DE102019105471A1

DE102019105471A1 - Verfahren zum schnellladen von batterien

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Publication number: DE102019105471A1
Application number: DE102019105471.0A
Authority: DE
Inventors: Ciro A. Spigno; Brian J. Koch; Ryan B. MOULLIET
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110247101A; CN110247101B; US20190280345A1; US10446883B2

Abstract

Verfahren zum Schnellladen von Batteriepacks mit mindestens einer Lithium-Batteriezelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Referenzelektrode (RE), umfassend das Laden der Batterie in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms, anschließendes Laden der Batterie in einer zweiten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf ein von einem RE bestimmtes Anodenpotential (AP), um das AP auf oder über einem AP-Schwellenwert zu halten, und anschließendes Laden der Batterie in einer dritten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf das durch das RE bestimmte Kathodenpotenzial (CP), sodass das CP maximiert wird, ohne den Schwellenwert des Kathodenpotentials zu überschreiten. Eine Steuerung kann das Anoden- oder Kathodenpotential in Echtzeit unter Verwendung eines Zellpotentialsignals und eines Kathoden-RE-Signals bzw. eines Anoden-RE-Signals bestimmen. Der AP-Schwellenwert ist der AP-Wert, oberhalb dessen im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung stattfindet.

Description

HINTERGRUND
Lithium-Ionenbatterien beschreiben eine Klasse von wiederaufladbaren Batterien, in denen Lithium-Ionen sich zwischen einer negativen Elektrode (d. h. Anode) und der positiven Elektrode (d. h. Kathode) bewegen. Flüssige und Polymer-Elektrolyte können die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode erleichtern. Lithium-Ionenbatterien erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Fähigkeit aufeinanderfolgende Auflade- und Entladezyklen zu durchlaufen, für den Einsatz in Verteidigungs-, Automobil-, und Raumfahrtanwendungen immer größerer Beliebtheit.
Lithium-basierte Batterien finden zunehmende Verwendung beim Antrieb von Elektromotoren und anderen Vorrichtungen in Kraftfahrzeugen und beim Antrieb anderer Verbrauchervorrichtungen. Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiekapazität werden zur Verwendung beim Antrieb von Elektromotoren zum Antreiben der Räder eines Automobils benötigt, und bei vielen derartigen Anwendungen wird eine Lithium-Ionen-Batterie mit mehreren Zellen und hoher Spannung verwendet. Die Verwendung solcher Batterien in solchen Anwendungen erfordert, dass die elektrochemischen Zellen der Batterie kontinuierlich entladen und wieder aufgeladen werden.
KURZDARSTELLUNG
Es sind Verfahren zum Schnellladen von Batteriepacks vorgesehen. Das Batteriepack kann mindestens eine Batteriezelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Referenzelektrode beinhalten. Das Verfahren beinhaltet das Laden des Batteriepacks in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms, bis das von der Referenzelektrode bestimmte Anodenpotential im Wesentlichen einen Anodenpotential-Mindestschwellenwert erreicht, und anschließend das Laden des Batteriepacks in einer zweiten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf das bestimmte Anodenpotential, sodass das Anodenpotenzial minimiert wird, ohne unter den Anodenpotential-Schwellenwert zu fallen, und als Reaktion auf das Kathodenpotential, das im Wesentlichen einen maximalen Kathodenpotential-Schwellenwert erreicht, nachträgliches Laden des Batteriepacks in einer dritten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf das von der Referenzelektrode bestimmte Kathodenpotential, sodass das Kathodenpotential maximiert wird, ohne den Kathodenpotential-Schwellenwert zu überschreiten. Das Verfahren kann ferner das Beenden des Ladevorgangs des Batteriepacks beinhalten, wenn eines oder mehrere der Batteriepacks einen ausreichenden Ladezustand erreicht haben, mindestens eine Batteriezelle des Batteriepacks ein maximales Zellenpotential erreicht hat oder der Ladestrom einen Minimalwert erreicht. Die Referenzelektrode kann so angeordnet werden, dass ein Elektrolytweg zwischen der Referenzelektrode und der Kathode oder der Anode hergestellt wird. Die Kathode kann über eine Schaltung elektrisch mit der Anode verbunden werden, und ein lithiumionenhaltiger Elektrolyt kann mit der Anode und der Kathode in Kontakt stehen, wobei das Batteriepack durch Gleichstrom von einer Stromversorgung zur Schaltung geladen werden kann. Der Kathodenpotential-Schwellenwert kann das Potential sein, oberhalb dessen der Elektrolyt der mindestens einen Batteriezelle beginnt, irreversibel zu oxidieren. Der Anodenpotential-Schwellenwert kann ein Anodenpotential sein, oberhalb dessen während des Ladevorgangs im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung stattfindet. Der minimale Anodenpotential-Schwellenwert des Batteriepacks kann unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierbatteriezellen bestimmt werden, die für die mindestens eine Batteriezelle des Batteriepacks charakteristisch sind, indem zuerst die eine oder die mehreren Kalibrierbatteriezellen wie vorstehend beschrieben geladen werden und der Ladestrom während einer oder mehrerer der zweiten Phase oder der dritten Phase gemessen wird, die Ableitung des gemessenen Ladestroms zeitlich bestimmt wird und die abgeleiteten Daten über die zweite Phase und/oder die dritte Phase untersucht werden, um zu bestimmen, ob die abgeleiteten Daten eine glatte Kurve oder eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität aufweisen. Eine glatte Kurve kann das Fehlen einer Lithiumbeschichtung und eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung anzeigen. Zweitens kann das beschriebene Batteriepack-Ladeverfahren iterativ mit einem höheren Anodenpotential-Testschwellenwert als die vorherige Iteration implementiert werden, wenn die Lithiumbeschichtung während der vorherigen Iteration stattgefunden hat, oder mit einem niedrigeren Anodenpotential-Schwellenwert als die vorherige Iteration, wenn während der vorherigen Iteration keine Lithiumbeschichtung stattgefunden hat. Drittens kann der niedrigste Anodenpotential-Testschwellenwert, der im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung aufweist, als Anodenpotential-Schwellenwert ausgewählt werden. Der minimale Anodenpotential-Schwellenwert des Batteriepacks kann ferner bestimmt werden, indem die Ableitung des gemessenen Potenzials in Bezug auf Zeit oder Ladung bestimmt und die abgeleiteten Daten über die erste Phase und/oder die dritte Phase untersucht werden. Das gemessene Potential einer Kennlinie des Batteriepacks kann ein oder mehrere des Anodenpotentials, des Kathodenpotentials und/oder des Zellpotentials von mindestens einer Batteriezelle des Batteriepack sein.
Es sind weitere Verfahren zum Schnellladen von Batteriepacks vorgesehen. Das Batteriepack kann mindestens eine Batteriezelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Referenzelektrode beinhalten. Das Verfahren beinhaltet das Laden des Batteriepacks in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms, das anschließende Laden des Batteriepacks in einer zweiten Phase, sodass das Anodenpotential minimiert wird, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten, und das anschließende Laden des Batteriepacks in einer dritten Phase, sodass das Kathodenpotential maximiert wird, jedoch ohne einen Kathodenpotential-Schwellenwert zu überschreiten. Das Verfahren kann ferner das Beenden des Ladevorgangs des Batteriepacks beinhalten, wenn eine oder mehrere der mindestens einen Batteriezellen einen ausreichenden Ladezustand erreicht haben, das Batteriepack ein maximales Zellpotential erreicht hat oder der Ladestrom einen Minimalwert erreicht. Ein maximaler Ladestrom kann durch die Einschränkungen der Batteriepack-Hardware und/oder der externen Ladehardware bestimmt werden. Die Referenzelektrode kann so angeordnet werden, dass ein Elektrolytweg zwischen der Kathode oder der Anode hergestellt wird. Die erste Phase kann enden, wenn das Anodenpotential im Wesentlichen einen Mindestschwellenwert für das Anodenpotential erreicht. Die zweite Phase kann enden, wenn das Kathodenpotential im Wesentlichen den Schwellenwert für das Kathodenpotential erreicht. Der Anodenpotential-Schwellenwert kann das Anodenpotential sein, unterhalb dessen während des Ladevorgangs im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung stattfindet. Die Referenzelektrode kann eine Anodenreferenzelektrode sein, und das Anodenpotential kann über eine Messung an der Anodenreferenzelektrode bestimmt werden, und das Kathodenpotential kann durch Aufaddieren der Messung an der Anodenreferenzelektrode zu einem gemessenen Zellpotenzial bestimmt werden. Die Referenzelektrode kann eine Kathodenreferenzelektrode sein, und das Kathodenpotential kann über eine Messung an der Kathodenreferenzelektrode bestimmt werden, und das Anodenpotential kann durch Subtrahieren eines gemessenen Zellpotentials von der Messung an der Kathodenreferenzelektrode bestimmt werden. Der minimale Anodenpotential-Schwellenwert des Batteriepacks kann unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierbatteriezellen bestimmt werden, die für die mindestens eine Batteriezelle des Batteriepacks charakteristisch sind, indem zuerst die eine oder die mehreren Kalibrierbatteriezellen wie vorstehend beschrieben geladen werden und der Ladestrom während einer oder mehrerer der zweiten Phase oder der dritten Phase gemessen wird, die Ableitung des gemessenen Ladestroms zeitlich bestimmt wird und die abgeleiteten Daten über die zweite Phase und/oder die dritte Phase untersucht werden, um zu bestimmen, ob die abgeleiteten Daten eine glatte Kurve oder eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität aufweisen. Eine glatte Kurve kann das Fehlen einer Lithiumbeschichtung und eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung anzeigen. Zweitens kann das beschriebene Batterie-Ladeverfahren iterativ mit einem höheren Anodenpotential-Testschwellenwert als die vorherige Iteration implementiert werden, wenn die Lithiumbeschichtung während der vorherigen Iteration stattgefunden hat, oder mit einem niedrigeren Anodenpotential-Schwellenwert als die vorherige Iteration, wenn während der vorherigen Iteration keine Lithiumbeschichtung stattgefunden hat. Der minimale Anodenpotential-Schwellenwert des Batteriepacks kann ferner bestimmt werden, indem die Ableitung des gemessenen Potenzials in Bezug auf Zeit oder Ladung bestimmt und die abgeleiteten Daten über die erste Phase und/oder die dritte Phase untersucht werden.
Obwohl viele Ausführungsformen in Bezug auf Lithium-Batterien und drahtgebundene Ladesysteme beschrieben werden, sind Batterien verschiedener Chemikalien, die durch drahtgebundene und nicht drahtgebundene Systeme geladen werden, für die Offenlegung hierin von Bedeutung. Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine Lithium-Batteriezelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 veranschaulicht einen schematischen Aufbau des Systems zum Laden eines Batteriepacks gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4 veranschaulicht ein Verfahren zur Schnellladung einer Lithium-Batterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
5 veranschaulicht ein Schaubild der Daten der Lithium-Batterie, die während der Schnellladung der Batterie gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen gesammelt wurden;
6 veranschaulicht ein Verfahren zum Bestimmen, ob die Lithiumbeschichtung während des Ladevorgangs einer Lithium-Batterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erfolgt;
7 veranschaulicht ein Schaubild der Daten der Lithium-Batterie, die während der Schnellladung der Batterie gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen gesammelt wurden;
8 veranschaulicht ein Schaubild der Daten der Lithium-Batterie, die während der Schnellladung der Batterie gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen gesammelt wurden;
9 veranschaulicht ein Schaubild der Daten der Lithium-Batterie, die während der Schnellladung der Batterie gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen gesammelt wurden;

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
1 veranschaulicht eine Lithium-Batteriezelle 7, die eine negative Elektrode (d. h. die Anode) 11, eine positive Elektrode (d. h. die Kathode) 14, einen Elektrolyten 17, der operativ zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 angeordnet ist, und einen Separator 18 umfasst. Die Anode 11, Kathode 14 und der Elektrolyt 17 kann im Behälter 19 eingeschlossen sein, bei dem es sich zum Beispiel um einen harten (z. B metallischen) Kasten oder eine weiche (z. B. Polymer) Tasche handeln kann. Die Anode 11 und die Kathode 14 befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Separators 18, der ein mikroporöses Polymer oder ein anderes geeignetes Material umfassen kann, welches in der Lage ist, Lithium-Ionen und gegebenenfalls auch Elektrolyte (z. B. flüssige Elektrolyte) zu leiten. Der Elektrolyt 17 kann einen Festelektrolyten (z. B. ein Polymer), einen flüssigen Elektrolyten oder andere geeignete Elektrolyte umfassen. Flüssige Elektrolyten 17 können unter anderem auch LiPF6, LiBF4 und LiClO4 umfassen, die in einem nicht wässrigen Lösungsmittel aufgelöst sind. Polymer-Elektrolyte 17 können ein oder mehrere Polymere beinhalten, wie beispielsweise Polyethylenoxid (PEO) oder Polyacrylnitril. Festelektrolyte können Alkali-Ionen-Festelektrolyte umfassen, wie beispielsweise diejenigen, die unter anderem ein oder mehrere Lithiumsalze (z. B. LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSICON oder LiPON) beinhalten.
Die Anode 11 beinhaltet im Allgemeinen einen Stromkollektor 12 und ein darauf aufgetragenes Lithium-Einlagerungswirtsmaterial 13. Die Kathode 14 beinhaltet im Allgemeinen einen Stromkollektor 15 und ein darauf aufgetragenes lithiumbasiertes aktives Material 16. In einem Beispiel umfasst Anode 11 Lithium. In einer Ausführungsform umfasst Anode 11 Lithium und Kathode 14 umfasst Schwefel. Das aktive Material 16 kann Lithium-Ionen zum Beispiel bei einem höheren elektrischen Potenzial als das Einlagerungswirtsmaterial 13 speichern. Die den zwei Elektroden zugeordneten Stromkollektoren 12 und 15 sind elektrisch durch eine externe Schaltung A (z. B. eine unterbrechbare Schaltung) verbunden, die den Fluss von elektrischem Strom zwischen den Elektroden ermöglicht, um die Migration der Lithium-Ionen elektrisch auszubalancieren. Obwohl 1 das Wirtsmaterial 13 und das aktive Material 16 der Übersichtlichkeit halber auf schematische Art und Weise veranschaulicht, können das Wirtsmaterial 13 und das aktive Material 16 eine jeweils exklusive Schnittstelle zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 und den Elektrolyt 17 umfassen.
Das Wirtsmaterial 13 kann jedes Lithium-Wirtsmaterial beinhalten, das die Interkalation, Deinterkalation und die Legierung von Lithium-Ionen ausreichend unterstützt und dabei als negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie 6 fungiert. Das Wirtsmaterial 13 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das Lithium-Wirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Zum Beispiel kann das Wirtsmaterial 13 in einer Ausführungsform Graphit beinhalten, welches mit einem oder mehreren aus Polyvinyldienfluorid (PVdF), einem Ethylenpropylendienmonomer (EPDM)-Gummi, Carboxymethoxylcellulose (CMC), und Styren, 1,3-Butadienpolymer (SBR) vermischt ist. Graphit und kohlenstoffhaltige Materialien werden zur Bildung der negativen Elektrode gern verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen aufweist, relativ nicht-reaktiv ist und Lithium-Ionen in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Andere Materialien können auch verwendet werden, um das Wirtsmaterial 13 auszubilden, zum Beispiel unter anderem auch eines oder mehrere aus Lithiumtitanat, Silizium, Siliziumoxid, Zinn und Zinnoxid. Der Stromkollektor 12 der Anode kann unter anderem auch Kupfer, Aluminium, rostfreien Stahl und sonstige geeignete elektrisch leitende Materialien, die Fachleuten bekannt sind, beinhalten. Der Stromkollektor 12 der Anode kann mit elektrisch hochleitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden. Dazu gehört unter anderem auch eines oder mehrere aus leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphen und Vapor Growth Carbon Fiber (VGCF).
Das aktive Material 16 kann jedes lithiumbasierte aktive Material beinhalten, welches in ausreichendem Maße in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und Deinterkalation unterzogen zu werden während es als der positive Elektrode der Batteriezelle 7 fungiert. Das aktive Material 16 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das aktive Material auf Lithiumbasis strukturell zusammenzuhalten. Eine gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die zur Herstellung des aktiven Materials 16 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetall-Oxide. In verschiedenen Ausführungsformen kann das aktive Material 16 zum Beispiel ein oder mehrere aus den Folgenden umfassen: Spinel-Lithium-Manganoxid (LiMn204), Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), ein Nickel-Mangan-Cobaltoxid [Li(NixMnyCoz)O2], oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F) welches mit mindestens einem aus dem Folgenden vermischt ist: Polyvinyl-Dien-Fluorid (PVdF), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxy-Methoxyl-Cellulose (CMC), und Styren, 1,3-Buta-Dien-Polymer (SBR). Andere aktive Materialien auf der Basis von Lithium können ebenfalls verwendet werden. Diese alternativen Materialien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Lithium-Nickeloxid (LiNi02), Lithium-Aluminium-Manganoxid (LixAlyMn1-yO2) und Lithium-Vanadiumoxid (LiV205), um nur einige zu nennen. Der Stromkollektor 15 der Kathode kann Aluminium oder jedes andere geeignete elektrisch leitende Material beinhalten, das Fachleuten bekannt ist, und in einer Folie und einer Gitterform ausgebildet werden kann. Der Stromkollektor 15 der Kathode kann mit elektrisch hochleitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden. Dazu gehört unter anderem auch eines oder mehrere aus leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphen und Vapor Growth Carbon Fiber (VGCF).
Jede entsprechende Elektrolytlösung, die Lithium-Ionen zwischen der Anode 11 von der Kathode 14 leiten kann, kann in der Batteriezelle 7 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung eine nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln beinhaltet. Fachleuten sind die vielen nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösungen geläufig, die in der Batteriezelle 7 verwendet werden können, ebenso wie sie herzustellen und im Handel zu erwerben sind. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3S03, LiN(CF3SO2)2, LiPF6 und Kombinationen davon. Diese und ähnliche Lithiumsalze können unter anderem in einer Reihe von organischen Lösungsmitteln verwendet werden, beispielsweise: zyklischen Karbonaten (Ethylenkarbonat, Propylenkarbonat, Butylenkarbonat), azyklische Karbonaten (Dimethylkarbonat, Diethylkarbonat, Ethylmethylkarbonat), aliphatischen Karbonsäureestern (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactonen (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturethern (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklischen Ethern (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Mischungen aus diesen.
Der mikroporöse, polymere Separator 18 kann in einer Ausführungsform ein Polyolefin umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. In einer Ausführungsform kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder einer Mischung aus PE und PP sein. Der Separator 18 kann optional neben anderen mit Materialien, die ein oder mehrere von einem keramikartigen Aluminiumoxid (z. B. Al2O3) und lithiierten zeolithartigen Oxiden beinhalten, keramikbeschichtet werden. Lithiierte zeolithartige Oxide können die Sicherheit und Lebensdauer von Lithium-Ionenbatterien, wie der Batteriezelle 7, verbessern.
Der mikroporöse Polymerseparator 18 kann eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat aus entweder einem trockenen oder nassen Verfahren sein. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins die Gesamtheit des mikroporösen Polymerseparators 18 bilden. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 18 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse polymere Separator 18 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder ein Polyamid (Nylon). Die Schicht aus Polyolefin und beliebige andere gegebenenfalls vorhandene Polymerschichten können außerdem im mikroporösen polymeren Separator 18 als eine faserige Schicht enthalten sein, um den mikroporösen polymeren Separator 18 mit geeigneten Struktur- und Porositätscharakteristika auszustatten. Fachleuten auf dem Gebiet sind nicht nur die vielen zur Verfügung stehenden Polymere und handelsüblichen Produkte bekannt, aus denen der mikroporöse Polymerseparator 18 hergestellt werden kann, sondern auch die vielen Verfahren, die eingesetzt werden können, um den mikroporösen Polymerseparator 18 herzustellen.
Die Lithium-Ionenbatteriezelle 7, oder ein Batteriemodul oder Paket, welches eine Vielzahl von Batteriezellen 7 umfasst, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, können verwendet werden, um eine zugeordnete Aufladevorrichtung reversibel mit Strom und Energie zu versorgen. Lithium-Ionenbatterien können unter anderem auch in verschiedenen elektronischen Verbrauchervorrichtungen (z. B., Laptop-Computer, Kameras, und Mobiltelefone/Smartphones), militärischer Elektronik (z. B., Radios Minendetektoren, und thermische Waffen), Flugzeugen, und Satelliten verwendet werden. Lithium-Ionenbatterien, Module und Pakete können in ein Fahrzeug, wie ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (BEV), ein Plug-In (HEV), oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (EREV) integriert werden, um genügend Leistung und Energie zu erzeugen, um ein oder mehrere Systeme des Fahrzeugs zu betreiben. Zum Beispiel können Batteriezellen, Module und Pakete in Kombination mit einem Benzin- oder Diesel-Verbrennungsmotor verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben (wie in Hybrid-Elektrofahrzeuge), oder kann alleine verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben (wie in batteriebetriebenen Fahrzeugen). Wie hierin verwendet, bezieht sich „Elektrofahrzeug“ (EV) auf alle derartigen Fahrzeuge, einschließlich der Umrüstung von Hybrid-Elektrofahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. EV bezieht sich ferner auf Fahrzeuge, die über drahtlose und ähnliche Verfahren aufladen können.
Die Batteriezelle 7 wird im Allgemeinen durch das reversible Leiten von Lithium-Ionen zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 betrieben. Lithium-Ionen bewegen sich während des Ladevorgangs von der Kathode 14 zur Anode 11 und von der Anode 11 zur Kathode 14 während des Entladevorgangs. Zu Beginn einer Entladung enthält die Anode 11 eine hohe Konzentration von eingelagerten Lithium-Ionen während die Kathode 14 mehr oder weniger aufgebraucht ist und das Einrichten einer geschlossenen externen Schaltung zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 veranlasst die eingelagerten Lithium-Ionen unter derartigen Umständen aus der Anode 11 (z. B. aus Wirtsmaterial 13) extrahiert (d. h. deinterkaliert) zu werden. Die extrahierten Lithium-Ionen werden in Lithium-Ionen und Elektronen aufgespalten, während sie einen Einlagerungswirt am Übergang von der Elektrode zum Elektrolyt verlassen. Die Lithium-Ionen werden durch die Mikroporen des Separators 18 von der Anode 11 zur Kathode 14 durch den ionisch leitfähigen Elektrolyt 17 getragen, während die Elektronen gleichzeitig durch die externe Schaltung (z. B. an eine externe leistungsabhängige Schaltung, wie etwa Elektromotor 3) von der Anode 11 zur Kathode 14 übertragen werden, um die elektrochemische Zelle insgesamt auszugleichen. Elektronen treten in die Kathode von der externen Schaltung ein und erleichtern die Einlagerung von Lithium in das aktive Material 16. Der Elektronenfluss durch die externe Schaltung kann genutzt werden und solange in eine Aufladevorrichtung gespeist werden, bis das Niveau des in der negativen Elektrode eingelagerten Lithiums unterhalb eines Mindestniveaus fällt, oder falls kein Bedarf an Energie mehr besteht.
Eine Lithium-Batterie (z. B. Batteriezelle 7 und/oder Batteriepack 6) kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität (z. B. bei einer lithiumarmen Anode 11) wieder aufgeladen werden. Wie in 1 gezeigt, zeigen die Pfeile an, dass der Strom aus der Anode 11 herausfließt und in die Kathode 14 hineinfließt, wodurch die Batteriezelle 7 in einem Aufladezustand gezeigt wird. Zum Laden oder für die erneute Versorgung mit Strom der Lithium-Ionen-Batteriezelle wird eine externe Stromquelle (nicht dargestellt) an die positive und die negative Elektrode angeschlossen, um die elektrochemischen Reaktionen der Batterieentladung (d. h. Reduktion an der Anode 11 und Oxidation an der Kathode 14) in umgekehrter Reihenfolge auszuführen. Das bedeutet dass die externe Stromquelle während des Aufladens die in der Kathode 14 vorhandenen Lithium-Ionen extrahiert, um Lithium-Ionen und Elektronen zu produzieren. Die Lithium-Ionen werden durch den Separator durch die Elektrolytlösung zurückgetragen, und die Elektronen werden durch die externe Schaltung zurückgetrieben, beide Male in Richtung der Anode 11. Die Lithium-Ionen und die Elektronen und werden schließlich an der negativen Elektrode wieder zusammengeführt, wodurch in dieser wieder Lithium zum zukünftigen Entladen der Batteriezelle eingelagert wird.
Insbesondere werden beim Laden einer Lithium-Zelle Lithium-Ionen aus Elektrolyt 17 auf die Oberflächen des Wirtsmaterials 13 eingelagert. Die Lithium-Ionen treffen pro Ladestrom auf Elektronen, die in das Wirtsmaterial 13 eindringen und reagieren mit dem Wirtsmaterial 13, um eine Interkalationsverbindung zu bilden. Ohne an einen bestimmten Mechanismus gebunden zu sein, liefert Gleichung (1) einen Beispielmechanismus, durch den eine Interkalationsverbindung für ein Wirtsmaterial 13 aus Graphit gebildet wird: $xLi + + xe- + C6 \to LixC6 (0 \leq x \leq 1)$
Pro Gleichung (1) können sechs Kohlenstoffatome der Graphitkristallstruktur im Interkalationsverfahren bis zu einem Lithiumatom aufnehmen, angetrieben durch das angelegte Ladungspotenzial. Bei diesem Verfahren wird das Wirtsmaterial 13 mit Lithiumatomen gefüllt (d. h. aufgenommen), wobei die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Umgebungsbedingungen am Anodenstandort, den Ladestrom und andere Faktoren bestimmt wird.
Die fortdauernde Kapazität einer Lithium-Batterie (z. B. Batteriezelle 7 und/oder Batteriepack 6), hängt insbesondere während einer großen Anzahl von wiederholten Lade-Entlade-Zyklen im Wesentlichen von der effektiven Bewegung von Lithium in und aus den Materialien, oft teilchenförmigen Materialien, der gegenüberliegenden Elektroden ab. Während der Batterieladung können nicht alle Lithium eindringenden Wirtsmaterialien 13 in eine geeignete Zwischenform gebracht werden (z. B. eine LiC6-Interkalationsform für ein Wirtsmaterial 13 aus Graphit) und es kann zu einer Lithiumbeschichtung kommen. Im Allgemeinen besteht die Gefahr einer unerwünschten Lithiumbeschichtung in Lithium-Batterien durch die einfache Reduktion von Lithium-Ionen. Insbesondere können sich Lithium-Ionen (z. B. Li+) als metallisches Lithium abscheiden, wenn die Bedingungen so sind, dass die Lithiumionenreduktion der Lithiumeinlagerung vorzuziehen ist. In solchen Fällen sammeln Lithium-Ionen ein Elektron und Lithium-Metall wird unerwünscht innerhalb, in der Nähe oder angrenzend an die Anode 11 (z. B. auf einer Oberfläche des Wirtsmaterials 13) abgeschieden. Bei hohen Ladeströmen kann die Li+Ionen-Transportrate beispielsweise zu einer Anode die Rate bei der Li+Ionen in der Lage sind, sich in das Anode-Wirtsmaterial einzulagern, überschreiten. Dieses Problem kann insbesondere während eines schnellen Aufladens bei hohen Stromstärken, beim Aufladen bei niedrigen Umgebungstemperaturen und bei verzögerten Lithium-Ionen-Bewegungen und bei regenerativem Bremsen in Fahrzeugen (d. h. wobei die Energie vom Bremsen des Fahrzeugs erfasst und verwendet wird, um eine zugehörige Batterie oder ein Batteriepack, wie beispielsweise das Batteriepack 6 aufzuladen) besonders stark ausgeprägt sein. Da plattiertes Lithium-Metall nicht auf die gleiche Weise funktioniert wie interkaliertes Lithium, kann die Lithiumbeschichtung die Batterieleistung erhöhen und die Lebensdauer und Haltbarkeit der Batterie in vielerlei Hinsicht verschlechtern. Insbesondere verursacht die Reduktion freier Lithium-Ionen einen irreversiblen elektrischen Kapazitätsverlust innerhalb einer Batteriezelle und inhomogene dendritische Beschichtungen können ein diskretes elektrochemisches Spannungspotential aufweisen, das die Grundfunktionen der Lithium-Ionen-Batteriezelle stören kann, wie etwa durch Kurzschluss zwischen zwei gepaarten Elektroden. Weiterhin kann beschichtetes Lithium mit Elektrolyt 17 reagieren, um inerte Li-haltige Verbindungen zu erhalten, die nicht in der Lage sind, an der Ladungs-/ Entladungsaktivität der Zellen teilzunehmen. In einigen Fällen können chemische Wechselwirkungen zwischen beschichtetem Lithium und dem Elektrolyt 17 schwere thermische Ereignisse verursachen. Thermische Ereignisse können auch durch direkten Kurzschluss von Anode und Kathode durch beschichtetes Lithium entstehen.
Die Batteriezelle 7 beinhaltet ferner eine oder mehrere Referenzelektroden 8, die in 1 als Kathodenreferenzelektrode 8C und Anodenreferenzelektrode 8A bezeichnet sind. Eine Batteriezelle 7 kann eine oder eine Vielzahl von Referenzelektroden 8 oder eine Vielzahl von Referenzelektroden beinhalten. Referenzelektroden (z. B. die Referenzelektrode 8) sind in der Technik allgemein bekannt und können jedes Material umfassen, das elektrochemisch verträglich/stabil mit der Batteriezelle 7 ist und ein beliebiges Referenzpotenzial aufweisen kann, sofern es über die Zeit stabil ist und dessen Wert im Vergleich zu einem herkömmlichen elektrochemischen Reduktions-Oxidationspaar (z. B. einem Li/Li+ Reduktions-Oxidationspaar) bekannt ist. Die Referenzelektrode 8 kann verschiedene Positionen innerhalb einer Batteriezelle 7 einnehmen, sodass ein Weg des Elektrolyten 17 zwischen der Referenzelektrode 8 und der Anode 11 und/oder der Kathode 14 existiert. Eine Referenzelektrode 8 kann ferner ein aktives Material oder Wirtsmaterial (nicht dargestellt) umfassen, analog zu dem aktiven Material 16 und dem Wirtsmaterial 13 der Anode 11 bzw. der Kathode 14. Eine Referenzelektrode 8 kann eine einzelne Elektrode oder eine Anordnung umfassen, die über die gesamte Fläche einer Elektrode (z. B. der Anode 11 oder der Kathode 14) verteilt ist. Eine Anordnung kann beispielsweise Messredundanz bereitstellen und die räumliche Variation des Elektrodenpotentials auflösen. Ein nicht einschränkendes Beispiel für geeignete Referenzelektroden ist in der gemeinsam geführten Seriennummer der US-Patentanmeldung offenbart: 15/252556. Eine Referenzelektrode 8 kann Vorrichtungen außerhalb der Batteriezelle 7 über leitfähige Metalldrähte, Folien und dergleichen verbinden und mit diesen kommunizieren. So kann beispielsweise eine Kathodenreferenzelektrode 8C und/oder eine Anodenreferenzelektrode 8A jeweils ein Kathoden-14-Potential bzw. ein Anoden-11-Potenzial an eine externe Vorrichtung weiterleiten. Die externe Vorrichtung kann beispielsweise eine Steuerung 102 sein (dargestellt in 3). Das Zellpotential für eine Batteriezelle 7 kann ferner über die Schaltung A gemessen werden, und die Schaltung A kann mit Vorrichtungen außerhalb der Batteriezelle 7, wie beispielsweise der Steuerung 102, verbunden sein. Das Zellpotential ist die Differenz zwischen dem Anodenpotential und dem Kathodenpotential für eine bestimmte Zelle; demnach kann das Anodenpotential mit einem gemessenen Zellpotential und einem gemessenen Kathodenpotential bestimmt werden, und das Kathodenpotential kann mit einem gemessenen Zellpotential und einem gemessenen Anodenpotential bestimmt werden.
Zugehörig zu jeder der einen oder mehreren Referenzelektroden 8 einer Batteriezelle 7 ist optional ein Referenzelektroden-Separator 9. Der Separator 9 dient im Allgemeinen dazu, einen Kurzschluss zwischen einer Referenzelektrode und einer Elektrode zu verhindern (z. B. zwischen einer Anodenreferenzelektrode 8A und einer Anode 11). Der Separator 9 kann ein elektrisch isolierendes und/oder ionenleitendes Material, wie beispielsweise eine Folie oder Beschichtung, umfassen, das chemisch mit dem Elektrolyten 17 und dem aktiven Material oder Wirtsmaterial der Referenzelektrode kompatibel ist. Der Separator 9 kann beispielsweise eine keramische (z. B. Aluminiumoxid) Beschichtung umfassen, die direkt auf die Referenzelektrode 8 aufgebracht wird. Im Allgemeinen ist 1 zur besseren Veranschaulichung und Übersichtlichkeit schematisch dargestellt. Dementsprechend ist der Umfang dieser Offenbarung nicht auf die genauen Ausrichtungen und Anteilen der darin dargestellten Elemente beschränkt.
2 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs 1 einschließlich eines Batteriepacks 6 und zugehörigen Komponenten. Ein Batteriepack, wie das Batteriepack 6 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 7 beinhalten. Eine Vielzahl von Batteriezellen 7 können parallel verbunden sein, um eine Gruppe zu bilden, und eine Vielzahl von Gruppen kann zum Beispiel in Serie geschaltet sein. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass jede Anzahl an Batteriezellen Verbindungkonfigurationen beim Verwenden der hierin verwendeten Batteriezellen-Architekturen praktikabel ist, und wird ferner erkennen, dass Fahrzeuganwendungen sich nicht auf die beschriebene Fahrzeug-Architektur beschränken. Das Batteriepaket 6 kann einem Wechselrichter 2 Energie bereitstellen, der die Gleichstrom-(DC)-Batteriespannung zu einem dreiphasigen Wechselstrom-(AC)-Signal umwandelt, welches von einem Antriebsmotor 3 verwendet wird, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Ein Motor 5 kann verwendet werden, um einen Generator 4 anzutreiben, welcher wiederum Energie bereitstellen kann, um das Batteriepaket 6 über den Wechselrichter 2 erneut aufzuladen. Der Motor 5 kann zum Beispiel einen Benzin- oder Dieselmotor umfassen.
Externer (z. B. Gitter) Strom kann auch verwendet werden, um das Batteriepack 6 erneut aufzuladen. 3 veranschaulicht lediglich zu Darstellungszwecken ein System 100 zum Laden des Batteriepacks 6 und zum Steuern eines von einem Netzteil 30 empfangenen Ladestroms. Wie dargestellt, überträgt die Stromversorgung 30 den Ladestrom über einen Ladestecker 10 an das Batteriepack 6, wobei ein Fachmann jedoch verstehen wird, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht durch die Aspekte des Systems 100 eingeschränkt sind. So schließt beispielsweise die Beschreibung der Ladeverfahren in Bezug auf das System 100 nicht aus, dass drahtlose Ladesysteme für dieselben Verfahren geeignet sind. Ein derartiges geeignetes drahtloses Ladeverfahren ist in der gemeinsamen US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr.: U.S. 20180015833 „Duales induktiv-/konduktives, DC-gekoppeltes Ladesystem“ beschrieben.
Das System 100 beinhaltet einen Ladeanschluss, der im Allgemeinen bei 10 angegeben ist. Der Ladeanschluss 10 beinhaltet einen Stecker 40 zum Verbinden des Ladeanschlusses 10 mit einem im Allgemeinen bei 30 angegebenen Netzteil und eine Kupplung 21 zum Verbinden des Ladeanschlusses 10 mit einem Eingang 90 eines Ladesystems 110. Der Stecker 40 ist über ein Netzkabel 50 elektrisch mit dem Steuermodul 20 verbunden, und die Kupplung 21 ist über ein Ladekabel 80 elektrisch mit dem Steuermodul 20 verbunden. Das Ladesystem 110 ist im dargestellten Beispiel ein Ladesystem 110 eines Elektrofahrzeugs. Das Ladesystem 110 beinhaltet einen Eingang 90 zum Aufnehmen der Kupplung 21 des Ladeanschlusses 10 und ferner eine Steuerung 102 mit einer CPU 104 und einem Speicher 106.
Der Eingang 90 ist mit der Steuerung 102 verbunden, beispielsweise über eine Leitung 118. Wie hierin verwendet, bezieht sich „in Verbindung“ auf drahtgebundene, drahtlose oder andere Kommunikationsmittel, wie beispielsweise diejenigen, die zum Übertragen von Daten und/oder Signalen verwendet werden. In manchen Ausführungsformen kann eine einzelne Leitung, wie in der Zeichnung dargestellt, durch eine Vielzahl von Leitungen ersetzt werden und umgekehrt. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Daten und/oder Signale Informationen bezüglich des Zustands der Steckdose 32, des Zustands der Steckdosenschnittstelle zwischen der Steckdose 32 und dem Stecker 40 beinhalten, die Temperaturdaten, Spannungsdaten (d. h. Potentialdaten) einschließlich des Spannungsabfalls über die elektrische Verbindung zwischen dem Stecker 40 und der Steckdose 32, Diagnoseinformationen einschließlich Diagnosecodes und/oder Befehle einschließlich Befehle zur Deklassierung oder anderweitigen Anpassung des Stromflusses und/oder zum Steuern der Einschaltdauer des Ausgangs vom Steuermodul 20 und/oder dem Ladegerät 120 beinhalten können, um den vom Ladegerät 120 an die Batterie 6 abgegebenen Stromfluss zu begrenzen. Die Leitung 118 kann verwendet werden, um Näherungssignale zwischen der Steuerung 102 und einem Steuermodul 20 des Ladeanschlusses 10 zu übertragen. So kann beispielsweise ein Näherungssignal anzeigen, wann die Kupplung 21 des Ladeanschlusses 10 vollständig mit dem Eingang 90 verbunden ist. Die Steuerung 102 kann konfiguriert werden, um das vom Steuermodul 20 gesendete Näherungssignal zu erfassen, bevor das Laden der Batterie 6 über das Ladegerät 120 eingeleitet wird, um das Laden der Batterie 6 zu verhindern, wenn die Kupplung 21 nicht vollständig mit dem Eingang 90 verbunden ist.
Das Steuermodul 20 kann eine CPU 24, einen Speicher 22 und einen Sensor 28 zum Erfassen der von der Stromquelle 36 ausgehenden Spannung und/oder des Stroms beinhalten. Der Sensor 28 kann ein Spannungs- und/oder Stromsignal an das Steuermodul 20 ausgeben. Die Steuerung 102 ist elektrisch mit dem Eingang 90 und dem Ladegerät 120 verbunden, sodass die Steuerung 102 zur Kommunikation mit dem Steuermodul 20 konfiguriert ist, beispielsweise wenn der Ladeanschluss 10 über die Kupplung 21 mit dem Eingang 90 verbunden ist. So kann beispielsweise ein vom Sensor 28 erzeugtes Spannungs- und/oder Stromsignal über das Steuermodul 20 an die Steuerung 102 übermittelt werden. Das Ladegerät 120 ist konfiguriert, um die Batterie 6 über die von der Stromversorgung 30 empfangene Energie aufzuladen, wie beispielsweise über einen Plusleiter 112, einen Neutralleiter 114 und einen Erdleiter 116. Das Ladegerät 120 ist betreibbar, um die mit dem Ladegerät 120 verbundene Batterie 6 als Reaktion auf Signale und/oder Befehle, die von der Steuerung 102 empfangen werden, zu laden. Die Steuerung 102 und das Ladegerät 120 sind elektrisch verbunden, sodass die Steuerung 102 den Ladezyklus der mit dem Ladegerät 120 geladenen Batterie 6 steuern kann. Das Steuern des Ladegeräts 120 beinhaltet das Steuern des Niveaus der Stromaufnahme von der Stromquelle 36 und das Einstellen des Stromflusses zur Batterie 6 während des Ladezyklus, zum Beispiel basierend auf einem Signal des Referenzelektrodenpotentials, das von der Steuerung 102 von einer oder mehreren Referenzelektroden 8 einer oder mehrerer Batteriezellen 7 des Batteriepacks 6 empfangen wird.
Die Steuerung 102 kann einen Computer und/oder Prozessor beinhalten sowie über alle Software, Hardware, Speicher, Algorithmen, Verbindungen, Sensoren usw. verfügen, die zum Verwalten und Steuern des vom Ladesystem 110 ausgeführten Ladevorgangs erforderlich ist, einschließlich des Steuerns des Ladegeräts 120 zum Laden der Batterie 6. So kann beispielsweise die Steuerung 102 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 104 und ausreichend Speicher 106 beinhalten, von denen zumindest ein Teil physisch und nichtflüchtig sein kann. Der Speicher 106 kann ausreichend Nur-Lese-Speicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), Flash-Speicher usw. und jede erforderliche Schaltung beinhalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber (nicht dargestellt), Analog-Digital-Schaltungen (A/D), Digital-Analog-Schaltungen (D/A), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und die erforderlichen Ein-/Ausgabevorrichtungen (I/O) und andere Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen.
Das Ladesystem 110 kann ferner eine Benutzeroberfläche 108 beinhalten, die konfiguriert werden kann, um einem Benutzer des Systems 100 Ladeinformationen anzuzeigen, wobei der Benutzer ein Benutzer eines EV einschließlich des Ladesystems 110 sein kann. Die von der Benutzeroberfläche 108 angezeigten Ladeinformationen können von der Steuerung 102 ausgegeben und zum Anzeigen über die Benutzeroberfläche 108 empfangen werden. Die über die Benutzeroberfläche 108 angezeigten Ladeinformationen können einen oder mehrere der Ladezustände des EV und/oder des Ladesystems 110, den Ladezustand der Batterie 6, Ladezustände einschließlich des Stromflusses, die Dauer des Ladezyklus, Start- und Stoppzeiten für einen Ladezyklus, die geschätzte verbleibende Zeit zum Laden der Batterie 6 auf einen vorbestimmten Ladezustand während eines Ladezyklus, von der Steuerung 102 und/oder dem Steuermodul 20 ausgegebene Diagnosecodes, Ladezustandsdaten, wie beispielsweise Ausgangstemperatur 32 und/oder Spannungsabfall an der Ausgangsseite 32, usw. beinhalten. Die Benutzeroberfläche 108 kann konfiguriert werden, um eine Historie von Ladeereignissen anzuzeigen, wobei jedes Ladeereignis einem Ladezyklus entspricht und ein oder mehrere Elemente der Ladeinformationen beinhalten kann.
Hierin sind Batterieladeverfahren vorgesehen, die die Batterieladeraten (d. h. Anoden-Lithium-Interkalation) erhöhen und gleichzeitig die Lithiumbeschichtung minimieren oder verhindern. Die hierin offenbarten Verfahren werden in Bezug auf die vorstehend beschriebenen Lithium-Batterien (z. B. die Batteriezelle 7) beschrieben, jedoch ist die Offenbarung nicht dazu bestimmt, dadurch eingeschränkt zu werden, und Fachleute werden erkennen, dass die hierin veröffentlichten Verfahren auf jede Batterie anwendbar sind, die für Lithium oder Metallbeschichtungen anfällig ist. Die Verfahren können beispielsweise in der Steuerung 102 eines Fahrzeugs implementiert werden.
4 veranschaulicht ein Verfahren 200 zum Schnellladen eines Batteriepacks 6, wie beispielsweise eines Lithium-Batteriepacks eines EV. Das Batteriepack 6 umfasst mindestens eine Batteriezelle 7 mit einer Anode 11, einer Kathode 14 und einer Referenzelektrode. Die Kathode 14 ist über eine Schaltung A elektrisch mit der Anode 11 verbunden, und ein Elektrolyt 17 ist in Kontakt mit der Anode 11, der Kathode 14 und der Referenzelektrode 8, wobei die Batteriezelle 7 durch Gleichstrom von einer Stromversorgung 30 auf die Schaltung A geladen wird. Der Elektrolyt 17 kann Lithium-Ionen umfassen. Das Verfahren 200 umfasst das Laden 210 der Batterie in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms, das anschließende Laden 220 der Batterie in einer zweiten Phase, sodass das Anodenpotential minimiert wird, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten, und das anschließende Laden 230 der Batterie in einer dritten Phase durch Verringern des Ladestroms, sodass das Kathodenpotenzial maximiert wird, ohne den Kathodenpotential-Schwellenwert zu überschreiten.
Das Verfahren 200 kann gegebenenfalls ferner das Beenden der Batterieladung 240 in einer vierten Phase nach dem Laden 230 in Phase drei umfassen. Das Beenden des Batterieladevorgangs 240 kann auftreten, wenn eines oder mehrere der Batteriepacks 6 einen ausreichenden Ladezustand erreicht haben (z.B. die Batterie verfügt über eine ausreichende Ladung, um ein Fahrzeug für eine gewünschte Reichweite zu betreiben), das Batteriepack 6 hat ein maximales Zellpotential erreicht, und der Ladestrom hat einen Minimalwert erreicht. Der Ladestrom-Minimalwert kann vordefiniert sein, kann bestimmt werden, wenn der Ladestrom eine geringere Asymptote erreicht, oder kann durch den Punkt definiert werden, an dem die Batterieladung geeignet ist. Der maximale Zellpotentialwert kann vordefiniert sein, kann bestimmt werden, wenn das Zellpotential eine obere Asymptote erreicht, oder kann durch den Punkt definiert werden, an dem die Batterieladung geeignet ist.
Das Batteriepack 6 kann mindestens eine Batteriezelle 7 umfassen. Während des Ladens einer Batterie wird durch Maximierung des Ladestroms und/oder Minimierung des Anodenpotentials die Ladezeit verkürzt. Die Lithiumbeschichtung erfolgt jedoch an der Anode, wenn das Anodenpotential unter die Anodenpotentialschwelle fällt. Dementsprechend wird die Batterie während der ersten Phase mit einem maximalen Ladestrom geladen 210. Ein maximaler Ladestrom kann beispielsweise durch die Einschränkungen der Batterie-Hardware und/oder der externen Ladehardware (z. B. Ladeanschluss 10 und/oder Stromversorgung 30) bestimmt werden. Ferner endet das Laden 210 während der ersten Phase, wenn das Anodenpotential den Anodenpotential-Schwellenwert erreicht oder im Wesentlichen erreicht. Insbesondere endet das Laden 210 während der ersten Phase, wenn das von der Referenzelektrode 8 bestimmte Anodenpotential im Wesentlichen den Mindestschwellenwert des Anodenpotentials erreicht. Wie vorstehend beschrieben, ist die Referenzelektrode 8 so angeordnet, dass zwischen der Referenzelektrode 8 und der Kathode 14 oder der Anode 11 ein Elektrolytweg 17 hergestellt wird. Der Anodenpotential-Schwellenwert ist im Allgemeinen ein Anodenpotential, oberhalb dessen während des Ladevorgangs oder im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung stattfindet.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Referenzelektrode 8 eine Anodenreferenzelektrode 8A, und das Anodenpotential wird über eine Messung an der Anodenreferenzelektrode 8A bestimmt, und das Kathodenpotential wird durch Aufaddieren der Messung an der Anodenreferenzelektrode 8A zu einem gemessenen Zellpotential bestimmt. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Referenzelektrode 8 eine Kathodenreferenzelektrode 8C, und das Kathodenpotential wird über eine Messung an der Kathodenreferenzelektrode 8C bestimmt, und das Anodenpotential wird durch Subtrahieren eines gemessenen Zellpotentials von der Messung an der Kathodenreferenzelektrode 8C bestimmt. In weiteren Ausführungsformen umfasst mindestens eine Batteriezelle 7 des Batteriepacks 6 eine Anodenreferenzelektrode 8A und eine Kathodenreferenzelektrode 8C, und das Anodenpotential wird über eine Messung an der Anodenreferenzelektrode 8A und das Kathodenpotential über eine Messung an der Kathodenreferenzelektrode 8C bestimmt. Ebenso umfasst in anderen Ausführungsformen mindestens eine Batteriezelle 7 des Batteriepacks 6 eine Anodenreferenzelektrode 8A und mindestens eine andere Batteriezelle 7 des Batteriepacks 6 umfasst eine Kathodenreferenzelektrode, und das Anodenpotential wird über eine Messung an der Anodenreferenzelektrode 8A und das Kathodenpotential über eine Messung an der Kathodenreferenzelektrode 8C bestimmt.
Beim Laden 220 während der zweiten Phase wird das von der einen oder den mehreren Referenzelektroden 8 bestimmte Anodenpotential minimiert, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten. Insbesondere wird der Ladestrom als Reaktion auf das bestimmte Anodenpotential verringert, wodurch das Anodenpotential minimiert wird, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten. Dementsprechend bleibt das Anodenpotential während des Ladens 220 während der zweiten Phase im Allgemeinen im Wesentlichen in der Nähe des minimalen Anodenpotential-Schwellenwerts, aber nicht darunter. So kann die Steuerung beispielsweise in Bezug auf das System 100 während des Ladens 220 ein Referenzelektrodensignal 8 und ein Zellenpotentialsignal empfangen sowie das Anodenpotential bestimmen, wenn die Referenzelektrode 8 wie vorstehend beschrieben eine Kathodenreferenzelektrode 8C ist. Die Steuerung 102 und/oder das Steuermodul 20 können den Anpassungsbetrag an den Ladestrom bestimmen, der erforderlich ist, um das Anodenpotential auf einem gewünschten Niveau (d. h. auf oder über dem Anodenpotential-Schwellenwert) zu halten. Die Steuerung 102 kann beispielsweise eine PID-Steuerung sein. Der Anodenpotential-Schwellenwert kann beispielsweise im Speicher 22 der Steuerung 102 und/oder des Steuermoduls 20 gespeichert werden. In einem Beispiel kann das Steuermodul 20 zum Empfangen eines aktuellen Anforderungssignals von der Steuerung 102 konfiguriert werden. Das aktuelle Anforderungssignal kann von der Steuerung 102 als Reaktion auf den vom Ladegerät 120 und/oder der Batterie 6 empfangenen Eingang erzeugt werden. So kann beispielsweise das Ladegerät 120 der Steuerung 102 signalisieren, den Stromfluss durch das Ladegerät 120 zur Batterie 6 zu reduzieren, wenn sich das durch die Steuerung 102 von der Referenzelektrode 8 empfangene und/oder bestimmte Anodenpotentialsignal nähert und/oder den Anodenpotential-Schwellenwert erreicht.
Das Laden 220 während der zweiten Phase kann enden, wenn das Zellpotential einen Zellpotential-Schwellenwert erreicht oder im Wesentlichen erreicht. Der Zellpotential-Schwellenwert kann ein Kathodenpotential sein, oberhalb dessen beispielsweise der Elektrolyt 17 der Batteriezelle 7 irreversibel zu oxidieren beginnt. Während der dritten Phase des Ladevorgangs 230 kann das Zellpotential im Wesentlichen konstant sein. Während des Ladens 230 während der dritten Phase kann der Ladestrom so verringert werden, dass das Kathodenpotential nahe, aber nicht über der Kathodenpotentialschwelle bleibt. Insbesondere kann beim Laden 230 während der dritten Phase der Ladestrom als Reaktion auf das von der Referenzelektrode 8 bestimmte Kathodenpotential verringert werden, wodurch das Kathodenpotential maximiert wird, ohne den Schwellenwert des Kathodenpotentials zu überschreiten. Das Laden 230 kann nach oder als Reaktion auf das von der Referenzelektrode 8 bestimmte Kathodenpotential beginnen, das im Wesentlichen einen maximalen Kathodenpotential-Schwellenwert erreicht. So kann die Steuerung beispielsweise in Bezug auf das System 100 während des Ladens 230 ein Referenzelektrodensignal 8 und ein Zellenpotentialsignal empfangen sowie das Kathodenpotential bestimmen, wenn die Referenzelektrode 8 wie vorstehend beschrieben eine Anodenreferenzelektrode 8A ist. Die Steuerung 102 und/oder das Steuermodul 20 können den Anpassungsbetrag an den Ladestrom bestimmen, der erforderlich ist, um das Kathodenpotential auf einem gewünschten Niveau (d. h. bei oder unter dem Kathodenpotential-Schwellenwert) zu halten. Die Steuerung 102 kann beispielsweise eine PID-Steuerung sein. Der Kathodenpotential-Schwellenwert kann beispielsweise im Speicher 22 der Steuerung 102 und/oder des Steuermoduls 20 gespeichert werden. In einem Beispiel kann das Steuermodul 20 zum Empfangen eines aktuellen Anforderungssignals von der Steuerung 102 konfiguriert werden. Das aktuelle Anforderungssignal kann von der Steuerung 102 als Reaktion auf den vom Ladegerät 120 und/oder der Batterie 6 empfangenen Eingang erzeugt werden. So kann beispielsweise das Ladegerät 120 der Steuerung 102 signalisieren, den Stromfluss durch das Ladegerät 120 zur Batterie 6 zu reduzieren, wenn sich das durch die Steuerung 102 von der Referenzelektrode 8 empfangene und/oder bestimmte Kathodenpotentialsignal nähert und/oder den Kathodenpotential-Schwellenwert erreicht.
5 veranschaulicht ein Schaubild der Batteriedaten, die während der Durchführung des Verfahrens 200 (d. h. während der ersten Phase (1), der zweiten Phase (2), der dritten Phase (3) und der optionalen vierten Phase (4)) gesammelt wurden. 5 veranschaulicht den Ladestrom 150 (in Ampere) bezogen auf die Zeit (in Sekunden). 5 veranschaulicht auch das Anodenpotential 160 (in Volt), das Kathodenpotential 170 (in Volt) und das Zellpotential 180 (in Volt) in Bezug auf die Zeit (in Sekunden).
Um eine Schnellladung zu erreichen, sollte das Anodenpotential in der zweiten Phase (2) minimiert werden, darf aber nicht unter dem Anodenpotential-Schwellenwert liegen, unter dem die Lithiumbeschichtung stattfindet. Ein Verfahren 300 zum Bestimmen des Anodenpotential-Schwellenwerts für eine Batteriezelle 7 ist in 6 veranschaulicht. Das Verfahren 300 wird unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierbatteriezellen durchgeführt, die für die mindestens eine Batteriezelle 7 des Batteriepacks 6 charakteristisch sind. Das Verfahren 300 umfasst die mindestens teilweise Durchführung des Verfahrens 200 mit einer vorgegebenen Anodenpotentialschwelle, die Messung 310 des Ladestroms und/oder des Potentials (d. h. der Spannung) einer Kennlinie der Kalibrierbatteriezelle während der Durchführung des Verfahrens 200, die Bestimmung 320 der Ableitung des gemessenen 310 Ladestroms und/oder Potentials in Bezug auf Zeit oder Ladung (Q) und die Untersuchung 330 der abgeleiteten Daten, um zu bestimmen, ob die abgeleiteten Daten eine glatte Kurve oder eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität aufweisen. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 200 mindestens teilweise die Implementierungsphase 1 umfassen. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 200 mindestens teilweise die Implementierungsphase 1 und anschließend Phase 4 umfassen. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 200 mindestens teilweise die Implementierungsphase 1 und anschließend das Implementieren der Phase 2 und/oder 3 umfassen. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 200 mindestens teilweise die Implementierungsphase 1, anschließend das Implementieren der Phase 2 und/oder 3 und anschließend das Implementieren der Phase 4 umfassen. Eine glatte Kurve kann das Fehlen einer Lithiumbeschichtung und eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung anzeigen. Eine lokale Diskontinuität kann einen Wendepunkt in der ersten Ableitung, einen Nulldurchgang in der zweiten Ableitung oder einen flachen Abschnitt umfassen. Die bestimmte Ableitung 320 kann eine erste und/oder eine zweite Ableitung sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Messen 310 nur das Messen des Ladestroms und das Bestimmen 320 nur das Bestimmen der Ableitung des gemessenen 310 Ladestroms. In einigen Ausführungsformen umfasst das Messen 310 das Messen des Ladestroms und optional das Messen des Potentials einer Kennlinie der Kalibrierbatteriezelle, und das Bestimmen 320 umfasst das Bestimmen der Ableitung des gemessenen 310 Ladestroms und optional das Bestimmen der Ableitung des gemessenen 310 Potentials einer Kennlinie der Kalibrierbatteriezelle.
In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen 320 der Ableitung des gemessenen Ladestroms 310 in Bezug auf Zeit oder Ladung (Q) das Bestimmen der Ableitung des gemessenen Ladestroms während der Phase 2 und/oder Phase 3 in Bezug auf Zeit umfassen. 7 veranschaulicht beispielsweise ein Schaubild der Batteriedaten, die während der Phase 3 einer gemäß dem Verfahren 200 geladenen Kalibrierbatteriezelle gesammelt wurden. 7 zeigt die erste Ableitung des Ladestroms 510 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (dI/dt) und die zweite Ableitung des Ladestroms 520 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (d²I/dt²) für eine Batterie, die mit einer vorgeschriebenen 20 mV Anodenpotentialschwelle geladen wird; diese Daten zeigen das Fehlen einer Lithiumbeschichtung an. 7 zeigt auch die erste Ableitung des Ladestroms 510* in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (dI/dt) und die zweite Ableitung des Ladestroms 520* in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (d²I/dt²) für eine Batterie, die mit einer vorgeschriebenen 10 mV Anodenpotentialschwelle geladen wird; diese Daten zeigen das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung an. Insbesondere bei der ersten Ableitung des Ladestroms 510* (dI/dt) bei etwa 1.500 Sekunden und bei der zweiten Ableitung des Ladestroms 520* (d²I/dt²) bei etwa 1.500 Sekunden kann ein lokales Minimum beobachtet werden.
Das Verfahren 300 kann das Messen 310 des Potentials einer Batteriekennlinie, das Bestimmen 320 der Ableitung des gemessenen Potentials in Bezug auf Zeit oder das Laden und das Untersuchen 330 der abgeleiteten Daten über die erste Phase, die dritte Phase und/oder die vierte Phase umfassen. Das gemessene 310 Potential einer Batteriekennlinie kann das Anodenpotential (V_anode), das Kathodenpotential (V_kathode) und/oder das Zellpotential (V_cell) umfassen. In einer Ausführungsform kann das Bestimmen 320 der Ableitung des gemessenen 310 Potentials in Bezug auf Zeit oder Ladung das Bestimmen der Ableitung(en) der V_anode während Phase 1 und/oder Phase 3 in Bezug auf Zeit umfassen. In einer Ausführungsform kann das Bestimmen 320 der Ableitung des gemessenen 310 Potentials in Bezug auf Zeit oder Ladung das Bestimmen der Ableitung(en) der Vanode und/oder der V_zelle während Phase 4 in Bezug auf Zeit umfassen.
Das gemessene Potential der Batteriekennlinie kann IR-kompensiert werden. Die IR-Kompensation entfernt aus dem gemessenen Potential alle Teilpotentiale einer oder mehrerer Komponenten, die eine Lithiumbeschichtung anzeigen. Der elektronische Widerstand von Leitern innerhalb einer Batterie (z. B. metallische Folien, Laschen, Sammelschienen usw.) und das Wirtsmaterial und das aktive Material der jeweiligen Elektroden dürfen die Wahrscheinlichkeit oder das Auftreten einer Lithiumbeschichtung nicht beeinflussen oder anderweitig anzeigen. Der Potentialabfall über solche Widerstände kann bewertet und aus dem gesamten gemessenen Potential entfernt werden, um den Zustand der Anodenpolarisation in Bezug auf Faktoren (z. B. Reaktionskinetik und Massentransportgradienten), die direkt auf die Lithiumbeschichtung hinweisen oder sich darauf beziehen, zu isolieren und zu identifizieren. Die IR-Kompensation kann unter anderem durch Stromunterbrechungsmessung, Analyse von Zellen-Wechselstrom-Impedanzdaten und durch Modellparameterschätzung erfolgen.
8 veranschaulicht ein Schaubild der Batteriedaten, die während der Phase (1) einer mindestens teilweise gemäß dem Verfahren 200 geladenen Batterie gesammelt wurden und die das Fehlen einer Lithiumbeschichtung anzeigt. Insbesondere nach dem Laden in Phase 1 nahm die Batterie anschließend eine Ruhephase (d. h. Phase 4) ein. 8 zeigt das Zellpotential 600 (in Volt), die erste Ableitung des Zellpotentials 610 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (dV/dt) und die zweite Ableitung des Zellpotentials 620 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (d²V/dt²)*200. Ebenso veranschaulicht 9 ein Schaubild der Batteriedaten, die während der Phase (1) einer mindestens teilweise gemäß dem Verfahren 200 geladenen Batterie gesammelt wurden und die das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung anzeigt. Insbesondere nach dem Laden in Phase 1 nahm die Batterie anschließend eine Ruhephase (d. h. Phase 4) ein. 9 zeigt das Zellpotential 600 (in Volt), die erste Ableitung des Zellpotentials 610 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (dV/dt) und die zweite Ableitung des Zellpotentials 620 in Bezug auf die Zeit (in Sekunden) (d²V/dt²)*200.
Bei Rückkehr zum Verfahren 200 kann der Anodenpotential-Schwellenwert iterativ mit dem Verfahren 300 bestimmt werden. Insbesondere, wenn das Verfahren 300 an einer vorgeschriebenen Anodenpotentialschwelle durchgeführt wird und eine Lithiumbeschichtung anzeigt, kann das Verfahren 300 nachträglich mit einer höheren Anodenpotentialschwelle durchgeführt werden, um die Lithiumbeschichtung zu reduzieren oder zu eliminieren. Wenn das Verfahren 300 bei einem vorgegebenen Anodenpotential-Schwellenwert durchgeführt wird und keine Lithiumbeschichtung anzeigt, kann das Verfahren 300 nachträglich mit einem niedrigeren Anodenpotential-Schwellenwert durchgeführt werden, um die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen. Nach der iterativen Verwendung des Verfahrens 300 zum Bestimmen des Anodenpotential-Schwellenwerts kann der niedrigste Anodenpotential-Testschwellenwert, der im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung aufweist, als Anodenpotential-Schwellenwert ausgewählt werden.
Während exemplarische Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen beinhaltet sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20180015833 [0023]

Claims

Verfahren zum Schnellladen eines Lithium-Batteriepacks eines Plug-in-Elektrofahrzeugs, worin das Batteriepack mindestens eine Batteriezelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Referenzelektrode umfasst, das Verfahren umfassend: Laden des Batteriepacks in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms, bis ein von der Referenzelektrode bestimmtes Anodenpotential im Wesentlichen einen minimalen Anodenpotential-Schwellenwert erreicht; nachfolgendes Laden des Batteriepacks in einer zweiten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf das bestimmte Anodenpotential, sodass das Anodenpotential minimiert wird, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten; und als Reaktion auf das Kathodenpotential, das im Wesentlichen einen maximalen Kathodenpotential-Schwellenwert erreicht, anschließendes Laden des Batteriepacks in einer dritten Phase durch Verringern des Ladestroms als Reaktion auf das von der Referenzelektrode bestimmte Kathodenpotenzial, sodass das Kathodenpotenzial maximiert wird, ohne den Kathodenpotential-Schwellenwert zu überschreiten.
Verfahren zum Schnellladen eines Batteriepacks, worin das Batteriepack mindestens eine Batteriezelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Referenzelektrode umfasst, das Verfahren umfassend: Laden des Batteriepacks in einer ersten Phase durch Maximieren des Ladestroms; anschließendes Laden des Batteriepacks in einer zweiten Phase, sodass das Anodenpotential minimiert wird, ohne den Anodenpotential-Schwellenwert zu unterschreiten; und anschließendes Laden des Batteriepacks in einer dritten Phase, sodass das Kathodenpotential maximiert wird, jedoch ohne einen Kathodenpotential-Schwellenwert zu überschreiten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Anodenpotential-Schwellenwert ein Anodenpotential ist, oberhalb dessen während des Ladevorgangs im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung stattfindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der minimale Anodenpotential-Schwellenwert des Batteriepacks unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierbatteriezellen bestimmt wird, die für die mindestens eine Batteriezelle des Batteriepacks charakteristisch sind: Laden der einen oder mehreren Kalibrierbatteriezellen mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und Messen des Ladestroms während einer oder mehrerer Phasen der zweiten oder dritten Phase; Bestimmen der Ableitung des gemessenen Ladestroms in Bezug auf die Zeit; und Untersuchen der abgeleiteten Daten über die erste Phase und/oder die vierte Phase, um zu bestimmen, ob die abgeleiteten Daten eine glatte Kurve oder eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität aufweisen, worin eine glatte Kurve das Fehlen einer Lithiumbeschichtung und eine Kurve mit einer lokalen Diskontinuität das Vorhandensein einer Lithiumbeschichtung anzeigt; und zweitens: iteratives Implementieren des Batteriepack-Ladeverfahrens unter Verwendung eines höheren Anodenpotential-Testschwellenwerts als eine vorherige Iteration, wenn die Lithiumbeschichtung während der vorherigen Iteration stattgefunden hat, oder unter Verwendung eines niedrigeren Anodenpotential-Schwellenwerts als die vorherige Iteration, wenn während der vorherigen Iteration keine Lithiumbeschichtung stattgefunden hat; und Drittens: Auswählen des niedrigsten Anodenpotential-Testschwellenwerts, der im Wesentlichen keine Lithiumbeschichtung aufweist, in Bezug auf den Anodenpotential-Schwellenwert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Referenzelektrode eine Anodenreferenzelektrode umfasst und das Anodenpotential über eine Messung an der Anodenreferenzelektrode bestimmt wird und das Kathodenpotential durch Hinzufügen der Messung an der Anodenreferenzelektrode zu einem gemessenen Zellpotential bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Referenzelektrode eine Kathodenreferenzelektrode umfasst und das Kathodenpotential über eine Messung von der Kathodenreferenzelektrode bestimmt wird, und das Anodenpotential durch Subtrahieren des gemessenen Zellpotentials von der Messung der Kathodenreferenzelektrode bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Kathode über eine Schaltung elektrisch mit der Anode verbunden ist und ein lithiumionenhaltiger Elektrolyt mit der Anode und der Kathode in Kontakt steht, und worin die Batterie durch Gleichstrom von einer Stromversorgung zur Schaltung geladen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend das Beenden des Ladevorgangs des Batteriepacks, wenn eines oder mehrere der Batteriepacks einen ausreichenden Ladezustand erreicht hat, mindestens eine Batteriezelle des Batteriepacks ein maximales Zellpotenzial erreicht hat oder der Ladestrom einen Minimalwert erreicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Kathodenpotential-Schwellenwert das Potential umfasst, oberhalb dessen ein Elektrolyt der mindestens einen Batteriezelle beginnt, irreversibel zu oxidieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Referenzelektrode so angeordnet ist, dass ein Elektrolytweg zwischen der Referenzelektrode und der Kathode oder der Anode hergestellt wird.