DE102019123739A1

DE102019123739A1 - Laden einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102019123739A1
Application number: DE102019123739.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt; Johannes Wandt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-04
Also published as: KR20220035216A; US20220311262A1; WO2021043563A1; CN114303296A; JP2022548505A

Abstract

Ein Verfahren (S1-S7) dient zum Laden einer Batteriezelle, wobei während einer Ladephase (LP1-LP2) mit konstantem Ladestrom (IL) überwacht wird (S4), ob eine an die Batteriezelle angelegte Ladespannung (UL) eine vorgegebene Umschaltspannung (Uu) erreicht oder überschreitet und, falls dies der Fall ist, auf eine nächste Ladephase (LP2-LP3) mit geringerem konstanten Ladestrom (IL) umgeschaltet wird, und während der Ladephasen (LP1-LP3) zusätzlich überwacht wird (S2), ob ein vorgegebener Abstand (ΔU) der Ladespannung (UL) von der Umschaltspannung (Uu) dieser Ladephase (LP1-LP3) erreicht oder unterschritten wird, und falls ja, mindestens ein Entladungspuls (P0-P9) an die Batteriezelle angelegt wird (S3-S7). Eine Batterieladungsvorrichtung (BV) ist dazu eingerichtet, das Verfahren (S1-S7) durchzuführen. Ein Fahrzeug (F) und/oder eine Ladestation (LSt) weisen zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung (BV) auf. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Laden von Fahrzeugbatterien, speziell von batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle, bei dem während einer Ladephase mit zumindest ungefähr konstantem Ladestrom überwacht wird, ob eine an die Batteriezelle angelegte Ladespannung eine vorgegebene Umschaltspannung erreicht oder überschreitet und, falls dies der Fall ist, auf eine nächste Ladephase mit zumindest ungefähr konstantem, aber geringerem Ladestrom umgeschaltet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Batterieladungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung aufweist und/oder eine Ladestation für ein Fahrzeug, die zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung aufweist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Laden von Fahrzeugbatterien, speziell von batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
Das Schnellladen ist ein sehr wichtiger Faktor für eine Nutzerakzeptanz batterieelektrischer Fahrzeuge. Ziel ist es dabei, besonders kurze Ladezeiten zu ermöglichen, ohne dabei Sicherheit oder Lebensdauer des Speichers zu kompromittieren.
Bei der mehrstufigen Konstantstromladung (auch als „Multistep Constant Current“, MSCC bezeichnet) wird ein elektrischer Ladestrom sukzessive stufenweise verringert, so dass ein Anodenpotential der geladenen Batteriezelle nicht in einen Bereich läuft, in dem eine Abscheidung von metallischem Lithium an den Elektroden der Batteriezelle (das sog. „Plating“) stattfindet. Hieraus ergibt sich für den Ladestrom ein charakteristisches Treppenmuster, das z.B. in US 6137265 A , 3B offenbart ist und zur Ladung aktueller batterieelektrischer Fahrzeuge bereits verwendet wird.
Beim MSCC kann es trotz eines gesamthaften bzw. über die gesamte Anode bestimmten Anodenpotentials, das kein Plating zulassen sollte, zu einem Plating kommen, da die elektrischen Ströme und Stromdichten an und in realen Elektroden inhomogen sind, beispielsweise aufgrund der Wechselwirkung der Transportprozesse mit Inhomogenitäten im Elektrodenaufbau, einem porösen Aufbau der Elektroden und einer endlichen Ausdehnung der Elektroden. Das gesamthafte Anodenpotential ist somit ein Mischpotential unterschiedlicher lokaler Anodenpotentiale, wobei lokale Anodenpotentiale Werte annehmen können, bei dem ein Plating auftritt, auch wenn dies bei Betrachtung nur des gesamthaftes Anodenpotential nicht vorkommen sollte. Um dem Plating unter realen Bedingungen entgegenzuwirken, kann der Ladestrom verringert werden, was jedoch nachteiligerweise eine Verlängerung der Ladezeit zur Folge hat.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine mehrstufigen Konstantstromladung bereitzustellen, die ein Plating besonders zuverlässig unter einer nur geringen Verlängerung der Ladezeit verhindert.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle, bei dem

- während einer Ladephase mit einem zumindest ungefähr konstanten Ladestrom bzw. mit einem Ladestrom mit zumindest ungefähr konstanter Stromstärke überwacht wird, ob eine an die Batteriezelle angelegte Ladespannung eine vorgegebene Umschaltspannung erreicht oder überschreitet und, falls dies der Fall ist, auf eine nächste Ladephase mit einem geringeren zumindest ungefähr konstanten Ladestrom bzw. einem Ladestrom mit geringerer, ebenfalls zumindest ungefähr konstanter Stromstärke umgeschaltet wird, und
- während der Ladephasen zusätzlich überwacht wird, ob ein vorgegebener Abstand der Ladespannung von der Umschaltspannung dieser Ladephase erreicht oder unterschritten wird, und falls ja, mindestens ein Entladungspuls an die Batteriezelle angelegt wird.

Dieses Verfahren erreicht durch die Aufprägung des mindestens einen Entladungspulses, dass dadurch Abscheidungen an einer Elektrode der Batteriezelle, z.B. eine Abscheidung metallischen Lithiums an einer Anode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, verhindert und ggf. bereits vorhandene Abscheidungen sogar wieder aufgelöst werden. Da zudem der mindestens eine Entladungspuls erst zu einem vergleichsweise späten Zeitpunkt der jeweiligen Ladephase aufgeprägt oder angelegt wird, bei dem die Gefahr eines Platings besonders hoch ist, wirken die Entladungspulse besonders effektiv. Es werden dann nur vergleichsweise wenige und kurze Entladungspulse benötigt, was wiederum die Ladezeit nur wenig verlängert. In anderen Worten werden die Entladungspulse nicht bei zuvor fest vorgegebenen Zeitpunkten (z.B. zyklisch) ausgelöst, sondern situationsbedingt erst dann, wenn die Gefahr eines Platings besonders hoch ist. Speziell korrespondiert der vorgegebene Abstand mit einer Anodenspannung, die sich im Verlauf der Ladephase so weit ihrem Nullwert angenähert hat, dass durch die Inhomogenitäten der Elektroden, insbesondere der Anode, eine merklich erhöhte Gefahr eines Platings vorhanden ist, z.B. weil dann dort lokal bereits ein negatives Anodenpotenzial anliegen könnte, obwohl das gesamthafte Anodenpotential noch positiv ist.
Das die Stromstärke einer Ladephase „zumindest ungefähr“ konstant ist, umfasst insbesondere, dass sie im Verlauf einer Ladephase nicht mehr als 10 % von ihrem Anfangswert oder Anfangs-Sollwert abweicht, insbesondere absinkt. Es ist eine Weiterbildung, dass gemeint ist, dass die Stromstärke von der der anfänglichen Stromstärke nicht mehr als 5 % abweicht, insbesondere nicht mehr als 4 % abweicht, insbesondere nicht mehr als 3 % abweicht, insbesondere nicht mehr als 2 % abweicht, insbesondere nicht mehr als 1 % abweicht, insbesondere absinkt.
Es ist eine Weiterbildung, dass eine Abweichung der Stromstärke während einer Ladephase von ihrem Anfangswert oder Anfangs-Sollwert erheblich geringer als eine Wertereduzierung der Anfangswerte oder Anfangs-Sollwerte zweier aufeinanderfolgender Ladephasen ist, insbesondere zumindest eine Größenordnung geringer. Es ist eine Weiterbildung, dass diese Abweichung innerhalb einer Ladephase nicht mehr als 10% eines Unterschieds des Anfangswerts oder Anfangs-Sollwerts dieser Ladephase von dem Anfangswert oder Anfangs-Sollwert der vorhergehenden Ladephase und/oder der folgenden Ladephase beträgt, insbesondere nicht mehr als 5 %, insbesondere nicht mehr als 4 %, insbesondere nicht mehr als 3 %, insbesondere nicht mehr als 2 %, insbesondere nicht mehr als 1 %.
Es ist eine Weiterbildung, dass während einer Ladephase die Ladeleistung konstant gehalten wird. Da während eines Ladens einer Batteriezelle mit konstantem Ladestrom die Ladespannung geringfügig ansteigt, wird bei dieser Weiterbildung anstelle einer Konstanthaltung des Ladestroms die Stromstärke des Ladestroms in dem Maße (geringfügig) gezielt verringert, in dem sich die Ladespannung erhöht. Dies kann so umgesetzt werden, dass während einer Ladephase die Ladeleistung konstant gehalten wird. Jedoch ist dieser Abfall des Ladestrom deutlich geringer als bei dem Umschalten am Ende der Ladephase.
Es ist eine Ausgestaltung, dass während einer Ladephase ein konstanter Ladestrom bzw. ein Ladestrom mit konstanter Stromstärke aufgeprägt wird, und dann, wenn die an die Batteriezelle angelegte Ladespannung die vorgegebene Umschaltspannung erreicht oder überschreitet, auf die nächste Ladephase mit geringerem konstanten Ladestrom bzw. mit einem Ladestrom geringerer konstanter Stromstärke umgeschaltet wird. Diese Ausgestaltung stellt ein MSCC-Verfahren im engeren Sinn dar, bei dem während seiner Durchführung mehrere aufeinanderfolgende Ladephasen mit sukzessiv verringerter, aber jeweils (bis auf die Entladepulse) konstantem Ladestrom eingestellt werden oder vorhanden sind.
Der Fall eines konstanten Ladestroms und einer konstanten Ladeleistung können also als alternative Ausgestaltungen der übergeordneten Erfindungsidee angesehen werden. Dabei kann unter einem konstanten Ladestrom oder einer konstanten Ladeleistung verstanden werden, dass sie während einer Ladephase auf einen entsprechenden konstanten Sollwert eingestellt oder eingeregelt werden. Eine Abweichung von dem Sollwert während einer Ladephase beträgt vorteilhafterweise weniger als 2 %, insbesondere weniger als 1%, insbesondere weniger als 0,5 %.
Bei dem vorliegenden Verfahren tritt ein Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Ladephasen in einer Weiterbildung unmittelbar ein, d.h., ohne eine merkliche und gezielt eingestellte Übergangsphase. In anderen Worten erfolgt während eines Ladevorgangs insbesondere eine sich stufenweise erfolgende Verringerung des Ladestroms. Die zugehörige, an die Batteriezelle angelegte und einfach messbare Ladespannung steigt nach einem kurzen Abfall zu Beginn der Ladephase kontinuierlich an. Typischerweise wird von einer Ladephase zur nächsten Ladephase übergeleitet, wenn die Ladespannung eine vorgegebene Umschaltspannung erreicht oder überschreitet. Die Umschaltspannung korrespondiert typischerweise zumindest ungefähr mit der Annäherung der Anodenspannung an ihren Nullwert, typischerweise mit Erreichen einer vorgegebenen Schwellwerts (auch als „kritische Anodenspannung“ bezeichnet) oberhalb des Nullwerts von ca. 10 bis 40 mV, wodurch der Vorteil erreicht wird, dass Inhomogenitäten und Modellfehler der Simulation ausgeglichen werden. Die Umschaltspannung kann von Ladephase zu Ladephase unterschiedlich sein und erhöht sich in der Regel mit fortschreitenden Ladephasen. In anderen Worten wird zum Feststellen des gewünschten Umschaltzeitpunkts zwischen zwei Ladephasen überwacht, ob die an die Batteriezelle angelegte Ladespannung eine vorgegebene Umschaltspannung erreicht oder überschreitet und auf eine nächste Ladephase umgeschaltet wird, wenn dies der Fall ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines für eine jeweilige Ladephase konstanten Ladestroms näher beschrieben. Jedoch umfasst die Erfindung analog Ladephasen mit auch nur zumindest ungefähr konstantem Ladestrom, z.B. mit konstanter Ladeleistung bei nur geringfügig absinkendem Ladestrom während einer Ladephase.
Unter einer „Batteriezelle“ wird insbesondere eine einzelne Batteriezelle verstanden. Mehrerer Batteriezellen können zu einem „Batteriepack“ oder einem „Batteriespeicher“ zusammengefasst sein. Dabei ist die elektrische Verschaltung der Batteriezellen grundsätzlich beliebig, z.B. seriell und/oder parallel. Es ist eine Weiterbildung, dass die an allen Batteriezellen eines Batteriepacks anliegenden Spannungen, einschließlich der Ladespannungen, einzeln oder individuell überwacht werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die an dem Batteriepack als Ganzes anliegende Spannung gemessen werden. Zusätzlich können auch die entsprechenden Ströme gemessen werden, d.h., einzeln und/oder gemeinsam.
Der Abstand entspricht insbesondere der Differenz zwischen der aktuellen Ladespannung und der Umschaltspannung. Dass während der Ladephasen zusätzlich überwacht wird, ob der Abstand den ersten Schwellwert erreicht oder unterschreitet, kann in analoger Betrachtungsweise auch so umgesetzt sein, dass zusätzlich überwacht wird, ob die Ladespannung einen Spannungswert („Auslösespannung“) erreicht oder überschritten hat, der dem ersten Schwellwert abzüglich dem Abstand entspricht. Beide Berechnungsweisen sowie weitere gleichwertige Definitionen können austauschbar verwendet werden.
Ein Entladungspuls entlädt die Batteriezelle während seiner Dauer. Im Folgenden werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit Ladeströme mit positivem Vorzeichen versehen, während Entladungsströme mit einem negativen Vorzeichen versehen sind. Die Batteriespannung bei einer Entladung liegt unterhalb ihres Gleichgewichtspotentials zum aktuellen Zeitpunkt. Diese Spannungsdifferenz zum Gleichgewichtspotential ist bei einem Wechsel zwischen Ladung und Entladung mit einem Vorzeichenwechsel behaftet.
Das Verfahren wird so lange fortgeführt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erreicht ist, z.B. die Batteriezelle einen ausreichenden Ladestand erreicht hat oder eine bestimmte Gesamtladezeit erreicht worden ist.
Es kann vorkommen, dass die Ladespannung nach Beendigung eines Entladungspulses wieder unter die zur Auslösung dieses Entladungspulses eingestellte Auslösespannung fällt und folgend die Auslösespannung wieder erreicht oder überschreitet. In diesem Fall wird vorteilhafterweise zu derselben Auslösespannung nicht nochmals ein Entladungspuls aufgeprägt. Es ist allgemein eine Weiterbildung, dass während einer Ladephase bei mehrfachem Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Auslösespannung bzw. bei mehrfachem Erreichen oder Unterschreiten eines vorgegebenen Abstands ein zugehöriger Entladungspuls nur einmal ausgelöst wird, nämlich insbesondere bei ersten Erreichen oder Überschreiten bzw. Unterschreiten.
Es ist eine Ausgestaltung, dass eine Dauer des mindestens einen Entladungspulses jeweils in einem Bereich zwischen 0,1 s und 10 s liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 s und 2 s, insbesondere bei ca. 1 s.
Es ist eine Ausgestaltung, dass ein Entladungspuls einen Amplitudenbetrag aufweist, der einen Wert C/10 der C-Rate der Batteriezelle nicht unterschreitet, insbesondere einen Wert C/3 nicht unterschreitet, insbesondere einen Wert C/2, nicht unterschreitet. Die C-Rate oder C-Faktor ist eine bekannte batteriespezifische Größe, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Beträgt sie C [h^-1], wird der Entladungspuls also vorteilhafterweise so eingestellt, dass er eine Stromstärke des Entladungsstroms I_SE von mindestens -C/10 Ampere bzw. einen Amplitudenbetrag | I_SE | von C/10 Ampere aufweist. Es gilt also vorteilhafterweise I_SE ≤ - C/10 bzw. | I_SE | > C/10 eingestellt. Durch die Einstellung der Stärke des Entladungsstroms I_SE des Entladepulses beruhend auf dem (einheitslosen) Wert der C-Rate der Batteriezelle in vorgegebener Beziehung wird eine unabhängig von einer Kapazität der Zelle vorteilhafte Wahl des Entladepulses gewährleistet.
Es ist eine Weiterbildung, der Amplitudenbetrag des Entladungspuls einen Wert von 1 C nicht überschreitet. Die Beschränkung der C-Rate auf Werte von maximal 1 C hat zum einen den Vorteil, dass ein schaltungstechnischer Aufwand begrenzt wird, zum anderen würde bei sehr hohen C-Raten und gleichbleibender Ladungsmenge der Puls nur entsprechend kurz ausgeprägt sein, so dass die Auflösung von eventuell abgelagertem oder geplatetem Lithium oder andere Homogenisierungsvorgänge in den Elektroden nicht oder nicht ausreichend lange ablaufen können. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, für den Amplitudenbetrag des Entladungspulswerte größer als 1 C zu wählen, z.B. 2 C, 5 C, 10 C usw.
Allgemein ist es eine Ausgestaltung, dass eine bei einem Entladepuls entladene Ladung („Entladepulsladung“) mit sinkender Gesundheit der Batteriezelle erhöht wird. So wird der Vorteil erreicht, dass auch berücksichtigt wird, dass die Plating-Neigung bei gealterten Batteriezellen höher sein kann als bei gesunden Batteriezellen. Die steigende Entladepulsladung dient als Gegenreaktion auf die sinkende Gesundheit. Die Gesundheit kann über den sog. SoH-Kennwert („State of Health“, SoH) quantifiziert werden, der Auskunft darüber gibt, wieviel Prozent einer Anfangs-Zellenkapazität noch in den aktuellen Ladezyklen nutzbar sind. Eine gesunde Batteriezelle entspricht einem SoH von 1 bzw. 100%. Die Ausgestaltung kann also so ausgedrückt werden, dass eine bei einem Entladepuls entladene Ladung („Entladepulsladung“) mit sinkendem SoH-Wert der Batteriezelle erhöht wird. Es ist eine besonders vorteilhafte Weiterbildung, dass der Amplitudenbetrag eines Entladungspulses umgekehrt proportional zu dem SoH-Kennwert ansteigt.
Es ist eine Ausgestaltung, dass ein Entladungspuls einer gesunden Batteriezelle einen Amplitudenbetrag aufweist, der dem Wert C der C-Rate der Batteriezelle nicht überschreitet, insbesondere dem Wert C entspricht, und der Amplitudenbetrag mit sinkender Gesundheit erhöht wird.
Es ist eine alternative Weiterbildung, dass die C-Rate des Entladepulses mit sinkendem SoH-Kennwert konstant gehalten wird, was bei abnehmendem SOH-Wert einer Abnahme der Stromamplitude entspricht. Jedoch kann als weitere Möglichkeit die C-Rate des Entladepulses konstant gehalten werden. Zudem kann alternativ oder zusätzlich mit abnehmendem SOH-Wert die Entladepulsdauer erhöht werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass eine durch den mindestens einen Entladungspuls während einer bestimmten Ladephase summiert auf die Batteriezelle aufgegebene Entladungsmenge (z.B. angegeben in Coulomb) 5 % der Ladungsmenge dieser Ladephase nicht überschreitet, insbesondere 4 % der Ladungsmenge nicht überschreitet, insbesondere 3 % der Ladungsmenge nicht überschreitet, insbesondere 2 % der Ladungsmenge nicht überschreitet, insbesondere 1% der Ladungsmenge nicht überschreitet. Denn es hat sich gezeigt, dass sich bereits mit einer solch geringen Entladungsmenge ein Plating verbessert verhindern lässt und dabei eine Verlängerung der Ladezeit gering halten lässt.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Entladungsmenge mindestens 0,1%, insbesondere mindestens 0,2% insbesondere mindestens 0,5% der Ladungsmenge der Ladephase beträgt. Dadurch wird das Plating effektiv verhindert.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Entladungsmenge zwischen 0,1% und 1% der Ladungsmenge liegt.
Es ist eine Ausgestaltung, dass während einer Ladephase mit Erreichen des vorgegebenen Abstands bzw. einer zugehörigen Auslösespannung zeitlich beabstandet mehrere Entladungspulse an die Batteriezelle angelegt werden. Dies ergibt den Vorteil, dass die das Plating unterdrückende oder reversierende Wirkung der Entladungspulse über einen längeren Zeitraum verteilt wird, was die Anti-Plating-Wirkung besonders effektiv macht.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Entladungspulse in fest vorgegebener Zeitfolge angelegt oder aufgeprägt werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass folgend auf einen ersten Entladungspuls immer dann ein weiterer oder zusätzlicher Entladungspuls angelegt wird, wenn sich die Ladespannung seit Erreichen des Abstands um einen vorgegebenen Wert („Zusatz-Spannungswert“) erhöht hat. Dadurch werden die Entladungspulse bei zur Verhinderung des Platings besonders günstigen Zeitpunkten angelegt. Beispielsweise kann für eine bestimmte Ladephase die Umschaltspannung Uu betragen und die Auslösespannung U_SE zum Anlegen des ersten Entladungspulses einen Abstand von ΔU von der Umschaltspannung Uu aufweisen, d.h., dass U_SE = Uu - ΔU gilt, wobei die Spannungen U_SE , U_U, ΔU positive Vorzeichen besitzen, so dass U_SE < Uu gilt. Der erste Entladungspuls P0 wird also ausgelöst, wenn für die an die Batteriezelle angelegte Spannung (Ladespannung) U_L = U_SE gilt, jeder n-te weitere Entladungspuls Pn dieser Ladephase, wenn für die Ladespannung U_L = U_SE + n· Uz mit Uz > 0 einem vorgegebenen Zusatz-Spannungswert gilt. Für Uz gilt insbesondere Uz ≤ ΔU/2. Die natürliche positive Zahl n gibt also die Zahl weiterer oder zusätzlicher Entladungspulse P1 bis P9 nach dem ersten Entladungspuls P0 dieser Ladephase an.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Zusatz-Spannungswert Uz für alle Entladungspulse den gleichen Wert aufweist. Alternativ kann der Zusatz-Spannungswert Uz für zumindest zwei Entladungspulse unterschiedlich sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Abstand bzw. dessen Wert oder Größe einem kritischen Schwellwert einer Anodenspannung der Batteriezelle zumindest ungefähr entspricht. Mit Erreichen oder Unterschreiten des kritischen Schwellwerts, steigt das Risiko eines Platings merklich. Diese „kritische Anodenspannung“ kann beispielsweise experimentell oder mittels Simulationen abgeschätzt oder bestimmt werden. Die kritische Anodenspannung kann z.B. einen Wert zwischen ca. 10 mV und 40 mV annehmen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Größe des Abstands für alle Ladephasen konstant ist.
Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass die Größe des Abstands für mindestens zwei Ladephasen unterschiedlich ist. So kann die Größe des Abstands mit folgenden Ladephasen größer oder geringer werden.
Allgemein braucht der mindestens Entladepuls nicht auf alle Ladephasen aufgeprägt zu werden, sondern nur auf die anfänglichen n Ladephasen einer Gruppe von m > n Ladephasen. Dies ist vorteilhaft, wenn bei Ladephasen > n die Gefahr eines Platings praktisch ausgeschlossen ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Größe des Abstands für eine jeweilige Ladephase verändert wird, beispielsweise in einer Abhängigkeit von einem SoH-Kennwert („State of Health“, SoH) der Batteriezelle. Insbesondere kann der Abstand mit sinkendem SoH-Kennwert vergrößert werden. Auch so wird der Vorteil erreicht, dass ein Gesundheitszustand der Batteriezelle zur Verhinderung des Platings berücksichtigt wird.
Es ist eine Ausgestaltung, dass eine Lithium-basierte Batteriezelle geladen wird, z.B. eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, eine Li-Polymer-Batteriezelle oder eine lithiumhaltige Festkörper-Batteriezelle bzw. die Batteriezelle eine Lithium-basierte Batteriezelle ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mehrere Batteriezellen zu einem Batteriepack oder Batteriespeicher zusammengeschlossen sind. Das Verfahren kann dann analog durchgeführt werden. Dies ist besonders einfach umsetzbar, wenn die Ladespannungen der einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks individuell messbar sind und individuell einstellbar sind.
Es ist eine Ausgestaltung, dass ein Erreichen oder Unterschreiten des Abstands für jede Batteriezelle des Batteriepacks einzeln überwacht wird, und mindestens ein Entladungspuls an das Batteriepack angelegt wird, sobald auch nur eine Batteriezelle den Abstand erreicht oder unterschreitet. Dieses Verfahren ergibt den Vorteil, dass ein Plating auch dann besonders zuverlässig verhindert werden kann, wenn die Ladespannungen der einzelnen Batteriezellen des Batteriepack individuell messbar sind, aber die Ladespannung an das Batteriepack als Ganzes angelegt wird. Insbesondere kann bei dieser Ausgestaltung folgendermaßen vorgegangen werden: Das Batteriepack wird geladen, dabei wird zunächst die erste Ladephase ausgeführt. Nun erreicht eine der Batteriezellen als erstes die Auslösespannung U_SE . Daraufhin wird Entladepuls an das gesamte Batteriepack angelegt. Das Batteriepack wird nachfolgend weitergeladen (dabei kann die Auslösespannung U_SE nochmals überstrichen werden, wobei aber für diese Auslösespannung U_SE kein erneuter Entladepuls ausgeführt wird, da er schon einmal ausgelöst wurde) und eine Batteriezelle - vermutlich dieselbe Batteriezelle, die bereits die Auslösespannung U_SE als erste erreicht hatte - wird die Umschaltspannung Uu erreichen und damit den Wechsel zur nächsten Ladephase mit der einhergehenden sprunghaften Verringerung des Ladestroms erzwingen.
Bei einem besonders einfach aufgebauten Batteriepack, bei dem die einzelnen Batteriezellen seriell miteinander verknüpft sind und die Ladespannungen der einzelnen Batteriezellen nicht individuell messbar sind, kann das Verfahren beispielweise in analoger Weise dadurch durchgeführt werden, dass bei m Batteriezellen für die Ladespannung U_L der Batteriezellen U_L = U_L,pack / m mit U_L = U_L,pack der an das Batteriepack angelegten Ladespannung gilt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Batterieladungsvorrichtung, wobei die Batterieladungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen. Die Batterieladungsvorrichtung kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf. Die Batterieladungsvorrichtung kann beispielsweise einen Versorgungsanschluss zur Bereitstellung elektrischer Energie, eine Messvorrichtung zum Messen der an eine Batteriezelle oder ein Batteriepack angelegten Spannung, ggf. eine Strommessvorrichtung zum Messen des zu und/oder von der Batteriezelle oder dem Batteriepack fließenden Stroms und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Verfahrens aufweisen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung. Die Batterieladungsvorrichtung kann analog zu der Batterieladungsvorrichtung und/oder dem Verfahren ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf. Das Fahrzeug ist in einer Weiterbildung ein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Fahrzeug kann z.B. ein Kraftfahrzeug (z.B. ein Kraftwagen wie ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus usw. oder ein Motorrad), eine Eisenbahn, ein Wasserfahrzeug (z.B. ein Boot oder ein Schiff) oder ein Luftfahrzeug (z.B. ein Flugzeug oder ein Hubschrauber) sein.
Die Aufgabe wird darüber hinaus gelöst durch eine Ladestation für ein Fahrzeug, aufweisend zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung.
Die Batterieladungsvorrichtung kann also in einem Fahrzeug, einer Ladestation oder verteilt auf ein Fahrzeug und eine passende Ladestation implementiert sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.

1 zeigt skizzenhaft und nicht maßstäblich drei Auftragungen von einen MSCC-Ladevorgang beschreibenden Ladeparametern gegen die Zeit in Minuten noch ohne Entladungspulse;
2 zeigt ein mögliches Ablaufdiagramm zur Durchführung des Verfahrens; und
3 zeigt skizzenhaft und nicht maßstäblich eine Auftragung eines zu und von einer Batteriezelle fließenden Stroms während einer Ladephase nach Erreichen der zugehörigen Auslösespannung mit Entladungspulsen.

1 zeigt Auftragungen von typischen Ladeparametern eines MSCC-Ladevorgangs gegen die Zeit t in Minuten für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle noch ohne Entladungspulse, nämlich in einer oberen Auftragung den Ladestrom I_L in Ampere für mehrere Ladephasen LP1, LP2 und LP3, in einer mittleren Auftragung die an dieselbe Batteriezelle angelegte Ladespannung U_L in Volt und in einer unteren Auftragung die zugehörige Anodenspannung U_A in Volt.
Bezüglich der oberen Auftragung weisen die Ladephasen LP1, LP2, LP3 einen jeweils konstanten, aber für aufeinanderfolgende Ladephasen LP1, LP2, LP3 sukzessive abnehmenden Ladestrom I_L auf, z.B. I_L = 125 A während LP1, I_L = 90 A während LP2 und I_L = 75 A während LP3, usw. Der Umschaltzeitpunkt zwischen LP1 und LP2 ist als t1 und zwischen LP2 und LP3 als t2 bezeichnet. An den Umschaltzeitpunkten t1 und t2 wird der zugehörige Ladestrom I_L stufig abgesenkt.
Die mittlere Auftragung zeigt, dass die zur Aufrechterhaltung eines konstanten Ladestroms I_L benötigte Ladespannung U_L für eine jeweilige Ladephasen LP1 bis LP3 typischerweise kontinuierlich ansteigt, nachdem sie nach einem Umschalten zwischen zwei Ladephasen LP1, LP2 bzw. LP2, LP3 zunächst für kurze Zeit abgesunken ist. Das Umschalten wird ausgelöst oder durchgeführt, wenn die Ladespannung U_L einer Ladephase LP1 bis LP3 eine jeweilige Umschaltspannung Uu erreicht. Die Umschaltspannungen Uu können insbesondere so gewählt werden, dass sie für jede folgende Ladephase LP1, LP2, LP3 größer sind. Dies ist in der Regel sinnvoll, da die Ladespannung U_L einer folgenden Ladephase LP2, LP3 vergleichsweise schnell die Umschaltspannung Uu der vorhergehenden Ladephase LP1 bzw. LP2 überschreitet. Beispielsweise kann Uu (LP1) = 3,95 V, Uu (LP2) = 4,00 V und Uu (LP3) = 4,05 V gelten.
Die untere Auftragung zeigt, dass die z.B. gegen Li/Li⁺ gesamthaft gemessene Anodenspannung U_A während jeder der Ladephase LP1 bis LP3 absinkt. Würde die Anodenspannung U_A im Verlauf der Ladephase LP1, LP2, LP3 negativ, würde Plating auftreten. Daher wird die gesamthafte Anodenspannung U_A während des Ladevorgangs in einem positiven Wert gehalten. Jedoch kann es aufgrund von Inhomogenitäten, Formgebung usw. der Anode zu einer lokalen Abweichung von der gesamthaft gemessene Anodenspannung U_A kommen, wobei dann lokal bereits eine negative Anodenspannung auftreten kann, selbst wenn die gesamthaft gemessene Anodenspannung U_A noch positiv ist. Daher wird für das vorliegende Verfahren davon ausgegangen, dass bereits mit Erreichen oder Unterschreiten einer positiven kritischen Anodenspannung U_A,krit das Risiko eines lokalen Platings merklich zunimmt.
Diese kritische Anodenspannung U_A,krit wird zu einem Zeitpunkt t_SE erreicht, und eine Auslösespannung U_SE zum Auslösen oder Initiieren zumindest des ersten Entladungspulses P0, insbesondere der Entladungspulse P0 bis P9 (siehe 3), wird vorteilhafterweise so festgesetzt, dass die Ladespannung U_L diese Auslösespannung U_SE ebenfalls zumindest ungefähr zum Zeitpunkt t_SE erreicht. In anderen Worten wird die Auslösespannung USE so gewählt, dass sie mit dem Erreichen der kritische Anodenspannung U_A,krit zusammenfällt. Dadurch wird erreicht, dass ein Plating verhindernde Entladungspulse P0 bis P9 erst dann eingeprägt oder angelegt werden, wenn es notwendig ist, nämlich mit Eintreten der Anodenspannung U_A in dem für das Plating kritischen Spannungsbereich U_A ≤ U_A,krit. So wird ein Anlegen von die Ladezeit der Batteriezelle verlängernden Entladungspulsen P0 bis P9 zu für das Plating unkritischen Zeit- oder Spannungsbereichen t < t_SE bzw. U_A > U_A,krit gezielt vermieden. Dabei wird auch bedacht, dass zum Erreichen einer kurzen Ladezeit das Umschalten einer Ladephase LP1 bis LP3 vorteilhafterweise möglichst lange herausgezögert wird, was auch bedeutet, dass die Anodenspannung U_A möglichst nahe an U_A = 0 herangeführt werden sollte. Dieses Ziel lässt sich mittels der Nutzung der Entladungspulse P0 bis P9 auch bei Berücksichtigung von Inhomogenitäten, Formgebung, usw. der Anode weitgehend erreichen, ohne Plating zu erzeugen.
2 zeigt ein mögliches Ablaufdiagramm zur Durchführung des Verfahrens in einer Batterieladungsvorrichtung BV implementiert sein. Die Batterieladungsvorrichtung BV kann einen Teil oder Komponente eines Fahrzeugs F und/oder einer Ladestation LSt darstellen. 3 zeigt eine entsprechende Auftragung des an die und von der Batteriezelle fließenden Stroms I gegen die Zeit t für die erste Ladephase LP1.
In einem Schritt S1 wird beispielhaft zu Beginn eines Ladevorgangs eine Ladephase LP1 gestartet.
Dann wird in Schritt S2 überwacht, ob der Abstand ΔU zwischen der Umschaltspannung Uu und der angelegten Ladespannung U_L erreicht oder unterschritten wird bzw. ob die Ladespannung U_L die Auslösespannung U_SE = Uu - ΔU erreicht oder überschritten hat.
Ist dies der Fall („J“), wird in einem Schritt S3 ein erster Entladungspuls P0 mit z.B. einer Dauer zwischen 0,1 s und 10 s aufgeprägt, wie auch in 3 gezeigt.
Nach Beendigung des ersten Entladungspulses P0 wird in Schritt S4 überwacht, ob die Ladespannung U_L die Umschaltspannung Uu erreicht hat. Ist dies der Fall („J“), wird auf eine folgende Ladephase LP1, LP2, LP3 umgeschaltet bzw. eine neue Ladephase LP1, LP2, LP3 begonnen.
Ist dies nicht der Fall („N“), wird in Schritt S5 überwacht, ob die Ladespannung U_L die Auslösespannung U_SE zuzüglich einem n-ten Zusatz-Spannungswert U_Z,n erreicht hat, wobei n die Zahl der zusätzlichen (zweiten usw.) Entladungspulse P1 bis P9 ist. Es wird also überwacht, ob U_L ≥ U_SE + U_Z,n gilt. Sollen die Entladungspulse P1 bis P9 bezüglich der Spannung äquidistant ausgelöst werden, kann die Auslösebedingung auch als U_L ≥ U_SE + n·U_z beschrieben werden, wobei für den ersten zusätzlichen Entladungspuls n = 1 gilt.
Ist dies der Fall („J“), wird in Schritt S6 ein weiterer n-ter Entladungspuls P1 bis P9 angelegt und nach seiner Beendigung unter Inkrementieren von n (n := n+1) in Schritt S7 zurück zu Schritt S4 verzweigt. Vorliegend werden beispielhaft neun weitere Entladungspulse P1 bis P9 angelegt.
Dieser Ablauf wird durchgeführt, bis der Ladevorgang abgebrochen oder beendet wird.
Wie in 3 gezeigt, können die Entladungspulse P1 bis P9 die gleiche Pulsdauer aufweisen, z.B. von 1 s und/oder können die gleiche Entladungsstromamplitude aufweisen, z.B. entsprechend einem Wert der C-Rate der Batteriezelle. Beträgt die inhärente C-Rate einer Batteriezelle also C h^-1, wird vorteilhafterweise ein Entladungsstrom I_SE auf I_SE ≤ - C/10 eingestellt, hier besonders vorteilhaft auf I_SE = - C Ampere. Beispielsweise kann der Entladungsstrom I_SE = - 60 A betragen. Insbesondere beträgt die durch die Aufprägung der Entladungspulse P0 bis P9 insgesamt während der zugehörigen Ladephase LP1 entladene Ladungsmenge mindestens 0,1 % der Ladungsmenge der zugehörigen Ladephase LP1 und/oder überschreitet 2 % der Ladungsmenge nicht.
Beispielsweise kann ΔU = 10 mV betragen, während beispielsweise Uz = 1 mV gelten kann.
Über die Erweiterung, dass anstelle der Ladespannung U_L einer einzelnen Batteriezelle zunächst das Maximum der Ladespannungen U_L aller vorliegenden Batteriezellen eines Batteriepacks gebildet wird, ist das Verfahren auch direkt auf ein Batteriepack mit mehreren Batteriezellen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So kann Schritt S4 auch an anderer Stelle ausgeführt werden, z.B. falls die Werte von ΔU und Uz bzw. U_Z,n vorbekannt und damit auch bekannt ist, wie viele Entladungspulse P1 bis P9 erzeugt werden können. In diesem Fall kann nach Schritt S3 sofort Schritt S5 ausgeführt werden und aus Schritt S6 über Schritt S7 zurück zu Schritt S5 verzweigt werden, bis der letzte Entladungspuls P9 angelegt worden ist. Danach wird analog zu Schritt S4 überprüft, ob die Ladespannung U_L die Umschaltspannung Uu erreicht hat. Insbesondere kann in Schritt S7 dann überprüft werden, ob der bekannte letzte Wert für n („nfinal“, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel z.B. nfinal = 9) erreicht worden ist und dann zu Schritt S4 verzweigt werden.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

BV: Batterieladungsvorrichtung
C: Wert des C-Faktors
F: Fahrzeug
I_SE: Entladungsstrom
I_L: Ladestrom
LP1-LP3: Ladephase
LSt: Ladestation
n: Index eines weiteren Entladungspulses
P0: Erster Entladungspuls
P1-P9: Weiterer Entladungspuls
S1-S7: Verfahrensschritte
U_A: Anodenspannung
U_A,krit: Kritische Anodenspannung
U_L: Ladespannung
U_SE: Auslösespannung
Uu: Umschaltspannung
Uz: Zusatz-Spannungswert
U_Z,n: Zusatz-Spannungswert des n-ten weiteren Entladungspulses
t_SE: Auslösezeitpunkt
t1: Umschaltzeitpunkt
t2: Umschaltzeitpunkt
ΔU: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6137265 A [0003]

Claims

Verfahren (S1-S7) zum Laden einer Batteriezelle, bei dem - während einer Ladephase (LP1-LP2) mit einem zumindest ungefähr konstanten Ladestrom (I_L) überwacht wird (S4), ob eine an die Batteriezelle angelegte Ladespannung (U_L) eine vorgegebene Umschaltspannung (Uu) erreicht oder überschreitet und, falls dies der Fall ist, auf eine nächste Ladephase (LP2-LP3) mit einem geringeren zumindest ungefähr konstanten Ladestrom (I_L) umgeschaltet wird, und - während der Ladephasen (LP1-LP3) zusätzlich überwacht wird (S2), ob ein vorgegebener Abstand (ΔU) der Ladespannung (U_L) von der Umschaltspannung (Uu) dieser Ladephase (LP1-LP3) erreicht oder unterschritten wird, und falls ja, mindestens ein Entladungspuls (P0-P9) an die Batteriezelle angelegt wird (S3-S7).
Verfahren (S1-S7) nach Anspruch 1, bei dem eine Dauer des mindestens einen Entladungspulses (P0-P9) jeweils in einem Bereich zwischen 0,1 s und 10 s liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 s und 2 s, insbesondere bei ca. 1 s.
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Entladungspuls (P0-P9) einen Amplitudenbetrag aufweist, der einen Wert C/10 der C-Rate (C) der Batteriezelle nicht unterschreitet.
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine durch den mindestens einen Entladungspuls (P0-P9) während der Ladephase (LP1-LP3) summiert auf die Batteriezelle aufgegebene Entladungsmenge als 5 % der Ladungsmenge dieser Ladephase (LP1-LP3) nicht überschreitet, insbesondere 1% der Ladungsmenge nicht überschreitet, insbesondere zwischen 0,1% und 1% der Ladungsmenge liegt.
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während einer Ladephase (LP1-LP3) mit Erreichen oder Unterschreiten des Abstands (ΔU) zeitlich beabstandet mehrere Entladungspulse (P0-P9) an die Batteriezelle angelegt werden (S5-S7).
Verfahren (S1-S7) nach Anspruch 5, bei dem folgend auf einen ersten Entladungspuls (P0) immer dann ein weiterer Entladungspuls (P1-P9) angelegt wird, wenn sich die Ladespannung (U_L) seit Erreichen des Abstands (ΔU) um einen vorgegebenen Zusatz-Spannungswert (Uz, U_Z,n) erhöht hat (S5-S7).
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abstand (ΔU) einem kritischen Schwellwert (U_A,krit) einer Anodenspannung (U_A) der Batteriezelle entspricht.
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abstand (ΔU) für alle Ladephasen (LP1-LP3) konstant ist.
Verfahren (S1-S7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Abstand (ΔU) für mindestens zwei Ladephasen (LP1-LP3) unterschiedlich ist.
Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Batteriezelle, geladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Batteriezellen zu einem Batteriepack zusammengeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein Erreichen oder Unterschreiten des Abstands (ΔU) für jede Batteriezelle des Batteriepacks einzeln überwacht wird, und mindestens ein Entladungspuls (P0-P9) an das Batteriepack angelegt wird, sobald auch nur eine Batteriezelle den Abstand (ΔU) erreicht oder unterschreitet.
Batterieladungsvorrichtung (BV), wobei die Batterieladungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Verfahren (S1-S7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Fahrzeug (F), aufweisend zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung (BV) nach Anspruch 13.
Ladestation (LSt) für ein Fahrzeug (F), aufweisend zumindest einen Teil der Batterieladungsvorrichtung (BV) nach Anspruch 13.