DE102017005595A1 - Method and device for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell - Google Patents

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Bernd Spier
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) mit einer Anode (1) und einer Kathode (3), wobei während des Ladevorgangs ein elektrischer Ladestrom (I) in die Energiespeicherzelle (6) eingespeist wird, wobei der elektrische Ladestrom (I) derart geregelt wird, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) ist, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode (1) zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (4) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell (6) with an anode (1) and a cathode (3), wherein an electrical charging current (I) is fed into the energy storage cell (6) during the charging process, wherein the electrical charging current (I) is controlled such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) is to avoid an electrochemical reaction at the anode (1). The present invention also relates to a device (4) for carrying out the method.

Figure DE102017005595A1_0001
Figure DE102017005595A1_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle.The present invention relates to a method and a device for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell.

Bei Kraftfahrzeugen mit einem (teil-)elektrischen Antriebsstrang (etwa Hybrid-, Plug-In-Hybrid und rein elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge) werden derzeit fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batteriezellen als wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicherzellen (im nachfolgenden oftmals als Batteriezellen bezeichnet) für die Batteriepacks verwendet, die als elektrischer Energiespeicher für den Antriebsstrang dienen.In motor vehicles with a (partial) electric powertrain (such as hybrid, plug-in hybrid and purely electrically powered vehicles) are currently almost exclusively lithium-ion battery cells as rechargeable electrochemical energy storage cells (hereinafter often referred to as battery cells) for the battery packs used, which serve as electrical energy storage for the drive train.

Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen bekanntermaßen eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode), einen zwischen Anode und Kathode angeordneten, für Lithium-Ionen durchlässigen Separator sowie einen flüssigen Elektrolyten auf. Die Anode und die Kathode sind weiter jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden.Lithium-ion battery cells are known to comprise a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode), a lithium ion permeable separator disposed between the anode and cathode, and a liquid electrolyte. The anode and the cathode are each further electrically connected to a current conductor.

Die Anode und die Kathode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bestehen jeweils aus oder enthalten Aktivmaterial. Bei einem Ladevorgang interkalieren Lithium-Ionen in das aktive Anodenmaterial, beim Entladevorgang deinterkalieren die Lithium-Ionen wieder. Bei dem aktiven Kathodenmaterial findet der jeweils gegenläufige Vorgang statt. Derartige Elektroden werden oftmals auch als Interkalations-Elektroden bezeichnet.The anode and the cathode of a lithium-ion battery cell each consist of or contain active material. During a charging process, lithium ions intercalate into the active anode material; during the discharge process, the lithium ions deintercalate again. In the case of the active cathode material, the opposite action takes place. Such electrodes are often referred to as intercalation electrodes.

Für die Anode wird zum derzeitigen Stand der Technik als Aktivmaterial hauptsächlich Graphit verwendet, bei der Kathode handelt es sich oftmals um ein Mischoxid.For the anode, graphite is mainly used as the active material in the current state of the art, the cathode is often a mixed oxide.

Ein Grund für den Einsatz von Graphit als Anodenmaterial ist, dass das elektrochemische Potential von geladenem Graphit gegenüber metallischem Lithium sehr gering ist. Somit ist die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode nahe dem energetischen Optimum einer metallischen Lithium Anode. Die geringe Potentialdifferenz von lithiiertem Graphit zu metallischem Lithium ist aber mit dem Nachteil verbunden, dass es bei der Zuführung von positiver Ladeleistung zu einer Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Graphitpartikel kommen kann, dem sog. Lithium-Plating.One reason for using graphite as the anode material is that the electrochemical potential of charged graphite is very low compared to metallic lithium. Thus, the voltage difference between the positive and negative electrodes is close to the energetic optimum of a metallic lithium anode. However, the low potential difference of lithiated graphite to metallic lithium has the disadvantage that when positive charging power is supplied, precipitation of metallic lithium on the surface of the graphite particles can occur, the so-called lithium plating.

Lithium-Plating führt zu einer erhöhten Degradation der Batteriezelle (falls das abgeschiedene, metallische Lithium mit dem Elektrolyten reagiert oder den elektrischen Kontakt verliert, steht es nicht mehr für die weiteren Lade- und Entladevorgänge zur Verfügung; nur falls das metallische Lithium noch elektrisch angebunden ist, kann es weiter interkalieren oder beim Entladen wieder oxidieren) und es wird in der Literatur auch ein Einfluss auf die Sicherheit der Batteriezelle diskutiert. Aus diesen Gründen muss Lithium-Plating beim Laden einer Lithium-Ionen-Batteriezelle vermieden werden.Lithium plating leads to increased degradation of the battery cell (if the deposited metallic lithium reacts with the electrolyte or loses electrical contact, it is no longer available for further charging and discharging, only if the metallic lithium is still electrically connected , it can continue to intercalate or oxidize again during discharge) and it is also discussed in the literature an impact on the safety of the battery cell. For these reasons, lithium plating must be avoided when charging a lithium-ion battery cell.

Aus der DE 10 2016 007 479 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, um eine Batteriezelle mit einem hohen Ladestrom in möglichst kurzer Zeit zu laden, ohne dass es dabei zu Lithium-Plating kommt. Bei dem Verfahren gemäß der genannten Offenlegungsschrift wird der Ladestrom aus einem Ladestromstärkenkennfeld in Abhängigkeit des (lokalen) Ladezustands und der (lokalen) Temperatur der Batteriezelle berechnet. Das Ladestromstärkenkennfeld wird im Vorhinein experimentell oder simulativ bestimmt. Als Anwendungsfall wurde eine vollständige Aufladung gewählt.From the DE 10 2016 007 479 A1 a method and a device is known to charge a battery cell with a high charging current in the shortest possible time, without resulting in lithium plating. In the method according to the cited publication, the charging current is calculated from a charging current intensity map as a function of the (local) state of charge and the (local) temperature of the battery cell. The charging current strength map is determined in advance experimentally or simulatively. As an application, a full charge was chosen.

Während eines Ladevorgangs vom tiefsten vom System (Fahrzeug/Batterie) zugelassenen Ladezustand zum höchsten vom System zugelassenen Ladezustand mit dem gemäß dieser Offenlegungsschrift bestimmten maximalen Ladestrom werden die Lithium-Ionen-Konzentrationsgradienten im Aktivmaterial und im Elektrolyten am größten. Aus diesem Grund stellt die vollständige Ladung einer Batteriezelle vom tiefsten zum höchsten Ladezustand den kritischsten Anwendungsfall dar.During charging from the lowest state of charge approved by the system (vehicle / battery) to the highest system-approved state of charge with the maximum charge current determined in accordance with this disclosure, the lithium ion concentration gradients in the active material and in the electrolyte become greatest. For this reason, the full charge of a battery cell from the lowest to the highest state of charge is the most critical application.

Bei Kraftfahrzeugen mit einem (teil-)elektrischen Antriebsstrang wird die Batterie aber nicht nur über das Stromnetz geladen, sondern es wird auch im Fahrbetrieb Bremsenergie in Form von positiver Leistung in die Batterie zurückgespeist (sog. Rekuperation). Die Batteriezellen werden im Fahrbetrieb also kurzzeitig, meistens nach einer Entladephase (positive Beschleunigung und Halten der Geschwindigkeit), teilweise wieder geladen (bei einem Bremsvorgang bzw. einer negativen Beschleunigung).In motor vehicles with a (partial) electric drive train, the battery is not only charged via the mains, but it is also in driving braking energy in the form of positive power fed back into the battery (so-called recuperation). The battery cells are thus briefly recharged while driving, usually after a discharge phase (positive acceleration and holding the speed) (during a braking operation or a negative acceleration).

Für derartige Ladevorgänge ist das aus der DE 10 2016 007 479 A1 bekannte Verfahren nicht optimal.For such loading operations that is from the DE 10 2016 007 479 A1 known method not optimal.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle mit einer maximalen, nicht zu Lithium-Plating führenden Leistung geladen werden kann, und dies sowohl im Fahr- als auch im Netzbetrieb.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method and a device, with which a rechargeable, electrochemical energy storage cell can be charged with a maximum, not leading to lithium plating performance, both in driving and in network operation.

Diese Aufgaben werden gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.These objects are achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 9. Advantageous developments of the method and the device are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (Batteriezelle) mit einer Anode und einer Kathode vorgeschlagen, wobei während des Ladevorgangs ein elektrischer Ladestrom (I) in die Energiespeicherzelle eingespeist wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart geregelt wird, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich dem (Metallionen-)konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) ist, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode zu vermeiden. According to the invention, a method for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell (battery cell) having an anode and a cathode is proposed, wherein an electrical charging current (I) is fed into the energy storage cell during the charging process. The method is characterized in that the electrical charging current (I) is regulated by means of a cell model such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the (metal ion) concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) is to avoid an electrochemical reaction at the anode.

Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicherzelle (Batteriezelle) mit einer maximalen, nicht zu einer erhöhten Schädigung durch Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Partikel der Anode (Lithium-Plating) führenden Leistung im Fahr- und Netzbetrieb geladen werden kann, ohne dass hierzu eine Berechnung des Anodenpotentials erforderlich ist.The method is characterized in particular by the fact that a rechargeable electrochemical energy storage cell (battery cell) with a maximum, not to increased damage by deposition of metallic lithium on the surface of the particles of the anode (lithium plating) leading load in driving and mains operation loaded can be, without this, a calculation of the anode potential is required.

Bei dem eingangs erwähnten Verfahren gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2016 007 479 A1 ist es zur Ermittlung der maximalen Ladeleistung, bei der noch keine Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anode eintritt, erforderlich, das Anodenpotential (etwa mittels eines Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug) zu berechnen. Eine in einem Kraftfahrzeug erfolgende, genaue, über die Alterung der Batteriezellen korrekte Berechnung des Anodenpotentials durch ein physikalisch-elektrochemisches Zellmodell ist nach Wissensstand der Erfinder jedoch derzeit in einem Serienprodukt sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht oder nur mit erheblichem Aufwand umsetzbar. Dieser Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung überwunden.In the initially mentioned method according to the published patent application DE 10 2016 007 479 A1 For determining the maximum charging power at which no deposition of metallic lithium still occurs on the anode, it is necessary to calculate the anode potential (for instance by means of a control unit in a motor vehicle). However, according to the inventors' knowledge, an exact, accurate calculation of the anode potential by means of a physico-electrochemical cell model, which takes place in a motor vehicle, can currently not be implemented in a series product either technically or economically or only with considerable effort. This disadvantage is overcome by the present invention.

Wie oben bereits erwähnt, findet vor einem Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mittels Rekuperation in aller Regel ein (kurzzeitiger) Entladevorgang statt. Diese vorangehende Entladung führt dazu, dass die Konzentration an Lithium-Ionen an der Oberfläche der Graphitpartikel geringer ist als die mittlere Lithium-Ionen-Konzentration der Partikel. Der Ladestrom eines rekuperativen Ladepulses kann somit höher gewählt werden, als das Ladestromstärkenkennfeld gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2016 007 479 A1 für den gleichen (lokalen) Ladezustand und der gleichen (lokalen) Temperatur zulassen würde.As already mentioned above, before charging a battery of a motor vehicle by means of recuperation usually a (short-term) discharge takes place. This previous discharge causes the concentration of lithium ions on the surface of the graphite particles to be less than the average lithium ion concentration of the particles. The charging current of a recuperative charging pulse can thus be selected higher than the charging current intensity map according to the published patent application DE 10 2016 007 479 A1 for the same (local) state of charge and the same (local) temperature.

Dies gilt auch für Ladevorgänge, die bei einem höheren als dem tiefsten Ladezustand, also in einem teilentladenen Zustand der Batteriezelle gestartet werden. Auch hier ist der maximale nicht zu Lithium-Plating führende Ladestrom aufgrund der geringeren Lithium-Ionen-Konzentration an der Oberfläche der Graphitpartikel und dem geringeren Konzentrationsgradienten im Elektrolyten bei dem entsprechenden Ladezustand höher als das Ladestromstärkenkennfeld aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 007 479 A1 für den gleichen (lokalen) Ladezustand und der gleichen (lokalen) Temperatur zulassen würde.This also applies to charging operations that are started at a higher than the lowest state of charge, ie in a partially discharged state of the battery cell. Again, the maximum charging current not leading to lithium plating is higher than the charging current intensity map from the publication because of the lower lithium ion concentration at the surface of the graphite particles and the lower concentration gradient in the electrolyte at the corresponding state of charge DE 10 2016 007 479 A1 for the same (local) state of charge and the same (local) temperature.

Bezüglich des verwendeten bzw. verwendbaren Zellmodells bestehen keine besonderen Einschränkungen und es können bspw. bekannte elektrische, physikalisch-elektrochemische Modelle, in der Komplexität vereinfachte Modelle bspw. durch eine mathematische Modellordnungsreduktion (engl. Model Order Reduction, kurz MOR), durch eine Reduktion der simulierten Partikelanzahl, durch eine Abbildung des physikalisch-elektrochemischen Zellmodells auf elektrische Bauteile, durch den Einsatz von wissensbasierten Methoden, wie beispielsweise künstliche neuronale Netze, Support-Vector-Methoden und Fuzzy-Systeme oder durch ähnliche, verwandte Methoden implementiert werden, um Uch(t) zu berechnen bzw. zu ermitteln.There are no particular restrictions with regard to the cell model used or usable, and it is possible, for example, for known electrical, physical-electrochemical models, models simplified in complexity, for example by a mathematical model order reduction (MOR), by reducing the simulated particle number, be implemented by an image of the physical-electrochemical cell model to electrical components, through the use of knowledge-based methods, such as artificial neural networks, support vector methods and fuzzy systems, or by similar, related methods to U ch ( t) to calculate or to determine.

Für die Berechnung der Spannungsgrößen durch das Zellmodell ist eine geeignete (digitale) Recheneinrichtung vorzusehen mit (einer) Speichereinrichtung(en), um die für das jeweilige eingesetzte Modell notwendigen Parameter zur Verfügung zu stellen.For the calculation of the voltage quantities by the cell model, a suitable (digital) computing device is to be provided with (a) memory device (s) in order to provide the parameters necessary for the respective model used.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der elektrische Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart geregelt, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich der Summe (Uch(t)) ist, die gebildet wird aus dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) und wenigstens einem weiteren Summanden, der eine Überspannung darstellt, bevorzugt die Reaktionsüberspannung an der Kathode (η+(xpos, t)) und/oder die Elektrolytüberspannung (η1(t)).According to a first advantageous development of the method, the electrical charging current (I) is regulated by means of a cell model such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the sum (U ch (t)) which is formed from the concentration-dependent one electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) and at least one other addend, which represents an overvoltage, preferably the reaction overvoltage at the cathode (η + (x pos , t)) and / or the electrolyte overvoltage (η 1 (t)).

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird für die Berechnung der Spannungsgrößen durch das Zellmodell (neben dem Zellstrom) als eine Eingangsgröße ein Vektor mit wenigstens einer gemessenen Temperatur (T) der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle, optional mit an unterschiedlichen Stellen der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle gemessenen Temperatur (T) verwendet.According to a second advantageous development of the method, for the calculation of the voltage values by the cell model (in addition to the cell current) as an input variable is a vector with at least one measured temperature (T) of the rechargeable electrochemical energy storage cell, optionally with temperature measured at different points of the rechargeable electrochemical energy storage cell (T) used.

Bspw. ist bei einer großformatigen Lithium-Ionen-Batteriezelle die Temperatur (T) aufgrund des Zelldesigns und/oder der Kühlung nicht homogen, sondern es existieren wärmere und kältere Bereiche. Aufgrund der stark temperaturabhängigen elektrischen und ionischen Leitfähigkeiten der in einer Batteriezelle verbauten Materialien folgt, dass auch die Stromdichte in einer Batteriezelle ebenfalls nicht homogen ist. Hieraus resultieren unterschiedliche Ladezustände innerhalb der Batteriezelle. Das Verfahren sollte demnach in vorteilhafter Weise unter Berücksichtigung der lokalen Ladezustände und der Stromdichtenverteilung durchgeführt werden.For example. In the case of a large-sized lithium-ion battery cell, the temperature (T) is not homogeneous due to cell design and / or cooling, but there are warmer and colder ones Areas. Due to the strongly temperature-dependent electrical and ionic conductivities of the materials installed in a battery cell, it follows that the current density in a battery cell is likewise not homogeneous. This results in different states of charge within the battery cell. The method should therefore be carried out in an advantageous manner taking into account the local charge states and the current density distribution.

Ebenso ist es von Vorteil, wenn durch das Zellmodell eine Überspannung oder Überspannungen durch einen Offsetwert berücksichtigt wird/werden.It is likewise advantageous if an overvoltage or overvoltages by an offset value are taken into account by the cell model.

Da die bisher beschriebenen Modelle viel Rechenleistung benötigen und einen hohen Speicherbedarf aufweisen, kann in vorteilhafter Weise das Verfahren unter Verwendung von wenigstens einem vereinfachenden Modellansatz durchgeführt werden, etwa bei Durchführung des Verfahrens in einem Kraftfahrzeug. Vereinfachende Modellansätze sind dem Fachmann bekannt und von der vorliegenden Erfindung umfasst.Since the models described so far require a lot of computing power and have a high memory requirement, the method can advantageously be carried out using at least one simplifying model approach, for example when carrying out the method in a motor vehicle. Simplifying model approaches are known to the person skilled in the art and are encompassed by the present invention.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Ladestrom gemäß dem oben offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren oder einem seiner vorteilhaften Weiterbildungen ermittelt wird und zusätzlich ein empirisch oder simulativ ermittelter Parameter von der vom Zellmodell ermittelten Zellspannung subtrahiert wird, um einen Modellfehler des Zellmodells zu berücksichtigen.Furthermore, it is advantageous if the charging current is determined according to the inventive method disclosed above or one of its advantageous developments and additionally an empirically or simulatively determined parameter is subtracted from the cell voltage determined by the cell model in order to take into account a model error of the cell model.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn in dem verwendeten (gegebenenfalls vereinfachenden) Zellmodell eine Nachführung der Modellparameter über die Alterung der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle vorgenommen wird.It is also advantageous if in the used (possibly simplifying) cell model a tracking of the model parameters on the aging of the rechargeable electrochemical energy storage cell is made.

Weitere vorteilhafte und von der vorliegenden Anmeldung umfasste Ausgestaltungen des Verfahrens umfassen, dass

  • – das Verfahren mit einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle durchgeführt wird, die nur teilweise entladen ist;
  • – das Verfahren mit einer Lithium-Ionen-Energiespeicherzelle durchgeführt wird;
  • – das Verfahren mit einer Lithium-Ionen-Energiespeicherzelle mit einer Graphit-Anode durchgeführt wird;
  • – die Strom-, Temperatur- und Ladezustandsverteilung innerhalb der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle berücksichtigt werden;
  • – die Alterung der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle durch eine Anpassung der alterungsabhängigen Modellparameter über die Betriebsdauer der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle nachgeführt wird;
  • – das Verfahren mit einer wiederaufladbaren Batterie mit parallel verschalteten, wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzellen oder mit einer Reihenschaltung von einer oder mehreren parallel verschalteten wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzellen durchgeführt wird, insbesondere mit einer Batterie mit Lithium-Ionen-Energiespeicherzellen, bevorzugt mit einer Batterie mit Lithium-Ionen-Energiespeicherzellen, die jeweils eine Graphit-Anode enthalten.
Further advantageous embodiments of the method encompassed by the present application include
  • The method is carried out with a rechargeable electrochemical energy storage cell which is only partially discharged;
  • - The method is carried out with a lithium-ion energy storage cell;
  • - The method is carried out with a lithium-ion energy storage cell with a graphite anode;
  • - the current, temperature and charge state distribution within the rechargeable electrochemical energy storage cell are taken into account;
  • - The aging of the rechargeable electrochemical energy storage cell is tracked by an adaptation of the age-dependent model parameters over the service life of the rechargeable electrochemical energy storage cell;
  • The method is carried out with a rechargeable battery with parallel connected, rechargeable electrochemical energy storage cells or with a series circuit of one or more parallel connected rechargeable electrochemical energy storage cells, in particular with a battery with lithium ion energy storage cells, preferably with a battery with lithium ion Energy storage cells, each containing a graphite anode.

Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch eine Vorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie dazu eingerichtet ist, den Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart zu regeln, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) ist, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode zu vermeiden.Also included in the present invention is an apparatus for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell having an anode and a cathode, the apparatus being characterized in that it is designed to regulate the charging current (I) by means of a cell model in such a way that the cell voltage (U cell (t)) less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) is to avoid an electrochemical reaction at the anode.

Die Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch dazu eingerichtet sein, eine der vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens durchführen zu können.The device can also be set up in an advantageous manner to be able to carry out one of the advantageous developments of the method.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine eindimensionale Modellvorstellung einer Batteriezelle; und 1 a one-dimensional model of a battery cell; and

2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung (eines beispielhaften Regelkreises) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen. 2 a schematic representation of an exemplary device (an exemplary control loop) for carrying out the method according to the invention or one of its advantageous developments.

Zur Beschreibung der erfindungsmäßigen Lösung wird nachfolgend von einer vereinfachten, eindimensionalen Betrachtung einer Batteriezelle ausgegangen. Die Funktion der erfindungsmäßigen Lösung wird durch diese reduzierte Betrachtungsweise jedoch nicht eingeschränkt.In order to describe the solution according to the invention, a simplified, one-dimensional view of a battery cell is assumed below. The function of the invention But solution is not limited by this reduced approach.

Wie in 1 dargestellt ist, besteht die vereinfachte Modellvorstellung der Batteriezelle 6 aus einer Anode 1 mit der Länge LAn, einem Separator 2 der Länge LSep und einer Kathode 3 der Länge LKat. Die Stromableiter an der Anode 1 und der Kathode 3 werden als ideal leitend angenommen und entfallen bei dieser Betrachtungsweise. Die beiden Elektroden 1, 3 bestehen aus porösem Aktivmaterial, so dass es an jedem Ort x in den Elektroden 1, 3 und zu jeder Zeit t im Festkörper das Potential ϕs(x, t) und im Elektrolyten das Potential ϕl(x, t) gegeben ist. Im Bereich des Separators 2 existiert nur das Potential im Elektrolyten ϕl(x, t).As in 1 is shown, there is the simplified model of the battery cell 6 from an anode 1 with the length L an , a separator 2 the length L Sep and a cathode 3 the length L cat . The current collector at the anode 1 and the cathode 3 are assumed to be ideally conductive and are omitted in this approach. The two electrodes 1 . 3 are made of porous active material, so it can be anywhere x in the electrodes 1 . 3 and at any time t in the solid state the potential φ s (x, t) and in the electrolyte the potential φ l (x, t) is given. In the area of the separator 2 only the potential in the electrolyte φ l (x, t) exists.

Alle Größen in der Anode 1 werden zur besseren Übersicht mit einem hochgestellten Minus gekennzeichnet (bspw. ϕ – / s(x, t) ) und alle Größen in der Kathode 3 mit einem hochgestellten Plus (z. B. ϕ + / s(x, t) ). Des Weiteren werden Überspannungen an Deckschichten wie z. B. der Solid Electrolyte Interphase (SEI) der Anode 1 und der Einfluss von elektrochemischen Doppelschichten vernachlässigt. Diese Vereinfachungen haben keinen Einfluss auf die Gültigkeit und Ausführbarkeit der erfindungsmäßigen Lösung.All sizes in the anode 1 are marked for a better overview with a superscript minus (eg. φ - / s (x, t) ) and all sizes in the cathode 3 with a superscript plus (eg φ + / s (x, t) ). Furthermore, overvoltages on cover layers such. B. the Solid Electrolyte Interphase (SEI) of the anode 1 and the influence of electrochemical double layers neglected. These simplifications have no influence on the validity and feasibility of the solution according to the invention.

Lithium-Plating tritt auf, wenn das Potential an der Grenzfläche Oberfläche Graphitpartikel und Elektrolyt unter 0 V versus Li/Li+ fällt. Um Lithium-Plating zu vermeiden, muss also für x im Bereich der Anode 1 gelten: ϕAn(x, t) := ϕ – / s(x, t) – ϕ – / l(x, t) ≥ 0 V vs. Li/Li+ Lithium plating occurs when the potential at the interface surface graphite particles and electrolyte falls below 0 V versus Li / Li + . In order to avoid lithium plating, it is necessary for x in the area of the anode 1 be valid: φ An (x, t): = φ - / s (x, t) - φ - / l (x, t) ≥ 0 V vs.. Li / Li +

Die Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Graphitpartikel findet aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Aktivmaterials und der vergleichsweise geringen Transportgeschwindigkeit der Lithium-Ionen im Elektrolyten durch Diffusion und Migration typischerweise zuerst an der Oberfläche der separatornahen Graphitpartikel statt. Daher gilt: xkrit = LAn The deposition of metallic lithium on the surface of the graphite particles typically takes place first on the surface of the separator-near graphite particles due to the high electrical conductivity of the active material and the comparatively low transport speed of the lithium ions in the electrolyte by diffusion and migration. Therefore: x crit = L An

Und somit für das Kriterium zur Vermeidung von Lithium-Plating: ϕAn(xkrit, t) = ϕ – / s(xkrit, t) – ϕ – / l(xkrit, t) ≥ 0 V vs. Li/Li+ And thus for the criterion to avoid lithium plating: φ An ( xcrit , t) = φ - / s ( xcrit , t) - φ - / l ( xcrit , t) ≥ 0 V vs.. Li / Li +

Für die Zellspannung, die an den Klemmen der Batteriezelle 6 gemessen werden kann, gilt: Ucell(t) = ϕ + / s(xpos, t) – ϕ – / s(0, t) mit xpos = LAn + LSep + LKat For the cell voltage applied to the terminals of the battery cell 6 can be measured, the following applies: U cell (t) = φ + / s (x pos , t) - φ - / s (0, t) with x pos = L An + L Sep + L cat

Das Kathodenpotential an der Grenzfläche Kathodenpartikel und Elektrolyt an der Position xpos berechnet sich zu: ϕKat(xpos, t) ≔ ≔ – / s(xpos, t) – ≔ + / l(xpos, t) = (ϕ + / 0(xpos, t) + η+(xpos, t) The cathode potential at the cathode particle and electrolyte interface at position x pos is calculated as: φ Kat (x pos , t) ≔ ≔ - / s (x pos , t) - ≔ + / l (x pos , t) = (φ + / 0 (x pos , t) + η + (x pos , t )

Hierbei ist ≔ + / 0 das Potential des Kathodenmaterials versus Li/Li+ in Abhängigkeit der Konzentration der Lithium-Ionen an der Partikeloberfläche und η+ die Reaktionsüberspannung für den Ladungstransfer. Diese ist an der Kathode 3 positiv im Falle einer Ladung der Batteriezelle 6.Here is ≔ + / 0 the potential of the cathode material versus Li / Li + as a function of the concentration of lithium ions on the particle surface and η + the reaction overvoltage for the charge transfer. This is at the cathode 3 positive in case of a charge of the battery cell 6 ,

Im Folgenden wird eine Elektrolytüberspannung ηl für die weitere Verwendung definiert: ηl(t) ≔ ≔ + / l(xpos, t) – ≔ – / l(xkrit, t) In the following, an electrolyte overvoltage η l is defined for further use: η l (t) ≔ ≔ + / l (x pos , t) - ≔ - / l (x crit , t)

Mit diesen Größen kann nun die Grundgleichung für die erfindungsmäßige Lösung zur Vermeidung von Lithium-Plating hergeleitet werden: An(xkrit, t) = ≔ – / s(xkrit, t) – ϕ – / l(xkrit, t) ≥ 0 V vs. Li/Li+ ⇔ ⇔ – / s(xkrit, t) ≥ ϕ – / l(xkrit, t) = ϕ + / l(xpos, t) – ηl(t) ⇔ ⇔ – / s(xkrit, t) ≥ ϕ + / s(xpos, t) – ϕKat(xpos, t) – ηl(t) ⇔ ⇔ – / s(xkrit, t) – ⇔ – / s(0, t) ≥ Ucell(t) – ϕKat(xpos, t) – ηl(t) ⇔ ϕ – / s(xkrit, t) – ϕ – / s(0, t) ≥ Ucell(t) – (ϕ + / 0(xpos, t) – η+(xpos, t) – ηl(t) With these parameters, the basic equation for the inventive solution for avoiding lithium plating can now be derived: An (crit x, t) = ≔ - / s (crit x, t) - φ - / l (x crit, t) ≥ 0 V vs. Li / Li + ⇔ ⇔ - / s (x crit , t) ≥ φ - / l (x crit , t) = φ + / l (x pos , t) - η l (t) ⇔ ⇔ - / s (x crit , t) ≥ φ + / s (x pos , t) - φ Kat (x pos , t) - η l (t) ⇔ ⇔ - / s (x crit , t) - ⇔ - / s (0, t ) ≥ U cell (t) - φ Kat (x pos , t) - η l (t) ⇔ φ - / s (x crit , t) - φ - / s (0, t) ≥ U cell (t) - (φ + / 0 (x pos , t) - η + (x pos , t) - η l (t)

Da die elektrische Leitfähigkeit des Anodenmaterials hoch ist, ist der ohmsche Spannungsabfall über das Aktivmaterial der Anode 1 klein, in Laderichtung positiv und kann damit für die erfindungsmäßige Lösung vorteilhaft nach unten zu null abgeschätzt werden: 0 V ≤ ϕ – / s(xkrit, t) – ϕ – / s(0, t) << 1 mV ⇒ ϕ – / s(xkrit, t) – ϕ – / s(0, t) ≈ 0 V Since the electrical conductivity of the anode material is high, the ohmic voltage drop across the active material of the anode 1 small, positive in the loading direction and can therefore be estimated as advantageous for the inventive solution down to zero: 0 V ≤ φ - / s (x crit , t) - φ - / s (0, t) << 1 mV ⇒ φ - / s (x crit , t) - φ - / s (0, t) ≈ 0 V

Daraus folgt, dass zur Vermeidung von Lithium-Plating gelten muss: Ucell(t) ≤ (ϕ + / 0(xpos, t) + η+(xpos, t) + ηl(t) =: Uch(t) It follows that to avoid lithium plating: U cell (t) ≤ (φ + / 0 (x pos , t) + η + (x pos , t) + η l (t) =: U ch (t)

Die Zellspannung der Batteriezelle 6 muss also durch ein entsprechendes Stellen des Ladestroms derart geregelt werden, dass diese kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential des Kathodenmaterials bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode ist, in vorteilhafter Weise kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential des Kathodenmaterials bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode plus wenigstens einer Überspannung, im hier veranschaulichten Beispiel der Reaktionsüberspannung an der Kathode 3 und/oder der Elektrolytüberspannung, damit eine Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Anode 1 vermieden wird. Die Größe(n) bzw. die jeweilige Summe der Größen, im Folgenden als Uch bezeichnet, muss durchgängig (etwa mittels eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs) berechnet werden.The cell voltage of the battery cell 6 must therefore be controlled by a corresponding locations of the charging current so that it is less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode material based on the electrochemical potential of the metal reference electrode, advantageously less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode material based on the electrochemical potential of Metal reference electrode plus at least one overvoltage, in the example of the reaction overvoltage at the cathode illustrated here 3 and / or the electrolyte overvoltage, thereby depositing metallic lithium on the surface of the anode 1 is avoided. The size (s) or the respective sum of the variables, hereinafter referred to as U ch , must be calculated continuously (for example by means of a control device of a motor vehicle).

Im Vergleich zur direkten Berechnung des Anodenpotentials ϕAn(x, t) (etwa mittels des erwähnten Steuergeräts) ist es von Vorteil, dass bei einer Unterschätzung der zu berechnenden Größen (Uch,berechnet < Uch,ist) die Regelung der Zellspannung auf Ucell(t) = Uch,berechnet(t) zu einem geringeren Ladestrom führt und Lithium-Plating somit ausgeschlossen wird. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn die Alterung der Batteriezelle 6 nicht nachgeführt werden kann. Eine Alterung einer Batteriezelle 6 führt tendenziell zu höheren Überspannungen, so dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei Alterung, also während der gesamten Lebensdauer der Batteriezelle 6 anwendbar bzw. gültig bleibt.In comparison to the direct calculation of the anode potential φ An (x, t) (for instance by means of the mentioned control device), it is advantageous that, when the quantities to be calculated (U ch, calculated <U ch, is ) are underestimated , the control of the cell voltage is up U cell (t) = U ch, calculated (t) leads to a lower charging current and thus lithium plating is excluded. This is especially helpful if the aging of the battery cell 6 can not be tracked. An aging of a battery cell 6 tends to lead to higher overvoltages, so that the method according to the present invention even with aging, ie during the entire life of the battery cell 6 applicable or remains valid.

Ein weiterer Vorteil speziell bei Lithium-Ionen-Zellen mit einer negativen porösen Graphitelektrode ist, dass die Modellierung der Diffusion in den Graphitpartikeln deutlich komplexer ist, als bei den gegenwertig auf der Kathodenseite verwendeten Mischoxiden. Somit kann ϕ + / 0(xpos, t) mit den vorhandenen Modellansätzen mit einer besseren Genauigkeit berechnet werden als das konzentrationsabhängige elektrochemische Potential der Anode ϕ – / 0(x, t) , das zur Berechnung des Anodenpotentials ϕAn(x, t) benötigt wird.Another advantage especially with lithium-ion cells with a negative porous graphite electrode is that the modeling of the diffusion in the graphite particles is much more complex than with the mixed oxides used on the cathode side. Thus, can φ + / 0 (x pos , t) be calculated with the existing model approaches with a better accuracy than the concentration-dependent electrochemical potential of the anode φ - / 0 (x, t) , which is needed to calculate the anode potential φ An (x, t).

2 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung 4 (einen Regelkreis 4) zur Durchführung des erfindungsmäßigen Verfahrens, wie es bspw. in einem Kraftfahrzeug für die Ladung einer Batteriezelle 6 verwendbar ist. 2 schematically shows an exemplary device 4 (a control loop 4 ) for carrying out the method according to the invention, such as, for example, in a motor vehicle for the charging of a battery cell 6 is usable.

Um andere Schädigungsmechanismen neben Lithium-Plating zu verhindern, wird eine maximale Zellspannung Umax vom Hersteller vorgegeben, die während einer Ladung der Batteriezelle 6 nicht überschritten werden darf. Aus diesem Grund muss im Fahrzeug das Minimum (min) zwischen dieser oberen Grenzspannung Umax und der vom Zellmodell 7 berechneten Größe Uch(t) gebildet werden. Das Ergebnis ist eine maximale Soll-Spannung. Die Differenz zur Ist-Zellspannung ist die Eingangsgröße für einen Regler 5, der als Ausgangssignal einen maximalen Ladestrom Imax als Stellgröße hat. Dieser Wert kann durch eine weitere Minimumbildung (min) reduziert werden, da der maximale Ladestrom Imax beispielsweise zur Vermeidung anderer Schädigungsmechanismen neben Lithium-Plating limitiert werden muss. Auch kann das Soll-Drehmoment des Antriebs zur Geschwindigkeitsreduktion, das etwa vom Energiemanagementsystem des Kraftfahrzeugs in einen Ladestrom umgerechnet wird, oder der maximale Ladestrom des Ladegeräts oder der Ladesäule limitieren. Das Ergebnis ist ein maximaler Ladestrom, mit dem die Batteriezelle 6 geladen werden kann, ohne dass es zu schädigendem Lithium-Plating kommt.In order to prevent other damage mechanisms in addition to lithium plating, a maximum cell voltage U max is specified by the manufacturer during a charge of the battery cell 6 may not be exceeded. For this reason, in the vehicle, the minimum (min) between this upper limit voltage U max and the cell model 7 calculated size U ch (t) are formed. The result is a maximum target voltage. The difference to the actual cell voltage is the input variable for a controller 5 , which has as output a maximum charging current I max as a manipulated variable. This value can be reduced by a further minimum formation (min), since the maximum charging current I max, for example, must be limited in addition to lithium plating in order to avoid other damage mechanisms. Also, the desired torque of the drive for speed reduction, which is about to be converted by the energy management system of the motor vehicle into a charging current, or limit the maximum charging current of the charger or the charging station. The result is a maximum charging current with which the battery cell 6 can be charged without damaging lithium plating.

Das Verfahren und die Vorrichtung 4 gemäß der vorliegenden Erfindung sind auch bei einer direkten Parallelschaltung von mehreren Batteriezellen 6 anwendbar. Im Zellmodell 7 müssen in diesem Fall lediglich die veränderten thermischen und elektrischen Randbedingungen angepasst werden. Die berechnete maximale Spannung Uch(t) gilt dann für den ganzen Verbund der parallelverschalteten Batteriezellen 6. Weiter ist es erforderlich, dass der Regler 5 auf die höhere Kapazität und den geringeren Innenwiderstand des parallelverschalteten Verbunds an Batteriezellen 6 eingestellt wird.The method and the device 4 according to the present invention are also in a direct parallel connection of multiple battery cells 6 applicable. In the cell model 7 In this case, only the changed thermal and electrical boundary conditions have to be adapted. The calculated maximum voltage U ch (t) then applies to the entire composite of parallel-connected battery cells 6 , Next it is necessary that the regulator 5 on the higher capacity and lower internal resistance of the parallel connection of battery cells 6 is set.

Werden mehrere einzelne Batteriezellen 6 oder mehrere parallelverschaltete Batteriezelleinheiten in Reihe verschaltet, muss für jede Batteriezelleneinheit separat eine maximale Spannung Uch(t) durch ein Zellmodell 7, wie oben beschrieben, berechnet werden. Der Regler 5 muss dann sicherstellen, dass von keiner Batteriezelleinheit die maximale Spannung durch einen zu hohen Ladestrom überschritten wird.Be several individual battery cells 6 or several series-connected battery cell units connected in series, must for each battery cell unit separately a maximum voltage U ch (t) by a cell model 7 , as described above. The regulator 5 must then ensure that no battery cell unit exceeds the maximum voltage due to an excessively high charging current.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 sowie dessen bzw. deren vorteilhafte Weiterbildungen sind bei allen Batteriezellen 6 mit einer Interkalationselektrode, in die Ionen beim Ladevorgang eingelagert werden, anwendbar.The method according to the invention and the device according to the invention 4 and its or their advantageous developments are in all battery cells 6 with an intercalation electrode, are stored in the ions during charging, applicable.

Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 sowie dessen bzw. deren vorteilhafte Weiterbildungen im automobilen Bereich, bei stationären Speichern, im Bereich der „Consumerelectronics”, im Bereich des Modellbaus oder sonstigen Bereichen an- bzw. verwendbar, in denen wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicherzellen (Akkumulatoren) zum Einsatz kommen.Also, the inventive method and apparatus of the invention 4 and its or their advantageous developments in the automotive field, in stationary storage, in the field of "Consumer Electronics", in the field of model making or other areas on or usable, in which rechargeable electrochemical energy storage cells (accumulators) are used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Anodeanode
22
Separatorseparator
33
Kathodecathode
44
Vorrichtungcontraption
55
Reglerregulator
66
Batteriezellebattery cell
77
Zellmodellcell model

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102016007479 A1 [0008, 0011, 0016, 0017, 0018] DE 102016007479 A1 [0008, 0011, 0016, 0017, 0018]

Claims (10)

Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) mit einer Anode (1) und einer Kathode (3), wobei während des Ladevorgangs ein elektrischer Ladestrom (I) in die Energiespeicherzelle (6) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart geregelt wird, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) ist, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode (1) zu vermeiden.Method for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) with an anode ( 1 ) and a cathode ( 3 ), wherein during the charging process, an electrical charging current (I) in the energy storage cell ( 6 ) is fed, characterized in that the electrical charging current (I) is controlled by means of a cell model such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) is an electrochemical reaction at the anode ( 1 ) to avoid. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart geregelt wird, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich der Summe (Uch(t)) ist, die gebildet wird aus dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) und wenigstens einem weiteren Summanden, der eine Überspannung darstellt, bevorzugt die Reaktionsüberspannung an der Kathode (η+(xpos, t)) und/oder die Elektrolytüberspannung (ηl(t)).A method according to claim 1, characterized in that the electrical charging current (I) is controlled by means of a cell model such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the sum (U ch (t)) that is formed from the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) and at least one other addend, which represents an overvoltage, preferably the reaction overvoltage at the cathode (η + (x pos , t)) and / or the electrolyte overvoltage (η l (t)). Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Eingangsgröße für das Zellmodell (7) ein Vektor mit wenigstens einer gemessenen Temperatur (T) der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6), optional mit an unterschiedlichen Stellen der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) gemessenen Temperatur (T) verwendet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that as an input to the cell model ( 7 ) a vector having at least one measured temperature (T) of the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ), optionally with at different locations of the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) measured temperature (T) is used. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zellmodell (7) eine Überspannung oder Überspannungen durch einen Offsetwert berücksichtigt wird/werden.Method according to claim 2 or 3, characterized in that by the cell model ( 7 ) an overvoltage or overvoltages are taken into account by an offset value. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potentials der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) oder der Summe (Uch(t)) unter Verwendung von wenigstens einem vereinfachenden Modellansatz erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) or the sum (U ch (t)) using at least one simplifying model approach. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ermittelt wird und zusätzlich ein empirisch oder simulativ ermittelter Parameter von der vom Zellmodell ermittelten Zellspannung subtrahiert wird, um einen Modellfehler des Zellmodells zu berücksichtigen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging current is determined according to one of claims 1 to 5 and additionally an empirically or simulatively determined parameter is subtracted from the cell voltage determined by the cell model to account for a model error of the cell model. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem verwendeten Zellmodell (7) eine Nachführung der Modellparameter über die Alterung der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) vorgenommen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the cell model used ( 7 ) a tracking of the model parameters via the aging of the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) is made. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – es mit einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) durchgeführt wird, die nur teilweise entladen ist; – es mit einer Lithium-Ionen-Energiespeicherzelle (6) durchgeführt wird; – es mit einer Lithium-Ionen-Energiespeicherzelle (6) mit einer Graphit-Anode (1) durchgeführt wird; – die Strom-, Temperatur- und Ladezustandsverteilung innerhalb der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) berücksichtigt werden; – die Alterung der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) durch eine Anpassung der alterungsabhängigen Modellparameter über die Betriebsdauer der wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) berücksichtigt wird; – es mit einer wiederaufladbaren Batterie mit parallel verschalteten, wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzellen (6) oder mit einer Reihenschaltung von einer oder mehreren parallel verschalteten wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzellen (6) durchgeführt wird, insbesondere mit einer Batterie mit Lithium-Ionen-Energiespeicherzellen (6), bevorzugt mit einer Batterie mit Lithium-Ionen-Energiespeicherzellen (6), die jeweils eine Graphit-Anode (1) enthalten.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it - with a rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) which is only partially unloaded; - it with a lithium-ion energy storage cell ( 6 ) is carried out; - it with a lithium-ion energy storage cell ( 6 ) with a graphite anode ( 1 ) is carried out; The current, temperature and charge state distribution within the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) are taken into account; - the aging of the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) by adapting the age-dependent model parameters over the operating life of the rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) is taken into account; - it with a rechargeable battery with parallel connected, rechargeable electrochemical energy storage cells ( 6 ) or with a series connection of one or more parallel-connected rechargeable electrochemical energy storage cells ( 6 ), in particular with a battery having lithium-ion energy storage cells ( 6 ), preferably with a battery having lithium-ion energy storage cells ( 6 ), each having a graphite anode ( 1 ) contain. Vorrichtung (4) zum Laden einer wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicherzelle (6) mit einer Anode (1) und einer Kathode (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) dazu eingerichtet ist, den Ladestrom (I) mittels eines Zellmodells derart zu regeln, dass die Zellspannung (Ucell(t)) kleiner oder gleich dem konzentrationsabhängigen elektrochemischen Potential der Kathode bezogen auf das elektrochemische Potential der Metallreferenzelektrode (ϕ + / 0(xpos, t) vs. Me/Men+) ist, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode (1) zu vermeiden.Contraption ( 4 ) for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell ( 6 ) with an anode ( 1 ) and a cathode ( 3 ), characterized in that the device ( 4 ) is adapted to control the charging current (I) by means of a cell model such that the cell voltage (U cell (t)) is less than or equal to the concentration-dependent electrochemical potential of the cathode based on the electrochemical potential of the metal reference electrode (φ + / 0 (x pos , t) vs. Me / Me n + ) is an electrochemical reaction at the anode ( 1 ) to avoid. Vorrichtung (4) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8 eingerichtet ist.Contraption ( 4 ) according to claim 9, characterized in that it is adapted to carry out a method according to one of claims 2 to 8.
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