DE102021103949A1 - Method for detecting lithium plating in a lithium ion cell and lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle umfasst folgende Schritte: Zunächst wird eine Impedanz der Lithiumionenzelle bei einer einzelnen Testfrequenz gemessen. Basierend auf dem Realteil der gemessenen Impedanz wird eine erste Temperatur ermittelt und basierend auf dem Imaginärteil der Impedanz wird eine zweite Temperatur ermittelt. Anschließend wird eine Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur berechnet und die Temperaturdifferenz mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert eine für das Auftreten von Lithium-Plating charakteristische Temperaturdifferenz ist.Ferner wird eine Lithiumionenbatterie angegeben.A method for detecting lithium plating in a lithium ion cell includes the following steps: First, an impedance of the lithium ion cell is measured at a single test frequency. A first temperature is determined based on the real part of the measured impedance and a second temperature is determined based on the imaginary part of the impedance. A temperature difference between the first and second temperatures is then calculated and the temperature difference is compared with a threshold value, the threshold value being a temperature difference that is characteristic of the occurrence of lithium plating. A lithium-ion battery is also specified.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle sowie eine Lithiumionenbatterie mit wenigstens einer Lithiumionenzelle.The invention relates to a method for detecting lithium plating in a lithium ion cell and a lithium ion battery with at least one lithium ion cell.

Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionenzelle“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet. Insbesondere sind wieder aufladbare galvanische Elemente (Sekundärzellen) inbegriffen.In the following, the term “lithium ion cell” is used synonymously for all designations commonly used in the prior art for galvanic elements and cells containing lithium. In particular, rechargeable galvanic elements (secondary cells) are included.

Lithiumionenzellen haben sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte in einer Vielzahl von Anwendungen durchgesetzt, unter anderem in Traktionsbatterien für Fahrzeuge. Derartige Traktionsbatterien weisen eine hohe Kapazität auf, die entscheidend für die erzielbare Reichweite des Fahrzeugs zwischen zwei Ladevorgängen ist. Die Ladedauer eines Ladevorgangs hängt neben der Kapazität von der Höhe des Ladestroms ab, wobei ein höherer Ladestrom zu einem kürzeren Ladevorgang führt.Due to their high energy density, lithium-ion cells have found acceptance in a large number of applications, including traction batteries for vehicles. Such traction batteries have a high capacity, which is crucial for the achievable range of the vehicle between two charging processes. The charging duration of a charging process depends not only on the capacity but also on the level of the charging current, with a higher charging current leading to a shorter charging process.

Nachteilig an Lithiumionenzellen ist, dass sogenanntes „Lithium-Plating“ auftreten kann. Darunter wird die Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anode beim Ladevorgang der Lithiumionenzelle verstanden, welches sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit und/oder die Lebensdauer der Lithiumionenzelle auswirken kann. Es ist bekannt, dass Lithium-Plating durch hohe Ladeströme begünstigt wird, wodurch die erzielbare minimale Ladedauer begrenzt ist. Jedoch tragen auch weitere Umgebungsbedingungen und Mechanismen zum Lithium-Plating bei.The disadvantage of lithium-ion cells is that so-called "lithium plating" can occur. This is understood to mean the deposition of metallic lithium on the anode during the charging process of the lithium-ion cell, which can have a disadvantageous effect on the performance and/or the service life of the lithium-ion cell. It is known that lithium plating is favored by high charging currents, as a result of which the minimum charging time that can be achieved is limited. However, other environmental conditions and mechanisms also contribute to lithium plating.

Aus der DE 10 2017 218 713 A1 ist bekannt, Lithium-Plating mittels einer Strom-/Spannungsantwort einer Batterieeinheit zu bewerten, welche nach Beaufschlagen der Batterieeinheit mit einem Testsignal erhalten wird, und einen Ladevorgang auf Basis der Bewertung anzupassen. Die Bewertung erfolgt über eine Fourieranalyse, um harmonische Oberwellen in der Strom-/Spannungsantwort zu erkennen und als Indikator für Lithium-Plating zu nutzen. From the DE 10 2017 218 713 A1 It is known to evaluate lithium plating using a current/voltage response of a battery pack obtained after applying a test signal to the battery pack, and to adjust a charging process based on the evaluation. The evaluation uses a Fourier analysis to detect harmonics in the current/voltage response and use them as an indicator for lithium plating.

Die Auswertung ist entsprechend aufwändig, sodass Bedarf an einem vereinfachten Verfahren zur Detektion von Lithium-Plating besteht.The evaluation is correspondingly complex, so that there is a need for a simplified method for detecting lithium plating.

In Koleti et al.: „A new on-line method for lithium plating detection in lithium-ion batteries“ (Journal of Power Sources, 451 (2020), 227798) ist ein Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating basierend auf einer kontinuierlichen Impedanzmessung der Lithiumionenzelle beschrieben, wobei die Abhängigkeit der Impedanzmessung vom Ladezustand, von der Zelltemperatur sowie von der Laderate diskutiert wird. Das Auftreten von Lithium-Plating wird über eine Unstetigkeit im zeitlichen Verlauf der Impedanz während des Ladevorgangs bestimmt, wodurch der Beginn des einsetzenden Lithium-Plating lediglich zeitlich verzögert zuverlässig bestimmt werden kann. Wünschenswert ist hingegen eine möglichst verzögerungsfreie Detektion von Lithium-Plating, um zuverlässig dessen Auftreten unterbinden zu können.In Koleti et al.: "A new on-line method for lithium plating detection in lithium-ion batteries" (Journal of Power Sources, 451 (2020), 227798) is a method for detecting lithium plating based on a continuous impedance measurement of the lithium-ion cell is described, with the dependence of the impedance measurement on the state of charge, the cell temperature and the charging rate being discussed. The occurrence of lithium plating is determined via a discontinuity in the time profile of the impedance during the charging process, as a result of which the beginning of the onset of lithium plating can only be reliably determined with a time delay. On the other hand, it is desirable to detect lithium plating with as little delay as possible in order to be able to reliably prevent its occurrence.

Die DE 10 2017 209 448 A1 zeigt ein Verfahren zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern, in welchem basierend auf einer Impedanzmessung bei zwei unterschiedlichen Frequenzen die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt wird, um im Energiespeicher vorliegende räumliche Temperaturinhomogenitäten zu ermitteln. Der Einfluss von Lithium-Plating wird nicht berücksichtigt.the DE 10 2017 209 448 A1 shows a method for monitoring electrochemical energy stores, in which the temperature of the electrochemical energy store is determined based on an impedance measurement at two different frequencies in order to determine spatial temperature inhomogeneities present in the energy store. The influence of lithium plating is not taken into account.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit zur Detektion von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle bereitzustellen. Insbesondere soll eine in operando Detektion während eines Ladevorgangs der Lithiumionenzelle ermöglicht werden.The object of the invention is to provide a simple, inexpensive and reliable way of detecting lithium plating in a lithium ion cell. In particular, an in operando detection should be made possible during a charging process of the lithium-ion cell.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle, umfassend folgende Schritte: Zunächst wird eine Impedanz der Lithiumionenzelle bei einer einzelnen Testfrequenz gemessen. Basierend auf dem Realteil der gemessenen Impedanz wird eine erste Temperatur ermittelt und basierend auf dem Imaginärteil der Impedanz wird eine zweite Temperatur ermittelt. Anschließend wird eine Temperaturdifferenz zwischen erster Temperatur und zweiter Temperatur berechnet und die Temperaturdifferenz mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert eine für das Auftreten von Lithium-Plating charakteristische Temperaturdifferenz ist.The object of the invention is achieved by a method for detecting lithium plating in a lithium ion cell, comprising the following steps: First, an impedance of the lithium ion cell is measured at a single test frequency. A first temperature is determined based on the real part of the measured impedance and a second temperature is determined based on the imaginary part of the impedance. A temperature difference between the first temperature and the second temperature is then calculated and the temperature difference is compared to a threshold value, the threshold value being a temperature difference that is characteristic of the occurrence of lithium plating.

Es wurde erkannt, dass sich Lithium-Plating in unterschiedlichem Ausmaß auf den Realteil und den Imaginärteil der Impedanz einer Lithiumionenzelle bei der gleichen Frequenz auswirkt. Insbesondere wurde gefunden, dass sich Lithium-Plating stärker auf den Realteil als auf den Imaginärteil auswirkt.It has been recognized that lithium plating affects the real and imaginary impedance of a lithium ion cell to different degrees at the same frequency. In particular, it has been found that lithium plating affects the real part more than the imaginary part.

Durch Umrechnung der gemessenen Impedanz in Temperaturwerte ist ein einfacher und zuverlässiger Vergleich mit einem für das Auftreten von Lithium-Plating charakteristischen Schwellenwert möglich.By converting the measured impedance into temperature values, a simple and reliable comparison with a threshold value that is characteristic of the occurrence of lithium plating is possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ferner den Vorteil, dass die jeweils erhobenen Messdaten aus einer einzelnen Messung erhalten werden können.The method according to the invention also offers the advantage that the respectively collected measurement data can be obtained from a single measurement.

Es werden erfindungsgemäß nicht mehrere, sondern lediglich eine einzelne Testfrequenz zur Impedanzmessung herangezogen, sodass Effekte des Lithium-Platings, die sich unterschiedlich stark auf die Impedanz bei verschiedenen Frequenzen auswirken, die Detektion nicht beeinträchtigen. Auf diese Weise kann die Auswertung vereinfacht und die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden.According to the invention, not several but only a single test frequency are used for impedance measurement, so that effects of the lithium plating, which affect the impedance to different extents at different frequencies, do not impair the detection. In this way, the evaluation can be simplified and the reliability of the method can be increased.

Gleichzeitig kann verhindert oder wenigstens vermindert werden, dass die gemessene Impedanz ein Mischsignal räumlich getrennter Komponenten der Lithiumionenzelle ist, deren Effekte sich gegenseitig abschwächen oder kompensieren könnten, wodurch die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Lithium-Plating gesteigert werden kann.At the same time, it can be prevented or at least reduced that the measured impedance is a mixed signal from spatially separated components of the lithium-ion cell, the effects of which could weaken or compensate one another, whereby the sensitivity of the method according to the invention for detecting lithium plating can be increased.

Die einfache Auswertung ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Detektion von Lithium-Plating auch in operando während Ladevorgängen der Lithiumionenzelle.The simple evaluation enables a quick and reliable detection of lithium plating also in operando during charging processes of the lithium ion cell.

Die erste Temperatur und die zweite Temperatur geben die Innentemperatur der Lithiumionenzelle wieder, sodass besonders präzise Informationen über den Zustand innerhalb der Lithiumionenzelle gewonnen werden können. Insbesondere können zusätzliche Fehlerquellen vermieden werden, die bei Verwendung von lediglich außerhalb der Lithiumionenzelle gemessenen Temperaturen auftreten können.The first temperature and the second temperature reflect the internal temperature of the lithium ion cell, so that particularly precise information about the state inside the lithium ion cell can be obtained. In particular, additional sources of error can be avoided, which can occur when using temperatures measured only outside the lithium-ion cell.

Der Schwellenwert kann in Abhängigkeit des Zelltyps sowie der Zellchemie der Lithiumionenzelle im Vorfeld bestimmt und als vordefinierter Schwellenwert hinterlegt sein, beispielsweise in einem Auswertemodul, welches mit der Lithiumionenzelle zum Datenaustausch verbunden ist.The threshold value can be determined in advance depending on the cell type and the cell chemistry of the lithium ion cell and stored as a predefined threshold value, for example in an evaluation module which is connected to the lithium ion cell for data exchange.

Die Testfrequenz kann im Bereich von 1 bis 10.000 Hz liegen, bevorzugt im Bereich von 1000 bis 6000 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 2000 bis 5000 Hz.The test frequency can be in the range from 1 to 10,000 Hz, preferably in the range from 1000 to 6000 Hz, particularly preferably in the range from 2000 to 5000 Hz.

Grundsätzlich ist eine Testfrequenz bevorzugt, welche im sogenannten „Charge Transfer“-Bereich des elektrochemischen Impedanzspektrums der Lithiumionenzelle liegt, um die Kinetik der in diesem Bereich auftretenden Prozesse bestimmend für die im erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Messergebnisse zu machen.In principle, a test frequency is preferred which is in the so-called “charge transfer” range of the electrochemical impedance spectrum of the lithium-ion cell in order to make the kinetics of the processes occurring in this range decisive for the measurement results obtained in the method according to the invention.

Im „Charge Transfer“-Bereich sind größere Änderungen der Impedanzwerte bei Auftreten von Lithium-Plating zu erwarten als in den restlichen Bereichen des Impedanzspektrums, da dieser Bereich charakteristisch ist für den Ladungstransport durch die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt der Lithiumionenzelle hindurch. Diese Grenzfläche verändert sich durch abscheidendes Lithium bei Auftreten von Lithium-Plating in besonderem Ausmaß.In the "charge transfer" region, greater changes in impedance values are to be expected when lithium plating occurs than in the remaining regions of the impedance spectrum, since this region is characteristic of the charge transport through the interface between the electrode and the electrolyte of the lithium-ion cell. This interface changes to a particular extent as a result of precipitating lithium when lithium plating occurs.

Der Frequenzbereich des „Charge Transfer“-Bereiches ist abhängig vom State-of-Charge (SoC) der Lithiumionenzelle. Daher kann die Testfrequenz als Funktion des SoC der Lithiumionenzelle angepasst werden, um jederzeit eine optimale Impedanzmessung und somit eine optimale Temperaturermittlung zu ermöglichen.The frequency range of the "Charge Transfer" range depends on the state-of-charge (SoC) of the lithium-ion cell. Therefore, the test frequency can be adjusted as a function of the SoC of the lithium-ion cell in order to enable an optimal impedance measurement and thus an optimal temperature determination at any time.

Die erste und die zweite Temperatur können anhand einer Kalibrierfunktion aus dem Realteil beziehungsweise aus dem Imaginärteil der gemessenen Impedanz ermittelt werden.The first and the second temperature can be determined using a calibration function from the real part or from the imaginary part of the measured impedance.

Die Kalibrierfunktion kann insbesondere bei einem Ladevorgang erstellt werden, welcher mit einem Ladestrom durchgeführt wird, bei dem bekannt ist, dass kein Lithium-Plating auftritt. Dies kann ein Ladevorgang mit niedrigem Ladestrom sein, beispielsweise ein Ladevorgang mit einer C-Rate im Bereich von C/5 bis C/3 oder niedriger.In particular, the calibration function can be created during a charging process that is carried out with a charging current in which it is known that no lithium plating occurs. This can be a low current charge, for example a charge with a C rate in the range of C/5 to C/3 or lower.

Die Temperaturdifferenz ist insbesondere die Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur. Mit anderen Worten wird insbesondere die auf dem Imaginärteil der gemessenen Impedanz basierende zweite Temperatur von der auf dem Realteil der gemessenen Impedanz basierenden ersten Temperatur abgezogen.The temperature difference is in particular the difference between the first temperature and the second temperature. In other words, in particular the second temperature based on the imaginary part of the measured impedance is subtracted from the first temperature based on the real part of the measured impedance.

Es wurde gefunden, dass bei Auftreten von Lithium-Plating erwartet werden kann, dass die auf dem Imaginärteil basierende zweite Temperatur kleiner ist als die auf dem Realteil basierende erste Temperatur. Indem die Differenz zwischen erster Temperatur und zweiter Temperatur zur Berechnung der Temperaturdifferenz verwendet wird, kann somit im Regelfall von einer positiven Temperaturdifferenz ausgegangen werden.It has been found that when lithium plating occurs, the second temperature based on the imaginary part can be expected to be lower than the first temperature based on the real part. Since the difference between the first temperature and the second temperature is used to calculate the temperature difference, a positive temperature difference can generally be assumed.

In einer Variante wird der Absolutwert der berechneten Temperaturdifferenz mit dem Schwellenwert verglichen.In a variant, the absolute value of the calculated temperature difference is compared to the threshold value.

Der Schwellenwert liegt insbesondere im Bereich von 0,1 bis 5 K, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3 K, besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 2,5 K.The threshold value is in particular in the range from 0.1 to 5 K, preferably in the range from 0.5 to 3 K, particularly preferably in the range from 1.0 to 2.5 K.

Die Impedanzmessung muss mit ausreichender Messgenauigkeit durchgeführt werden, um Temperaturdifferenzen, die im Bereich des Schwellenwerts liegen, zuverlässig ermitteln zu können. Dies ist beispielsweise durch eine in der Lithiumionenzelle integrierte Impedanzmessvorrichtung in Form eines Messchips möglich, welcher eine Auflösung im Bereich von wenigen µΩ besitzt und kommerziell erhältlich ist.The impedance measurement must be carried out with sufficient measurement accuracy in order to be able to reliably determine temperature differences that are in the range of the threshold value. This is possible, for example, using an impedance measuring device integrated in the lithium-ion cell in the form of a measuring chip, which has a resolution in the range of a few μΩ and is commercially available.

Um über die gesamte Lebensdauer der Lithiumionenzelle hinweg eine zuverlässige Detektion von Lithium-Plating zu ermöglichen, kann der Schwellenwert in Abhängigkeit des Alters der Lithiumionenzelle angepasst werden.In order to enable a reliable detection of lithium plating over the entire lifetime of the lithium ion cell, the threshold value can be adjusted depending on the age of the lithium ion cell.

Insbesondere sind für ältere Lithiumionenzellen größere Temperaturdifferenzen zu erwarten als für jüngere Lithiumionenzellen, sodass der Schwellenwert mit zunehmenden Alter der Lithiumionenzelle angehoben werden kann. Dieser Effekt ist insbesondere auf bereits früher durch Lithium-Plating abgeschiedenes Lithium zurückzuführen.In particular, larger temperature differences are to be expected for older lithium-ion cells than for younger lithium-ion cells, so that the threshold value can be raised as the lithium-ion cell ages. This effect is due in particular to lithium previously deposited by lithium plating.

In einer Variante wird anhand der berechneten Temperaturdifferenz und des Schwellenwerts ein Ladevorgang der Lithiumionenzelle gesteuert, insbesondere ein Schnellladevorgang der Lithiumionenzelle.In one variant, the calculated temperature difference and the threshold value are used to control a charging process for the lithium-ion cell, in particular a rapid charging process for the lithium-ion cell.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Lithium-Plating kann während eines Ladevorgangs, insbesondere eines Schnellladevorgangs, durchgeführt werden, sodass bei Bedarf eine sofortige Anpassung des eingesetzten Ladestroms möglich wird.The method according to the invention for detecting lithium plating can be carried out during a charging process, in particular a rapid charging process, so that the charging current used can be adjusted immediately if necessary.

Insbesondere wird der Ladestrom verringert, falls der Schwellenwert erreicht oder überschritten wird. Jedoch ist auch eine Erhöhung des Ladestroms zur Verkürzung der notwendigen Ladedauer möglich, wenn der Schwellenwert nicht erreicht ist, insbesondere wenn die berechnete Temperaturdifferenz lediglich das 0,6-fache des Schwellenwerts oder weniger beträgt. Auf diese Weise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, in operando einen optimalen Ladestrom für einen Ladevorgang der Lithiumionenbatterie zu bestimmen.In particular, the charging current is reduced if the threshold is reached or exceeded. However, it is also possible to increase the charging current to shorten the necessary charging time if the threshold value is not reached, in particular if the calculated temperature difference is only 0.6 times the threshold value or less. In this way, the method according to the invention makes it possible to determine an optimal charging current for a charging process of the lithium-ion battery in operando.

Bevorzugt werden die Verfahrensschritte in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt, wobei zwischen zwei Wiederholungen insbesondere eine Wartezeit von 120 Sekunden oder weniger liegt, bevorzugt von 60 Sekunden oder weniger, besonders bevorzugt von 5 Sekunden oder weniger.The method steps are preferably repeated at regular time intervals, there being in particular a waiting time of 120 seconds or less, preferably 60 seconds or less, particularly preferably 5 seconds or less, between two repetitions.

Besonders bevorzugt werden die Verfahrensschritte kontinuierlich wiederholt, wobei der Zeitabstand zwischen zwei Wiederholungen lediglich durch die für die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte benötigte Zeitdauer festgelegt ist.The process steps are particularly preferably repeated continuously, with the time interval between two repetitions being defined only by the time required to carry out the individual process steps.

Durch die Wiederholung der Verfahrensschritte kann auch Lithium-Plating, welches erst im Laufe des Ladevorgangs einsetzen kann, noch zuverlässiger detektiert werden und insbesondere eine zeitnahe Anpassung des Ladestroms erfolgen. Zusätzlich kann eine im zeitlichen Verlauf zunehmende oder abnehmende Änderung der Differenz zwischen berechneter Temperaturdifferenz und Schwellenwert festgestellt werden, aus der sich abschätzen lässt, ob der Schwellenwert mit dem gegenwärtig verwendeten Ladestrom und der erwarteten Restladedauer erreicht wird oder nicht.By repeating the method steps, lithium plating, which can only start during the charging process, can be detected even more reliably and, in particular, the charging current can be adjusted in a timely manner. In addition, a change in the difference between the calculated temperature difference and the threshold value that increases or decreases over time can be determined, from which it can be estimated whether the threshold value will be reached with the currently used charging current and the expected remaining charging time or not.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Lithiumionenbatterie mit wenigstens einer Lithiumionenzelle, wobei jeder Lithiumionenzelle eine Impedanzmessvorrichtung zugeordnet ist, und einem Auswertemodul, welches mit der wenigstens einen Lithiumionenzelle und der zugeordneten Impedanzmessvorrichtung zum Datenaustausch verbunden ist, wobei die Lithiumionenbatterie dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.The object of the invention is also achieved by a lithium-ion battery with at least one lithium-ion cell, with each lithium-ion cell being assigned an impedance measuring device, and an evaluation module which is connected to the at least one lithium-ion cell and the assigned impedance measuring device for data exchange, the lithium-ion battery being set up to carry out the procedures described above.

Die Impedanzmessvorrichtung ist insbesondere ein in bzw. auf der wenigstens einen Lithiumionenzelle integrierter Messchip.The impedance measuring device is in particular a measuring chip integrated in or on the at least one lithium ion cell.

In einer Variante umfasst die Lithiumionenbatterie wenigstens zwei Lithiumionenzellen, die zu einer Parallelschaltung von Lithiumionenzellen elektrisch verbunden sind, wobei die Impedanzmessvorrichtung der Parallelschaltung von Lithiumionenzellen zugeordnet ist.In one variant, the lithium-ion battery comprises at least two lithium-ion cells that are electrically connected to form a parallel connection of lithium-ion cells, with the impedance measuring device being assigned to the parallel connection of lithium-ion cells.

Mit anderen Worten ist die Impedanzmessvorrichtung einer der Lithiumionenzellen der Parallelschaltung von Lithiumionenzellen zugeordnet, sodass die gesamte Parallelschaltung von Lithiumionenzellen mittels der zugeordneten Impedanzmessvorrichtung überwacht werden kann.In other words, the impedance measuring device is assigned to one of the lithium ion cells of the parallel connection of lithium ion cells, so that the entire parallel connection of lithium ion cells can be monitored using the assigned impedance measuring device.

Im Auswertemodul können die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Werte und/oder Funktionen hinterlegt sein, beispielsweise der Schwellenwert, eine Funktion zum Anpassen des Schwellenwerts in Abhängigkeit des Alters der wenigstens einen Lithiumionenzelle, die Kalibriergerade zum Ermitteln der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur und/oder eine Funktion zur Auswahl der Testfrequenz.The values and/or functions required to carry out the method according to the invention can be stored in the evaluation module, for example the threshold value, a function for adapting the threshold value depending on the age of the at least one lithium-ion cell, the calibration line for determining the first temperature and the second temperature and/or or a function to select the test frequency.

Das Auswertemodul umfasst insbesondere eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom beim Laden der Lithiumionenbatterie anzupassen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Ladestrom für jede der Lithiumionenzellen unabhängig voneinander anzupassen.In particular, the evaluation module includes a control unit that is set up to adapt a charging current when charging the lithium-ion battery. In particular, the control unit is set up to adapt the charging current for each of the lithium-ion cells independently of one another.

Die Lithiumionenbatterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug.The lithium ion battery is in particular a traction battery for a vehicle.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:

  • - 1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie,
  • - 2 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle,
  • - 3 Spannungskurven während eines Ladevorgangs mehrerer erfindungsgemäßer Lithiumionenbatterien nach 1, und
  • - 4 den Verlauf der mittels Impedanz ermittelten Temperaturdifferenzen während der Ladevorgänge aus 3.
Further advantages and properties of the invention result from the following description of exemplary embodiments, which should not be understood in a limiting sense, and from the drawings. In these show:
  • - 1 a schematic cross-sectional view of a lithium-ion battery according to the invention,
  • - 2 a block diagram of a method according to the invention for detecting lithium plating in a lithium ion cell,
  • - 3 Voltage curves during charging of several lithium-ion batteries according to the invention 1 , and
  • - 4 the course of the temperature differences determined by means of impedance during the charging process 3 .

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie 10 dargestellt, wobei die Lithiumionenbatterie 10 ein Gehäuse 12 und eine innerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Lithiumionenzelle 14 umfasst.In 1 1 is a schematic representation of a lithium ion battery 10 according to the invention, the lithium ion battery 10 comprising a housing 12 and a lithium ion cell 14 arranged within the housing 12 .

Die Lithiumionenzelle 14 verfügt über eine zugeordnete Impedanzmessvorrichtung 16, welche dazu eingerichtet ist, die Impedanz der Lithiumionenzelle 14 zu bestimmen. Die Impedanzmessvorrichtung 16 ist ein Messchip, welcher eine Auflösung im Bereich von wenigen µΩ besitzt.The lithium ion cell 14 has an associated impedance measuring device 16 which is set up to determine the impedance of the lithium ion cell 14 . The impedance measuring device 16 is a measuring chip which has a resolution in the range of a few μΩ.

Die Lithiumionenbatterie 10 umfasst ferner ein Auswertemodul 18, welches mit der Lithiumionenzelle 14 und der der Lithiumionenzelle 14 zugeordneten Impedanzmessvorrichtung 16 zum Datenaustausch verbunden ist.The lithium-ion battery 10 also includes an evaluation module 18, which is connected to the lithium-ion cell 14 and the impedance measuring device 16 assigned to the lithium-ion cell 14 for data exchange.

Die Lithiumionenbatterie 10 verfügt über (nicht dargestellte) elektrische Kontakte, um die Lithiumionenbatterie 10 mit einer (nicht dargestellten) Ladevorrichtung zum Laden der Lithiumionenbatterie 10, speziell der Lithiumionenzelle 14, verbinden zu können.The lithium ion battery 10 has electrical contacts (not shown) in order to be able to connect the lithium ion battery 10 to a charging device (not shown) for charging the lithium ion battery 10, specifically the lithium ion cell 14.

Das Auswertemodul 18 hat eine Steuereinheit 20, welche dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom der Ladevorrichtung zum Laden der Lithiumionenbatterie 10 anzupassen.The evaluation module 18 has a control unit 20 which is set up to adapt a charging current of the charging device for charging the lithium-ion battery 10 .

In der in 1 gezeigten Ansicht ist lediglich eine Lithiumionenzelle 14 erkennbar. Selbstverständlich kann die Lithiumionenbatterie 10 eine beliebige Anzahl von parallel und/oder in Serie geschalteten Lithiumionenzellen 14 aufweisen.in the in 1 shown view is only a lithium ion cell 14 visible. Of course, the lithium-ion battery 10 can have any number of lithium-ion cells 14 connected in parallel and/or in series.

In diesem Fall ist jeder Parallelschaltung von Lithiumionenzellen 14 eine Impedanzmessvorrichtung 16 zugeordnet, welche mit dem Auswertemodul 18 zum Datenaustausch verbunden ist.In this case, each parallel circuit of lithium-ion cells 14 is assigned an impedance measuring device 16, which is connected to the evaluation module 18 for data exchange.

In 2 ist ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle 14, wie sie in der Lithiumionenbatterie 10 aus 1 zum Einsatz kommt, gezeigt.In 2 14 is a block diagram of a method for detecting lithium plating in a lithium ion cell 14, such as that found in the lithium ion battery 10, in accordance with the present invention 1 is used, shown.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte.The method according to the invention comprises the following steps.

Zunächst wird eine Impedanz der Lithiumionenzelle 14 bei einer einzelnen Testfrequenz gemessen (vgl. Schritt S1 in 2).First, an impedance of the lithium-ion cell 14 is measured at a single test frequency (see step S1 in 2 ).

Zu diesem Zweck wird die der Lithiumionenzelle 14 zugeordnete Impedanzmessvorrichtung 16 genutzt.The impedance measuring device 16 assigned to the lithium-ion cell 14 is used for this purpose.

Die von der Impedanzmessvorrichtung 16 erhaltenen Impedanzdaten werden an das Auswertemodul 18 gesendet, in welchem basierend auf dem Realteil der gemessenen Impedanz eine erste Temperatur T1 ermittelt wird und basierend auf dem Imaginärteil der Impedanz eine zweite Temperatur T2 ermittelt (vgl. Schritt S2 in 2) wird.The impedance data obtained from the impedance measuring device 16 is sent to the evaluation module 18, in which a first temperature T 1 is determined based on the real part of the measured impedance and a second temperature T 2 is determined based on the imaginary part of the impedance (cf. step S2 in 2 ) becomes.

Das Auswertemodul 18 ermittelt die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 insbesondere anhand einer im Auswertemodul 18 hinterlegten Kalibrierfunktion.The evaluation module 18 determines the first temperature T 1 and the second temperature T 2 in particular using a calibration function stored in the evaluation module 18 .

Anschließend wird eine Temperaturdifferenz ΔTIm,Re zwischen erster Temperatur T1 und zweiter Temperatur T2 berechnet (vgl. Schritt S3 in 2).A temperature difference ΔT Im,Re between the first temperature T 1 and the second temperature T 2 is then calculated (cf. step S3 in 2 ).

Die berechnete Temperaturdifferenz ΔTIm,Re wird schließlich mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert eine für das Auftreten von Lithium-Plating charakteristische Temperaturdifferenz ist und ebenfalls im Auswertemodul 18 hinterlegt ist.Finally, the calculated temperature difference ΔT Im,Re is compared with a threshold value, the threshold value being a temperature difference that is characteristic of the occurrence of lithium plating and is also stored in the evaluation module 18 .

Der Schwellenwert liegt insbesondere im Bereich von 0,1 bis 5 K, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3 K, besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 2,5 K.The threshold value is in particular in the range from 0.1 to 5 K, preferably in the range from 0.5 to 3 K, particularly preferably in the range from 1.0 to 2.5 K.

Bevorzugt werden die Verfahrensschritte S1 bis S4 in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt, wobei zwischen zwei Wiederholungen insbesondere eine Wartezeit von 120 Sekunden oder weniger liegt, bevorzugt von 60 Sekunden oder weniger, besonders bevorzugt von 5 Sekunden oder weniger.Method steps S1 to S4 are preferably repeated at regular time intervals, with a waiting time of 120 seconds or less, preferably 60 seconds or less, particularly preferably 5 seconds or less, between two repetitions.

Besonders bevorzugt werden die Verfahrensschritte kontinuierlich wiederholt, wobei der Zeitabstand zwischen zwei Wiederholungen lediglich durch die für die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte benötigte Zeitdauer festgelegt ist.The process steps are particularly preferably repeated continuously, with the time interval between two repetitions being defined only by the time required to carry out the individual process steps.

In 3 sind beispielhafte experimentelle Spannungskurven des Ladevorgangs einer erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie 10 gezeigt.In 3 exemplary experimental voltage curves of the charging process of a lithium-ion battery 10 according to the invention are shown.

Die in den Messungen verwendete Lithiumionenbatterie 10 ist eine Lithiumionenbatterie für den Einsatz in Automobilanwendungen.The lithium ion battery 10 used in the measurements is a lithium ion battery for use in automotive applications.

Die Lithiumionenbatterie wurde mit vier verschiedenen Ladeprofilen geladen, wie in Tabelle 1 angegeben, wobei zwischen jedem Ladevorgang die Lithiumionenbatterie vollständig entladen wurde. Tabelle 1: Ladeprofile der experimentellen Messungen. Versuchsbezeichnung Ladeverfahren Ladestrom Ladevorgang 1 Constant Current (CC) 2,5 C Ladevorgang 2 Constant Current (CC) 2,0 C Ladevorgang 3 Constant Current (CC) 1,5 C Ladevorgang 4 Constant Current (CC) - mehrstufig 1,6 C - 1,0 C - 0,8 C - 0,6 C The lithium ion battery was charged using four different charge profiles as indicated in Table 1, with the lithium ion battery being completely discharged between each charge. Table 1: Charge profiles of the experimental measurements. test designation loading procedure charging current loading process 1 Constant Current (CC) 2.5c loading process 2 Constant Current (CC) 2.0c loading process 3 Constant Current (CC) 1.5c loading process 4 Constant Current (CC) - multi-level 1.6C - 1.0C - 0.8C - 0.6C

Die in 1 dargestellten Messreihen wurden für jeweils 60 Minuten aufgenommen. Die Ladedauer lag im Bereich von etwa 15 bis 40 Minuten.In the 1 The measurement series shown were recorded for 60 minutes each. The charging time was in the range of about 15 to 40 minutes.

Für die Messung „Ladevorgang 4“ wurde ein mehrstufiges Konstantstromladeverfahren angewandt, wobei der Ladestrom jeweils bei Minute 15, 22, 28 und 35 angepasst wurde.A multi-stage constant current charging process was used for the “Charging process 4” measurement, with the charging current being adjusted at 15, 22, 28 and 35 minutes.

Während jedem der experimentellen Ladevorgänge wurde das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating durchgeführt, wobei die Schritte S1 bis S4 kontinuierlich wiederholt wurden.During each of the experimental charging operations, the method for detecting lithium plating according to the present invention was carried out, continuously repeating steps S1 to S4.

Als Testfrequenz für die Impedanzmessung wurde eine Frequenz von etwa 2600 Hz verwendet.A frequency of about 2600 Hz was used as the test frequency for the impedance measurement.

In 4 sind die resultierenden Kurven der ermittelten Temperaturdifferenzen ΔTIm,Re während der Ladevorgänge aus 3 dargestellt, wobei die Temperaturdifferenz ΔTIm,Re als Differenz zwischen erster Temperatur T1 und zweiter Temperatur T2 berechnet wurde.In 4 are the resulting curves of the determined temperature differences ΔT Im,Re during the charging process 3 shown, the temperature difference ΔT Im,Re being calculated as the difference between the first temperature T 1 and the second temperature T 2 .

Es ist zu erkennen, dass für die Versuchsreihen „Ladevorgang 1“, „Ladevorgang 2“ und „Ladevorgang 3“ ein starker Anstieg der Temperaturdifferenz ΔTIm,Re etwa ab Minute 15, 17 beziehungsweise 25 zu beobachten ist, während die Temperaturdifferenz ΔTIm,Re für die Versuchsreihe „Ladevorgang 4“, welche wenigstens über einen Großteil der Ladedauer hinweg einen niedrigeren Ladestrom verwendete, zu keinem Zeitpunkt einen Wert von 0,5 K überschreitet.It can be seen that for the test series "Charging process 1", "Charging process 2" and "Charging process 3" a strong increase in the temperature difference ΔT Im,Re can be observed from about minute 15, 17 or 25, while the temperature difference ΔT Im, Re for the test series "Charging process 4", which used a lower charging current for at least a large part of the charging period, never exceeded a value of 0.5 K.

In 4 kennzeichnet die Strich-Doppelpunkt-Linie S den vorbestimmten Schwellenwert, der charakteristisch für das Auftreten von Lithium-Plating ist und in den durchgeführten Experimenten 1,5 K betrug.In 4 the dash-double-dot line S indicates the predetermined threshold value characteristic of the occurrence of lithium plating, which was 1.5 K in the experiments performed.

Jede der Versuchsreihen „Ladevorgang 1“, „Ladevorgang 2“ und „Ladevorgang 3“ überschreitet an wenigstens einem Zeitpunkt diesen Wert, wobei die Zeitpunkte, an denen erstmalig der Schwellenwert erreicht wird, in 3 mit den Punkten P1, P2 und P3 eingezeichnet sind.Each of the test series "Charging process 1", "Charging process 2" and "Charging process 3" exceeds this value at at least one point in time, with the points in time at which the threshold value is reached for the first time in 3 are marked with the points P 1 , P 2 and P 3 .

Während im Verlauf der Spannungskurve keinerlei Einfluss des Auftretens von Lithium-Plating ersichtlich ist, treten die Unterschiede in den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Temperaturdifferenzen ΔTIm,Re eindeutig hervor. Somit ist eine einfache und zuverlässige Detektion von Lithium-Plating in operando während des Ladevorgangs der Lithiumionenbatterie 10 möglich.While no influence of the occurrence of lithium plating can be seen in the course of the voltage curve, the differences in the temperature differences ΔT Im,Re determined using the method according to the invention are clearly apparent. Thus, a simple and reliable detection of lithium plating in operando during the charging process of the lithium ion battery 10 is possible.

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Claims (10)

Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle (14), umfassend folgende Schritte: - Messen einer Impedanz der Lithiumionenzelle (14) bei einer einzelnen Testfrequenz, - Ermitteln einer ersten Temperatur T1 basierend auf dem Realteil der gemessenen Impedanz und einer zweiten Temperatur T2 basierend auf dem Imaginärteil der gemessenen Impedanz, - Berechnen einer Temperaturdifferenz ΔTIm,Re zwischen erster Temperatur T1 und zweiter Temperatur T2, - Vergleichen der Temperaturdifferenz ΔTIm,Re mit einem Schwellenwert, wobei der Schwellenwert eine für das Auftreten von Lithium-Plating charakteristische Temperaturdifferenz ist.A method for detecting lithium plating in a lithium ion cell (14), comprising the steps of: - measuring an impedance of the lithium ion cell (14) at a single test frequency, - determining a first temperature T 1 based on the real part of the measured impedance and a second temperature T 2 based on the imaginary part of the measured impedance, - calculating a temperature difference ΔT Im,Re between the first temperature T 1 and the second temperature T 2 , - comparing the temperature difference ΔT Im,Re with a threshold value, the threshold value being one for the occurrence of lithium -Plating is characteristic temperature difference. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Testfrequenz im Bereich von 1 bis 10.000 Hz liegt, bevorzugt im Bereich 1000 bis 6000 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 2000 bis 5000 Hz.procedure after claim 1 , characterized in that the test frequency is in the range from 1 to 10,000 Hz, preferably in the range from 1000 to 6000 Hz, particularly preferably in the range from 2000 to 5000 Hz. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 anhand einer Kalibrierfunktion aus dem Realteil beziehungsweise dem Imaginärteil der gemessenen Impedanz ermittelt werden.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the first temperature T 1 and the second temperature T 2 are determined using a calibration function from the real part or the imaginary part of the measured impedance. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert im Bereich von 0,1 bis 5 K liegt, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3 K, besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 2,5 K.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the threshold value is in the range from 0.1 to 5 K, preferably in the range from 0.5 to 3 K, particularly preferably in the range from 1.0 to 2.5 K. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert in Abhängigkeit des Alters der Lithiumionen-Zelle angepasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the threshold value is adjusted as a function of the age of the lithium-ion cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der berechneten Temperaturdifferenz und des Schwellenwerts ein Ladevorgang der Lithiumionenzelle (14) gesteuert wird, insbesondere ein Schnellladevorgang der Lithiumionenzelle (14).Method according to one of the preceding claims, characterized in that a charging process of the lithium-ion cell (14), in particular a rapid charging process of the lithium-ion cell (14), is controlled on the basis of the calculated temperature difference and the threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden, wobei zwischen zwei Wiederholungen insbesondere eine Wartezeit von 120 Sekunden oder weniger liegt, bevorzugt von 60 Sekunden oder weniger, besonders bevorzugt von 5 Sekunden oder weniger.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method steps are repeated at regular time intervals, there being in particular a waiting time of 120 seconds or less, preferably 60 seconds or less, particularly preferably 5 seconds or less, between two repetitions. Lithiumionenbatterie mit wenigstens einer Lithiumionenzelle (14), wobei der wenigstens einen Lithiumionenzelle (14) eine Impedanzmessvorrichtung (16) zugeordnet ist, und einem Auswertemodul (18), welches mit der wenigstens einen Lithiumionenzelle (14) und der zugeordneten Impedanzmessvorrichtung (16) zum Datenaustausch verbunden ist, wobei die Lithiumionenbatterie (10) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Lithium-ion battery with at least one lithium-ion cell (14), wherein the at least one lithium-ion cell (14) is associated with an impedance measuring device (16), and an evaluation module (18) which is connected to the at least one lithium-ion cell (14) and the associated impedance measuring device (16) for data exchange, wherein the lithium ion battery (10) is set up to carry out the method according to any one of the preceding claims. Lithiumionenbatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumionenbatterie wenigstens zwei Lithiumionenzellen (14) umfasst, die zu einer Parallelschaltung von Lithiumionenzellen (14) elektrisch verbunden sind, wobei die Impedanzmessvorrichtung (16) der Parallelschaltung von Lithiumionenzellen (14) zugeordnet ist.Lithium ion battery after claim 8 , characterized in that the lithium ion battery comprises at least two lithium ion cells (14) which are electrically connected to form a parallel connection of lithium ion cells (14), the impedance measuring device (16) being associated with the parallel connection of lithium ion cells (14). Lithiumionenbatterie nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemodul (18) eine Steuereinheit (20) umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom beim Laden der Lithiumionenbatterie (10) anzupassen, insbesondere den Ladestrom für jede der Lithiumionenzellen (14) und/oder Parallelschaltung von Lithiumionenzellen (14) unabhängig voneinander anzupassen.Lithium ion battery after claim 8 or 9 , characterized in that the evaluation module (18) comprises a control unit (20) which is set up to adjust a charging current when charging the lithium-ion battery (10), in particular the charging current for each of the lithium-ion cells (14) and / or parallel connection of lithium-ion cells ( 14) adjust independently.
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