DE102017005595A1 - Method and device for charging a rechargeable electrochemical energy storage cell - Google Patents
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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
- 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
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:
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
Alle Größen in der Anode
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
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:
Und somit für das Kriterium zur Vermeidung von Lithium-Plating:
Für die Zellspannung, die an den Klemmen der Batteriezelle
Das Kathodenpotential an der Grenzfläche Kathodenpartikel und Elektrolyt an der Position xpos berechnet sich zu:
Hierbei ist
Im Folgenden wird eine Elektrolytüberspannung ηl für die weitere Verwendung definiert:
Mit diesen Größen kann nun die Grundgleichung für die erfindungsmäßige Lösung zur Vermeidung von Lithium-Plating hergeleitet werden:
Da die elektrische Leitfähigkeit des Anodenmaterials hoch ist, ist der ohmsche Spannungsabfall über das Aktivmaterial der Anode
Daraus folgt, dass zur Vermeidung von Lithium-Plating gelten muss:
Die Zellspannung der Batteriezelle
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
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
Um andere Schädigungsmechanismen neben Lithium-Plating zu verhindern, wird eine maximale Zellspannung Umax vom Hersteller vorgegeben, die während einer Ladung der Batteriezelle
Das Verfahren und die Vorrichtung
Werden mehrere einzelne Batteriezellen
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
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
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