstand, einem Heizelement, einem Kompressor und einem Motor umfassen, die als die elektrische Last mit der Batterie verbunden werden können. Die vorbestimmte Spannung kann um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie die Batterie in Reaktion auf einen Verlust von maximaler Batteriekapazität über einem vorbestimmten Verlust entlädt.
Eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie umfasst mindestens eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie eine elektrische Last mit der Batterie verbindet und die Batterie auf eine vorbestimmte Spannung entlädt, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit positiven und negativen Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der maximalen Batteriekapazität führt. Die Vorrichtung kann einen Leistungsausgang umfassen, der selektiv mit der Batterie verbunden werden kann, und die mindestens eine Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie die elektrische Last trennt und den Leistungsausgang mit der Batterie verbindet und die Batterie unter Verwendung des Leistungsausgangs wieder auflädt, bis eine Batteriespannung eine vorbestimmte Spannung ist, die höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist. Eine Impedanz der elektrischen Last kann derart ausgewählt werden, dass ein Strom im Wesentlichen niedriger als ein Nennstrom der Lithium-Ionen-Batterie ist. Die vorbestimmte Spannung kann um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie die elektrische Last in Reaktion auf einen Verlust von maximaler Batteriekapazität über einem vorbestimmten Verlust anschließt. Der vorbestimmte Verlust kann ein vorbestimmter Prozentsatz einer Ladungsspeicherkapazität der Batterie zu Beginn ihrer Lebensdauer sein. Der mindestens eine Ladezustand kann der Nullladungszustand sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie die elektrische Last in Reaktion auf einen Batterieladezustand anschließt, der niedriger als ein vorbestimmter Ladezustand ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine grafische Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
2 ist eine grafische Darstellung einer möglichen Batteriepackanordnung, die mehrere Zellen umfasst und durch ein Batterie-Energieüberwachungsmodul überwacht und gesteuert wird.
3 ist ein Graph, der eine mögliche Beziehung zwischen Leerlaufspannung (Voc) und Batterieladezustand (SOC) für eine typische Batteriezelle veranschaulicht.
4 ist ein Graph, der die Wirkung von Lithiierungsgraden für positive und negative Elektroden einer Batterie auf die Leerlaufspannung veranschaulicht.
5 ist eine grafische Darstellung einer Ladevorrichtung, die eine elektrische Last zum Entladen der Batterie umfasst und mit dem Fahrzeug verbunden ist.
6 ist Flussdiagramm, das ein mögliches steuerungsimplementiertes Verfahren zur Erhöhung der maximalen Kapazität einer Batterie veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen Struktur- und Funktionsdetails nicht als einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Basis für die Belehrung von Fachleuten über verschiedene Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung auszulegen. Wie für Durchschnittsfachleute zu erkennen ist, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu bilden, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale im Einklang mit den Lehren dieser Offenbarung gewünscht sein.
1 stellt ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (HEV für engl. hybrid-electric vehicle) dar. Ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mit einem Hybridgetriebe 16 mechanisch verbunden sind. Die Elektromaschinen 14 können imstande sein, als ein Motor oder ein Generator zu funktionieren. Außerdem ist das Hybridgetriebe 16 mit einer Kraftmaschine 18 mechanisch verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist zudem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mit den Rädern 22 mechanisch verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können Antriebs- und Entschleunigungsfähigkeit bereitstellen, wenn die Kraftmaschine 18 ein- oder ausgeschaltet wird. Die Elektromaschinen 14 können außerdem als Generatoren fungieren und durch Rückgewinnen von Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde, Kraftstoffeinsparungsvorteile bereitstellen. Die Elektromaschinen 14 können außerdem Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es der Kraftstoffmaschine 18 ermöglichen, bei effizienteren Geschwindigkeiten zu laufen, und es dem Hybridelektrofahrzeug 12 ermöglichen, unter gewissen Umständen bei ausgeschalteter Kraftmaschine 18 im Elektromodus betrieben zu werden.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den Elektromaschinen 14 verwendet werden kann. Ein Fahrzeug-Batteriepack 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-GS-Ausgabe bereit. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Kontaktgeber 42 können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten trennen, wenn geöffnet, und die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn geschlossen. Ein Leistungselektronikmodul 26 ist außerdem elektrisch mit den Elektromaschinen 14 verbunden und stellt die Fähigkeit bidirektionaler Übertragung von Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 bereit. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine GS-Spannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 14 möglicherweise einen Dreiphasen-WS-Strom benötigen, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die GS-Spannung in einen Dreiphasen-WS-Strom umwandeln, wie von den Elektromaschinen 14 benötigt. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-WS-Strom von den Elektromaschinen 14, die als Generatoren fungieren, in GS-Spannung umwandeln, die von der Traktionsbatterie 24 benötigt wird. Die Beschreibung hierin kann gleichermaßen auf ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug angewendet werden. Für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromaschine 14 verbunden ist, und die Kraftmaschine 18 kann nicht vorhanden sein.
Abgesehen davon, dass sie Energie zum Antrieb bereitstellt, kann die Traktionsbatterie 24 Energie auch für andere elektrische Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Ein typisches System kann ein GS/GS-Wandlermodul 28 umfassen, das die Hochspannungs-GS-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-GS-Versorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie beispielsweise Kompressoren und elektrische Heizelemente, können ohne Verwendung eines GS/GS-Wandlermoduls 28 direkt mit der Hochspannung verbunden sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. 12-V-Batterie) verbunden sein.
Das Fahrzeug 12 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug sein, in welchen die Traktionsbatterie 24 durch eine externe Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann Netzleistung aus einer Verbindung mit einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann mit der Elektrofahrzeug-Versorgungseinrichtung (EVSE für engl. electric vehicle supply equipment) 38 elektrisch verbunden sein. Die EVSE 38 kann eine Steuerung (200, 5) zum Verwalten von Ladevorgängen umfassen. Die EVSE 38 kann Schaltungsanordnung und Bedienelemente bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrische GS- oder WS-Leistung an die EVSE 38 liefern. Die EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Anstecken an einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 umfassen. Der Ladeanschluss 34 kann ein beliebiger Typ von Anschluss sein, der zum Übertragen von Leistung von der EVSE 38 an das Fahrzeug 12 ausgelegt ist. Der Ladeanaschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einen Onboard-Leistungsumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die von der EVSE 38 gelieferte Leistung aufbereiten, um die geeigneten Spannungs- und Strompegel für die Traktionsbatterie 24 bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann über eine Schnittstelle mit der EVSE 38 verbunden sein, um die Lieferung von Leistung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aufnahmen des Ladeanschlusses 34 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch angeschlossen beschrieben werden, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 44 können zum Entschleunigen des Fahrzeugs 12 und Verhindern von Bewegung des Fahrzeugs 12 vorgesehen sein. Die Radbremsen 44 können durch hydraulische Betätigung, elektrische Betätigung oder eine Kombination davon betrieben werden. Die Radbremsen 44 können ein Teil eines Bremssystems 50 sein. Das Bremssystem 50 kann andere Komponenten zum Betätigen der Radbremsen 44 umfassen. Der Einfachheit halber stellt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und einer der Radbremsen 44 dar. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und den anderen Radbremsen 44 wird vorausgesetzt. Das Bremssystem 50 kann eine Steuerung zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 50 umfassen. Das Bremssystem 50 kann die Bremsenkomponenten überwachen und die Radbremsen 44 zur Entschleunigung des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 50 kann auf Fahrerbefehle ansprechen, und es kann außerdem autonom funktionieren, um Merkmale, wie beispielsweise Stabilitätskontrolle, zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 50 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft implementieren, wenn von einer anderen Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert.
Eine oder mehrere elektrische Lasten 46 können mit dem Hochspannungsbus verbunden sein. Die elektrischen Lasten 46 können eine assoziierte Steuerung aufweisen, welche die elektrischen Lasten 46 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Lasten 46 können ein Heizmodul oder ein Klimaanlagenmodul sein.
Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere assoziierte Steuerungen zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder diskrete Leiter kommunizieren. Außerdem kann eine Systemsteuerung 48 vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Eine Traktionsbatterie 24 kann aus einer Vielzahl von chemischen Präparaten aufgebaut sein. Typische Chemien von Batteriepacks können Bleisäure, Nickel-Metall-Hydrid (MINH) oder Lithium-Ionen sein. 2 stellt ein typisches Traktionsbatteriepack 24 in einer einfachen Reihenkonfiguration von N Batteriezellen 72 dar. Andere Batteriepacks 24 können jedoch aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen in Reihen- oder Parallelschaltung oder einer Kombination davon bestehen. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie beispielsweise eine Batterie-Energieüberwachungsmodul (BECM für engl. Battery Energy Control Module) 76, das die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie 24 überwacht und steuert. Das BECM 76 kann mehrere Charakteristiken auf Batteriepackebene, wie beispielsweise Packstrom 78, Packspannung 80 und Packtemperatur 82, überwachen. Das BECM 76 kann einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen, derart dass Daten aufbewahrt werden können, wenn das BECM 76 in einem Aus-Zustand ist. Die aufbewahrten Daten können beim nächsten Zündschlüsselzyklus verfügbar sein.
Neben den Charakteristiken auf Packebene kann es Charakteristiken auf Ebene der Batteriezellen 72 geben, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel können die Klemmenspannung, der Klemmenstrom und die Klemmentemperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 74 zum Messen der Charakteristiken der Batteriezellen 72 verwenden. In Abhängigkeit von den Fähigkeiten kann das Sensormodul 74 die Charakteristiken einer oder mehrere der Batteriezellen 72 messen. Das Batteriepack 24 kann bis zu N_c Sensormodule 74 zum Messen der Charakteristiken aller Batteriezellen 72 verwenden. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen zur Weiterverarbeitung und Koordination an das BECM 76 übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 intern in das BECM 76 integriert sein. Das heißt, die Hardware des Sensormoduls 74 kann als Teil der Schaltungsanordnung in das BECM 76 integriert sein, und das BECM 76 kann die Verarbeitung von Rohsignalen abwickeln.
Es kann verwendet werden, um verschiedene Charakteristiken des Batteriepacks 24 zu berechnen. Größen, wie beispielsweise Batterieladekapazität (auch als Batteriekapazität bezeichnet) und Batterieladezustand, können zum Steuern des Betriebs des Batteriepacks 24 und von elektrischen Lasten 46, welche Leistung vom Batteriepack empfangen, verwendet werden. Die Batterieladekapazität kann sich auf die Ladungsmenge beziehen, die in der Batterie 24 gespeichert werden kann. Die Batterieladekapazität kann in Einheiten von Amperestunden gemessen werden. In Analogie zu einem Fahrzeug-Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank umfasst, kann man sich die Batterieladekapazität als die Größe des Kraftstofftanks vorstellen. Die Batterieladekapazität kann analog zur maximalen Kraftstoffmenge sein, die zu einem gegebenen Zeitpunkt gespeichert werden kann.
Der Batterieladezustand ist die Ladungsmenge, die in der Batterie 24 zu einem gegebenen Zeitpunkt gespeichert wird, oder die Menge von Batterieladekapazität, die gegenwärtig verwendet wird. Der Batterieladezustand kann analog zur Kraftstoffmenge sein, die zu einem gegebenen Zeitpunkt im Kraftstofftank ist. Der Batterieladezustand ähnelt einer Kraftstoffanzeige, die anzeigt, wie viel Kraftstoff gegenwärtig im Kraftstofftank ist. Der Batterieladezustand kann in Bezug auf einen Prozentsatz der Batterieladekapazität ausgedrückt werden. Wenn die Batterie 24 bis zu ihrer Kapazität aufgeladen ist, kann der Ladezustand 100 Prozent betragen.
Die Batterieladekapazität kann mit der Zeit abnehmen. Verschiedene chemische Reaktionen in der Batterie 24 können im Zeitablauf bewirken, dass die Batterieladekapazität abnimmt. Wiederholtes Laden und Entladen der Batterie 24 kann Änderungen von Komponenten innerhalb der Batterie 24 bewirken. Wenn die Batterieladekapazität unter eine gewisse Schwelle fällt, kann die Batterie 24 für Kraftfahrzeugzwecke weniger nützlich sein. Eine Abnahme der Batterieladekapazität kann zu einer Verringerung der Reichweite für Elektrofahrzeuge führen. Die Verringerung kann zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit bei Hybridelektrofahrzeugen führen. Batteriepacks 24 von Hybrid- und Elektrofahrzeugen können teure Komponenten sein. Sobald die Batterieladekapazität unter eine vorbestimmte Kapazität gesunken ist, kann die Batterie 24 ausgetauscht werden, um die Leistungsfähigkeit wieder auf ihre ursprünglichen Niveaus zu bringen. Ein weniger teurer Ansatz könnte ein derartiges Regenerieren der Batterie 24 sein, dass ein Teil oder die Gesamtheit der Batterieladekapazität wiederhergestellt wird.
Es sind viele Algorithmen zur Schätzung der Batterieladekapazität verfügbar. Die Batterieladekapazität kann als Batteriedurchsatz geteilt durch eine Differenz von Werten des Ladezustands (SOC für engl. state of charge) geschätzt werden. Der Ansatz basiert auf der Kenntnis von zwei separaten SOC-Werten, die unabhängig von der Batterieladekapazität erhalten werden. Die Batterieladekapazität kann berechnet werden als:
wobei SOC_i und SOC_f Ladezustandswerte zum Zeitpunkt T_i bzw. T_f sind, und i der Strom ist, der in die oder aus der Batterie fließt. Der Batteriedurchsatz kann das Integral des Batteriestroms über eine Zeitdauer definiert werden. Wenn in einer Steuerung implementiert, kann das Integral durch eine Summierung von Stromwerten multipliziert mit der Abtastzeit ersetzt werden.
Die Ladezustandswerte können auf gemessenen Spannungen basieren, die über zwei Zündschlüssel-auf-Ein-/Zündschlüssel-auf-Aus-Zyklen abgetastet werden. Für eine Lithium-Ionen-Batterie ist es allgemein bekannt, dass nach dem Ruhen der Batterie für eine ausreichende Zeit die Klemmenspannung ungefähr gleich der Leerlaufspannung der Batterie ist (d. h. V_t = V_oc). Die Klemmenspannung kann bei Anlassen gemessen werden, und der Ladezustand kann von der Leerlaufspannung abgeleitet werden (z. B. 3). Der Durchsatz kann über jeden Zündzyklus berechnet und in einem nichtflüchtigen Speicher zur Verwendung im nächsten Zündzyklus gespeichert werden.
Die Batterieladekapazität kann durch eine Onboard-Batteriesteuerung (z. B. 76) durch ein verfügbares Verfahren berechnet werden. Außerdem kann eine externe Steuerung (200, 5) die Batterieladekapazität auf eine ähnliche Weise berechnen. Die externe Steuerung 200 kann zum Beispiel während eines Wartungsdienstbesuchs mit dem Fahrzeug 12 und der Onboard-Steuerung (z. B. 76) verbunden werden. Die externe Steuerung 200 kann eine Entladung von Strom von der Batterie 24 befehlen, und der Strom kann während der Entladung gemessen werden. Außerdem kann ein Ladezustandswert vor und nach der Entladung geschätzt werden. Die Batterieladekapazität kann dann so berechnet werden, wie zuvor beschrieben.
Die Onboard-Steuerung (z. B. 76) kann einen Verlauf von Batterieladekapazitätswerten unterhalten und erkennen, wenn die Batterieladekapazität von einer maximalen Batterieladekapazität herabgesetzt wird. Gleichermaßen kann die externe Steuerung 200 einen Verlauf von Batterieladekapazitätswerten für das Fahrzeug 12 basierend auf früheren Wartungsdienstbesuchen unterhalten. Der Verlauf kann von der Onboard-Steuerung (z. B. 76) erhalten und/oder aus einer Testentladung der Batterie 24 berechnet werden. Basierend auf dem Verlauf der Batterieladekapazitätswerte kann die Steuerung (z. B. 76 oder 200) durch Vergleichen von älteren mit den neuesten Werten erkennen, wenn die Kapazität um einen vorbestimmten Betrag herabgesetzt wird.
Eine Batterie 24 kann zwischen einem Ladezustand von 0 und 100 Prozent funktionieren. Ein Ladezustand von 100% kann anzeigen, dass die Batterie 24 vollständig aufgeladen ist. Der Ladezustand von 100% kann mit einem Höchstspannungspegel der Batterie 24 assoziiert sein. Ein Ladezustand von 0% kann anzeigen, dass die Batterie 24 vollständig entladen ist. 3 stellt eine mögliche Beziehung zwischen Batterie-Leerlaufspannung und -Ladezustand für eine Lithium-Ionen-Batterie dar. Die Beziehung kann unter Verwendung von Daten vom Batteriehersteller oder von aus Versuchen hergeleiteten Testdaten bestimmt werden. Die Batterie 24 mit einem Ladezustand von 0% kann noch eine gewisse Fähigkeit zum Bereitstellen von Leistung aufweisen. Das Niveau des Ladezustands von 0% kann mit einem Mindestspannungspegel der Batterie 24 assoziiert sein, der häufig als Entladeschlussspannung bezeichnet wird. Die Entladeschlussspannung kann als der mit einem Ladezustand von 0% assoziierte Spannungspegel betrachtet werden. Während des Normalbetriebs wird typischerweise verhindert, dass die Batterie 24 über dem Höchstspannungs- und unter dem Mindestspannungspegel arbeitet.
Mindest- und Höchstspannungspegel können vom Batteriezellenhersteller spezifiziert sein. Diese Spannungspegel können so definiert sein, dass sie die Lebensdauer der Batteriezellen maximieren. Batteriesteuersysteme sind typischerweise so ausgelegt, dass sie den Empfehlungen von Zellenherstellern Folge leisten. Das heißt, ein Batteriesteuersystem betreibt eine Batterie nicht absichtlich unter der empfohlenen Entladeschlussspannung. Es können jedoch Situationen eintreten, in welchen die Batteriespannung aufgrund von internen Entladeprozessen der Batterie 24 unter die empfohlene Entladeschlussspannung abfallen kann, beispielsweise wenn ein Fahrzeug 12 für eine lange Zeitdauer geparkt wird.
Ein Verfahren zur Erhöhung der Batterieladekapazität der Lithium-Ionen-Batterie 24 kann ein Entladen der Batterie 24 unter die empfohlene Entladeschlussspannung umfassen. Die Entladung kann bei einem Strom erfolgen, der im Wesentlichen niedriger als ein Nennstrom der Traktionsbatterie ist. Nach der Entladung kann die Batterie 24 wieder aufgeladen werden. Nach dem Wiederaufladen kann die Batterie 24 einer erhöhte Kapazität aufweisen.
Ein Vorgang zur Erhöhung der Ladekapazität einer Lithium-Ionen-Batterie kann zum Verlängern der Batterielebensdauer vorteilhaft sein. Die Batterielebensdauer kann durch Durchführen des Vorgangs verlängert werden, wenn die Batterieladekapazität unter einer vorbestimmten Kapazität ist. Das Regenerieren der Batterieladekapazität kann teure Batterieersetzungen vermeiden und zu verbesserter Kundenzufriedenheit führen. Außerdem können die Garantiekosten sinken, da die Batterien 24 regeneriert werden können, statt ersetzt werden zu müssen, wenn die Kapazität abgenommen hat. Der Vorgang kann als Teil eines planmäßigen Wartungsvorgangs implementiert werden, um maximale Batterieladekapazität über die Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten.
Die Steuerung (z. B. 200 oder 76) kann den Batterieregenerierungsvorgang durchführen, wenn die Batterieladekapazität unter eine vorbestimmte Kapazität gesunken ist. Es können zahlreiche Faktoren verwendet werden, um auszuwählen, wann der Regenerierungsvorgang durchgeführt werden soll. Zum Beispiel kann die Steuerung (z. B. 200 oder 76) den Vorgang durchführen, wenn die Batterie dem Ende der Lebensdauer nahe ist. Die Steuerung (z. B. 200 oder 76) kann das Ende der Batterielebensdauer durch Erkennen einer prozentual verhältnismäßig großen Abnahme der Batterieladekapazität von einer am Beginn der Batterielebensdauer bestimmten Kapazität feststellen. Alternativ kann die Steuerung (z. B. 200 oder 76) das Ende der Batterielebensdauer als eine Einsatzzeit der Batterie 24 oder eine Anzahl von Meilen feststellen, die während des Einsatzes der Batterie 24 zurückgelegt wurden. Der Vorgang kann als ein einmaliges Ereignis durchgeführt werden, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Der Vorgang kann auf einer Bedarfsbasis durchgeführt werden. Alternativ kann der Vorgang periodisch durchgeführt werden, um eine höhere Batterieladekapazität für eine längere Zeitdauer aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann der Vorgang Teil eines Plans periodischer Wartung sein. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Meilen (z. B. 10.000 Meilen) kann die Steuerung (z. B. 200 oder 76) die Batterieladekapazität überprüfen, um zu bestimmen, ob der Vorgang durchgeführt werden soll. Die Steuerung (z. B. 200 oder 76) kann den Vorgang punktuell durchführen, wie beispielsweise wenn Bedingungen vorliegen, unter welchen die Batterie 24 nahe der empfohlenen Entladeschlussspannung ist und an ein Ladegerät angeschlossen wird.
Die Entladung der Batterie 24 kann bei einer vorbestimmten Entladerate erfolgen. Die Lade- oder Entladerate einer Batterie kann als eine C-Rate ausgedrückt werden. Eine 1-C-Entladung entzieht einen Strom gleich der Nennstromkapazität der Batterie 24 und entlädt die Batterie 24 theoretisch innerhalb einer Stunde von einem Ladezustand von 100% auf den Nullladungszustand. Die Batterie 24 kann als vollständig entladen gelten, wenn die Spannung niedriger als oder gleich wie die Spannung ist, die mit dem Ladezustand von 0% assoziiert ist. Gleichermaßen stellt eine 1-C-Laderate einen Strom gleich der Nennstromkapazität der Batterie 24 bereit und lädt die Batterie 24 theoretisch innerhalb einer Stunde auf einen Ladezustand von 100% auf. Die Batterie 24 kann als vollständig aufgeladen gelten, wenn die Batteriespannung höher als oder gleich wie der Spannungspegel ist, der mit dem Ladezustand von 100% assoziiert ist. Ein C-Rate über eins lädt oder entlädt und die Batterie in weniger als einer Stunde (z. B. 2-C = 0,5 Stunden), während eine C-Rate unter eins die Batterie 24 in mehr als einer Stunde (z. B. 0,1-C = 10 Stunden) lädt oder entlädt.
Der Batterieregenerierungsvorgang kann durch Wartungspersonal in Gang gesetzt werden, wenn das Fahrzeug 12 zur Wartung bereitsteht. Eine Batterieladesteuerung 200 kann die Ladeeinrichtung (z. 32, 38) und die Batterie 24 überwachen und steuern, um den Vorgang durchzuführen. Die Batterieladesteuerung 200 kann die Batterie 24 laden und entladen. Die Batterieladesteuerung 200 kann zuerst bestimmen, dass die Batterie 24 vom Vorgang profitieren kann. Dies kann durch Empfangen des Batterieladekapazitätswerts von der Onboard-Batteriesteuerung 76 erfolgen. Alternativ kann die Batterieladesteuerung 200 die Batterieladekapazität basierend auf anderen Eingaben berechnen, die von der Onboard-Steuerung 76 empfangen werden. Wenn die Batterieladekapazität unter einer vorbestimmten Schwelle ist, kann die Batterieladesteuerung 200 den Vorgang auslösen. Wie bereits erwähnt, können auch andere Kriterien zum Auslösen des Vorgangs verwendet werden.
Die Batterieladesteuerung 200 kann zuerst den aktuellen Ladezustand der Batterie 24 feststellen. Der Ladezustand kann durch Abfragen einer Onboard-Batteriesteuerung 76 festgestellt oder basierend auf Batteriespannungen berechnet werden. Die Batterieladesteuerung 200 kann einen gesteuerten Entladevorgang auslösen. Die Batterieentladung kann durch die elektrischen Lasten 46, die sich im Fahrzeug 12 befinden, oder bordexterne elektrische Lasten (202, 5) außerhalb des Fahrzeugs 12 erfolgen.
Die Batterieladeeinrichtung 38 kann ein Widerstandselement umfassen, das über die Klemmen der Batterie 24 geschaltet werden kann. Wenn das Widerstandselement über die Klemmen der Batterie 24 geschaltet ist, kann Strom durch den Widerstand fließen. Der Widerstandswert kann so ausgewählt werden, dass er einen ausgewählten Stromfluss (z. B. Entladerate) bereitstellt. Um zum Beispiel eine 1-C-Rate zu erreichen, kann der Widerstandswert derart ausgewählt werden, dass der Nennbatteriestrom fließt. Alternativ kann elektrischen Lasten 46 im Fahrzeug befohlen werden, Leistung auf einem vorbestimmten Pegel zu entziehen, um die Entladung der Batterie 24 zu erreichen. Die Batterieladesteuerung 200 kann dann Spannung, Strom und Ladezustand der Batterie überwachen, um zu bestimmen, wann der Ladezustand von 0% erreicht ist. Der SOC kann unter Verwendung einer Amperestundenintegration berechnet oder unter Verwendung eines Ersatzschaltungsmodells geschätzt werden.
Die Entladerate kann so ausgewählt werden, dass sie wesentlich niedriger als eine 1-C-Rate ist. Zum Beispiel kann eine Last (z. B. 46) angeschlossen werden, um für eine längere Zeitdauer einen wesentlich niedrigeren Strom als den Nennstrom von der Batterie 24 zu entziehen. Die Rate kann so ausgewählt werden, dass abträgliche Nebenreaktionen innerhalb der Batterie 24 verhindert werden. Die Impedanz kann derart ausgewählt werden, dass der durch die Last 46 entzogene Strom wesentlich niedriger als der Nennstrom der Batterie 24 ist. Niedrigere Ströme können zu niedrigeren Temperaturen während des Entladeprozesses führen. Die Entladerate kann so ausgewählt werden, dass Cu-Auflösung innerhalb der Batterie 24 vermieden wird. Die Batterieladesteuerung 200 kann die Spannung und die Temperatur der Batterie während des Oberentladungsvorgangs überwachen. Wenn die Spannung oder die Temperatur anzeigt, dass die Reaktionen nicht in angemessener Weise stattfinden (z. B. Verdacht auf Cu-Auflösung), kann die Entladung beendet werden.
Die gewählte Entladerate kann sich auf den Wartungsansatz auswirken. Zum Beispiel kann ein Vorgang zum Wechseln der Batterie 24 vorzuziehen sein, wenn eine Entladerate ausgewählt wird, welche Tage dauert, um die Batterie 24 auf das geeignete Niveau zu entladen. Die Batterie 24 kann aus dem Fahrzeug entfernt und auf einer Vorrichtung angeordnet werden, welche die Kapazität wiederherstellt. Um den Betrieb des Fahrzeugs 12 aufrechtzuerhalten, kann ein anderes Batteriepack 24, dessen Kapazität bereits wiederhergestellt wurde, im Fahrzeug 12 angeordnet werden. Schnellere Entladeraten, welche Stunden dauern, können in einem einzigen Wartungsdienstbesuch durchgeführt werden, ohne die Batterie 24 aus dem Fahrzeug zu entfernen. Verschiedene Entladeraten können die Kapazitätsmenge beeinflussen, die wiederhergestellt werden kann.
Es kann möglich sein, den auszuführenden Regenerierungsvorgang so zu automatisieren, dass er ausgeführt wird, wenn das Fahrzeug 12 mit der Ladeeinrichtung 38 verbunden wird. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug 12 mit der Ladeeinrichtung 28 verbunden werden, wenn die Batteriespannung nahe der Spannung des Ladezustands von null Prozent ist. In dieser Situation kann der Entladevorgang für eine Zeitdauer durchgeführt werden, nach welcher das Aufladen ausgelöst werden kann. Zusätzliche Faktoren zum Ausführen des Vorgangs können die Zeit sein, zu welcher geplant ist, die Batterie 24 wieder auf ein Ladungsniveau für Normalbetrieb des Fahrzeugs 12 zu bringen. Die beabsichtigte Fahrzeugbetriebszeit kann durch vom Fahrer ausgewählte Ladezeiten oder Fahrgastraum-Vorwärmeinstellungen abgeleitet werden. Die Batterie 24 kann auf eine Spannung unter der normalen Entladeschlussspannung, aber nicht unbedingt auf den optimalen Regenerierungspegel entladen werden. Ein mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs kann jedes Mal kleine Kapazitätsmengen wiederherstellen.
Die Batterieladesteuerung 200 kann erkennen, wann der gesteuerte Überentladungsvorgang angeschlossen ist. Die Erkennung des Abschlusses kann auf einer Batteriespannung, Temperatur, Zeit oder einer Kombination davon basieren. Der Abschluss kann bestimmt werden, wenn die Batteriespannung unter eine vorbestimmte Spannung abfällt, die niedriger als die empfohlene Entladeschlussspannung ist. Die vorbestimmte Spannung kann nahe null Volt sein. Die Steuerung 200 kann verhindern, dass die Batteriespannung unter null Volt abfällt. Sobald der gesteuerte Überentladungsvorgang abgeschlossen ist, kann der Widerstand oder eine andere elektrische Last (z. B. 46 oder 202) von über den Batterieklemmen getrennt werden. Die Batterieladesteuerung 200 kann die Leistungsquelle 36 einschalten, um die Batterie 24 aufzuladen. Die Ladeeinrichtung 38 kann eine Spannung über die Klemmen der Batterie 24 anlegen. Die Spannung und der Strom können während des Ladeprozesses geregelt werden. Die Laderate kann während des Wiederaufladens geändert werden. Zum Beispiel kann anfänglich ein niedrigerer Ladestrom angelegt werden, während die Batterie 24 überentladen wird.
Der Vorgang kann über eine Diagnoseanforderung durch eine Onboard-Steuerung 76 oder, wenn die Batterieladekapazität unter eine vorbestimmte Schwelle abfällt, automatisch durchgeführt werden. Es kann zusätzliche Hardware zum Ladesystem 38 hinzugefügt werden, um eine oder mehrere elektrische Lasten 202 einzubeziehen, die über die Batterieklemmen geschaltet werden. Die elektrischen Lasten 202 können ein Widerstandselement umfassen. Alternativ können andere fahrzeuginterne Lasten 46 betrieben werden, um die Batterieentladung zu erreichen. Zum Beispiel kann ein Heiz- oder Kühlsystem betrieben werden, um Leistung von der Batterie 24 zu entziehen. Die Onboard-Steuerung 76 kann erkennen, wenn das Fahrzeug 12 an ein Ladesystem 38 angeschlossen wird, und den Vorgang durchführen. Es können zusätzliche Schutzeinrichtungen im Fahrzeug 12 vorhanden sein, um zu verhindern, dass ein Bediener den Prozess unterbricht.
Der Batterieladevorgang kann beendet werden, wenn die Batterie 24 einen vorbestimmten SOC-Wert erreicht hat. Der vorbestimmte SOC kann ungefähr 100% betragen, muss es aber nicht.
Der Batterieladevorgang kann dann optional die Ladekapazität der Batterie 24 prüfen, um die Menge von Ladekapazität zu bestimmen, die wiederhergestellt wurde. Dies kann durch eine andere gesteuerte Entladung bewerkstelligt werden. Die Batterieladekapazität kann so berechnet werden, wie zuvor beschrieben. Die Menge von wiederhergestellter Ladekapazität kann an einen Bediener gemeldet werden. Außerdem kann die Onboard-Batteriesteuerung 76 mit der neuen Batterieladekapazität zur späteren Verwendung aktualisiert werden. Zu irgendeiner Zeit kann die Batterieladekapazität berechnet werden, um die neue Batterieladekapazität bereitzustellen. Diese Berechnung kann Teil der Software der Batteriesteuerung 76 sein.
Um den physikalischen Mechanismus zum Wiederherstellen der Batterieladekapazität zu verstehen, kann die Lithium-Ionen-Batterie 24 analysiert werden. Eine Lithium-Ionen-Batterie 24 kann mit einer negativen Elektrode und einer positiven Elektrode ausgelegt sein. Die Elektroden können von einer Elektrolytsubstanz umgeben sein, welches es Ionen ermöglichen kann, sich zwischen den Elektroden zu bewegen. Während des Entladens können sich Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode bewegen. Während des Ladens können sich Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode bewegen.
Batteriealterungseffekte können Nebenreaktionen, welche die Menge zyklusfähigen Lithiums in der Batterie 24 reduzieren, und materialeigenen Kapazitätsverlusten der aktiven Materialien zugeschrieben werden. Diese Prozesse können die Verteilung und die Lithiierungsgrade des restlichen zyklusfähigen Lithiums innerhalb der verschiedenen aktiven Materialien ändern. Dies kann zu einer Änderung der Gesamtkapazität der Zellen und einer veränderlichen Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand der Zellen führen.
4 stellt mögliche Referenzspannungskurven für die negative Elektrode 102 und die positive Elektrode 100 dar. Die Leerlaufspannungswerte für jede Elektrode sind in Bezug auf eine Li/Li+ Referenzelektrode dargestellt. Die Leerlaufspannungskurve 112 der positiven Elektrode ist unter Verwendung einer ersten y-Achse 104 ausgedrückt als Spannung in Bezug auf eine Li/Li+ Referenzelektrode und einer ersten x-Achse 106 als Lithiierungsgrad der positiven Elektrode dargestellt. Die Leerlaufspannung 114 der negativen Elektrode ist unter Verwendung einer zweiten y-Achse 108 ausgedrückt als Spannung in Bezug auf eine Li/Li+ Referenzelektrode und einer zweiten x-Achse 110 als Lithiierungsgrad der negativen Elektrode dargestellt.
Für einen gegebenen Ladezustandswert kann es einen bestimmten Lithiierungsgrad für die negativen und positiven Elektroden geben. Zum Beispiel kann bei einem Nullladungszustand 118 der Lithiierungsgrad für die positive Elektrode etwa 95%, 120, betragen, und der Lithiierungsgrad für die negative Elektrode kann ungefähr 8%, 122, betragen. Ähnlich kann bei einem Ladezustand 116 von 100 Prozent der Lithiierungsgrad der positiven Elektrode ungefähr 45%, 124, betragen, und der Lithiierungsgrad der negativen Elektrode kann ungefähr 66%, 126, betragen. Es ist zu erwähnen, dass jeder Ladezustandswert einem Paar von Lithiierungsgraden der negativen und positiven Elektroden entsprechen kann. Bei einem gegebenen Ladezustand kann die Leerlaufspannung 128 der Zelle die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode sein. Wenn die Batterie geladen und entladen wird, können sich die Lithiierungsgrade der Elektroden dementsprechend ändern.
Die Spannung für jede Elektrode ist eine Funktion des Lithiierungsgrades der Elektrode. Der Lithiierungsgrad einer Elektrode kann die Lithiumkonzentration an der Elektrode an einem gegenwärtigen Betriebspunkt anzeigen. Der Spannungswert ist eine Funktion des Lithiumkonzentration in der Elektrode. Die Lithiumkonzentration in jeder Elektrode kann sich ändern, wenn die Batterie geladen und entladen wird. Der Lithiierungsgrad kann als ein Prozentsatz der möglichen Gesamtlithiierung für die Elektrode ausgedrückt werden. Die Leerlaufspannung 128 der Zelle entspricht einem bestimmten Paar von Lithiumgraden der positiven und negativen Elektroden. Das heißt, die Leerlaufspannung 128 der Zelle ist die Differenz zwischen der Referenzspannung der positiven Elektrode und der Referenzspannung der negativen Elektrode an einem gegebenen Betriebspunkt. Die Lithiierungsgrade für die negativen und positiven Elektroden können eine Funktion der Zellbildungsbedingungen und des bestimmten Punkts in der Lebensdauer der Zelle sein. Die Beziehung zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand der Zelle ist die Spannungsdifferenz zwischen den positiven und negativen Elektroden innerhalb eines bestimmten Zusammensetzungsbereichs, der durch die Spannungsgrenzen definiert wird.
Nach der Zellbildung kann die Zelle eine bestimmte Beziehung zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand aufweisen. Es kann eine Leerlaufspannung gewählt werden, die dem Nullladungszustand 118 entspricht. Es kann auch eine Leerlaufspannung gewählt werden, die dem Ladezustand 116 von 100 Prozent entspricht. Dies kann eine anfängliche Beziehung für die relativen Lithiierungsgrade zwischen den Elektroden bestimmen. Über die Lebensdauer einer Batteriezelle können sich die Leerlaufspannungskurven in Bezug aufeinander verschieben. Die Verschiebung der Leerlaufspannungskurven kann von der Summenwirkung von parasitären Reaktionen durch den Alterungsprozess sein. Da parasitäre Reaktionen Lithium-Ionen verbrauchen, können weniger Lithium-Ionen zwischen den Elektroden zyklisiert werden. Die Kurven (112, 114) können auch schrumpfen (z. B. komprimierte x-Achse), was mit den relativen Verlusten von aktivem Material über die Batterielebensdauer in Beziehung steht und in einem veränderlichen Verhältnis von negativ zu positiv widergespiegelt werden kann.
Da sich die Kurve 102 der negativen Elektrode nach links verschiebt, wenn die Batterie altert, kann die Batterieladekapazität abnehmen. Dies kann durch Bewegen der Kurve 114 der negativen Elektrode und der zweiten x-Achse 110 nach links in Bezug auf die erste x-Achse 106 veranschaulicht werden. An dem Punkt, welcher dem Nullladungszustand 118 entspricht, kann die negative Elektrode vollständig delithiiert sein (z. B. ist die Lithiumkonzentration null). In solch einem Fall ist die Lithiumkonzentration in der positiven Elektrode möglicherweise nicht imstande, sich zu erhöhen, um die Leerlaufspannung der Zelle zu beeinflussen. Außerdem kann sich Bewegung der negativen Leerlaufspannung nach links auswirken, wenn der Nullladungszustand erkannt wird. Die Spannung kann niedriger als die Spannung werden, die mit dem Nullladungszustand bei einer höheren Lithiumkonzentration der positiven Elektrode assoziiert ist. Batteriebedienelemente können diese Spannung interpretieren und die Entladung stoppen, da die Batteriesteuerung es möglicherweise vorzieht, nicht unter den Nullladungszustand zu entladen. Da die Batterie altert, können sich die relativen Lithiierungsgrade für die positiven und negativen Elektroden für einen gegebenen Ladezustand von den ursprünglichen Paaren von Lithiierungsgraden ändern.
Ein erheblicher Grad von Ladungskapazitätsverlust in der gesamten Batteriezellenlebensdauer kann parasitären Lösungsmittelreduktionsreaktionen an der negativen Elektrode zugeschrieben werden, welche die relativen Lithiierungsgrade zwischen den positiven und negativen Elektroden ändern. Zum Beispiel kann die negative Elektrode nach einer 1-C-Entladung nahezu vollständig delithiiert sein, doch die positive Elektrode kann verhältnismäßig weit von einer vollständigen Lithiierung entfernt sein. Da überschüssiges Lösungsmittel sowie solvatierte Lithium-Ionen im elektrolytischen Fluid vorhanden sein können, besteht die Möglichkeit, dass die Anregung von Lösungsmitteloxidation (oder anderer parasitärer Reaktionen) an der negativen Elektrode zur Wiederherstellung der ursprünglichen Lithiierungsgrade der Elektroden (d. h. Kapazitätswiederherstellung) führen kann. Parasitäre Oxidationsreaktionen an der negativen Elektrode können eintreten, wenn die Zelle vollständig entladen ist, da die Lithiumextraktion aufhört, wenn die negative Elektrode vollständig delithiiert ist.
Physikalische Grundsätze können die Leerlaufspannungen für Mischmaterialien regeln. Die Leerlaufspannung für ein erstes und zweites Material in direkter Ionen- und elektrischer Kommunikation miteinander reagiert elektrochemisch auf eine Art und Weise, welche die Leerlaufspannungen der Materialien miteinander ausbalanciert. Die Gesamtmenge von zyklusfähigem Lithium kann ungeachtet dessen, ob die Materialien in Kontakt sind, fest bleiben (in der Annahme, dass es keine Nebenreaktionen gibt). Folglich taucht Lithium, das eines der Materialien verlässt, als Lithium auf, das dem anderen hinzugefügt wird. Die Senkung der Lithiumkonzentration im ersten Material erhöht das Potenzial des ersten Materials. Gleichzeitig senkt die Erhöhung der Konzentration im zweiten Material das Potenzial des zweiten Materials. Der Prozess kann weitergehen, bis die zwei Leerlaufspannungen gleich werden. Das Laden und Entladen der Zelle bewirkt ein Zyklisieren von Lithium-Ionen zwischen den Elektroden.
Bei Überentladung kann die negative Elektrode basierend auf einem Leerlaufspannungsmodell, das anzeigt, dass die Zelle beschränkt auf Entladung negativ ist, vollständig delithiiert werden. Die negative Elektrode kann eine andere Oxidationsreaktion zum Bereitstellen des Überentladungsstroms finden, wobei es sich um Auflösung von Kupfer (CU) oder Lösungsmitteloxidation (wobei CO₂, CO und O₂ wahrscheinlich die gasförmigen Produkte sind) handeln kann. Das Leerlaufspannungsmodell zeigt an, dass die positive Elektrode nicht vollständig lithiiert werden kann (beim SOC von 0%), und daher wäre die Überentladungsreaktion an der positiven Elektrode daher wahrscheinlich eine Entladungsreaktion von Lithium-Interkalation.
Es gibt eine Möglichkeit, dass Überentladung zur Auflösung des stromsammelnden Kupfermaterials der negativen Elektrode führen könnte. Es kann möglich sein, Kupferauflösung zu vermeiden, da Standardreduktionspotenziale anzeigen, dass Kupfer verhältnismäßig stabil in diesem System ist, wobei ein Standardreduktionspotenzial 3,5 V von Li/Li+ ist. Unter Bezugnahme auf 4 ist die Kennlinie der Leerlaufspannung der negativen Elektrode zu Li/Li+ selbst bei vollständiger Entladung deutlich unter 3,5 V. Wenn die Spannung der negativen Elektrode 3,5 V überschreitet, kann Kupferauflösung möglich sein.
Durch Steuern der Überentladung können die Spannung und die Temperatur so geregelt werden, dass Kupferauflösung vermieden wird, während die Lithiierung der positiven Elektrode zugelassen wird, um die Zellkapazität zu regenerieren.
Überentladung gilt im Allgemeinen als missbräuchlich oder destruktiv für eine Batteriezelle. Das Verfahren beschreibt eine „gesteuerte Überentladung”, um parasitäre Oxidationsreaktionen (d. h. Lösungsmitteloxidation) an der negativen Elektrode anzuregen. Die Überentladungsreaktion an der positiven Elektrode kann Lithiumeinführung sein, da die positive Elektrode nicht vollständig lithiiert wird. Die positive Elektrode kann über die Entladungsreaktion mehr Lithium aufnehmen, wodurch die Zellkapazität erhöht wird. Das Verfahren versucht, die relativen Lithiierungsgrade zwischen den positiven und negativen Elektroden wiederherzustellen.
5 stellt eine mögliche Vorrichtung zum Implementieren des gesteuerten Überentladungsvorgangs dar. Die Komponenten können in die EVSE 38 integriert oder als ein separates Modul implementiert sein. Es kann eine bordexterne elektrische Last 202 einbezogen sein. Die bordexterne elektrische Last 202 kann durch einen Schalter 208 mit dem EVSE-Stecker 40 gekoppelt sein. Die bordexterne elektrische Last 202 kann ein Widerstand sein. Der Schalter 208 kann durch eine Steuerung 200 gesteuert werden. Der Schalter 208 kann ein Relais oder ein Halbleiterbauelement sein, und die Steuerung 200 kann eine Steuerausgabe 216 zum Betätigen des Schalters 208 umfassen.
Es kann ein Leistungsausgabemodul 204 enthalten sein, das Leistung von einer Leistungsquelle 26 zu der Form aufbereiten kann, die zur Lieferung an das Fahrzeug geeignet ist. Das Leistungsausgabemodul 204 kann durch einen zweiten Schalter 206 mit dem EVSE-Stecker 40 verbunden sein. Der zweite Schalter 206 kann ebenfalls von einer Steuerausgabe 218 der Steuerung 206 gesteuert werden. Die Steuerung 200 kann so ausgelegt sein, dass sie im Normalbetrieb einen der Schalter 8206, 208) zu einer gegebenen Zeit schließt.
Die Steuerung 200 kann eine Elektrische-Last-Steuerausgabe 214 zum Steuern der bordexternen elektrischen Last 202 umfassen. Die Steuerung 200 kann eine Leistungsausgabemodul-Steuerausgabe 212 zum Steuern des Leistungsausgabemoduls 204 umfassen. Die Steuerung 200 kann Logik für gesteuerte Entladung der Traktionsbatterie 24, gefolgt von Wiederaufladung der Traktionsbatterie 24 ausführen.
Die Steuerung 200 kann eine Steuersignalschnittstelle 210 zum EVSE-Stecker 40 umfassen. Die Steuersignalschnittstelle 210 kann eine Verbindung durch den Ladeanschluss 34 sein, um Steuerinformationen mit dem Leistungsumwandlungsmodul 32 und der Traktionsbatterie 24 auszutauschen. Zum Beispiel kann die Steuersignalschnittstelle 210 eine serielle Kommunikationsverbindung sein, durch welche die Traktionsbatterie 24 und die Steuerung 200 Daten und Steuersignale austauschen können. Zum Beispiel kann die Traktionsbatterie 24 (oder die Steuerung 76 innerhalb der Traktionsbatterie 24) Informationen über das Leistungsvermögen und die Spannung der Batterie durch die Steuersignalschnittstelle 210 senden.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein mögliches Verfahren zur Regenerierung von Batterieladekapazität in einer Lithium-Ionen-Batterie. Die Steuerung 200 kann eine erste Operation 300 zum Schätzen der Batterieladekapazität implementieren 300. Es kann jede bestehende Technik zum Berechnen der Batterieladekapazität verwendet werden. Die Steuerung 200 kann eine Operation 302 implementieren, bei welcher die Batterieladekapazität geprüft werden kann, um zu bestimmen, ob die Batterieladekapazität niedriger als eine Schwelle K ist. Der Logikweg 322 kann genommen werden, wenn die Batterieladekapazität höher als oder gleich wie die Schwelle K ist, und das System kann fortfahren, die Batterieladekapazität zu schätzen, wie bei Operation 300. Alternativ kann die Ausführung enden, wenn der Regenerierungsvorgang möglicherweise nicht benötigt wird. Der Logikweg 324 kann genommen werden, wenn die Batterieladekapazität niedriger als die Schwelle K ist, und die Steuerung 200 kann zu Operation 304 übergehen, bei welcher die elektrische Last 202 an die Traktionsbatterie 24 angeschlossen wird. Das Anschließen der elektrischen Last 202 kann eine gesteuerte Entladung der Traktionsbatterie 24 bewirken. Die Steuerung 200 kann dann Operation 306 ausführen, bei welcher die Steuerung die Spannung der Batterie 24 messen und überwachen kann. Die bordexterne Steuerung 200 kann die tatsächliche Spannung messen, oder sie kann Spannungsdaten von der Onboard-Steuerung 76 empfangen. Die Steuerung 200 kann Operation 308 ausführen, bei welcher die Batteriespannung geprüft wird, um zu bestimmen, ob die Spannung niedriger als eine vorbestimmte Entladespannung V_dis ist. Der Logikweg 326 kann genommen werden, wenn die Spannung höher als oder gleich wie die vorbestimmte Entladespannung ist, in welchem Falle Operation 306 wiederholt wird. Der Logikweg 328 kann genommen werden, wenn die Spannung niedriger als die vorbestimmte Entladespannung ist, und es kann Operation 310 ausgeführt werden. Bei Operation 310 kann die elektrische Last 202 von der Traktionsbatterie 24 getrennt werden.
Bei Operation 312 kann das Leistungsausgabemodul 204 angeschlossen werden, um mit dem Wiederaufladen der Batterie 24 zu beginnen. Bei Operation 314 kann die Spannung während des Aufladens überwacht werden. Bei Operation 316 kann die Spannung geprüft werden, um zu bestimmen, ob die Spannung höher als eine vorbestimmte Ladespannung V_chg ist. Der Logikweg 330 kann genommen werden, wenn die Spannung niedriger als die vorbestimmte Ladespannung ist, und Operation 314 kann wiederholt werden. Der Logikweg 332 kann genommen werden, wenn die Spannung höher als die vorbestimmte Ladespannung ist. Bei Operation 318 kann das Leistungsausgabemodul 204 von der Batterie 24 getrennt werden. Das Laden kann abgeschlossen werden, und der Prozess kann bei Operation 320 gestoppt werden.
Die durch das Flussdiagramm beschriebene Logik kann durch die fahrzeugexterne (z. B. Teil eines Ladegeräts) Steuerung 200 oder die fahrzeuginterne (z. B. Teil des Traktionsbatteriesystems) Steuerung 76 ausgeführt werden. Die Steuerung (z. B. 76 oder 200) kann entsprechende Schnittstellen zum Steuern der verschiedenen Komponenten umfassen.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können bereitstellbar sein, um durch eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuerung oder einen Computer implementiert zu werden, welche/r jede bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit umfassen kann. Ähnlich können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausgeführt werden können, in vielen Formen gespeichert werden, die Informationen, die dauerhaft auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie beispielsweise ROM-Geräten, gespeichert werden, und Informationen, die veränderlich auf beschreibbaren Speichermedien, wie beispielsweise Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Geräten und anderen magnetischen und optischen Medien, gespeichert werden, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem Objekt implementiert sein, das in Software ausgeführt werden kann. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung von geeigneten Hardwarekomponenten, wie beispielsweise anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen, oder anderen Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten implementiert sein.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Ansprüche erfasst werden. Die in der Spezifikation verwendeten Wörter sind beschreibende statt einschränkende Wörter, und es versteht sich von selbst, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie bereits erwähnt, können die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht werden. Für Durchschnittsfachleute ist zu erkennen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen so hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Charakteristiken Vorteile bereitstellen oder bevorzugt werden, auf ein oder mehr Merkmale oder eine oder mehr Charakteristiken verzichtet werden kann, um gewünschte Gesamtsystemeigenschaften zu erreichen, welche von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Eigenschaften können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinung, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, leichte Montage usw. umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Entsprechend liegen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehr Charakteristiken beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: Entladen der Batterie durch eine Steuerung in Reaktion auf einen Verlust von Batterieladekapazität über einem vorbestimmten Verlust auf eine vorbestimmte Spannung, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit positiven und negativen Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der Batterieladekapazität führt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Spannung um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Verlust ein vorbestimmter Prozentsatz einer Ladekapazität der Batterie zu Beginn ihrer Lebensdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Strom zum Entladen der Batterie im Wesentlichen niedriger als ein Nennstrom der Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Verbinden einer Leistungsquelle mit der Batterie durch die Steuerung und Aufladen der Batterie auf eine Spannung, die einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist.
Fahrzeug, umfassend: eine Batterie, die eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit assoziierten positiven und negativen Elektroden umfasst; und mindestens eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie die Batterie durch eine elektrische Last auf eine vorbestimmte Spannung entlädt, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit den Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der maximalen Batteriekapazität führt.
Fahrzeug nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Kraftmaschine und einen mit der Kraftmaschine gekoppelten Generator, und wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie in Reaktion darauf, dass die Spannung der Batterie niedriger als die vorbestimmte Spannung ist, den Generator und die Kraftmaschine so betreibt, dass die Batterie aufgeladen wird, bis die Spannung der Batterie einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Ladeanschluss, der eine externe Leistungsquelle mit dem Fahrzeug verbindet, und wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie die externe Leistungsquelle so betreibt, dass sie die Batterie auflädt, bis die Spannung der Batterie einen vorbestimmten Betrag höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei der Ladeanschluss die elektrische Last mit dem Fahrzeug verbindet.
Fahrzeug nach Anspruch 6, ferner umfassend eines oder mehrere von einem Widerstand, einem Heizelement, einem Kompressor und einem Motor, die als die elektrische Last mit der Batterie verbunden werden können.
Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte Spannung um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie die Batterie in Reaktion auf einen Verlust von maximaler Batteriekapazität über einem vorbestimmten Verlust entlädt.
Vorrichtung zum Betreiben einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: mindestens eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie eine elektrische Last mit der Batterie verbindet und die Batterie auf eine vorbestimmte Spannung entlädt, die niedriger als eine mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist, derart dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit positiven und negativen Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was zu einer Erhöhung der maximalen Batteriekapazität führt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Leistungsausgang, der selektiv mit der Batterie verbunden werden kann, und wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie die elektrische Last trennt und den Leistungsausgang mit der Batterie verbindet und die Batterie unter Verwendung des Leistungsausgangs wieder auflädt, bis eine Batteriespannung eine vorbestimmte Spannung ist, die höher als die mit dem Nullladungszustand assoziierte Spannung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei eine Impedanz der elektrischen Last derart ausgewählt ist, dass ein Strom im Wesentlichen niedriger als ein Nennstrom der Lithium-Ionen-Batterie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Spannung um einen vorbestimmten Betrag höher als null Volt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie die elektrische Last in Reaktion auf einen Verlust von maximaler Batteriekapazität über einem vorbestimmten Verlust anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der vorbestimmte Verlust ein vorbestimmter Prozentsatz einer Ladungsspeicherkapazität der Batterie zu Beginn ihrer Lebensdauer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Ladezustand der Nullladungszustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie die elektrische Last in Reaktion auf einen Batterieladezustand anschließt, der niedriger als ein vorbestimmter Ladezustand ist.