DE102021108085A1

DE102021108085A1 - Aufladen eines lithiumbasierten elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102021108085A1
Application number: DE102021108085.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Zoerr; Juergen HILDINGER; Simon Erhard
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von mindestens einem Steuerparameter für eine Ladeeinrichtung (11) zum Zuführen von elektrischer Ladung zu einem lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher (1), zu welchem Zweck der elektrische Energiespeicher (1) abhängig von mindestens einem Zustandsparameter (2, 4) des elektrischen Energiespeichers (1) mit einem elektrischen Ladestrom (3) beaufschlagt wird.
Erfindungsgemäß wird zum Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters eine Grenzfunktion (7), durch die einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung (8) zugeordnet wird, derart ermittelt, dass ein Anodenpotential (5) größer als ein vorgegebener Anodenpotentialwert ist, wenn eine Anschlussspannung (9) kleiner als die Grenzspannung (8) ist, wobei der vorgegebene Anodenpotentialwert größer als null Volt gegenüber einer Li/Li⁺-Bezugselektrode ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von mindestens einem Steuerparameter für eine Ladeeinrichtung zum Zuführen von elektrischer Ladung zu einem lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher, zu welchem Zweck der elektrische Energiespeicher abhängig von mindestens einem Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers mit einem elektrischen Ladestrom beaufschlagt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Ermittlungseinrichtung zum Bestimmen von mindestens einem Steuerparameter für eine Ladeeinrichtung zum Zuführen von elektrischer Ladung zu einem lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, den mindestens einen Steuerparameter für die Ladeeinrichtung derart zu bestimmen, dass der elektrische Energiespeicher durch die Ladeeinrichtung abhängig von dem mindestens einen Steuerparameter mit einem elektrischen Ladestrom beaufschlagbar ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einer an elektrischen Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers angeschlossenen mittels einer Steuereinrichtung steuerbaren Ladeeinrichtung zum Zuführen eines elektrischen Ladestroms abhängig von mindestens einem Steuerparameter.
Lithiumbasierte elektrische Energiespeicher, Ladeeinrichtungen hierfür sowie Ermittlungseinrichtungen und Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Der lithiumbasierte elektrische Energiespeicher weist mindestens eine galvanische Zelle auf, die unter Nutzung von Lithium-Ionen in der Lage ist, elektrische Energie reversibel zu speichern. Ein solcher Energiespeicher wird auch Lithium-Ionen-Akkumulator oder dergleichen genannt.
Die galvanische Zelle umfasst mindestens zwei Elektroden, nämlich eine positive und eine negative Elektrode, die über einen Elektrolyten miteinander in Kontakt stehen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb stellt sich aufgrund der elektrochemischen Wirkung an mit den Elektroden elektrisch verbundenen Anschlüssen eine Anschlussspannung ein, die an entsprechenden Anschlüssen anhand der Elektroden für elektrische Anwendungen zur Verfügung gestellt werden kann. Derartige Energiespeicher sind zum Beispiel Lithium-Kobaltdioxid-Zellen, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) basierte Zellen, Lithium-Eisenphosphat-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen oder dergleichen. Mehrere galvanische Zellen können an ihren Anschlüssen elektrisch miteinander gekoppelt sein, um einen Akkumulator zu bilden.
Häufig weist die negative Elektrode Kohlenstoff, insbesondere Graphit, als Elektrodenmaterial auf, in welchem im bestimmungsgemäßen Betrieb beim Aufladen des Energiespeichers Lithium-Ionen gespeichert werden können. Beim Entladen werden die Lithium-Ionen oxidiert und als Lithium-Atome in einem geeigneten Werkstoff der positiven Elektrode gespeichert, was zum Beispiel Kobaltoxid oder dergleichen sein kann.
Lithiumbasierte elektrische Energiespeicher sind mittlerweile weit verbreitet, insbesondere im Bereich elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge oder bei Mobilfunkgeräten, und haben sich dort bewährt. Gleichwohl ist bekannt, dass lithiumbasierte elektrische Energiespeicher Effekten unterliegen, die dazu führen, dass während der bestimmungsgemäßen Nutzung die verfügbare Kapazität zum Speichern von elektrischer Energie abnimmt. Ein Effekt, der die Abnahme der Leistungsfähigkeit der lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher in Bezug auf elektrische Energie betrifft, ist zum Beispiel das „Lithium-Plating“, bei welchem insbesondere während eines Aufladevorgangs metallisches Lithium an der Oberfläche der negativen Elektrode, beispielsweise dem Graphit der negativen Elektrode, abgeschieden wird. Dieses Lithium steht für weitere Energiespeicherfunktionen nicht mehr zur Verfügung.
Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass Dendriten ausgebildet werden, die zu einer Beschädigung der galvanischen Zelle, beispielsweise eines Separators oder dergleichen führen können. Es ist bekannt, dass „Lithium-Plating“ besonders dann auftritt, wenn das Anodenpotential unter 0 V gegenüber einer Li/Li+ Bezugselektrode abfällt, wodurch das Abscheiden von metallischem Lithium energetisch günstiger ist als das Einlagern von Lithium-Ionen in die negative Elektrode. Das Anodenpotential ist als Potentialdifferenz zwischen der Grenzfläche des Anodenaktivmaterials und dem Elektrolyten gegenüber Lithium als Referenz definiert. Das Ruhepotential von lithiiertem Graphit gegenüber Lithium liegt bei ca. 1,5 Volt vs. Li/Li+ bis 70 Millivolt vs. Li/Li+. Beim Aufladevorgang treten durch den Ladungsträgertransport Überspannungen auf, die das Anodenpotential verringern. Bei hohen Ladeströmen sinkt das Anodenpotential unter 0 V vs. Li/Li+ und es kommt zur Abscheidung von Lithium-Ionen auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Das Ruhepotential von Graphit gegenüber Lithium sinkt mit steigender Lithiierung. Niedrige Temperaturen und hierdurch bedingte ungünstige Randbedingungen für den Ladungstransport bewirken erhöhte Überspannungen, die das Anodenpotential verringern. Das Anodenpotential ist folglich unter anderen abhängig von einem Ladestrom, einem Ladungszustand, einer Temperatur der galvanischen Zelle oder dergleichen.
Es ist wünschenswert, besonders während des Aufladevorgangs möglichst gut sicherstellen zu können, dass das Anodenpotential nicht kleiner oder gleich 0 Volt gegenüber einer Li/Li+ Bezugselektrode wird.
Das Anodenpotential kann in einer Experimentalzelle mit Hilfe einer Lithium-Bezugselektrode gemessen werden. Bei kommerziell realisierten elektrischen Energiespeichern ist jedoch eine Messung des Anodenpotentials mit Hilfe einer Bezugselektrode nicht realisierbar. Eine modellbasierte Echtzeit-Berechnung des Anodenpotentials innerhalb eines Batteriemanagement Systemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist im aktuellen Stand der Technik gleichfalls nicht möglich.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batteriezelle sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ladestromstärkenkennfeldes offenbart zum Beispiel die DE 10 2016 007 479 A1 . Diese Lehre basiert jedoch darauf, abhängig von einem Ladestrom einen Sicherheitsbereich abzuschätzen, bei dem „Lithium-Plating“ vermieden werden können soll. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Lehre Ungenauigkeiten nach sich zieht, sodass eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik kaum erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist beispielsweise ein Multistep-Constant-Current (MSCC)-Ladeverfahren bekannt, welches sich ebenfalls darauf stützt, das Anodenpotential zu berücksichtigen. Dieses Verfahren sieht eine Aneinanderreihung von mehreren Phasen des Aufladens mit konstantem Strom vor. Über die Phasen hinweg wird der Ladestrom zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers gegenüber der vorhergehenden Phase verringert. Dabei wird ausgenutzt, dass das Anodenpotential eine Abhängigkeit vom Ladungszustand der des elektrischen Energiespeichers (der galvanischen Zelle) aufweist. So kann ein großer Ladestrom bei einem hohen Ladungszustand, bei dem ungünstige Bedingungen für die Einlagerung von Lithium-Ionen in die negative Elektrode vorliegen, tendenziell zu kritischeren Werten für das Anodenpotential als bei kleinen Ladungszuständen der galvanischen Zelle führen. So offenbart zum Beispiel Mai et al. in Journal of the Electrochemical Society, 2020, 167, „Model-instructed Design of Novel Charging Protocols for the Extreme Fast Charging of Lithium-Ion-Batteries without Lithium Plating“ das Verhalten des Anodenpotentials im vorgenannten Ladeverfahren. Ferner wird in diesem Zusammenhang ein weiteres potentialbasiertes Ladeverfahren in Bezug auf die negative elektrische Elektrode beschrieben, bei dem ein zeitbasierter Spannungsverlauf der galvanischen Zelle vorgegeben werden soll. Dabei basiert ein vorgegebener Spannungsgradient in Bezug auf die Zeit auf einem Zeit-Verhalten des Anodenpotentials, das mithilfe eines elektrochemischen Simulationsmodels untersucht wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine praktikable Möglichkeit zu schaffen, mit der das Anodenpotential besonders während eines Aufladevorgangs des elektrischen Energiespeichers möglichst zeitnah ermittelt werden kann. Vorzugsweise soll eine Verfahrensführung mittels eines Batteriemanagementsystems ermöglicht werden.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Ermittlungseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass zum Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters eine Grenzfunktion, durch die einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung zugeordnet wird, derart ermittelt wird, dass ein Anodenpotential größer als ein vorgegebener Anodenpotentialwert ist, wenn eine Anschlussspannung kleiner als die Grenzspannung ist, wobei der vorgegebene Anodenpotentialwert größer als null Volt gegenüber einer Li/Li+-Bezugselektrode ist.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Ermittlungseinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Ermittlungseinrichtung zum Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters ferner ausgebildet ist, eine Grenzfunktion, durch die einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung zugeordnet wird, derart zu ermitteln, dass ein Anodenpotential größer als ein vorgegebener Anodenpotentialwert ist, wenn eine Anschlussspannung kleiner als die Grenzspannung ist, wobei der vorgegebene Anodenpotentialwert größer als null Volt gegenüber einer Li/Li+-Bezugselektrode ist.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, mit einer Ermittlungseinrichtung gemäß der Erfindung gekoppelt zu werden, um den mindestens einen Steuerparameter von der Ermittlungseinrichtung an die Steuereinrichtung zu übermitteln.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass die zulässige Kombination von Ladestrom, Temperatur und Anschlussspannung der galvanischen Zelle, welche gerade nicht zu einer Unterschreitung des vorgegebenen Anodenpotentialwerts gegenüber Lithium als Referenz führt, bereits im Entwicklungs- beziehungsweise Anwendungsprozess festgestellt werden kann. Hierauf basierend ist es möglich mindestens einen entsprechenden Steuerparameter zu bestimmen, der von einer Ladeeinrichtung genutzt werden kann, den Energiespeicher einerseits mit großer Leistung schnell zu laden und andrerseits zu vermeiden, dass das Anodenpotential kleiner als null wird. Der mindestens eine Steuerparameter kann beispielsweise die Grenzfunktion selbst einschließen und/oder auch Parameter aufweisen, die es erlauben die Grenzfunktion selbst zu ermitteln und/oder für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Aufladens erforderliche Bereiche der Grenzfunktion oder Werte in Bezug auf die Grenzfunktion zu ermitteln.
Dabei hat die Erfindung erkannt, dass es insbesondere auf die Anschlussspannungsänderung in Bezug auf eine mittels des Ladestroms zugeführte Ladungsmenge ankommt. Der Ladestrom ist zwar für die Zuführung der Ladungsmenge erforderlich, jedoch kommt es für die Erfindung im Wesentlichen nicht auf die Stromstärke sondern auf die hiermit dem elektrischen Energiespeicher zugeführte elektrische Ladung an. Zur Feststellung der zulässigen Anschlussspannungsänderung in Bezug auf eine zugeführte Ladungsmenge können physikalisch-elektrochemische Simulationsmodelle in Betracht gezogen werden, die zum Beispiel auf einem Newman-P2D-Ansatz basieren. Dieser Ansatz ergibt sich zum Beispiel aus Doyle et al., „Modelling of Galvanostatic Charge and Discharge of the Lithium/Polymer/Insertion Cell“, aus J. Electrochemical Soc., Vol. 140, No. 6, Juni 1993. Unter weiterer Berücksichtigung von Fuller et al., J. Electrochemical Soc., Vol. 141, No. 1, Januar 1994 mit dem Titel „Simulation and Optimization of the Dual Lithium Ion Insertion Cell“ sowie unter weiterer Berücksichtigung der Dissertation von C.M. Doyle, „Design and Simulation of Lithium Rechargable Batteries“, Lawrence Berkely National Laboratory, veröffentlicht am 09.02.2010.
Mit der Erfindung kann erreicht werden, dass ein Ladeverfahren zur Verfügung gestellt werden kann, welches basierend auf einer Kenntnis des aktuellen Anodenpotentials gegenüber Lithium als Referenz ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers mit einer großen Ladeleistung ermöglicht, welches darüber hinaus besonders bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen angewendet werden kann. Dabei basiert die Erfindung unter anderem auf einer weiteren Überlegung, nämlich, dass die Kenntnis eines aktuell im Aufladeprozess vorliegenden Anodenpotentials gegenüber Lithium als Referenz von großer Wichtigkeit ist. Eine Kenntnis des Anodenpotentials gegenüber Lithium als Referenz ist besonders dann von Vorteil, wenn ein großer Ladestrom eingeprägt wird und ungünstige Bedingungen für Diffusions- und Interkalationsprozessse innerhalb des lithiumbasierten elektrischen Energiespeichers vorliegen, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen und hohen Ladezuständen. Die Erfindung ermöglicht es, ein Ladeverfahren bereitzustellen, bei dem ohne Kenntnis eines aktuellen Ist-Werts und selbst bei einer Änderung von Umgebungsbedingungen sichergestellt werden kann, dass das Anodenpotential größer als ein vorgegebener Potentialwert gegenüber Lithium als Referenz, insbesondere größer als 0 V gegenüber Lithium als Referenz, bleibt. Der minimal zulässige Anodenpotentialwert kann abhängig von elektrochemischen Eigenschaften, einer Konstruktion des elektrischen Energiespeichers, insbesondere der galvanischen Zelle, und/oder dergleichen vorgegeben werden. Er kann auch Inhomogenitäten berücksichtigen, die beim bestimmungsgemäßen Betrieb des elektrischen Energiespeichers auftreten können. Dies erreicht die Erfindung dadurch, dass elektrische Eigenschaften, eine Konstruktion des elektrischen Energiespeichers, insbesondere der galvanischen Zelle, und/oder dergleichen bei der Ermittlung der zulässigen Anschlussspannungsänderung in Bezug auf eine zugeführte Ladungsmenge berücksichtigt werden.
Mit der Erfindung wird somit ein zeitunabhängiger, aber vom Ladungszustand abhängiger Zusammenhang zwischen der Anschlussspannung und dem Anodenpotential ausgenutzt. Durch das Ermitteln einer Grenzspannung abhängig vom Ladungseintrag kann dieser Zusammenhang zum Beispiel genutzt werden, um einen bestimmten Anodenpotentialwert einzuregeln, zum Beispiel 0 V gegenüber Lithium. Zur Ladestromregelung wird schlussendlich auf eine Spannungskurve zurückgegriffen, die über der Ladungsänderung ermittelt ist.
Mit der Erfindung ist es nunmehr möglich, einen im Wesentlichen zeitunabhängigen Zusammenhang zwischen einer Ladungsänderung und einer Spannungsänderung an den elektrischen Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln und diesen Zusammenhang dazu zu nutzen, die Grenzfunktion zu ermitteln. Dadurch unterscheidet sich die Erfindung auch vom bekannten Stand der Technik, bei dem der funktionelle Zusammenhang ausschließlich zeitabhängig bestimmt ist. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2016 007 479 A1 dagegen ein Verfahren, bei dem der Ladestrom über dem Ladezustand ermittelt wird. Hierbei besteht der Unterschied zur Erfindung im Wesentlichen unter anderem darin, dass der Ladestrom keinen Rückschluss auf den Zustand der galvanischen Zelle in Hinblick auf das Anodenpotential erlaubt. Eine Grenzfunktion gemäß der Erfindung, insbesondere in Form einer maximal zulässigen Anschlussspannung über dem Ladungseintrag, lässt diesen Rückschluss dagegen zu.
Durch die Erfindung ist es möglich, das Aufladen des Energiespeichers durch eine verbesserte Verfahrensführung zu realisieren, und zwar ohne die Verwendung eines elektrochemischen Simulationsmodells auf einem Steuergerät. Das Steuergerät, welches in einem Fahrzeug oder einer Ladestation angeordnet sein kann, kann dadurch weiterhin sehr einfach ausgestaltet bleiben, weil es nicht dafür ausgebildet zu sein braucht, komplexe Berechnungen und/oder Simulationen ausführen zu müssen. Es ist daher ausreichend, entsprechende Steuerparameter einmal, beispielsweise zentral bei der Herstellung des Energiespeichers oder dergleichen, zu ermitteln und für das Steuergerät beziehungsweise die Ladeeinrichtung zur Verfügung zu stellen. Dies kann durch einen Datensatz erfolgen, der die entsprechenden Steuerparameter aufweist und der im Steuergerät gespeichert ist. Die Steuerparameter brauchen somit vorzugsweise nur ein einziges Mal ermittelt und zur Verfügung gestellt zu werden.
Es ist ein Gedanke der Erfindung, die Änderung einer temperatur- und/oder ladungszustandsabhängigen maximal zulässigen Anschlussspannung, beziehungsweise in Bezug auf eine einzelne galvanische Zelle die Zellspannung, aus einem im Impedanzverhalten beziehungsweise Widerstandsverhalten des entsprechenden elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der entsprechenden elektrischen galvanischen Zelle zu ermitteln. Das heißt, es wird insbesondere die Änderung der Anschlussspannung abhängig von einem Ladungseintrag beziehungsweise einer Ladungsänderung betrachtet. Dabei wird vorzugsweise ausgenutzt, dass ein Einprägen eines vorgegebenen Ladestroms bei einer vorgegebenen Temperatur und/oder bei einem vorgegebenen initialen Ladungszustand eine charakteristische Impedanzantwort des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der galvanischen Zelle zur Folge hat. In gleicher Weise bewirkt dann eine derartige Belastung des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der galvanischen Zelle auch ein charakteristisches Verhalten des Anodenpotentials.
Die Korrelation zwischen dem Anodenpotential und dem Impedanzverhalten beziehungsweise der Impedanzantwort ermöglicht es, eine Information in Bezug auf die negative Elektrode aus aktuellen Werten von Messgrößen wie Ladestrom, Anschlussspannung, Temperatur und/oder Anfangsladezustand zu ermitteln. Die Erfindung nutzt dabei eine differentielle Betrachtung in Bezug auf die Impedanz beziehungsweise den Innenwiderstand. Das Impedanzverhalten, welches beispielsweise temperatur- und ladungszustandsabhängig ist, kann somit als Änderung der Anschlussspannung abhängig von einer Änderung der Ladungsmenge ermittelt werden. Aus diesem Zusammenhang kann abgeleitet werden, dass es dem Grunde nach auf die Zeit nicht anzukommen braucht.
Ist somit eine resultierende Anschlussspannung bezüglich des elektrischen Energiespeichers für eine vorgegebene zugeführte Ladungsmenge größer, kann somit das Anodenpotential kleiner als ein vorgegebenes Grenzpotential gegenüber Lithium als Referenz sein, dessen Erreichen oder Unterschreiten das „Lithium-Plating“ zur Folge haben kann. Vorzugsweise ist das Anodenpotential größer als 0 V gegenüber Lithium als Referenz. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Anodenpotential größer als ein Referenzpotential ist, welches seinerseits größer als 0 V gegenüber Lithium vorgegeben wird. Das Referenzpotential kann gegenüber Lithium zum Beispiel 30 mV oder auch 50 mV betragen. Die Verfahrensführung bleibt dadurch unverändert. Man kann daher jeden beliebigen Anodenpotentialwert oder sogar jeden beliebigen Anodenpotentialverlauf (Anodenpotential über Ladungseintrag) einstellen beziehungsweise vorgeben, solange dieser größer als 0 V gegenüber Lithium ist. Diese Erkenntnis ermöglicht das Ermitteln von Spannungsbereichen, in denen eine Beanspruchung des lithiumbasieren elektrischen Energiespeichers oder ein zugeführter, beispielsweise konstanter, Ladestrom erhöht werden kann, ohne dass die Bedingungen für ein unerwünschtes „Lithium-Plating“ hervorgerufen werden würden. Entsprechend können auch Spannungsbereiche ermittelt werden, in denen das Anodenpotential kleiner als 0 V gegenüber Lithium als Referenz wird oder 0 V gegenüber Lithium wird und somit der Ladestrom verringert werden muss, um das unerwünschte „Lithium-Plating“ weitgehend zu vermeiden. Dies kann durch die Grenzfunktion beschrieben werden, die abhängig von einer zugeführten Ladung eine maximal zulässige Anschlussspannung bestimmt, die gerade nicht dazu führt, dass das Anodenpotential kleiner oder gleich 0 V gegenüber Lithium wird. Dadurch können ohne die Verwendung einer Lithium-Bezugselektrode und ohne die Verwendung von physikalisch-elektrochemischen Simulationsmodellen umfassende Rückschlüsse im Hinblick auf das Anodenpotentialverhalten getroffen werden, um eine große Ladeleistung bei zuverlässiger Vermeidung von „Lithium-Plating“ erreichen zu können.
Durch die Grenzfunktion wird also einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung zugeordnet, die angibt, dass mit einer Anschlussspannung, die kleiner als die Grenzspannung ist, zuverlässig erreicht werden kann, dass das Anodenpotential zumindest größer als 0 V gegenüber Lithium als Referenz ist. Die Grenzspannung ist also eine maximale Anschlussspannung oder Zellspannung des elektrischen Energiespeichers. Entsprechend ist die Ermittlungseinrichtung ausgebildet, die Grenzfunktion derart zu ermitteln, dass das Anodenpotential des elektrischen Energiespeichers größer als 0 V gegenüber Lithium ist, wenn die Anschlussspannung an den elektrischen Anschlüssen des Energiespeichers kleiner als die Grenzspannung ist. Zum Ermitteln der Grenzfunktion wird vorzugsweise der mindestens eine Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers herangezogen, beispielsweise neben dem Ladestrom, eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers, ein Anfangsladungszustand des Energiespeichers und/oder dergleichen.
Die Ermittlungseinrichtung ist damit in der Lage, der Ladeeinrichtung entsprechend Steuerparameter zur Verfügung zu stellen, sodass der Aufladevorgang so gesteuert werden kann, dass eine große Ladeleistung und/oder ein möglichst kurzer Ladevorgang erreicht werden kann. Zugleich kann das unerwünschte „Lithium-Plating“ weitgehend vermieden werden. Daher eignet sich die Erfindung besonders für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, die eine eigene Ladeeinrichtung beziehungsweise Ladeeinheit aufweisen können. Dem Grunde nach kann die Ladeeinrichtung jedoch auch fahrzeugextern an einer Ladestation angeordnet sein. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass entsprechende erforderliche Steuerdaten von einer Fahrzeugsteuerung an eine Steuereinrichtung der Ladestation übermittelt werden, die dann die Ladeeinrichtung entsprechend steuert. Auch Kombinationen beziehungsweise Abweichungen hiervon können vorgesehen sein.
Die Erfindung kann sich dem Grunde nach auf zwei Aspekte verteilen, nämlich einerseits das Ermitteln der Grenzfunktion sowie das Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters und andrerseits deren Anwendung im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers.
So kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln der Grenzfunktion außerhalb der bestimmungsgemäßen Nutzung des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise in einem Fahrzeug, erfolgt. Beispielsweise kann das Ermitteln der Grenzfunktion bei einer Entwicklung des elektrischen Energiespeichers erfolgen. Die abhängig hiervon ermittelten Steuerparameter, die unter anderem die Grenzfunktion bestimmen, können dann in einer geeigneten Speichereinheit abrufbar gespeichert werden. Die Steuerparameter können dann der Ladeeinrichtung zur Verfügung gestellt werden, damit diese einen Aufladevorgang erfindungsgemäß durchführen kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuerparameter in einer zentralen Speichereinheit gespeichert sind. Die zentrale Speichereinheit kann über eine zumindest teilweise drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Ladeeinrichtung in Verbindung stehen. Die Verbindung braucht beispielsweise nur bei einem Start eines Aufladevorgangs zu bestehen, um die Steuerparameter zu übertragen. Die Ladeeinrichtung kann aus den Steuerparametern dann die Grenzfunktion und/oder zumindest wichtige Betriebspunkte ermitteln und für den Aufladevorgang berücksichtigen. Natürlich können die Steuerparameter auch in der Ladeeinrichtung gespeichert sein.
Die zulässige Änderung der Anschlussspannung bei Änderung der Ladungsmenge braucht nicht zwingend als Zwischengröße ermittelt zu werden. Gemäß dem P2D-Modell kann die zulässige Anschlussspannung für einen bestimmten Ladezustand auch direkt entnommen werden. Der physikalische Zusammenhang auf dem die Erfindung basiert, basiert jedoch auf einer zulässigen Änderung der Anschlussspannung beziehungsweise Zellspannung in Abhängigkeit der Änderung der Ladungsmenge beziehungsweise dem Ladungseintrag.
Die Erfindung ermöglicht es auch, ein MSCC-Ladeverfahren basierend auf dem Anodenpotential auszulegen. Hierbei kann die Grenzkurve als Kriterium zur Verringerung des Ladestroms dienen. Es können aber auch andere Faktoren berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die kontinuierliche Verringerung des Ladestroms auch dazu dienlich sein, eine maximale Zelltemperatur nicht zu überschreiten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Grenzfunktion zumindest abhängig von einem Ladungszustand oder einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers als der mindestens eine Zustandsparameter ermittelt wird. Dadurch kann eine zulässige Anschlussspannungsänderung in Bezug auf die Änderung des Ladungszustands festgestellt werden und basierend hierauf die Grenzfunktion ermittelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Grenzfunktion unter Berücksichtigung von einer ladungszustandsänderungsabhängigen Anschlussspannungsänderung als der mindestens eine Zustandsparameter ermittelt wird. Hierdurch kann auf besonders günstige Weise die Ausnutzung des charakteristischen Impedanzverhaltens, das zu einer charakteristischen Änderung der Anschlussspannung beziehungsweise Zellspannung führt, und dessen Korrelation mit dem Anodenpotentialverhalten erreicht werden. Natürlich kann dies auch mit den vorgenannten Möglichkeiten miteinander zumindest teilweise kombiniert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Verfahren bei einem Aufladen des elektrischen Energiespeichers mit einem konstanten Ladestrom durchgeführt wird und unter Verwendung der Grenzkurve während des Aufladens das Anodenpotential ermittelt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass das Anodenpotential während des Aufladevorgangs überwacht werden kann. So kann festgestellt werden, wann das Anodenpotential 0 V gegenüber Lithium als Referenz wird oder sich in Richtung 0 V gegenüber Lithium verändert. Das kann genutzt werden, den Aufladevorgang entsprechend zu steuern, beispielsweise den Wert des konstanten Ladestroms auf einen kleineren Wert zu ändern, den Ladevorgang zu unterbrechen, abzubrechen oder dergleichen. Es kann aber auch lediglich vorgesehen sein, dass eine dem Anodenpotential entsprechende Meldung ausgegeben und/oder angezeigt wird. Das Ermitteln des Anodenpotentials kann kontinuierlich oder auch zu vorgebbaren Zeitpunkten erfolgen.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Ladestrom erfasst wird und eine momentane Ladungszustandsänderung abhängig vom erfassten Ladestrom ermittelt wird. Auf diese Weise kann besonders einfach die zugeführte Ladungsmenge ermittelt werden. Beispielsweise kann ein zeitlich abhängiger Ladestromverlauf mittels eines Integrators integriert werden, um die zugeführte elektrische Ladung zu ermitteln. Die momentane Ladungszustandsänderung kann dann mittels einer geeigneten zeitlichen Differentiation ermittelt werden. Unter ergänzender Berücksichtigung eines initialen Anfangsladungszustands kann dann die Ladungszustandsänderung ermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Anschlussspannung erfasst und eine momentane Anschlussspannungsänderung abhängig von der erfassten Anschlussspannung ermittelt wird. Hierdurch kann die Verfahrensführung weiter verbessert werden. Das Erfassen der Anschlussspannung kann mittels eines geeigneten Spannungssensors erfolgen. Die Anschlussspannung, die mittels des Spannungssensors erfasst wurde, kann mittels eines Differenzierers oder dergleichen verarbeitet werden, um eine momentane Anschlussspannungsänderung zu ermitteln.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Verfahren zur Ladestromregelung außerhalb eines Aufladens des elektrischen Energiespeichers bei einem konstanten Ladestrom durchgeführt wird. Das Anodenpotential kann während des Aufladens mit konstantem Ladestrom über die zulässige Grenzspannung in Bezug auf den Ladezustand ermittelt werden. In gleicher Weise kann die Anschlussspannung während des Aufladens mit einem konstanten Ladestrom mit der Grenzspannung verglichen werden, ohne dass das Anodenpotential berechnet wird. Diese Anwendung des Verfahrens zur Ladestromregelung außerhalb einer initialen Konstantstromphase berücksichtigt, dass häufig in einer ersten Ladephase der elektrische Energiespeicher mit einem konstanten Ladestrom geladen wird, der durch physikalische Parameter des elektrischen Energiespeichers, wie beispielsweise die Stromtragfähigkeit, eine maximal zulässige Temperatur und/oder dergleichen bestimmt ist. Häufig ist während dieser Ladephase das Anodenpotential in der Regel ohnedies größer als 0 V gegenüber Lithium, sodass während dieser Ladephase die erfindungsgemäße Verfahrensführung noch nicht angewendet zu werden braucht. Sobald sich jedoch das Anodenpotential 0 V gegenüber Lithium nähert, kann die erfindungsgemäße Verfahrensführung aktiviert werden, um dann eine erfindungsgemäße Steuerung der Ladeeinrichtung vorzunehmen. Dadurch kann Steuerungsaufwand insgesamt reduziert werden.
Vorzugsweise wird die Grenzfunktion individuell für den elektrischen Energiespeicher ermittelt und diesem zugeordnet gespeichert. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel der elektrische Energiespeicher eine Speichereinheit aufweisen, in der die Grenzfunktion und vorzugsweise auch weitere entsprechend zugeordnete Daten gespeichert werden können. Dadurch ist es möglich, die entsprechenden Daten für die Steuerung der Ladeeinrichtung zur Verfügung zu stellen. Dabei braucht die Ladeeinrichtung lediglich kommunikationstechnisch mit dem elektrischen Energiespeicher oder bei einem Kraftahrzeug auch mit einer Fahrzeugsteuerung gekoppelt zu sein. Diese Ausgestaltung erweist sich insbesondere auch dann als vorteilhaft, wenn die Ladeeinrichtung und die Ermittlungseinrichtung kraftfahrzeugextern, beispielsweise an einer Ladestation oder dergleichen angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft erweist sich, wenn die Grenzfunktion unter Nutzung eines Newman-P2D-Ansatzes ermittelt wird. Mittels dieses Ansatzes ist eine zuverlässige Ermittlung des Anodenpotentials unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen beziehungsweise Zustandsparametern des elektrischen Energiespeichers möglich. Es handelt sich hierbei um ein detailliertes Model, welches dem hierin beschriebenen Verfahren zugrunde gelegt werden kann. Dieses ist eingangs bereits erläutert, weshalb auf die diesbezüglichen Ausführungen ergänzend verwiesen wird. Die Erfindung nutzt nun diesen Ansatz dahingehend, dass ein elektrisches Grenzpotential für die negative Elektrode als Randbedingung vorgegeben wird, bei dem das Anodenpotential der 0 V gegenüber Lithium als Referenz ist. Daraus können dann die entsprechenden anderen Zustandsparameter ermittelt werden, die dem Ermitteln der Grenzfunktion zugrunde gelegt werden können. Insgesamt kann dadurch eine hochgenaue Ladesteuerung erreicht werden, die eine kurze Ladezeit bei einem großen Ladestrom ermöglicht und zugleich das „Lithium-Plating“ weitgehend vermeidet. Alternativ oder ergänzend kann ein Versuchsaufbau mit einer Referenzelektrode genutzt werden, um die Grenzfunktion zu ermitteln.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Ermittlungseinrichtung sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt. Insbesondere können somit Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale formuliert sein und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 in einer schematischen Ansicht ein Blockdiagramm einer Lithium-Ionen-Zelle, welches ein Verhalten eines Anodenpotentials und eine differenzielle Impedanz der Lithium-Ionen-Zelle als Reaktion auf eine äußere Belastung zeigt,
2 ein schematisches Ladungs-Anschlussspannungs-Diagramm, welches einen Graphen einer Grenzfunktion zeigt, durch den einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung zugeordnet wird, wobei das Anodenpotential gegenüber Lithium als Referenz größer als null ist, wenn die Anschlussspannung kleiner als die Grenzspannung ist,
3 ein schematisches Ladungs-Strom/Spannungs-Diagramm, welches ein Verhalten der Lithium-Ionen-Zelle gemäß der vorhergehenden Figuren bei einer Regelung auf die Grenzspannung gemäß 2 zeigt,
4 ein schematisches Blockdiagramm einer Ermittlungseinrichtung und einer Ladeeinrichtung auf Basis einer Parametrierung gemäß den 1 und 2,
5 eine schematische Darstellung der Ladeinrichtung mit der Ermittlungseinrichtung, die Ladeparameter an die Ladeeinrichtung zum Laden der Lithium-Ionen-Zelle gemäß 1 übermittelt,
6 eine schematische Ladungszustands-Strom-Diagramm, welches ein Regelverhalten auf Basis der DE 10 2016 007 479 A1 gegenüber der Erfindung zeigt,
7 ein schematisches Ladungszustands-Anschlussspannungs-Diagramm, welches ein Regelungsverhalten unter Nutzung der Grenzfunktion gemäß 2 zeigt,
8 ein schematisches Ladungszustands-Potential-Diagramm, welches das Anodenpotential der Lithium-Ionen-Zelle gemäß 1 unter den Regelungsbedingungen gemäß 7 zeigt, und
9 eine schematische Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs mit einer Ladeeinrichtung sowie einer Ermittlungseinrichtung gemäß 5.

1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Lithium-Ionen-Zelle 1 als lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher. Mit 3 ist das Beaufschlagen der Lithium-Ionen-Zelle 1 mit einem Ladestrom gezeigt. Die Lithium-Ionen-Zelle 1 hat ferner eine Temperatur 4 sowie einen Anfangsladungszustand 2 als Zustandsparameter. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Anodenpotential der Lithium-Ionen-Zelle 1. Mit dem Bezugszeichen 6 ist eine ladungsänderungsabhängige Spannungsänderung bezeichnet, auch differentieller Widerstand beziehungsweise differenzielle Impedanz genannt. Die Größen gemäß der Bezugszeichen 5 und 6 ergeben sich aufgrund der Größen 2 bis 4.
2 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Ladungszustands-Anschlussspannungs-Diagramm, bei dem eine Abszisse einem Ladungszustand der Lithium-Ionen-Zelle 1 und eine Ordinate einer Anschlussspannung 9 der Lithium-Ionen-Zelle 1 zugeordnet sind. Die Anschlussspannung 9 ist eine elektrische Potentialdifferenz zwischen nicht weiter dargestellten Zellenanschlüssen der Lithium-Ionen-Zelle 1, die mit jeweiligen Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle 1 elektrisch verbunden sind. Die negative Elektrode weist vorliegend Graphit als Elektrodenwerkstoff auf.
Ein Graph 8 im Diagramm gemäß 2 zeigt eine Grenzspannung, die als Ergebnis einer Grenzfunktion 7 ermittelt worden ist. Die Grenzfunktion 7 ist abhängig von den Größen gemäß der Bezugszeichen 2 bis 4 im vorliegenden Fall für die Lithium-Ionen-Zelle 1 gemäß 1 ermittelt worden. Je nach Bedarf können jedoch auch weitere Zustandsparameter der Lithium-Ionen-Zelle 1 Berücksichtigung finden, beispielsweise ein Druck oder dergleichen. Solange die Anschlussspannung 9 kleiner als die Grenzspannung 8 ist, kann ein „Lithium-Plating“ bei einem Aufladevorgang weitgehend vermieden werden. Sobald die Anschlussspannung 9 gleich der Grenzspannung 8 oder sogar größer ist, ist das Anodenpotential 5 kleiner oder gleich einem vorgegebenem Potentialwert gegenüber Lithium, vorzugsweise größer 0 V gegenüber Lithium. Hier muss dann mit einem „Lithium Plating“ gerechnet werden.
3 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung ein Ladungszustands-Ladestrom-/Anschlussspannungs-Diagramm der Lithium-Ionen-Zelle 1 gemäß 1. Ein Graph zeigt den Ladestrom 3, wohingegen ein weiterer Graph die Anschlussspannung 9 darstellt. Mit 7 ist die Grenzspannung gemäß 2 dargestellt. Q1 zeigt einen Ladungszustand der Lithium-Ionen-Zelle 1, bei dem von einer ersten Ladephase mit einem konstanten Ladestrom auf ein geregeltes Ladeverfahren umgeschaltet wird, bei dem die Anschlussspannung 9 kleiner oder höchstens gleich der Grenzspannung 7 ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Lithium-Ionen-Zelle 1 mit einem maximal möglichen Ladestrom geladen werden kann, ohne dass das Anodenpotential zu 0 V oder kleiner als 0 V gegenüber Lithium wird. Dadurch kann das unerwünschte „Lithium-Plating“ weitgehend vermieden werden.
4 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein Gesamtsystem mit einer Ermittlungseinrichtung 10 sowie einer Ladeeinrichtung 11, die kommunikationstechnisch mit der Ermittlungseinrichtung 10 gekoppelt ist. Die Ermittlungseinrichtung 10 stellt Steuerparameter 16 zur Verfügung, mit denen ein Sollwertgeber 15 der Ladeeinrichtung 11 eingestellt wird. Darüber hinaus ist der Sollwertgeber 15 an nicht weiter dargestellte Sensoren angeschlossen, mittels denen der Ladestrom 3, die Temperatur 2 sowie ein Ausgangsladungszustand 4 erfasst werden kann.
Der Ausgangsladungszustand 4 ist ein Initialladungszustand der Lithium-Ionen-Zelle 1, der für eine Inbetriebnahme der Verfahrensführung zugrunde gelegt beziehungsweise ermittelt wurde. Der Sollwertgeber 15 liefert ein Sollwertsignal 23, das auf eine Vergleichseinheit 14 gegeben wird. Das Sollwertsignal 23 gibt eine Zielspannung für die Anschlussspannung 9 vor. Mittels einer Sensoreinrichtung 12 wird die aktuelle Anschlussspannung 9 an den Anschlüssen der Lithium-Ionen-Zelle 1 erfasst und ein entsprechendes Anschlussspannungssignal 25 auf die Vergleichseinheit 14 gegeben. Die Vergleichseinheit 14 vergleicht das Anschlussspannungssignal 25 als Ist-Wert mit dem Sollwertsignal 23 und liefert ein Differenzwertsignal 24 an einen Ladestromsteller 13 als Steuereinrichtung. Der Ladestromsteller 13 stellt dann den Ladestrom 3 entsprechend ein und führt diesen Ladestrom 3 der Lithium-Ionen-Zelle 1 über deren Anschlüsse zu.
Die Zustandsparameter Temperatur 2 und Anfangsladungszustand 4 werden mittels nicht dargestellter Sensoren erfasst und an die Ladeeinrichtung 11 übermittelt. Diese berücksichtigt diese Zustandsparameter beim Ermitteln des Sollwertsignals 23. Damit kann die Ladeeinrichtung 11 einen Aufladevorgang der Lithium-Ionen-Zelle 1 mit großer Ladeleistung bei Vermeidung von „Lithium-Plating“ durchführen. Die Ladeeinrichtung 11 braucht hierfür nicht mit der Ermittlungseinrichtung 10 in Verbindung zu stehen. Jedoch kann vorgesehen sein, dass die Ladeeinrichtung 11 die Steuerparameter 16 von der Ermittlungseinrichtung 10 abruft, beispielsweise über eine geeignete Kommunikationsverbindung wie dem Internet oder dergleichen. Die Kommunikationsverbindung braucht jedoch nur für die Zeit der Übertragung der Steuerparameter 16 zu bestehen. Die Steuerparameter 16 erlauben es der Ladeeinrichtung 11, die Grenzfunktion 7 zu ermitteln.
Die Ermittlungseinrichtung 10 kann separat von der Ladeeinrichtung 11 angeordnet sein, beispielsweise in einer Zentrale oder dergleichen. Mittels der Ermittlungseinrichtung 10 können die Steuerparameter 16 ermittelt werden. Dies kann zum Beispiel bei einer Konstruktion der Lithium-Ionen-Zelle 1 oder auch bei deren Herstellung erfolgen.
Die Ermittlungseinrichtung 10 ermittelt aus den anhand von 1 bereits erläuterten Zustandsparametern 2 bis 4 eine ladungszustandsänderungsabhängige Spannungsänderung und ermittelt dann daraus die Steuerparameter 16, die dem Sollwertgeber 15 zugeführt werden. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dies initial durchgeführt wird, beispielsweise bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Zelle 1. Die auf diese Weise ermittelten Steuerparameter 16 können dann zum Beispiel in einer Speichereinheit des Sollwertgebers 15 gespeichert werden, sodass die Steuerparameter 16 beim Aufladen der Lithium-Ionen-Zelle 1 regelmäßig zur Verfügung stehen. Dem Grunde nach kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ermittlungseinrichtung 10 von der Ladeeinrichtung 11 umfasst ist und die Steuerparameter 16 regelmäßig, beispielsweise kontinuierlich oder in vorgebbaren Zeitabständen oder zu vorgebbaren Ereignissen neu ermittelt werden. Zum Zwecke des Ermittelns der Steuerparameter 16 nutzt die Ermittlungseinrichtung 10 einen Newman-P2D-Ansatz gemäß einem Modell 26 unter der Randbedingung, dass das Anodenpotential gleich 0 V gegenüber Lithium ist.
5 zeigt in einer weiteren schematischen Blockdarstellung die Ermittlungseinrichtung 10, die einen Block 16 zur Parametrierung beziehungsweise Bereitstellung der Steuerparameter 16 umfasst. Ferner weist die Ermittlungseinrichtung 10 das Modell 26 auf, welches auf dem Newman-P2D-Ansatz basiert. Dieses Modell 26 nutzt als weitere Randbedingung, dass das Anodenpotential der Lithium-Ionen-Zelle 10V gegenüber Lithium beträgt. Hieraus ergibt sich ein Parameterfeld, welches an den Block 16 übergeben wird, sodass die Ermittlungseinrichtung 10 hierauf basierend die Steuerparameter 16 ermitteln kann. Die Steuerparameter 16 betreffen insbesondere die Grenzfunktion 7, die dazu dient, die Grenzspannung 8 zu ermitteln, sowie dies anhand von 2 dargestellt ist.
Die 1 bis 5 zeigen ein konkretes Ausführungsbeispiel für ein impedanzbasiertes Ladeverfahren für eine Lithium-Ionen-Zelle 1, bei der eine momentane maximal zulässige differenzielle Impedanzinformation als Änderung der Anschlussspannung 9 gegenüber einem Ladungseintrag, und zwar die Grenzfunktion 7, ermittelt wird. Hierzu wird die aktuell verwendete Lithium-Ionen-Zelle 1 vorzugsweise zunächst im Hinblick auf ihr Impedanzverhalten analysiert. Dieser Arbeitsschritt kann bereits während der Entwicklung der Lithium-Ionen-Zelle 1 durchgeführt werden. Die Lithium-Ionen-Zelle 1 wird hierbei mithilfe eines elektrochemischen Situationsmodells untersucht, beispielsweise dem Newman-P2D-Ansatz, wie zuvor erläutert.
Das verwendete Modell 26 ist vorzugsweise im Vorfeld parametrisiert und validiert worden. Das heißt, das Modell 26 wird an die aktuell betrachtete Lithium-Ionen-Zelle 1 angepasst und die Anpassung wird mittels geeigneter Messungen überprüft beziehungsweise abgeglichen.
Sobald das Modell 26 hinreichend genaue Ergebnisse liefert, erfolgt vorzugsweise die Untersuchung der verwendeten Lithium-Ionen-Zelle 1. Hierzu wird insbesondere eine Impedanzantwort der Lithium-Ionen-Zelle 1 in bestimmten Beanspruchungsfällen analysiert. Die Beanspruchungsfälle können jedoch vom Anwender beziehungsweise Konstrukteur auch frei gestaltet werden. Allerdings sollten die Simulationen insbesondere ein erreichtes Verhalten in Bezug auf das Anodenpotential abbilden. Die Auswertung der Impedanzantwort in den vorgegebenen Beanspruchungsfällen ermöglicht es dann, die für eine Korrelation mit dem Verhalten in Bezug auf das Anodenpotential notwendigen Informationen zu erhalten. Daraus ergibt sich eine charakteristische Anschlussspannungsinformation, die abhängig vom Ladungseintrag in der Ermittlungseinrichtung 10 als Steuerdaten 16 hinterlegt beziehungsweise gespeichert wird. Dies kann als Applikation beziehungsweise Parametrisierung bezeichnet werden.
Der vorbeschriebene Applikationsprozess inklusive der Parametrierung und Validierung des elektrochemischen Modells 26 braucht kein Teil der eigentlichen Ladefunktion im bestimmungsgemäßen Betrieb der Lithium-Ionen-Zelle 1 zu sein. Dies braucht lediglich der Übertragung der hier beschriebenen Korrelation zwischen differenzieller Impedanz und dem Anodenpotential in ein Batteriemanagementsystem zu dienen, welches von einer Ladeeinrichtung 11 umfasst sein kann oder welches die Ladeeinrichtung 11 umfassen kann. Daher braucht der Applikationsprozess lediglich ein einziges Mal bei der Entwicklung der Lithium-Ionen-Zelle 1 durchgeführt werden.
Die auf diese Weise in einem Batteriemanagementsystem beziehungsweise der Ladeeinrichtung 11 gespeicherte Impedanzinformation kann dann zum Ermitteln der maximal zulässigen Anschlussspannung 9 beziehungsweise Grenzspannung 8 genutzt werden. Die Spannungsinformation kann mithilfe von Eingangsgrößen in Bezug auf die eingebrachte Menge an elektrischer Ladung in die Lithium-Ionen-Zelle 1 und in Bezug auf einen initialen Ladungszustand 4 ermittelt werden. Dies kann mittels einer nicht dargestellten Rechnereinheit erfolgen, die entsprechend programmiert ist. Es kann eine Korrektur der ermittelten maximal zulässigen Anschlussspannung 9 beziehungsweise der Grenzspannung 8 abhängig von der Temperatur 4 erfolgen. Der hieraus resultierende Spannungswert kann an den Ladestromsteller 13 übermittelt werden und kann hier als Führungsgröße dienen. Dies ist auch in 4 dargestellt.
Die 6 bis 8 zeigen die Wirkung des erfindungsmäßen Verfahrens gegenüber einem Stand der Technik gemäß der DE 10 2016 007 479 A1 . 6 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung mit einem gestrichelten Graphen 20 eine Abhängigkeit eines Aufladevorgangs gemäß der DE 10 2016 007 479 A1 , bei der die Ordinate dem Ladestrom 3 und die Abszisse einem relativen Ladungszustand der Lithium-Ionen-Zelle 1 zugeordnet sind. In einem Bereich 18 ist ein Ladeeinbruch bei 19 aufgetreten, der zum Beispiel aufgrund einer Störung der Ladeeinrichtung 11 oder einer Energieversorgung auftreten kann. Zu erkennen ist, dass bei dieser Lehre die Kennlinie gemäß dem Graphen 20 im Bereich 18 nicht als Führungsgröße genutzt werden kann. Daraus folgt, dass bei diesem Verfahren zumindest im Bereich 18 das unerwünschte „Lithium-Plating“ kaum verhindert werden kann. Mit einer durchgezogenen Linie ist dagegen Wunsch-Verlauf dargestellt, der mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensführung realisiert werden kann.
7 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammstellung mit einem Graphen 21 einen Spannungsverlauf, wobei eine Ordinate der Anschlussspannung 9 und eine Abszisse wieder dem Ladungsstand der Lithium-Ionen-Zelle 1 zugeordnet ist. Die Abszisse entspricht der gemäß 6. In 7 ist ebenfalls der Bereich 18 wie in 6 dargestellt. Zu erkennen ist, dass der Ladeeinbruch nicht zu einem Zusammenbruch der Regelung führt. Die Abhängigkeit der ladungsänderungsbezogenen Spannungsänderung liefert weiterhin eine zuverlässige Information für eine Regelung des Anodenpotentials.
Dies zeigt eine weitere schematische Diagrammdarstellung gemäß 8, bei der die Ordinate dem Anodenpotential der Lithium-Ionen-Zelle 1 gemäß 7 zugeordnet ist. Mit einem Graphen 22 ist das Anodenpotential dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Anodenpotential trotz des Ladeeinbruchs im Bereich 18 im Wesentlichen immer größer als null Volt gegenüber Lithium ist. Daher kann auch in diesem Bereich das unerwünschte „Lithium-Plating“ weitergehend verhindert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren ist es also möglich, sogar unter ungünstigen Betriebsbedingungen das „Lithium-Plating“ weitgehend zu vermeiden, wenn nicht sogar vollständig zu verhindern. Zugleich kann eine hohe Ladeleistung auch im Anschluss an eine Ladephase mit konstantem Ladestrom erreicht werden, wobei auch hier das unerwünschte „Lithium-Plating“ nahezu vollständig vermieden werden kann. Dadurch eignet sich die Erfindung ganz besonders auch für einen Schnellladevorgang bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug 40.
9 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung das Kraftfahrzeug 40 mit einer Fahrzeugbatterie 41 und einem nicht dargestellten Wechselspannungsnetz elektrisch koppelbaren Ladeeinrichtung 39. Die Ladeeinrichtung 39 ist mit einem Ladeanschluss 31 zum elektrischen Koppeln des Wechselspannungsnetzes über eine nicht dargestellte Ladestation verbunden. Von dem Wechselspannungsnetz zugeführte elektrische Energie kann mittels eines Wechselrichters 42 gewandelt und der Fahrzeugbatterie 41 zugeführt werden. Bei dem Kraftfahrzeug 40 handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug nach Art eines Elektrofahrzeugs.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

1: Lithium-Ionen-Zelle
2: Ausgangsladungszustand
3: Ladestrom
4: Temperatur
5: Anodenpotential
6: Anschlussspannungsänderung
7: Grenzfunktion
8: Grenzspannung
9: Anschlussspannung
10: Ermittlungseinrichtung
11: Ladeeinrichtung
12: Sensoreinrichtung
13: Ladestromsteller
14: Vergleichseinheit
15: Sollwertgeber
16: Steuerparameter
17: Temperaturkorrektur
18: Bereich
19: Ladeeinbruch
20: Graph
21: Graph
22: Graph
23: Sollwertsignal
24: Differenzwertsignal
25: Anschlussspannungssignal
26: Modell
31: Ladeanschluss
39: Ladeeinrichtung
40: Kraftfahrzeug
41: Fahrzeugbatterie
42: Wechselrichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016007479 A1 [0009, 0021, 0042, 0058]

Claims

Verfahren zum Bestimmen von mindestens einem Steuerparameter für eine Ladeeinrichtung (11) zum Zuführen von elektrischer Ladung zu einem lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher (1), zu welchem Zweck der elektrische Energiespeicher (1) abhängig von mindestens einem Zustandsparameter (2, 4) des elektrischen Energiespeichers (1) mit einem elektrischen Ladestrom (3) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters eine Grenzfunktion (7), durch die einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung (8) zugeordnet wird, derart ermittelt wird, dass ein Anodenpotential (5) größer als ein vorgegebener Anodenpotentialwert ist, wenn eine Anschlussspannung (9) kleiner als die Grenzspannung (8) ist, wobei der vorgegebene Anodenpotentialwert größer als null Volt gegenüber einer Li/Li⁺-Bezugselektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfunktion (7) zumindest abhängig von einem Ladungszustand (2) oder einer Temperatur (4) des elektrischen Energiespeichers (1) als der mindestens eine Zustandsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfunktion (7) unter Berücksichtigung von einer ladungszustandsänderungsabhängigen Anschlussspannungsänderung (6) als der mindestens eine Zustandsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (3) erfasst wird und eine momentane Ladungszustandsänderung abhängig vom erfassten Ladestrom (3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussspannung (9) erfasst und eine momentane Anschlussspannungsänderung (6) abhängig von der erfassten Anschlussspannung (9) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Aufladen des elektrischen Energiespeichers (1) mit einem konstanten Ladestrom (3) oder mit einer konstanten Anschlussspannung (9) durchgeführt wird und während des Aufladens das Anodenpotential ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfunktion (7) individuell für den elektrischen Energiespeicher (1) ermittelt und diesem zugeordnet gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfunktion (7) unter inverser Nutzung eines Newman-P2D-Ansatzes ermittelt wird.
Ermittlungseinrichtung (10) zum Bestimmen von mindestens einem Steuerparameter für eine Ladeeinrichtung (11) zum Zuführen von elektrischer Ladung zu einem lithiumbasierten elektrischen Energiespeicher (1), wobei die Ermittlungseinrichtung (10) ausgebildet ist, den mindestens einen Steuerparameter für die Ladeeinrichtung (11) derart zu bestimmen, dass der elektrische Energiespeicher (1) durch die Ladeeinrichtung abhängig von dem mindestens einen Steuerparameter (2, 4) mit einem elektrischen Ladestrom (3) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinrichtung (10) zum Bestimmen des mindestens einen Steuerparameters ferner ausgebildet ist, eine Grenzfunktion (7), durch die einer zugeführten elektrischen Ladungsmenge eine elektrische Grenzspannung (8) zugeordnet wird, derart zu ermitteln, dass ein Anodenpotential (5) größer als ein vorgegebener Anodenpotentialwert ist, wenn eine Anschlussspannung (9) kleiner als die Grenzspannung (8) ist, wobei der vorgegebene Anodenpotentialwert größer als null Volt gegenüber einer Li/Li+-Bezugselektrode ist.
Kraftfahrzeug (40) mit einem elektrischen Energiespeicher (41) und einer an elektrischen Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers (41) angeschlossenen mittels einer Steuereinrichtung (13) steuerbaren Ladeeinrichtung (11) zum Zuführen eines elektrischen Ladestroms (3) abhängig von mindestens einem Steuerparameter, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, mit einer Ermittlungseinrichtung (10) gemäß Anspruch 9 gekoppelt zu werden, um den mindestens einen Steuerparameter von der Ermittlungseinrichtung (10) an die Steuereinrichtung (13) zu übermitteln.