DE102019113545A1 - Verfahren zur beseitigung von lithiumabscheidung in einer hochspannungsbatterie - Google Patents

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Xiaohong Nina Duan
Chi Paik
Jianrong Huang
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Abstract

Die Offenbarung stellt ein Verfahren zur Beseitigung von Lithiumabscheidung in einer Hochspannungsbatterie bereit. Ein Verfahren für ein Fahrzeug umfasst, durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom für eine Batterie einen Schwellenwert überschreitet, Hemmen eines weiteren Ladens der Batterie. Das Verfahren beinhaltet ferner in Reaktion darauf, dass das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, nachdem der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Strom, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um Lithium von einer Anode der Batterie zu entmetallisieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft die Beseitigung von Lithiumabscheidung in einer Hochspannungsbatterie und insbesondere eine Regelungsstrategie zum Beseitigen von Lithiumabscheidung.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Elektrifiziert Fahrzeug (EV), wie z. B. Batterieelektrofahrzeuge (BEV) und Hybridelektrofahrzeug (HEV), beinhalten typischerweise eine oder mehrere elektrische Maschinen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe gekoppelt sind. Das Hybridgetriebe kann ferner mechanisch an einen herkömmlichen Motor gekoppelt sein. Die elektrische Maschine ist dazu imstande, als Elektromotor oder Generator zum Antreiben des Fahrzeugs betrieben zu werden. Die elektrischen Maschinen können eine Antriebs- und Abbremsfunktion für das EV bereitstellen, wenn der Motor ein- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen können zudem als Generatoren fungieren, die mechanische Energie als elektrische Energie zurückgewinnen. Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack kann verwendet werden, um die elektrische Energie zu speichern, die später von den elektrischen Maschinen verwendet werden kann.
  • Ein Fahrzeugbatteriepack stellt typischerweise einen Hochspannungsgleichstromausgang (DC) bereit und kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule gekoppelt sein. Die Leistungselektronikmodule können zudem elektrisch mit die elektrischen Maschinen gekoppelt sein und können bidirektional übertragbare Energie zwischen der Batterie und den elektrischen Maschinen bereitstellen. Ein Batterieverwaltungssystem kann eine oder mehrere Steuerungen, wie etwa ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Control Module - BECM), beinhalten, das typischerweise verwendet wird, um die Leistung der Traktionsbatterie zu überwachen und zu steuern. Im Normalbetrieb stellt eine Traktionsbatterie eine DC-Spannung bereit, während die elektrischen Maschinen mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden, um betriebsbereit zu sein. Das Leistungselektronikmodul wandelt die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom zum Betreiben der elektrischen Maschinen um. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie kompatibel ist.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie wird typischerweise in elektrifizierten Fahrzeugen verwendet, jedoch sind Lithium-Ionen-Batterien nicht dazu fähig, einen höheren Ladestrom aufzunehmen, als auslegungsgemäß zulässig ist, insbesondere bei Temperaturen unter Normaltemperatur (z. B. 25 °C). Wenn der Ladestrom den Auslegungsgrenzwert für die Batterie überschreitet, kann es zu Lithiumabscheidung an der Anode einer Batteriezelle kommen, wodurch die Batteriekapazität abnimmt und der Zellenwiderstand zunimmt. In einigen Fällen kann es je nach dem Ausmaß der Abscheidung sein, dass die Batterie ausgetauscht werden muss.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren für ein Fahrzeug, durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom für eine Batterie einen Schwellenwert überschreitet, Hemmen eines weiteren Ladens der Batterie. Das Verfahren beinhaltet ferner in Reaktion darauf, dass das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, nachdem der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Strom, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um Lithium von einer Anode der Batterie zu entmetallisieren.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der vorgegebene Strom ein Pulsstrom sein. In einer Ausführungsform kann der Schwellenwert auf einem Grenzwert beruhen, der sich darauf bezieht, wann eine Lithiumabscheidung in der Batterie stattfindet. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Entladen der Batterie Betreiben einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage, die mit der Batterie verbunden ist, beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner Verhindern eines Kaltstarts des Fahrzeugs vor dem Entladen der Batterie umfassen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Entladen der Batterie Signalisieren von der Steuerung an einen DC/DC-Wandler, einen Abzweigstromfluss von der Batterie zu entnehmen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist, beinhalten. In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das Entladen der Batterie in Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung Schließen eines passiven Ausgleichsschalters, um die Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug eine Steuerung, die mit einer Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom einer Batterie einen Schwellenwert überschreitet und das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, das Batterieladen zu hemmen und die Batterie mit einem vorgegebenen Strom für eine vorgegebene Zeit zu entladen, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um abgeschiedenes Lithium von einer Anode der Batterie zu entfernen.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Fahrzeug ferner einen DC/DC-Wandler beinhalten, der mit der Steuerung und der Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Entnehmen eines Abzweigstromflusses von der Batterie zu entladen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Fahrzeug ferner einen passiven Ausgleichsschalter beinhalten, der mit der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert sein kann, die Batterie durch Schließen des passiven Ausgleichsschalters zum Entladen der Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Fahrzeug ferner eine Fahrzeugheizung oder Klimaanlage beinhalten, die mit der Batterie und der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert sein kann, die Batterie durch Betreiben der Fahrzeugheizung oder Klimaanlage zu entladen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung ferner dazu konfiguriert sein, die Batterie zu einem geringeren Grad als den vorgegebenen Strom zu entladen, bis das Fahrzeug den vordefinierten Zustand erreicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren für ein Fahrzeug, durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass eine Ladespannung einen Schwellenwert überschreitet, der Lithiumabscheidung an einer Anode anzeigt, Hemmen eines Batterieladens in Reaktion darauf, dass sich das Fahrzeug in einem vordefinierten Zustand befindet. Das Verfahren beinhaltet ferner Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit, um Lithiumionen mit einem vorgegebenen Strom freizusetzen, der durch einen Betrag und eine Dauer definiert ist, um den bzw. für die die Ladespannung den Schwellenwert überschritten hat, um Lithiumabscheidung an der Anode zu entfernen.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der vorgegebene Strom ein Pulsstrom sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Entladen der Batterie Signalisieren von der Steuerung an einen DCDC-Wandler, einen Abzweigstromfluss von der Batterie zu entnehmen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist, beinhalten. Gemäß Ausführungsformen kann das Entladen der Batterie Schließen eines passiven Ausgleichsschalters, der mit der Batterie verbunden ist, durch die Steuerung beinhalten, um die Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Entladen der Batterie Betreiben einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage beinhalten. Das Verfahren kann ferner Verhindern eines Kaltstarts des Fahrzeugs umfassen, wenn die Ladespannung den Schwellenwert vor Entladen der Batterie überschreitet. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung sein.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Modulschaltung für ein Fahrzeugbatteriesystem gemäß einer Ausführungsform.
    • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Steuerlogik zum Entfernen von Lithiumabscheidung gemäß einer Ausführungsform.
    • 3 zeigt eine Vorkopplungsschleife für ein Verfahren zum Entfernen von Lithiumabscheidung gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier nach Bedarf offenbart; dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann, lediglich beispielhaft sind. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Entfernen von Lithiumabscheidung von einer Fahrzeugtraktionsbatterie offenbart. Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung entfernt die Abscheidung in einer Zelle unter Verwendung bestehender Fahrzeugkomponenten. Ferner kann das Verfahren durchgeführt werden, um die Lithiumabscheidung zu entfernen, die insbesondere dadurch entsteht, dass die Batterie einem höheren Strom ausgesetzt wird, was zu Batteriealterung und einem höheren Zellenwiderstand führt.
  • Ein elektrifiziertes Fahrzeug (EV) beinhaltet typischerweise ein Fahrzeugbatteriepack und ein Batterieverwaltungssystem, das eine oder mehrere Steuerungen, wie z. B. ein Batterieelektroniksteuermodul (BECM), beinhaltet, um die Batterieleistung zu überwachen und zu steuern. Obwohl HS-Batterie, Batterie oder Batteriepack synonym verwendet werden, soll Batterie nicht auf eine bestimmte Anzahl von Batterien, Traktionsbatterien oder Zellen in einem Pack beschränkt sein. Das Batteriepack kann einen Hochspannungsgleichstrom an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule und andere Fahrzeugfunktionen bereitstellen. Die Leistungselektronikmodule können zudem elektrisch mit den elektrischen Maschinen gekoppelt sein und können bidirektional übertragbare Energie zwischen der Batterie und den elektrischen Maschinen bereitstellen. EV können zudem elektrische Niederspannungskomponenten und -zubehör sowie Niederspannungsbatterien zum Versorgen der Niederspannungskomponenten beinhalten.
  • 1 zeigt eine Modulschaltung 100 eines Fahrzeugbatteriesystems. Die Modulschaltung 100 beinhaltet einen HS-Bus 110, einen NS-Bus 120, ein BECM 130, Spannungswächter 140, 145 und passive Ausgleichsschalter 150. Um die Niederspannungskomponenten (NS-Bus 120) mit Leistung von dem Hochspannungsbatteriepack (HS-Bus 110) zu versorgen und/oder um die Niederspannungsbatterie wiederaufzuladen, wird typischerweise ein DC/DC-Wandler 160, 165 oder eine Bank aus DC/DC-Wandlern, deren Ausgänge parallel geschaltet sind, verwendet, um eine Abwärtswandlung an dem Hochspannungsstrom auf einen geeigneten Strom niedrigerer Spannung durchzuführen, um einen Niederspannungsleistungsbus, wie in 1 dargestellt, anzutreiben. Weiterhin können, wie in 1 abgebildet, auf dem Spannungswächterchip ein passiver Ausgleichswiderstand und passiver Ausgleichsschalter 150 vorhanden sein, die mit jeder Batteriezelle 170 verbunden sind. Das BECM 130 ist dazu imstande, das Öffnen und Schließen des passiven Ausgleichsschalters 150 zu steuern, und ist zudem dazu imstande, den Stromdurchgang durch den DC/DC-Wandler 160, 165 zu steuern.
  • Bei einem typischen Fahrzeugbetrieb steuert das BECM den Betrieb des Leistungselektronikmoduls und den in die Batterie fließenden Strom. Während des Fahrzeugbetriebs kann die Batterie jedoch mit Strom über dem Stromgrenzwert, bei dem Lithiumabscheidung auftritt, aufgrund eines Fehlers in der Sensorfunktion oder Verzögerung bei Leistungselektronik- oder Steuermechanismen usw. geladen werden. Beispielsweise kann es bei einem Kaltstart des Fahrzeugs bei extrem niedriger Temperatur (z. B. -40 °C) dazu kommen, dass das Leistungselektronikmodul die Fähigkeit verliert, die Batterie schnell von der elektrischen Maschine zu isolieren. Wenn die elektrische Maschine, die als Generator fungiert, mit hoher Drehzahl über einen kurzen Zeitraum (z. B. weniger als 10 Sekunden) gedreht wird, kann die Batterie einer höheren Spannung ausgesetzt sein und kann dies dazu führen, dass der Ladestrom der Batterie den Auslegungsgrenzwert überschreitet.
  • Die Lithiumabscheidung an der Anode der Batterie, die darauf zurückzuführen ist, dass sie einem Strom über dem Stromgrenzwert für Lithiumabscheidung für einen kurzen Zeitraum beim Laden ausgesetzt wird, kann entfernt werden, indem die Batteriezelle umgehend mit einem definierten Strom in einer ausreichenden Zeit entladen wird, nachdem die Batterie den zu der Lithiumabscheidung führenden höheren Ladestrom (d. h. einen Schwellenstrom oder eine Schwellenspannung, die Lithiumabscheidung entspricht) durchgeleitet hat. Der Entladestrom und die Länge der Entladezeit werden durch die auf die Anode abgeschiedene Menge an Lithium (z. B. die Differenz zwischen dem Schwellenstrom oder der Schwellenspannung und dem tatsächlichen Strom oder der tatsächlichen Spannung, dem bzw. der die Batterie ausgesetzt war) bestimmt, und durch Steuern des Entladestroms kann unerwünschtes abgeschiedenes Lithium durch Freisetzen von Lithiumionen von der Anode entfernt werden. Das Integral des Entladestroms in Bezug auf die Zeit kann leicht die Menge überschreiten, die zum Abscheiden des Lithiums nötig war (z. B. entsprechend 105 % der abgeschiedenen Lithiummenge). Wenn die abgeschiedene Lithiummenge z. B. etwa 300 Coulomb entspricht, können der Entladestrom- und Zeitbereich zwischen etwa 10 A für etwa 32 Sekunden und etwa 100 mA für etwa 3.150 Sekunden liegen. Daher kann ein ausgelegter, vordefinierter oder vorgegebener Entladestrom zum Entfernen der Lithiumabscheidung bestimmt werden. Der Entladestrom kann ein mäßiger Strom sein, sodass in Fällen, in denen keine Lithiumabscheidung oder sehr wenig Lithiumabscheidung vorliegt, die Entladung keine Leistungs- und Zellenprobleme verursacht. Weiterhin kann der Auslegungsstrom ein Pulsstrom sein. Beispielweise kann eine Stromamplitude etwa 2C in Impulsen von etwa 10 bis 30 Sekunden betragen.
  • Bezogen auf 2 wird ein Ablaufdiagramm bereitgestellt, das die Logik des Verfahrens 200 zum Beseitigen von Lithiumabscheidung in einer HS-Batterie darstellt. Bei Schritt 210 überwacht das BECM den Ladestrom und die Ladespannung, mit denen die Batterie versorgt wird. Bei Schritt 220 prüft das BECM, ob der Ladestrom der Batterie außerhalb des zulässigen Bereichs liegt und/oder die Batterie durch eine Fehlfunktion der Leistungselektronik des HS-Systems einer höheren Ladespannung und/oder einem höheren Ladestrom ausgesetzt war. Wenn die Batterie einem höheren Ladestrom oder einer höheren Ladespannung als dem zulässigen Grenzwert ausgesetzt war, gibt das BECM bei Schritt 230 einen Befehl aus, um das Fahrzeugsteuersystem davor zu warnen, dass das Aussetzen Lithiumabscheidung verursachen kann. Wenn der Ladestrom und die Ladespannung innerhalb des zulässigen Bereichs liegen, setzen das Fahrzeug, die HS-Batterie und die HLK den Normalbetrieb bei Schritt 225 fort. Bei Schritt 240 empfängt das Fahrzeugsteuersystem die Warnung und prüft, ob das Laden der Fahrzeugbatterie gehemmt werden kann, wie beispielsweise u. a. wenn sich das Fahrzeug in einem Zustand mit ausgeschalteter Zündung befindet oder das Fahrzeug ohne Nutzbremsung angehalten werden kann (d. h. in einem vordefinierten Zustand). Wenn sich das Fahrzeug nicht in einem Zustand mit ausgeschalteter Zündung oder einem Zustand befindet, in dem das Laden der Batterie gehemmt werden kann (z. B. kann das Fahrzeug nicht ohne Nutzbremsung mit normalem mechanischem Bremsbetrieb angehalten werden kann), wartet das Steuersystem bei Schritt 245 darauf, dass die Ladehemmung zugelassen und der normale Batteriebetrieb fortgesetzt wird. Wenn die Ladehemmung zulässig ist, sendet das BECM (oder die Fahrzeugsteuerung) bei Schritt 250 ein Signal an die HS-Batterie, um ein Laden der Batterie zu unterbinden, und kann die Batterieentladung auf einen Bereich unter dem Normalbetrieb eingeschränkt werden. Konkret wird der Motor oder Generator daran gehindert, die HS-Batterie weiter zu laden. Ferner berechnet das BECM bei Schritt 260 über einen Prozessor die Zeit und/oder den kumulierten Strom zur Batterieentladung.
  • Bei Schritt 270 bestimmt das Fahrzeugsteuersystem, ob das Fahrzeug dazu imstande ist zu fahren und sicher fahren kann (d. h. in einem sicheren Zustand oder vordefinierten Zustand, ob es imstande ist zu fahren oder ob es imstande ist, an einen sicheren Ort zu gelangen), während Strom zum Entfernen von Lithiumabscheidung entladen wird. Ob das Fahrzeug dazu imstande ist zu fahren und sicher fahren kann, wenn die HS-Batterieladung gehemmt wird und die Entladung eingeschränkt wird, hängt von der Art des elektrifizierten Fahrzeugs ab. Bei Hybrid- und BEV würden sowohl die Nutzbremsung als auch Motorladung gehemmt werden, wenn die Batterieladung gehemmt wird und die Entladung eingeschränkt wird. Obwohl Fahrzeug dazu ausgestaltet sein können, ohne Nutzbremsung zu bremsen, können einige Fahrzeuge einen normalen Fahrbetrieb nicht fortsetzen, wenn das Laden gehemmt wird. Bei BEV wird die gesamte benötigte Leistung von der HS-Batterie bereitgestellt. Antriebsleistung kommt direkt von der HS-Batterie und das Steuersystem ist ebenfalls von dem 12-V-System abhängig. Im Fall von BEV muss das Fahrzeug dazu imstande sein zu fahren und sicher fahren können, wenn das Laden gehemmt wird, und kann es sein, dass die Entladefähigkeit auf einen niedrigeren Strom als den Normalbetrieb eingeschränkt werden muss, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug an einen relativ sicheren Ort zum Halten gelangt. Bei BEV können die Beschleunigung und Geschwindigkeit beeinträchtigt werden, wenn die Entladefähigkeit eingeschränkt wird, und somit müssen das Fahrvermögen und die Fahrsicherheit des Fahrzeugs zur Auslegung des Entladestroms bestimmt werden. Bei FHEV und PHEV benötigen, obwohl Antriebsleistung vom Motor bereitgestellt werden kann, das 12-V-System und Klimasteuersystem Leistung von der HS-Batterie. Wenn die NS-Batterie den Leistungsbedarf erfüllen kann, kann das Fahrzeug sicher gefahren werden, sodass es in Reaktion auf Fahrereingaben gelenkt, beschleunigt, abgebremst und angehalten werden kann. Wenn der Auslegungsstrom ein Pulsstrom ist, kann der Entladestrom an das 12-V-System über die DC/DC-Steuerung gesendet werden und ist niedriger als der vom Fahrzeug benötigte Strom und wird das Steuersystem daher durch die NS-Batterie mit Leistung versorgt. Wenn die NS-Batterie leer ist, weist das Fahrzeug dann eine eingeschränkte Steuerfähigkeit auf und wäre es nicht sicher zu fahren. Wenn die HS-Batterie also ladegehemmt wird, kann es sicher sein, mit dem Fahrzeug zu fahren, um an einen relativ sicheren Ort zum Halten zu gelangen, bevor die NS-Batterie leer ist, da die Steuerfähigkeit des Fahrzeugs durch die Batterieentladung beeinträchtigt sein kann.
  • Wieder bezogen auf 2 wartet, wenn der Fahrzustand des Fahrzeugs für eine Entladung nicht sicher ist, das BECM bei Schritt 275 darauf, dass das Fahrzeug parkt oder dessen Zündung ausgeschaltet wird. Wenn der Fahrzustand des Fahrzeugs gemäß den obengenannten Bedingungen sicher ist (oder das Fahrzeug parkt), befiehlt das BECM der Batterie bei Schritt 280, den Strom für die berechnete Zeit auf Grundlage der vorausgelegten Funktion zu entladen, um Lithiumabscheidung zu entfernen. Bei ausgeschalteter Zündung oder beim Parken kann die Steuerung der Batterie befehlen, eine Entladung durchzuführen, und kann mit dem Entladestrom die NS-Batterie geladen oder der Innenraum beheizt werden oder kann er durch passive Ausgleichswiderstände abgeleitet werden, anstatt das Fahrzeug anzutreiben. Der Entladestrom setzt Elektronen aus der Anode der Batterie frei. Wenn ein Entladestrom von der Batterie fließt und die Elektronen von der Anode freigesetzt werden, kann die Batterie interne Reaktionen durchlaufen, wie z. B. Auflösen von abgeschiedenem Lithium an der Anode.
  • Wieder bezogen auf 2 kann Schritt 280 zum Entladen der Batterie mit der vorausgelegten Funktion auf drei Arten stattfinden. In einer Ausführungsform kann die HS-Batterie über eine HLK-Einheit des Fahrzeugs, wie z. B. eine Fahrzeugheizung oder Klimaanlage, durch das Fahrzeugsteuersystem entladen werden. Wenn für die HS-Batterie z. B. eine Entmetallisierung erforderlich ist, unterbindet es das Fahrzeug, die HS-Batterie über den Motor und Generator zu laden, und berechnet die Zeit und den Strom, die zum Entladen der Batterie nötig sind. Schritt 280 beinhaltet Befehlen einer Fahrzeugheizung oder eines Klimaanlagenkompressors auf „AUS“ auf Grundlage der Umgebungstemperatur, wenn die Spannung sämtlicher Zellen in dem HS-Batteriepack höher als ein kritischer Wert ist. Während des Entladevorgangs überwacht das BECM die Zellenspannung, berechnet die Entladezeit und kumuliert den Entladestrom und gibt den Befehl zum Stoppen der Entladung aus, wenn weder die Entladezeit noch der kumulierte Entladestrom ihre Stoppgrenzwerte erreichen oder die Spannung einer der Zellen unter den kritischen Wert fällt. Die Fahrzeugheizung oder der Klimaanlagenkompressor können periodisch gesteuert (z. B. EIN- und AUSgeschaltet werden), um einen Pulsentladestrom beim Entladen der Batterie zu bilden.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Fahrzeugstart unterbunden werden, wenn die Batterie geladen werden oder einer höhen Spannung ausgesetzt sein kann, obwohl keine Ladung gestattet ist. Beispielsweise kann im Fall eines Kaltstarts des Fahrzeugs das Leistungselektronikmodul die Fähigkeit verlieren, die Batterie von dem Generator zu isolieren, sodass die Spannung den zulässigen Grenzwert (beim Kaltstart) bei Schritt 220 überschreiten würde, was zu Lithiumabscheidung führt. Die Fahrzeugsteuerung kann im Fall eines Kaltstarts einen Fahrzeugstart unterbinden und ein Einschalten der Heizung befehlen, um das Fahrzeug zu erwärmen, indem die Batterie entladen wird, bis die Lithiumabscheidung entfernt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform kann das Entladen der Batterie stattfinden, indem ein Abzweigstrom gesteuert wird, der von dem HS-Bus 110 zum NS-Bus 120 über die DC/DC-Wandler 160, 165 fließt, wie in 1 dargestellt. Zwar ist in 1 eine Bank aus DC/DC-Wandlern dargestellt, jedoch ist dies ein Beispiel und kann auch ein einzelner DC/DC-Wandler verwendet werden. Der Abzweigstromfluss durch den DC/DC-Wandler 160, 165 kann durch eine Wandlersteuerung gesteuert werden, die den Strom steuert, der von den HS-Batteriezellen, die mit jedem der Wandler verbunden sind, entnommen wird. Nachdem der Ladestrom oder die Ladespannung den zulässigen Grenzwert bei Schritt 220 überschritten und das Verfahren Schritt 280 zum Entladen der Batterie erreicht hat, gibt das BECM oder die Fahrzeugsteuerung ein Befehlssignal an die Wandlersteuerung aus, um den DC/DC-Wandler dazu anzuweisen, den berechneten Strom von der Zelle der HS-Batterie, die den Grenzwert überschreitet, zu entnehmen. Die Stromentnahme jedes DC/DC-Wandlers kann durch die Amplitude und/oder Gestalt (z. B. einen Puls) gesteuert werden, die zum Entfernen von abgeschiedenem Lithium von der Anode vorteilhaft wäre(n). Somit führt der DC/DC-Wandler die HS-Zellenentladung mit dem Auslegungsstrom durch, um die Lithiumabscheidung von der Anode zu entfernen. Wenn der Auslegungsstrom entladen ist, nimmt die Wandlersteuerung den Normalbetrieb wieder auf, um den Sollstrom von der HS-Zelle zu der NS-Zelle zu leiten. Weiterhin kann die berechnete Entladezeit verwendet werden, um der Wandlersteuerung zu signalisieren, den Normalbetrieb wieder aufzunehmen. Die Wandlerstromentnahme zum Entladen kann ein konstanter Betrag sein oder kann ein variierter Strom sein.
  • In einer Ausführungsform kann die Wandlersteuerung die Umsetzung des Entladestroms und Überwachung des Grenzwerts mit einer Regelungsschleife, wie etwa u. a. einer Vorkopplungsschleife 300, wie in 3 dargestellt, durchführen. Der Eingangsbefehl 310 der Wandlersteuerung ist auch die Eingabe für die Vorkopplungsschleife und kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: I B e f = V A u s l I W a n d l e r _ E n t n V e i n η
    Figure DE102019113545A1_0001
    wobei Iwandler_Entn der Wandlerausgangsstrom auf der NS-Seite ist, VAusl die Spannung des HS-Busses des Fahrzeugs ist, IBef der durch die DC/DC-Wandler von der HS-Zelle zu entnehmende Sollstrom 320 ist; Vein die Spannung ist, die zum Umwandeln der Eingangsseite zugeführt wird; und η der Umwandlungswirkungsgrad ist. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung sowohl Vorkopplungs- als auch Rückkopplungsschleifen beinhalten. Somit kann die Rückkopplungsschleife umgangen werden und kann die Wandlerstromentnahme nur durch die Vorwärtsschleife bestimmt werden.
  • In einer wieder anderen Ausführungsform kann die Entladung der Batterie durch einen Abzweigwiderstand erfolgen. Nachdem der Ladestrom oder die Ladespannung den zulässigen Grenzwert bei Schritt 220 überschritten und das Verfahren Schritt 280 zum Entladen der Batterie erreicht hat, sendet das BECM 130 oder die Fahrzeugsteuerung ein Signal an den DC/DC-Wandler 160, 165, um den passiven Ausgleichswiderstandsschalter 150, wie in 1 dargestellt, zu öffnen. Durch das Schließen des passiven Ausgleichsschalters fließt ein Entladestrom von der HS-Zelle durch den passiven Ausgleichswiderstand zur Masse. Der Entladestrom kann z. B. gleich der Zellenspannung, geteilt durch den passiven Widerstand, sein. Wenn eine Zellenspannung unter einer kritischen Zellenspannung liegt, wird der passive Ausgleichsschalter geöffnet, sodass die HS-Zelle nicht entladen wird. Wenn die Zellenspannung über der kritischen Zellenspannung liegt, bleibt der passive Ausgleichsschalter geschlossen und fließt Entladestrom durch den passiven Ausgleichswiderstand. Wie bereits erörtert, kann die Entladung der Zelle über einen Zeitraum (d. h. Zeit, die zum Entmetallisieren nötig ist) stattfinden oder kann auf Grundlage eines kumulierten Entladestroms stattfinden. Der passive Ausgleichsschalter kann periodisch gesteuert werden, um sich zu schließen und zu öffnen, sodass ein Pulsentladestrom gebildet wird.
  • In einer wieder anderen Ausführungsform können Ausführungsformen mit dem passiven Ausgleichswiderstand und mit dem Abzweigstrom zur Verwendung bei Fahrzeuganwendungen miteinander kombiniert werden. Das Abzweigstromverfahren ermöglicht die Energieentnahme aus einer HS-Batterie zur Speicherung in einer Niederspannungsbatterie zur späteren Fahrzeugverwendung und steuert den Zellenentladestrom über den Sollwert auf Grundlage der Lithiumabscheidung. Der Sollwert muss nicht konstant sein und die Amplitude kann zu einem vorteilhaften Grad zum Entfernen von abgeschiedenem Lithium von der Anode gesteuert werden, und so könnte sich der Sollwert mit der Zeit verändern. Weiterhin können die Zellen des Batteriepacks durch Kombinieren von Ausführungsformen mit dem passiven Ausgleichswiderstand und mit dem Abzweigstrom getrennt über die Wandler, mit denen die Zellen verbunden sind, entladen werden. Bei dem Abzweigstromverfahren können, wenn die Spannung einer Zelle niedriger als die kritische Spannung ist, sämtliche der mit demselben DC/DC-Wandler verbundenen Zellen nicht weiter entladen werden. Wenn z. B. bei Zellen 1 bis 3 der Zellen 170, die mit dem DC/DC-Wandler 165 verbunden sind, unter den Zellen 1 bis 3 eine Zelle eine Spannung unter dem kritischen Wert aufweist, können die mit dem DC/DC-Wandler 165 verbundenen Zellen nicht entladen werden, jedoch können Zellen, die mit anderen DC/DC-Wandlern 160 verbunden sind, entladen werden. Bei dem Verfahren mit passivem Ausgleichswiderstand wird eine entladende Zelle nicht durch andere Zellen beeinflusst. Durch die Kombination des Verfahrens wird der Fall gelöst, in dem eine einzelne Zellenspannung unter den kritischen Wert fällt. Wenn z. B. Spannungen sämtlicher HS-Zellen, die mit einem DC/DC-Wandler verbunden sind, alle über dem kritischen Wert liegen, werden die HS-Zellen über das Abzweigstromverfahren entladen. Jedoch können in einem Fall, in dem die Spannung mindestens einer Zelle unter dem kritischen Wert liegt, die anderen Zellen über das Verfahren mit passivem Ausgleichswiderstand entladen werden.
  • In einer wieder anderen Ausführungsform können zudem die HLK-Entladung, die Abzweistromentladung und die Entladung über einen passiven Ausgleichswiderstand zum Entfernen von Lithiumabscheidung miteinander kombiniert werden. Wenn die HS-Batterie Strom oder Spannung über dem Grenzwert unter extrem kalten Bedingungen ausgesetzt ist, kann die Fahrzeugsteuerung oder das BECM das HLK-System zum Entladen der Batterie verwenden, um den Innenraum aufzuwärmen und das abgeschiedene Lithium zu entfernen, das einen Entladestrom erfordert, worauf das Abzweigstromverfahren folgt, um den Zustand des Entladestroms genau zu steuern, und wird schließlich das Verfahren mit passivem Ausgleichswiderstand über Nacht bei einem geparkten Fahrzeug verwendet, um einen geringen Entladestrom fortzusetzen, um eine Reinigung des immer noch von der Batterieanode entmetallisierten Lithiums zu unterstützen.
  • So wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Entfernen von Lithiumabscheidung von einer Fahrzeugtraktionsbatterie offenbart. Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung entfernt die Abscheidung in einer Zelle unter Verwendung bestehender Fahrzeugkomponenten. Ferner kann das Verfahren durchgeführt werden, um die Lithiumabscheidung zu entfernen, die insbesondere dadurch entsteht, dass die Batterie einem höheren Strom ausgesetzt wird, wodurch sich Batteriealterung und Zellenwiderstand verringern. Nachdem erkannt wird, dass die Batterie einem höheren Strom ausgesetzt wurde, wird das Laden der HS-Batterie gestoppt. Die Entladung der Batterie ist dann eingeschränkt (wenn sich das Fahrzeug in einem sicheren Zustand befindet) und die Batterie kann unter Verwendung eines HLK-Systems, eines Abzweigstroms über den DC/DC-Wandler oder einen passiven Ausgleichswiderstand durch Schließen eines passiven Ausgleichsschalters entladen werden. Die Entladeverfahren können je nach dem Auslegungsstrom, der über eine vorgegebene Zeit entladen werden muss, wie anhand der Menge an Lithiumabscheidung an der Anode bestimmt, getrennt oder in Kombination verwendet werden.
  • Während vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und versteht es sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale unterschiedlicher umsetzender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen zu bilden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren für ein Fahrzeug, durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom für eine Batterie einen Schwellenwert überschreitet, Hemmen eines weiteren Ladens der Batterie, und in Reaktion darauf, dass das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, nachdem der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Strom, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um Lithium von einer Anode der Batterie zu entmetallisieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem vorgegebenen Strom um einen Pulsstrom.
  • Gemäß einer Ausführungsform beruht der Schwellenwert auf einem Grenzwert, der sich darauf bezieht, wann eine Lithiumabscheidung in der Batterie stattfindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie Betreiben einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage, die mit der Batterie verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner gekennzeichnet durch Verhindern eines Kaltstarts des Fahrzeugs vor dem Entladen der Batterie.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie Signalisieren von der Steuerung an einen DC/DC-Wandler, einen Abzweigstromfluss von der Batterie zu entnehmen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie in Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung Schließen eines passiven Ausgleichsschalters, um die Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Steuerung aufweist, die mit einer Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom einer Batterie einen Schwellenwert überschreitet und das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, das Batterieladen zu hemmen und die Batterie mit einem vorgegebenen Strom für eine vorgegebene Zeit zu entladen, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um abgeschiedenes Lithium von einer Anode der Batterie zu entfernen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch einen DC/DC-Wandler gekennzeichnet, der mit der Steuerung und der Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Entnehmen eines Abzweigstromflusses von der Batterie zu entladen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch einen passiven Ausgleichsschalter gekennzeichnet, der mit der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Schließen des passiven Ausgleichsschalters zum Entladen der Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch eine Fahrzeugheizung oder Klimaanlage gekennzeichnet, die mit der Batterie und der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Betreiben der Fahrzeugheizung oder Klimaanlage zu entladen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, die Batterie zu einem geringeren Grad als den vorgegebenen Strom zu entladen, bis das Fahrzeug den vordefinierten Zustand erreicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren für ein Fahrzeug, durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass eine Ladespannung einen Schwellenwert überschreitet, der Lithiumabscheidung an einer Anode anzeigt, Hemmen eines Batterieladens in Reaktion darauf, dass sich das Fahrzeug in einem vordefinierten Zustand befindet, und Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit, um Lithiumionen mit einem vorgegebenen Strom freizusetzen, der durch einen Betrag und eine Dauer definiert ist, um den bzw. für die die Ladespannung den Schwellenwert überschritten hat, um Lithiumabscheidung an der Anode zu entfernen.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem vorgegebenen Strom um einen Pulsstrom.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie Signalisieren von der Steuerung an einen DC/DC-Wandler, einen Abzweigstromfluss von der Batterie zu entnehmen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie Schließen eines passiven Ausgleichsschalters, der mit der Batterie verbunden ist, durch die Steuerung, um die Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Entladen der Batterie Betreiben einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Kaltstart des Fahrzeugs verhindert wird, wenn die Ladespannung den Schwellenwert vor Entladen der Batterie überschreitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung ist.

Claims (15)

  1. Verfahren für ein Fahrzeug, umfassend: durch eine Steuerung, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom für eine Batterie einen Schwellenwert überschreitet, Hemmen eines weiteren Ladens der Batterie, und in Reaktion darauf, dass das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, nachdem der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, Entladen der Batterie für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Strom, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um Lithium von einer Anode der Batterie zu entmetallisieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem vorgegebenen Strom um einen Pulsstrom handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert auf einem Grenzwert beruht, der sich darauf bezieht, wann eine Lithiumabscheidung in der Batterie stattfindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen der Batterie Betreiben einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage, die mit der Batterie verbunden ist, beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Verhindern eines Kaltstarts des Fahrzeugs vor dem Entladen der Batterie.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen der Batterie Signalisieren von der Steuerung an einen DC/DC-Wandler, einen Abzweigstromfluss von der Batterie zu entnehmen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist, beinhaltet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen der Batterie in Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung Schließen eines passiven Ausgleichsschalters, um die Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen, beinhaltet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung ist.
  9. Fahrzeug, umfassend: eine Steuerung, die mit einer Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, in Reaktion darauf, dass ein Ladestrom einer Batterie einen Schwellenwert überschreitet und das Fahrzeug einen vordefinierten Zustand erreicht, das Batterieladen zu hemmen und die Batterie mit einem vorgegebenen Strom für eine vorgegebene Zeit zu entladen, die jeweils durch einen Betrag und eine Dauer definiert sind, um den bzw. für die der Ladestrom den Schwellenwert überschritten hat, um abgeschiedenes Lithium von einer Anode der Batterie zu entfernen.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 9, ferner umfassend einen DC/DC-Wandler, der mit der Steuerung und der Batterie in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Entnehmen eines Abzweigstromflusses von der Batterie zu entladen, der durch den vorgegebenen Strom definiert ist.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 9, ferner umfassend einen passiven Ausgleichsschalter, der mit der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Schließen des passiven Ausgleichsschalters zum Entladen der Batterie über einen passiven Ausgleichswiderstand zu entladen.
  12. Fahrzeug nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Fahrzeugheizung oder Klimaanlage, die mit der Batterie und der Steuerung in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Batterie durch Betreiben der Fahrzeugheizung oder Klimaanlage zu entladen.
  13. Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die Batterie zu einem geringeren Grad als den vorgegebenen Strom zu entladen, bis das Fahrzeug den vordefinierten Zustand erreicht.
  14. Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem vorgegebenen Strom um einen Pulsstrom handelt.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vordefinierte Zustand ein Zustand, in dem es möglich ist, während eines Entladens zu fahren, ein geparkter Zustand oder ein Zustand mit ausgeschalteter Zündung ist.
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