DE102018211956A1 - Energiespeichervorrichtung, verfahren zum betrieb einer energiespeichervorrichtung, batteriemodul und fahrzeug - Google Patents

Energiespeichervorrichtung, verfahren zum betrieb einer energiespeichervorrichtung, batteriemodul und fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug. Dabei weist die Energiespeichervorrichtung auf: eine elektrochemische Energiespeicherzelle, welche mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode aufweist, eine Referenzelektrode, welche in die Energiespeicherzelle integriert ist, eine Erfassungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Anode oder Kathode und der Referenzelektrode zu erfassen, eine Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Potentialdifferenz einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu ermitteln und/oder den Betrieb, insbesondere einen Lade- und/oder Entladevorgang, der Energiespeicherzelle zu steuern, und eine Stromquelle, welche dazu eingerichtet ist, die Referenzelektrode mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom zu beaufschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug.
  • Batterien zur Speicherung elektrischer Energie spielen in fast jedem Aspekt des täglichen Lebens eine große Rolle, zum Beispiel in Uhren, tragbaren Elektrogeräten und auf dem Gebiet der drahtlosen Telekommunikation. Von zentraler Bedeutung sind sie insbesondere im Bereich der sogenannten Elektromobilität, sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Besonders hierbei ist es von großer Bedeutung, den Betriebszustand der Batterien, beispielsweise den Ladezustand, genau ermitteln zu können.
  • Zum Bestimmen des Betriebszustandes der Batterien, insbesondere des Ladezustandes, werden verschiedene Methoden herangezogen, beispielsweise ein einfaches Abgleichen einer gemessenen Spannung mit einer bekannten Ladungs-Spannungskurve, eine direkte Messung der abgeflossenen Ladung durch Integration des bereits geflossenen Stroms oder ein Abgleich von integriertem Strom mit computergestützten Echtzeitberechnungen der im Betrieb auftretenden Überspannungspotentiale eines Batteriemodells.
  • Anstelle einer Messung des Spannungsabfalls zwischen Kathode und Anode der jeweiligen Energiespeicherzelle kann auch eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode oder Anode einerseits und einer in der Energiespeicherzelle zusätzlich integrierten Referenzelektrode andererseits erfasst und zur Ermittlung des jeweiligen Betriebszustands, insbesondere des Ladezustands, der Energiespeicherzelle und/oder zur Steuerung des Betriebs der Energiespeicherzelle herangezogen werden.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug anzugeben, bei welcher bzw. welchem eine besonders zuverlässige Bestimmung des Betriebszustandes und/oder Steuerung des Betriebs der Energiespeicherzelle möglich ist.
  • Diese Aufgabe wir durch eine Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weist auf: eine elektrochemische Energiespeicherzelle, welche mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode aufweist, eine Referenzelektrode, welche in die Energiespeicherzelle integriert ist, eine Erfassungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Anode oder Kathode und der Referenzelektrode zu erfassen, eine Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Potentialdifferenz einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu ermitteln und/oder den Betrieb, insbesondere einen Lade- und/oder Entladevorgang, der Energiespeicherzelle zu steuern, und eine Stromquelle, welche dazu eingerichtet ist, die Referenzelektrode mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom zu beaufschlagen.
  • Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist zwei oder mehrere miteinander verschaltete erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtungen auf.
  • Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, weist einen Elektroantrieb oder einen Hybridantrieb sowie mindestens eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung und/oder mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriemodul auf.
  • Bei einem Kraftfahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um ein nicht dauerhaft spurgeführtes Landfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, beispielsweise um einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibus oder ein Kraftrad.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung, welche eine elektrochemische Energiespeicherzelle mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode und eine in die Energiespeicherzelle integrierte Referenzelektrode aufweist, weist folgende Schritte auf: Erfassen einer Potentialdifferenz zwischen der Kathode oder Anode und der Referenzelektrode, Ermitteln eines Betriebszustands der Energiespeicherzelle und/oder Steuern des Betriebs, insbesondere eines Lade- und/oder Entladevorgangs, der Energiespeicherzelle anhand der erfassten Potentialdifferenz zwischen der Kathode bzw. Anode und der Referenzelektrode, und Beaufschlagen der Referenzelektrode mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom.
  • Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, eine in einer Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, integrierte Referenzelektrode mittels eines zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Stroms zu laden, so dass sich die Ladungsträger besonders homogen an und/oder in der Referenzelektrode anlagern bzw. einlagern. Da es sich bei den an- bzw. eingelagerten Ladungsträgern insbesondere um Lithium-Ionen handelt, kann hierbei auch von einer Lithiierung der Referenzelektrode gesprochen werden. Das elektrische Potential der Referenzelektrode ist dadurch, etwa im Vergleich zu einer Lithiierung mittels Gleichstrom, stabiler. Dementsprechend kann aus der Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Kathode oder Anode der Betriebszustand der Energiespeicherzelle mit höherer Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit ermittelt werden. Ferner kann die Referenzelektrode im Vergleich zu herkömmlichen Referenzelektroden, welche mit bisher bekannten Verfahren beladen bzw. lithiiert wurden, im Hinblick auf die speicherbare elektrische Ladungsmenge und/oder Größe kleiner dimensioniert werden, da diese in situ, d.h. in der Zelle, lithiiert und auch während des Betriebs der Zelle, gegebenenfalls mehrmals, nachlithiiert werden kann. Dadurch können ferner sog. Abschattungseffekte, die von größer dimensionierten Referenzelektroden ausgehen und Lade- bzw. Entladeprozesse an der Anode und/oder Kathode beeinflussen können, vermieden oder zumindest vermindert werden.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung damit eine besonders zuverlässige Bestimmung der Potentialdifferenz zwischen Anode bzw. Kathode und Referenzelektrode, wodurch eine besonders zuverlässige Bestimmung des Betriebszustandes und/oder Steuerung des Betriebs der Energiespeicherzelle ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise ist unter einem zeitlich veränderlichen Strom jedes Stromsignal zu verstehen, dessen Höhe, d.h. Stromstärke, und/oder Richtung, d.h. Polarität bzw. Stromrichtung, sich im zeitlichen Verlauf ändert.
  • Vorzugsweise ist unter einem gepulsten elektrischen Strom ein Stromsignal zu verstehen, welches eine Folge von Stromstößen gleicher oder entgegengesetzter Stromrichtung und/oder gleicher oder unterschiedlicher Höhe aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der elektrische Strom erste Strompulse, durch welche ein Laden der Referenzelektrode, insbesondere eine Anlagerung und/oder Einlagerung von Ladungsträgern an bzw. in der Referenzelektrode, bewirkt wird. Alternativ oder zusätzlich enthält der elektrische Strom zweite Strompulse, durch welche ein Entladen der Referenzelektrode, insbesondere eine Abgabe von Ladungsträgern von der Referenzelektrode, bewirkt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei den ersten Strompulsen um positive Strompulse und bei den zweiten Strompulsen um negative Strompulse. Vorzugsweise enthält der elektrische Strom die ersten und zweiten Strompulse in alternierender Reihenfolge, wobei einem ersten Strompuls ein zweiter Strompuls und einem zweiten Strompuls ein erster Strompuls usw. folgt. Während hierbei durch die ersten Strompulse eine Lithiierung der Referenzelektrode bewirkt wird, kann durch die zweiten Strompulse an bzw. in der Referenzelektrode an- und/oder eingelagertes Lithium wenigstens teilweise wieder aufgelöst werden (sog. Stripping).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromquelle dazu eingerichtet, während einer zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten Strompuls vorgesehenen Totzeit die Referenzelektrode mit im Wesentlichen keinem elektrischen Strom zu beaufschlagen, so dass eine strominduzierte An- oder Einlagerung bzw. Ablösung von Ladungsträgern nicht oder in einem vernachlässigbaren Umfang erfolgt. Während der Totzeit können die an und/oder in der Referenzelektrode an- bzw. eingelagerten Ladungsträger, insbesondere Lithium-Ionen, diffundieren und sich homogen über die Referenzelektrode verteilen. Die Ladungsträger können dadurch beim Entladen gleichmäßiger aufgelöst bzw. abgeschieden werden, was die Stabilität des Referenzelektrodenpotentials weiter verbessert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Strom durch eine periodische Pulsfolge von ersten und zweiten Strompulsen, gegebenenfalls einschließlich der zwischen ersten und zweiten Strompulsen liegenden Totzeit, gegeben, welche eine Periodendauer aufweist. Vorzugsweise beträgt die Dauer der ersten Pulse zwischen etwa 50 % und 90 % der Periodendauer. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dauer der zweiten Pulse zwischen etwa 5 % und 20 % der Periodendauer. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dauer der Totzeit zwischen etwa 5 % und 30 % der Periodendauer. Durch eine oder mehrere dieser Maßnahmen kann der Beladungs- bzw. Lithiierungsvorgang an der Referenzelektrode besonders effizient durchgeführt werden, so dass die Referenzelektrode über einen - im Vergleich zu herkömmlichen Referenzelektroden - längeren Zeitraum ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential aufweist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Pulsfolge mit einer Frequenz zwischen etwa 10 Hertz und 100 Hertz periodisch wiederholt und/oder beträgt die Periodendauer zwischen etwa 0,01 und 0,1 Sekunden. Bei Pulsfolgen mit diesen Frequenzen bzw. Periodendauern lässt sich ein besonders homogenes Plating bzw. Stripping der Ladungsträger, insbesondere Lithium-Ionen, an bzw. von der Referenzelektrode erreichen, wodurch deren Referenzpotential weiter stabilisiert wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Referenzelektrode zumindest eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem solchen Material: Nickel, Kupfer oder Stahl, wobei eine Abscheidung der Ladungsträger an der Referenzelektrode ermöglicht wird; Gold, Germanium, Zinn, Aluminium, Gallium oder Indium, wobei eine Legierungsbildung der Ladungsträger mit dem Material ermöglicht wird, Interkalationsmaterial, insbesondere Lithiumtitanat (LTO) oder Lithiumeisenphosphat (LFP), wobei eine Einlagerung von Ladungsträgern in der Referenzelektrode ermöglicht wird.
  • Als Stromquelle kann eine, zusätzlich zur Energiespeicherzelle, vorgesehene und entsprechend ansteuerbare und/oder schaltbare Stromquelle vorgesehen sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann aber auch bevorzugt sein, als Stromquelle bzw. Stromquellen die Energiespeicherzelle selbst zu nutzen und entsprechend zu schalten. Die Stromquelle weist dabei vorzugsweise auf: die Anode und einen ersten Schalter, welcher dazu eingerichtet ist, zwischen der Anode und der Referenzelektrode eine temporäre elektrische Verbindung herzustellen und wieder zu trennen, so dass die Referenzelektrode mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom beaufschlagt wird, und/oder die Kathode und einen zweiten Schalter, welcher dazu eingerichtet ist, zwischen der Kathode und der Referenzelektrode eine temporäre elektrische Verbindung herzustellen und wieder zu trennen, so dass die Referenzelektrode mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom beaufschlagt wird.
  • Vorzugsweise kann dem ersten Schalter ein erster Vorwiderstand und/oder dem zweiten Schalter ein zweiter Vorwiderstand vorgeschaltet sein, durch welchen bzw. welche die Höhe des jeweiligen Stroms, mit dem die Referenzelektrode beaufschlagt wird, begrenzt und/oder gezielt eingestellt werden kann.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
    • 1 ein Beispiel einer Energiespeichervorrichtung; und
    • 2 eine graphische Darstellung eines Beispiels des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Stroms, mit welchem eine Referenzelektrode beaufschlagt wird.
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Energiespeichervorrichtung 1. Diese weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle 2 mit einer Anode 3, einer Kathode 4 sowie einer Referenzelektrode 5 auf, welche jeweils über einen Stromabnehmer 9a, 9b, 9c aus der Energiespeicherzelle 2 herausgeführt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung weiterer Komponenten der Energiespeicherzelle 2, wie etwa eines Separators und eines Elektrolyten, verzichtet. Bei der Energiespeicherzelle 2 kann es sich um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln.
  • Ferner ist eine Erfassungseinrichtung 6 mit dem Stromabnehmer 9c der Referenzelektrode 5 sowie dem Stromabnehmer 9b der Kathode 4 elektrisch verbunden. Die Erfassungseinrichtung 6 ist dazu eingerichtet, eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode 4 und der Referenzelektrode 5 zu erfassen. Alternativ kann mit der Erfassungseinrichtung 6 auch eine Potentialdifferenz zwischen der Anode 3 und der Referenzelektrode 5 erfasst werden, wobei hierzu die Erfassungseinrichtung 6 mit dem Stromabnehmer 9c der Referenzelektrode 5 und dem Stromabnehmer 9a der Anode 3 entsprechend verbunden werden muss.
  • Darüber hinaus ist die Erfassungseinrichtung 6 mit einer Steuerungseinrichtung 7 verbunden, welche dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Potentialdifferenz den Betriebszustand, wie z.B. den Ladezustand, der Energiespeicherzelle 2 zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Steuerungseinrichtung 7 auch der Betrieb der Energiespeicherzelle 2 gesteuert werden, beispielsweise der Lade- und/oder Entladevorgang der Energiespeicherzelle 2. Die Steuerung der Energiespeicherzelle 2 erfolgt dabei im Wesentlichen in Abhängigkeit von der erfassten Potentialdifferenz zwischen Anode 3 und der Referenzelektrode 5 und/oder zwischen Kathode 4 und der Referenzelektrode 5 bzw. vom daraus ermittelten Betriebszustand der Energiespeicherzelle 2.
  • Die Energiespeichervorrichtung 1 weist des Weiteren eine steuerbare Stromquelle 8 auf, die im vorliegenden Beispiel mit dem Stromabnehmer 9a der Anode 3 einerseits und dem Stromabnehmer 9c der Referenzelektrode 5 andererseits elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ist, die Referenzelektrode 5 mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischem Strom zu beaufschlagen.
  • Anders als bei einer Beaufschlagung der Referenzelektrode 5 mit einem im Wesentlichen konstanten Strom bzw. Gleichstrom können sich bei der Beaufschlagung mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, Strom Ladungsträger, wie etwa Lithium-Ionen, besonders homogen an bzw. in der Referenzelektrode 5 an- bzw. einlagern. Dabei wird eine Referenzelektrode 5 mit einem besonders stabilen elektrischen Potential erhalten, so dass die zur Ermittlung des Betriebszustands bzw. Steuerung der Zelle 2 herangezogene Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 5 und der Anode 3 bzw. Kathode 4 besonders genau und zuverlässig bestimmt werden kann. Dementsprechend kann auch der Betriebszustand der Energiespeicherzelle 2 zuverlässiger bestimmt und deren Betrieb genauer gesteuert werden.
  • Falls die Referenzelektrode 5 z.B. Nickel, Kupfer und/oder Stahl aufweist bzw. aus zumindest einem dieser Materialien besteht, kommt es zu einer homogenen Abscheidung, welche auch als Plating bezeichnet wird, der Ladungsträger an der Referenzelektrode 5.
  • Falls die Referenzelektrode 5 z.B. Gold, Germanium, Zinn, Aluminium, Gallium und/oder Indium aufweist bzw. aus zumindest einem dieser Materialien besteht, erfolgt dagegen eine Legierungsbildung, bei der ebenfalls eine gleichmäßigere Lithiierung an bzw. in der Referenzelektrode 5 ermöglicht wird.
  • Ferner kann die Referenzelektrode 5 auch wenigstens ein Interkalationsmaterial, welches in allgemein bekannten Anoden und/oder Kathoden bereits Verwendung findet, aufweisen oder aus diesem bestehen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Lithiumtitanat (LTO) oder auch Lithiumeisenphosphat (LFP).
  • 2 zeigt eine graphische Darstellung eines Beispiels des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Stroms I, mit welchem die Referenzelektrode 5 (siehe 1) beaufschlagt wird.
  • Der dargestellte zeitliche Verlauf des Stroms i, welcher beispielsweise von der Stromquelle 8, wie in 1 ersichtlich, erzeugt wird, weist im vorliegenden Beispiel erste Strompulse mit positivem Vorzeichen und zweite Strompulse mit negativem Vorzeichen auf. Die ersten und zweiten Strompulse alternieren, d.h. sie wechseln sich ab, wobei auf einen ersten Strompuls ein zweiter Strompuls, und auf diesen wiederum ein erster Strompuls usw. folgt.
  • Im vorliegenden Beispiel ist jeweils zwischen einem zweiten Strompuls mit negativem Vorzeichen und dem jeweils folgenden ersten Strompuls mit positivem Vorzeichen zusätzlich ein stromloses Zeitintervall vorgesehen, welches als Totzeit tz bezeichnet werden kann. Während der Totzeit(en) tz können die Ladungsträger, welche sich an bzw. in der Referenzelektrode 5 angereichert haben, diffundieren und sich homogen an bzw. in der Referenzelektrode 5 verteilen. Die Verwendung einer Totzeit tz ist jedoch nicht zwingend notwendig.
  • Im vorliegenden Beispiel haben die ersten und zweiten Strompulse einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf. In der Praxis kann von dem dargestellten idealisierten zeitlichen Verlauf des Stroms I jedoch aufgrund von bauteilbedingten Grenzen bei der Erzeugung eines solchen Stromverlaufs abgewichen werden, sodass die Referenzelektrode 5 beispielsweise mit lediglich einem annähernd rechteckigen oder einem sinusähnlichen Stromverlauf der ersten und zweiten Strompulse, insbesondere inklusive etwaiger Totzeiten, welche wenigstens annähernd stromlos sind, beaufschlagt wird.
  • Die ersten Strompulse sind in dieser graphischen Darstellung positive Ströme, welche für eine Zeitdauer tp eine Stromstärke von Ip aufweisen. Dagegen sind die zweiten Strompulse negative Ströme, welche während einer Zeitdauer tn eine Stromstärke von In aufweisen.
  • Vorzugsweise dienen die ersten Strompulse zum wenigstens teilweisen Laden der Referenzelektrode 5, bei welchem sich die Ladungsträger an bzw. in der Referenzelektrode 5 an- bzw. einlagern. Dagegen dienen die zweiten Strompulse zum wenigstens teilweisen Entladen der Referenzelektrode 5, bei welchem Ladungsträger von der Referenzelektrode 5 an den Elektrolyten abgegeben werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Ladungsträgern um Lithium-Ionen.
  • Grundsätzlich können die ersten und zweiten Strompulse gleiche oder aber auch verschiedene zeitliche Längen und/oder Gleichrichtwerte aufweisen. Dies hängt insbesondere von der Wahl des Materials ab, aus welchem die Referenzelektrode 5 wenigstens teilweise besteht.
  • Im dargestellten Beispiel weist der zeitliche Verlauf des Stroms I eine periodische Pulsfolge aus ersten und zweiten Strompulsen, insbesondere einschließlich der Totzeiten). Die Periodendauer der Pulsfolge ergibt sich aus der Summe der Dauer tp der ersten Strompulse, der Dauer tn der zweiten Strompulse und der Totzeit tz.
  • Vorzugsweise beträgt die Dauer tp der ersten Strompulse etwa 50 % bis 90 % und die Dauer tn der zweiten Strompulse etwa 5 % bis 20 % der Periodendauer. Vorzugsweise betragt die Dauer tz der Totzeit, sofern diese vorhanden ist, etwa 5 % bis 30 % der Periodendauer. Referenzelektroden 5 können besonders stabil ausgebildet werden, wenn die Pulsfolge mit einer Frequenz von etwa 10 Hz bis 100 Hz periodisch wiederholt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der in 1 gezeigten zusätzlichen Stromquelle 8, kann als Stromquelle die Energiespeicherzelle 2 selbst genutzt werden. Dabei kann die Anode 3 über einen entsprechend ansteuerbaren ersten Schalter 3a temporär mit der Referenzelektrode 5 verbunden und wieder getrennt werden. Zur Begrenzung des dabei fließenden Stroms kann dem ersten Schalter 3a ein erster Vorwiderstand 3b vorgeschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kathode 4 über einen entsprechend ansteuerbaren zweiten Schalter 4a temporär mit der Referenzelektrode 5 verbunden und wieder getrennt werden. Zur Begrenzung des dabei fließenden Stroms kann dem zweiten Schalter 4a ein zweiter Vorwiderstand 4b vorgeschaltet sein. Diese Ausführungsbeispiele sind in 1 gestrichelt dargestellt.
  • Die Anwendbarkeit dieser Ausführungsbeispiele hängt von der vorgesehenen Referenzelektrode 5 ab. Während hierbei z.B. ein Plating von Lithium auf Kupfer nicht möglich wäre, ist eine Lithiierung einer Gold-Elektrode möglich, wobei dann einfach der erste Schalter 3a in einem Pulsmuster geschlossen bzw. geöffnet wird. Ohne den zweiten Schalter 4a würde dann jedoch der negative Strom entfallen. Durch die Verwendung des zweiten Schalters 4a gegenüber der Kathode 4 kann dagegen ein negativer Strom gestellt werden. Die Ströme wären dann abhängig von der aktuellen Potentiallage der Anode 3 bzw. Kathode 4. Vorzugsweise ist das Potential der Referenzelektrode 5 so eingestellt, dass es zwischen den Halbzellenspannungen von Anode 3 und Kathode 4 liegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Energiespeichervorrichtung
    2
    Energiespeicherzelle
    3
    Anode
    3a
    erster Schalter
    3b
    erster Vorwiderstand
    4
    Kathode
    4a
    zweiter Schalter
    4b
    zweiter Vorwiderstand
    5
    Referenzelektrode
    6
    Erfassungseinrichtung
    7
    Steuerungsvorrichtung
    8
    Stromquelle
    9a, 9b, 9c
    Stromabnehmer
    I
    Strom
    Ip
    Stromstärke (erste Strompulse)
    In
    Stromstärke (zweite Strompulse)
    tp
    Dauer (erste Strompulse)
    tn
    Dauer (zweite Strompulse)
    tZ
    Totzeit

Claims (15)

  1. Energiespeichervorrichtung (1) mit - einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (2), welche mindestens eine Anode (3) und mindestens eine Kathode (4) aufweist, - einer Referenzelektrode (5), welche in die Energiespeicherzelle (2) integriert ist, - einer Erfassungseinrichtung (6), welche dazu eingerichtet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Anode (3) oder Kathode (4) und der Referenzelektrode (5) zu erfassen, - einer Steuerungseinrichtung (7), welche dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Potentialdifferenz einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle (2) zu ermitteln und/oder den Betrieb, insbesondere einen Lade- und/oder Entladevorgang, der Energiespeicherzelle (2) zu steuern, und - einer Stromquelle (8; 3, 3a, 3b; 4, 4a, 4b), welche dazu eingerichtet ist, die Referenzelektrode (5) mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom zu beaufschlagen.
  2. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Strom erste Strompulse enthält, durch welche ein Laden der Referenzelektrode (5), insbesondere eine Anlagerung und/oder Einlagerung von Ladungsträgern an bzw. in der Referenzelektrode (5), bewirkt wird.
  3. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der elektrische Strom zweite Strompulse enthält, durch welche ein Entladen der Referenzelektrode (5), insbesondere eine Abgabe von Ladungsträgern von der Referenzelektrode (5), bewirkt wird.
  4. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 2 und 3, wobei der elektrische Strom die ersten und zweiten Strompulse in alternierender Reihenfolge enthält, wobei einem ersten Strompuls ein zweiter Strompuls und einem zweiten Strompuls ein erster Strompuls folgt.
  5. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Stromquelle (8; 3, 3a, 3b; 4, 4a, 4b) dazu eingerichtet ist, während einer zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten Strompuls vorgesehenen Totzeit die Referenzelektrode (5) mit im Wesentlichen keinem elektrischen Strom zu beaufschlagen.
  6. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der elektrische Strom durch eine periodische Pulsfolge von ersten und zweiten Strompulsen, gegebenenfalls einschließlich der zwischen ersten und zweiten Strompulsen liegenden Totzeit, gegeben ist, welche eine Periodendauer aufweist.
  7. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Dauer der ersten Pulse zwischen etwa 50 % und 90 % der Periodendauer beträgt.
  8. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Dauer der zweiten Pulse zwischen etwa 5 % und 20 % der Periodendauer beträgt.
  9. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Dauer der Totzeit zwischen etwa 5 % und 30 % der Periodendauer beträgt.
  10. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Pulsfolge mit einer Frequenz zwischen etwa 10 Hertz und 100 Hertz periodisch wiederholt wird und/oder die Periodendauer zwischen etwa 0,01 und 0,1 Sekunden beträgt.
  11. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzelektrode (5) zumindest eines der folgenden Materialien aufweist oder aus einem solchen Material besteht: - Nickel, Kupfer oder Stahl, wobei eine Abscheidung der Ladungsträger an der Referenzelektrode (5) ermöglicht wird, - Gold, Germanium, Zinn, Aluminium, Gallium oder Indium, wobei eine Legierungsbildung der Ladungsträger mit dem Material ermöglicht wird, - Interkalationsmaterial, insbesondere Lithiumtitanat (LTO) oder Lithiumeisenphosphat (LFP), wobei eine Einlagerung von Ladungsträgern in der Referenzelektrode (5) ermöglicht wird.
  12. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle (3, 3a, 3b; 4, 4a, 4b) aufweist: - die Anode (3) und einen ersten Schalter (3a), welcher dazu eingerichtet ist, zwischen der Anode (3) und der Referenzelektrode (5) eine temporäre elektrische Verbindung herzustellen und wieder zu trennen, so dass die Referenzelektrode (5) mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom beaufschlagt wird, und/oder - die Kathode (4) und einen zweiten Schalter (4a), welcher dazu eingerichtet ist, zwischen der Kathode (4) und der Referenzelektrode (5) eine temporäre elektrische Verbindung herzustellen und wieder zu trennen, so dass die Referenzelektrode (5) mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom beaufschlagt wird.
  13. Batteriemodul mit zwei oder mehreren miteinander verschalteten Energiespeichervorrichtungen (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  14. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Hybrid- oder Elektroantrieb und mindestens einem Batteriemodul nach dem vorangehenden Anspruch.
  15. Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung (1), welche eine elektrochemische Energiespeicherzelle (2) mit mindestens einer Kathode (4) und mindestens einer Anode (3) und eine in die Energiespeicherzelle (2) integrierte Referenzelektrode (5) aufweist, bei welchem - eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode (4) oder Anode (3) und der Referenzelektrode (5) erfasst wird, - anhand der erfassten Potentialdifferenz zwischen der Kathode (4) bzw. Anode (3) und der Referenzelektrode (5) ein Betriebszustand der Energiespeicherzelle (1) ermittelt und/oder der Betrieb, insbesondere ein Lade- und/oder Entladevorgang, der Energiespeicherzelle (1) gesteuert wird, und - die Referenzelektrode (5) mit einem zeitlich veränderlichen, insbesondere gepulsten, elektrischen Strom beaufschlagt wird.
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