DE102021203390B3 - Method for voltage-controlled operation of a battery system during charging - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems (4) während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (6), wobei ein die Batteriezelle (6) schädigender Prozess anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (14) charakterisiert ist, wobei die Referenzkurve (14) eine Ladungszustand-Zellspannungs-Kennlinie ist, bei welchem eine Zellspannung (UZ) der Batteriezelle (6) erfasst wird, bei welchem ein Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (6) bestimmt wird, bei welchem ein Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, bei welchem die Zellspannung (UZ) und der Ladezustand (SOC) mit der hinterlegten Referenzkurve (14) verglichen werden, bei welchem anhand des Vergleichs ein maximaler Ladestrom (IL) für den Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, und bei welchem der Ladestrom (IL) durch Steuerung und/oder Regelung der Zellspannung (UZ) eingestellt wird.The invention relates to a method for voltage-controlled operation of a battery system (4) during a charging process, having at least one electrochemical battery cell (6), a process damaging the battery cell (6) being characterized using at least one stored reference curve (14), the reference curve ( 14) is a state of charge/cell voltage characteristic, in which a cell voltage (UZ) of the battery cell (6) is detected, in which a state of charge (SOC) of the battery cell (6) is determined, in which an aging state of the battery cell (6) is determined at which the cell voltage (UZ) and the state of charge (SOC) are compared with the stored reference curve (14), at which a maximum charging current (IL) for the aging state of the battery cell (6) is determined on the basis of the comparison, and at which the charging current (IL) is set by controlling and/or regulating the cell voltage (UZ).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle.The invention relates to a method for voltage-controlled operation of a battery system during a charging process, having at least one electrochemical battery cell.

Unter einem Ladevorgang ist hier und im Folgenden insbesondere ein Aufladen oder Entladen des Batteriesystems beziehungsweise der Batteriezelle mittels eines elektrischen Ladestroms (Aufladestrom, Entladestrom) zu verstehen. Bei einem Aufladevorgang wird der Batteriezelle elektrische Energie mittels des (Auf-)Ladestroms zugeführt, wobei bei einem Entladevorgang entsprechend elektrische Energie mittels des (Ent-)Ladestroms aus der Batteriezelle abgeführt wird.A charging process is to be understood here and in the following in particular as charging or discharging the battery system or the battery cell by means of an electrical charging current (charging current, discharging current). During a charging process, electrical energy is supplied to the battery cell by means of the (charging) charging current, with electrical energy correspondingly being discharged from the battery cell by means of the (discharging) charging current during a discharging process.

Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.Motor vehicles that are driven or can be driven electrically or by an electric motor, such as electric or hybrid vehicles, generally include an electric motor with which one or both vehicle axles can be driven. To supply electrical energy, the electric motor is usually connected to a vehicle-internal (high-voltage) battery as an electrical energy store.

Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.A battery, in particular an electrochemical battery, is to be understood here and in the following in particular as a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle. In such a (secondary) vehicle battery, chemical energy that has been consumed can be restored by means of an electrical (charging) charging process. Such vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators.

Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul (Batteriezellmodul) auf, bei welchem mehrere einzelne elektrochemische Batteriezellen modular verschaltet sind. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen direkt zu der Fahrzeugbatterie zusammengeschaltet, insbesondere parallelgeschaltet, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden.In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such vehicle batteries typically have at least one battery module (battery cell module) in which a plurality of individual electrochemical battery cells are connected in a modular manner. Alternatively, a so-called Cell2Pack design is possible, in which the battery cells are connected directly to the vehicle battery, in particular connected in parallel, and are not combined into modules in advance.

Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen können je nach (Batteriezellen-)Temperatur, Bestromungsdauer und Ladezustand lediglich einen bestimmten Ladestrom aufnehmen, ohne Schaden zu nehmen. Dieser Grenzstrom ändert sich mit dem Alterungszustand der Batteriezelle. Weiterhin ergibt sich die Schwierigkeit, dass in einem Batteriesystem mehrere Batteriezellen in Serie oder parallelgeschaltet sein können, welche unterschiedliche Temperaturen und/oder Alterungszustände aufweisen.Depending on the (battery cell) temperature, duration of current supply and state of charge, battery cells, in particular lithium-ion cells, can only absorb a certain charging current without being damaged. This limit current changes with the aging of the battery cell. Furthermore, there is the problem that in a battery system, several battery cells can be connected in series or in parallel, which have different temperatures and/or aging states.

Es ist daher notwendig zu jedem Zeitpunkt den Lade- und Alterungszustand aller Batteriezellen im System der Batterie, sowie die kälteste und wärmste Stelle zu kennen. Daher ist es auch notwendig, dass Temperaturgradienten innerhalb einer Batteriezelle bekannt sein müssen, um tatsächlich den kältesten und wärmsten Punkt im gesamten Batteriesystem zu kennen. Diese beiden Punkte bestimmen zusammen mit dem Lade- und Alterungszustand einer jeden Batteriezelle den zu jedem Zeitpunkt maximal möglichen Ladestrom. Da eine ausrelaxierte Batteriezelle kurzfristig einen höheren Strom als den maximal möglichen Dauerstrom aufnehmen kann, muss zudem die zeitliche Reaktion der Batteriezelle auf den Ladestrom bekannt sein. Unter „relaxiert“ oder „ausrelaxiert“ ist hierbei insbesondere ein beständiger Zustand der Batteriezelle zu verstehen, welcher nach dem Beenden eines Lade- oder Entladestroms erreicht wird.It is therefore necessary to know the state of charge and aging of all battery cells in the battery system at all times, as well as the coldest and warmest spots. It is therefore also necessary that temperature gradients within a battery cell must be known in order to actually know the coldest and warmest point in the entire battery system. Together with the charging and aging status of each battery cell, these two points determine the maximum possible charging current at any time. Since a relaxed battery cell can briefly absorb a higher current than the maximum possible continuous current, the time reaction of the battery cell to the charging current must also be known. “Relaxed” or “relaxed to completion” is to be understood here in particular as a constant state of the battery cell, which is reached after a charging or discharging current has ended.

Ein Alterungs- oder Schädigungsprozess in Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Flüssigelektrolyten ist beispielsweise das sogenannte Lithium-Plating (Li-Plating), bei welchem sich metallisches Lithium auf der Oberfläche der Anode ablagert und irreversibel mit den Bestandteilen des Elektrolyten reagiert. In der Folge kommt es beispielsweise zu einem Kapazitätsverlust der Batteriezelle aufgrund der Verringerung von freien Lithium-Ionen. Des Weiteren kann dadurch ein elektrischer Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle auftreten, wodurch die Batteriezelle bei einem Ladevorgang in Brand geraten kann. Li-Plating tritt auf, wenn das elektrische Potential des Anodenmaterials und dem Elektrolyten unter das Potential von Lithium fällt. Bei dem Ladevorgang treten Überspannungen auf, welche das Potential der Anode reduzieren. Die Überspannung setzt sich hierbei aus einem Separator-/Elektrolytanteil und einem Kathodenanteil sowie einen Anodenanteil zusammen, wobei der Anodenanteil der kritische Anteil hinsichtlich des Li-Platings ist. Bei hohen Ladeströmen sinkt das Anodenpotential unter das Lithiumpotential (0 Volt vs. Li/Li+), wodurch es zur Abscheidung von Lithium-Ionen auf der Anodenoberfläche kommt.An example of an aging or damage process in lithium-ion battery cells with liquid electrolytes is so-called lithium plating (Li-plating), in which metallic lithium is deposited on the surface of the anode and reacts irreversibly with the components of the electrolyte. As a result, for example, there is a loss of capacity in the battery cell due to the reduction in free lithium ions. Furthermore, this can cause an electrical short circuit within the battery cell, as a result of which the battery cell can catch fire during a charging process. Li plating occurs when the electrical potential of the anode material and the electrolyte falls below the potential of lithium. Overvoltages occur during the charging process, which reduce the potential of the anode. The overvoltage is made up of a separator/electrolyte component and a cathode component as well as an anode component, with the anode component being the critical component with regard to Li plating. At high charging currents, the anode potential falls below the lithium potential (0 volt vs. Li/Li + ), which leads to the deposition of lithium ions on the anode surface.

Durch Messen einer Dicke der Batteriezelle beziehungsweise einer Kraft auf eine Verspanneinrichtung mehrerer Batteriezellen kann der Einsetzpunkt von Li-Plating bestimmt werden. Alternativ ist beispielsweise eine Messung durch hochgenaue Coulometrie (High Precision Coulombmetry) zur Bestimmung des Einsetzpunktes von Li-Plating möglich.The starting point of Li-plating can be determined by measuring a thickness of the battery cell or a force on a bracing device of several battery cells. Alternatively, for example, a measurement by high-precision coulometry (high precision coulombmetry) is possible to determine the starting point of Li-plating.

Bei Lithium-Ionen-Zellen lässt sich der maximal mögliche Ladestrom beispielsweise mit Hilfe von 3-Elektrodenzellen bestimmen, indem auf das Potential der Anode unter Last geregelt wird. Dies ist nur in einer 3-Elektrodenzelle mit einer Referenzelektrode möglich. Eine Reduktion der Ladestromkennfelder proportional zu Abnahme der Kapazität beziehungsweise zum Anstieg des Innenwiderstands der Batteriezelle im Verlauf der Alterung erfolgt dann im Batteriesystem. Dies ist beispielsweise in dem Artikel SIEG, Johannes [u.a.]: Fast charging of an electric vehicle lithium-ion battery at the limit of the lithium deposition process. In: Journal of Power Sources, Vol. 427, 2019, S. 260-270 und der DE 10 2016 007 479 A1 beschrieben. Diese Methode weist jedoch die Limitierung auf, dass für jede Batteriezelle im System die minimale und maximale Temperatur in der Batteriezelle bekannt sein muss, damit der maximal erlaubte Ladestrom aus dem Kennfeld ausgewählt werden kann. Weiterhin muss der Alterungszustand, vor allem der aktuelle Innenwiderstand, jeder Batteriezelle im Batteriesystem bekannt sein, da bei dem dort beschriebenen Vorgehen die am meisten gealterte Batteriezelle den Strom bestimmt. Weiterhin ist es für Batteriesysteme als Fahrzeugbatterien notwendig, aus der industriell gefertigten Batteriezelle experimentelle Laborzellen mit Referenzelektrode zu bauen.With lithium-ion cells, the maximum possible charging current can be determined with the help of 3-electrode cells, for example, by clicking on the Potential of the anode is regulated under load. This is only possible in a 3-electrode cell with a reference electrode. A reduction in the charging current characteristics in proportion to the decrease in capacity or the increase in the internal resistance of the battery cell over the course of aging then takes place in the battery system. This is for example in the article SIEG, Johannes [ua]: Fast charging of an electric vehicle lithium-ion battery at the limit of the lithium deposition process. In: Journal of Power Sources, Vol. 427, 2019, pp. 260-270 and the DE 10 2016 007 479 A1 described. However, this method has the limitation that the minimum and maximum temperature in the battery cell must be known for each battery cell in the system so that the maximum permitted charging current can be selected from the map. Furthermore, the state of aging, especially the current internal resistance, of each battery cell in the battery system must be known, since the procedure described there determines the current from the most aged battery cell. Furthermore, it is necessary for battery systems as vehicle batteries to build experimental laboratory cells with reference electrodes from the industrially manufactured battery cells.

Weiterhin ist es beispielsweise aus der DE 10 2019 003 465 A1 bekannt, dass mittels der 3-Elektrodenzellen der maximale Pulsstrom für jeden Ladezustand für eine ausrelaxierte Zelle bestimmt werden kann. Diese Methode weist jedoch ähnliche Herausforderungen wie die vorstehend beschriebene Methode auf. Hinzu kommt, dass eine große Menge an Kennfeldern bestimmt und im System gespeichert werden muss.Furthermore, it is, for example, from the DE 10 2019 003 465 A1 It is known that the maximum pulsed current for each state of charge can be determined for a relaxed cell using the 3-electrode cells. However, this method presents similar challenges as the method described above. In addition, a large number of maps must be determined and stored in the system.

Allgemein gilt, wenn explizite Ladestromkennfelder im System hinterlegt werden, ist es notwendig die maximale und minimale Temperatur im System genau zu bestimmen und die Vielzahl von hinterlegten Kennfeldern fehlerfrei anzuwenden. Ein stabiler und sicherer Betrieb muss hierbei durch aufwendige Programmierung und umfassende Tests abgesichert werden.In general, if explicit charging current maps are stored in the system, it is necessary to determine the maximum and minimum temperature in the system precisely and to use the large number of stored maps without errors. Stable and safe operation must be secured through complex programming and comprehensive tests.

Weiterhin ist es beispielsweise möglich, dass Ladestromkennfelder in Abhängigkeit von Temperatur, Ladezustand und Pulsdauer durch wiederholte Anwendung auf die Batterie auf ihre Schädlichkeit geprüft und später dem System entsprechend vorgegeben werden.Furthermore, it is possible, for example, for charging current characteristic diagrams to be checked for their harmfulness as a function of temperature, state of charge and pulse duration by repeated application to the battery and later specified accordingly for the system.

Aus der US 2011 / 0 012 563 A1 ist ein Batteriezellenladegerät zum schnellen Laden einer Lithium-lonen-Batteriezelle (oder einer Reihe von seriell-parallel geschalteten Zellen) mit einer maximalen Batteriezellenspannung bekannt, wobei das Batteriezellenladesystem umfasst: eine Schaltung zum Laden der Batteriezelle unter Verwendung eines einstellbaren Spannungsladeprofils zum Anlegen einer Ladespannung und eines Ladestroms an die Batteriezelle, wobei das Ladeprofil mit einstellbarer Spannung umfasst: eine erste Ladestufe mit einem konstanten Ladestrom der ersten Stufe und eine ansteigende Batteriezellenspannung, wobei der Ladestrom der ersten Stufe bis zum Laden der ersten Stufe bereitgestellt wird und die Spannung etwa gleich zu einer Vollendungsspannung der ersten Stufe ist, die kleiner als die maximale Batteriezellenspannung ist; eine oder mehrere Zwischenladestufen, wobei jede Zwischenstufe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Zwischenstufe mit konstanter Spannung, die einen abnehmenden Ladestrom bereitstellt, einer Zwischenstufe mit konstantem Strom, die eine ansteigende Batteriezellenspannung erzeugt, und Kombinationen davon; und eine Endladestufe mit einer konstanten Endstufen-Ladespannung, die etwa gleich einer Zwischenstufen-Vollständigkeitsspannung ist, und einem abnehmenden Endstufen-Ladestrom, wobei die Endstufen-Ladespannung bereitgestellt wird, bis der Endstufen-Ladestrom einen gewünschten Lade-Vollständigkeitspegel erreicht.From the U.S. 2011/0 012 563 A1 a battery cell charger is known for rapidly charging a lithium-ion battery cell (or a series of cells connected in series-parallel) with a maximum battery cell voltage, the battery cell charging system comprising: a circuit for charging the battery cell using an adjustable voltage charging profile for applying a charging voltage and a charging current to the battery cell, wherein the adjustable voltage charging profile comprises: a first charging stage with a constant first stage charging current and an increasing battery cell voltage, wherein the first stage charging current is provided up to the first stage charging and the voltage is approximately equal to a first stage completion voltage which is less than the maximum battery cell voltage; one or more intermediate charge stages, each intermediate stage selected from the group consisting of a constant voltage intermediate stage providing a decreasing charge current, a constant current intermediate stage providing an increasing battery cell voltage, and combinations thereof; and a final stage charge having a constant final stage charge voltage approximately equal to an interstage complete voltage and a decreasing final stage charge current, the final stage charge voltage being provided until the final stage charge current reaches a desired full charge level.

Aus der US 2015 / 0 022 160 A1 ist ein System bekann, das die Verwendung einer Batterie in einem tragbaren elektronischen Gerät verwaltet. Während des Betriebs erhält das System eine Spannung der Batterie und einen Ladezustand der Batterie. Als nächstes berechnet das System eine effektive C-Rate der Batterie unter Verwendung der Spannung und des Ladezustands. Schließlich verwendet das System die effektive C-Rate, um einen Ladevorgang für die Batterie zu verwalten.From the U.S. 2015/0 022 160 A1 a system is known that manages the use of a battery in a portable electronic device. During operation, the system obtains a battery voltage and a battery state of charge. Next, the system calculates an effective C-Rate of the battery using the voltage and state of charge. Finally, the system uses the effective C rate to manage a charge for the battery.

Aus der DE 10 2016 007 479 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle mit einer Anode und einer Kathode bekannt, wobei während des Ladevorgangs ein Ladestrom in die Batteriezelle eingespeist wird, wobei zumindest in einer vorbestimmten Ladephase das Anodenpotential der Anode indirekt über den Ladestrom auf einen vorbestimmbaren Wert geregelt wird.From the DE 10 2016 007 479 A1 a device and a method for charging a battery cell with an anode and a cathode are known, with a charging current being fed into the battery cell during the charging process, with the anode potential of the anode being regulated indirectly via the charging current to a predeterminable value at least in a predetermined charging phase .

Aus der DE 10 2015 205 171 A1 ist ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt, dessen Alterungsverhalten durch eine Beschreibung seiner Entladungstiefe modelliert ist, bei der in einem zeitabhängigen Ladezustandsverlauf jedem Zeitraum zwischen zwei benachbarten lokalen Maxima und Minima ein Entladungstiefenwert zugeordnet ist, der dem Lade- oder Entladehub zwischen den Ladezustandswerten der beiden benachbarten lokalen Maxima und Minima entspricht. Der Energiespeicher wird von einem ersten Ladezustand zu einem ersten Zeitpunkt hin zu einem zweiten Ladezustand zu einem zweiten Zeitpunkt überführt, indem innerhalb des zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt gebildeten Zeitraums der Lade- oder Entladevorgang zur Ausbildung von jeweiligen Lade- oder Entladeteilblöcken mit einem jeweiligen Lade- oder Entladehub zumindest einmal unterbrochen wird, wobei ein jeweiliger Lade- oder Entladehub kleiner als der Gesamthub zwischen dem ersten und dem zweiten Ladezustand ist.From the DE 10 2015 205 171 A1 a method for charging or discharging an electrochemical energy store is known, the aging behavior of which is modeled by a description of its depth of discharge, in which, in a time-dependent course of the state of charge, a discharge depth value is assigned to each period between two adjacent local maxima and minima, which corresponds to the charging or discharging stroke between the corresponds to state of charge values of the two adjacent local maxima and minima. The energy store is transferred from a first state of charge at a first point in time to a second state of charge at a second point in time by within the period between the first and the second point in time formed period of time, the charging or discharging process is interrupted at least once to form respective charging or discharging sub-blocks with a respective charging or discharging stroke, with a respective charging or discharging stroke being smaller than the total stroke between the first and the second charging state.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriesystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for operating a battery system. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable battery system for carrying out the method.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriesystems mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.With regard to the method, the object is achieved with the features of claim 1 and with regard to the battery system with the features of claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.

Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für das Batteriesystem insbesondere dadurch, dass dieses ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.Insofar as method steps are described below, advantageous configurations for the battery system result in particular from the fact that it is designed to carry out one or more of these method steps.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines Batteriesystems, insbesondere einer Fahrzeug- oder Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Der Betrieb der Batterie umfasst hierbei sowohl Ruhephasen, in den von außen kein Strom fließt, als auch komplexe Betriebsszenarien, wie zum Beispiel Schnellladen und Rekuperation bei elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen. Die Belastungen der Batterie können hierbei beliebig miteinander kombiniert werden und können eine beliebige zeitliche Abfolge sowie eine beliebige Form haben, wie z.B. Pulse, Stufen, kontinuierlicher Verlauf. Das Verfahren ist hierbei zum spannungsgeführten Betrieb des Batteriesystems während eines Ladevorgangs, also während einer Belastung des Batteriesystems, ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Betrieb des Batteriesystems während des Ladevorgangs Spannungssteuerung und/oder Spannungsregelung erfolgt.The method according to the invention is intended for operating a battery system, in particular a vehicle battery or high-voltage battery (traction battery) of an electrically driven or drivable motor vehicle, for example an electric or hybrid vehicle, and is suitable and designed for this. The operation of the battery includes both idle phases, in which no current flows from the outside, as well as complex operating scenarios, such as fast charging and recuperation in electrically powered or drivable motor vehicles. The loads on the battery can be combined with one another in any way and can have any time sequence and any form, such as pulses, steps, or a continuous course. In this case, the method is designed for voltage-controlled operation of the battery system during a charging process, ie while the battery system is under load. This means that the battery system is operated under voltage control and/or voltage regulation during the charging process.

Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.The conjunction “and/or” is to be understood here and in the following in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.

Das Batteriesystem weist hierbei mindestens eine elektrochemische Batteriezelle auf. Das Batteriesystem kann auch mehrere Batteriezellen aufweisen, wobei die Batteriezellen miteinander elektrisch verschaltet sind (z.B. Reihen- und Parallelschaltung). Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssigelektrolyten als Batteriezellen. Die Ausführungen sind jedoch sinngemäß auch beispielsweise auf Festkörperzellen oder Batteriezellen mit anderer Zellchemie übertragbar.In this case, the battery system has at least one electrochemical battery cell. The battery system can also have several battery cells, the battery cells being electrically connected to one another (e.g. series and parallel connection). The following statements relate in particular to lithium-ion cells with liquid electrolytes as battery cells. However, the explanations can also be transferred to solid-state cells or battery cells with different cell chemistry, for example.

Ein die Batteriezelle schädigender Prozess (Schädigungsprozess) ist hierbei anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (Kennlinie, Trajektorie) charakterisiert. Bei der Referenzkurve handelt es sich um eine Ladungszustands-Zellspannungs-Kennlinie.A process that damages the battery cell (damage process) is characterized using at least one stored reference curve (characteristic curve, trajectory). The reference curve is a state of charge/cell voltage characteristic.

Unter einem schädigenden Prozess ist hierbei insbesondere ein Prozess innerhalb der Batteriezelle zu verstehen, welcher die Zell- oder Elektrolytchemie beeinflusst, und zu reduzierten Zelleigenschaften, wie beispielsweise einer reduzierten Zellkapazität, führt. Insbesondere stellt der schädigende Prozess eine den Ladevorgang limitierenden Faktor dar. Der schädigende Prozess ist beispielsweise ein Alterungsprozess der Batteriezelle. Insbesondere ist unter einem schädigenden Prozess zu verstehen, welcher zu einem sicherheitskritischen Zustand der Batteriezelle führt, wie beispielsweise Lithium-Plating, Überhitzen der Batteriezelle, Zerstörung der Aktivmaterialien durch zu hohe Belastungsgradienten, oder Zersetzung des Elektrolyten. Bei einer Lithium-Ionen-Zelle mit Flüssigelektrolyten ist der für das Verfahren charakterisierte schädigende Prozess insbesondere Li-Plating.A damaging process is to be understood here in particular as a process within the battery cell which affects the cell or electrolyte chemistry and leads to reduced cell properties, such as a reduced cell capacity. In particular, the damaging process represents a factor that limits the charging process. The damaging process is, for example, an aging process in the battery cell. In particular, a damaging process is to be understood that leads to a safety-critical state of the battery cell, such as lithium plating, overheating of the battery cell, destruction of the active materials due to excessive load gradients, or decomposition of the electrolyte. In the case of a lithium-ion cell with liquid electrolytes, the damaging process characterized for the process is in particular Li plating.

Verfahrensgemäß wird während des Ladebetriebs eine Zellspannung der Batteriezelle erfasst und ein Ladezustand der Batteriezelle sowie ein Alterungszustand der Batteriezelle bestimmt. Der Alterungszustand (engl.: State of Health, SOH) der Batteriezelle ist hierbei ein Maß für die in der Batteriezelle bewirkten Alterungsprozesse, also für die schädigenden Prozesse, welche zu einer Änderung der Zelleigenschaften führen, wodurch sich zum Beispiel die maximale Energiespeicherfähigkeit, der Zellinnenwiderstand, die Zellspannung, oder die Zellgeometrie ändert.According to the method, a cell voltage of the battery cell is detected during the charging operation and a state of charge of the battery cell and an aging state of the battery cell are determined. The state of health (SOH) of the battery cell is a measure of the aging processes caused in the battery cell, i.e. of the damaging processes that lead to a change in the cell properties, which, for example, affects the maximum energy storage capacity, the cell internal resistance , the cell voltage, or the cell geometry changes.

Die Werte für die aktuelle Zellspannung und den aktuellen Ladezustand werden mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen. Aus dem Vergleich wird für den jeweiligen Alterungszustand der Batteriezelle ein maximal möglicher Ladestrom bestimmt, für welchen der schädigende Prozess nicht auftritt. Anschließend wird der aktuelle Ladestrom der Batteriezelle durch eine Einstellung der Zellspannung unabhängig von einer Batteriezelltemperatur auf den maximalen Stromwert gesteuert und/oder geregelt. Mit anderen Worten wird verfahrensgemäß durch eine Steuerung und/oder Regelung des Ladestromes zum jeweiligen Alterungszustand der Batteriezelle mittels Vergleich der Zellspannung und des Ladezustandes mit der hinterlegten Referenzkurve ein vorteilhafter und/oder nicht schädigender maximaler Ladestrom einstellt. Dadurch wird der Ladestrom unter Vermeidung des Schädigungsprozesses maximiert.The values for the current cell voltage and the current state of charge are compared with the stored reference curve. From the comparison, a maximum possible charging current for which the damaging process does not occur is determined for the respective aging state of the battery cell. The current charging current of the battery cell is then controlled and/or regulated to the maximum current value by setting the cell voltage independently of a battery cell temperature. In other words, according to the method, by controlling and/or regulating the drawer current to the respective aging condition of the battery cell by comparing the cell voltage and the state of charge with the stored reference curve sets an advantageous and/or non-damaging maximum charging current. This maximizes the charging current while avoiding the damage process.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Bestimmung des maximalen Ladestroms, sofern der schädigende Prozess der limitierende Faktor ist, zu einer von der Temperatur quasi unabhängigen Spannungstrajektorie führt. Insbesondere weist die Zellspannung gegenüber dem Ladezustand der Batteriezelle keine oder lediglich eine geringe Temperaturabhängigkeit auf. Dies bedeutet, dass die Zellspannung gegenüber dem Ladezustand der Batteriezelle einen nahezu konstanten Verlauf für unterschiedliche Batteriezelltemperaturen aufweist. Dadurch ist es möglich den Ladevorgang anhand lediglich einer einzigen Referenzkurve zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist somit keine Temperaturüberwachung jeder einzelnen Batteriezelle im Batteriesystem notwendig. Eine aufwändige Temperaturüberwachung durch direkte Messung oder Modellbildung jeder einzelnen Batteriezelle entfällt somit. Somit ist ein besonders geeignetes Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs realisiert.The invention is based on the finding that the determination of the maximum charging current leads to a voltage trajectory that is quasi-independent of the temperature if the damaging process is the limiting factor. In particular, the cell voltage has little or no temperature dependency on the state of charge of the battery cell. This means that the cell voltage has an almost constant curve for different battery cell temperatures compared to the state of charge of the battery cell. This makes it possible to control and/or regulate the charging process using only a single reference curve. In particular, no temperature monitoring of each individual battery cell in the battery system is necessary. Complex temperature monitoring through direct measurement or modeling of each individual battery cell is therefore no longer necessary. A particularly suitable method for voltage-controlled operation of a battery system during a charging process is thus implemented.

Sofern der Ladezustand jeder Batteriezelle des Batteriesystems während des Ladevorgangs bekannt ist, ist es somit ausreichend die Zellspannung zu messen, um zu bestimmen, welcher Ladestrom gerade maximal möglich ist. Für das Verfahren ist es vorteilhaft, dass bei Batteriesystemen jede Batteriezelle beziehungsweise jede Parallelschaltung von Batteriezellen einzeln spannungsüberwacht werden. Eine genaue Kenntnis der kältesten und wärmsten Punkte im Batteriesystem ist durch Verwendung des Verfahrens nicht mehr notwendig.If the state of charge of each battery cell in the battery system is known during the charging process, it is sufficient to measure the cell voltage in order to determine the maximum charging current that is currently possible. It is advantageous for the method that, in battery systems, the voltage of each battery cell or each battery cell connected in parallel is individually monitored. Exact knowledge of the coldest and warmest points in the battery system is no longer necessary when using the method.

Die Spannungstrajektorie der Referenzkurve gibt hierbei für jeden Ladezustand die maximale Spannung unter Dauerbestromung an. Wird an eine ausrelaxierte Zelle ein Strom angelegt, so dauert es bis in der Zelle alle Überspannungen aufgebaut sind und die Zellspannung den Spannungsgrenzwert für die Dauerbestromung erreicht. Da die Anodenüberspannung nur einen gewissen Anteil an der gesamten Überspannung hat und dabei entscheidend ist, ist die Abschätzung des maximalen Ladestroms stets konservativ. Soll folglich mit maximalem Strom geladen werden, so muss der Strom nur so geregelt werden, dass die Zellspannung gerade auf der Spannungstrajektorie für Dauerströme liegt.The voltage trajectory of the reference curve indicates the maximum voltage under continuous current for each state of charge. If a current is applied to a relaxed cell, it takes time until all overvoltages have built up in the cell and the cell voltage reaches the voltage limit value for continuous current application. Since the anode overvoltage only accounts for a certain proportion of the total overvoltage and is decisive in this respect, the estimation of the maximum charging current is always conservative. Consequently, if charging is to be carried out with the maximum current, the current only has to be regulated in such a way that the cell voltage is exactly on the voltage trajectory for continuous currents.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen besonders vorteilhaften Betrieb des Batteriesystems sicher, bei welchem Schädigungsmechanismen und Schädigungsprozesse mittels Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der einzelnen Batteriezellen, Teil- oder Gesamtbatterie vermieden werden. Durch das Verfahren ist es möglich, eine optimale Verteilung der Ladeströme der verschalteten Batteriezellen für alle Betriebszustände zu gewährleisten, ohne unvorteilhafte Betriebszustände (Li-Plating oder dergleichen) zu erreichen.The method according to the invention ensures a particularly advantageous operation of the battery system, in which damage mechanisms and damage processes are avoided by means of voltage regulation or voltage control of the individual battery cells, part battery or entire battery. The method makes it possible to ensure an optimal distribution of the charging currents of the connected battery cells for all operating states without achieving unfavorable operating states (Li-plating or the like).

Nachfolgend ist das Verfahren anhand einer Anwendung bei einem Schnellladevorgang einer Fahrzeugbatterie näher erläutert. Beim Schnellladen der Fahrzeugbatterie beziehungsweise Batteriesystems fließen hohe Ströme in die einzelnen Batteriezellen. Hierbei können auf verschiedenster Weise unvorteilhafte Zustände innerhalb der Fahrzeugbatterie auftreten. Um insbesondere Li-Plating zu verhindern, muss das Anoden-Potential einen bestimmten Wert größer 0 Volt annehmen, welcher vorab bestimmt werden kann. Allerdings entsteht während des Ladevorganges Wärme, welche die Batterietemperatur über einen unvorteilhaften Wert erhöhen kann. Die auftretende Verlustleistung ist unter anderem eine Funktion der Überspannung der Batteriezelle. Die Überspannung einer Batteriezelle ist zum Beispiel eine Funktion der Temperatur, des Ladezustandes, der Historie, des Alterungszustandes der Batteriezelle. Um die Batterietemperatur zu senken, sind entsprechende weitere Regelkreise zum Beispiel des Ladestromes oder der Batteriekühlung nötig. Zudem können beliebige äußerer Einflüsse die Batterietemperatur und das Aufheizverhalten ändern. Der Ladestrom kann hierdurch nicht mehr auf ein vorher bestimmbares Anoden Potential geregelt werden. Die hinterlegte Referenzkurve gibt für jeden Ladezustand die maximale Spannung unter Dauerbestromung an, für welche das Li-Plating nicht auftritt. Da die Referenzkurve einem im Wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf der Zellspannung entspricht, werden durch die hinterlegte Referenzkurve alle Dynamiken der Batterie und der Kühlung sowie beliebige äußere Einflüsse berücksichtig, wodurch der Schnellladebetrieb betriebssicher anhand diese Referenzkurve geregelt werden kann.The method is explained in more detail below based on an application during a rapid charging process for a vehicle battery. When fast charging the vehicle battery or battery system, high currents flow into the individual battery cells. Here, unfavorable conditions can occur in the vehicle battery in a variety of ways. In order to prevent Li plating in particular, the anode potential must assume a specific value greater than 0 volts, which can be determined in advance. However, heat is generated during the charging process, which can increase the battery temperature to an unfavorable value. The power loss that occurs is, among other things, a function of the overvoltage of the battery cell. The overvoltage of a battery cell is, for example, a function of the temperature, the state of charge, the history and the state of aging of the battery cell. In order to lower the battery temperature, corresponding additional control circuits are required, for example for the charging current or battery cooling. In addition, any external influences can change the battery temperature and the heating behavior. As a result, the charging current can no longer be regulated to a previously determinable anode potential. The stored reference curve specifies the maximum voltage under continuous current for which Li-plating does not occur for each state of charge. Since the reference curve corresponds to an essentially temperature-independent course of the cell voltage, all dynamics of the battery and the cooling as well as any external influences are taken into account by the stored reference curve, whereby the fast charging operation can be controlled reliably using this reference curve.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise auch als Auswertemethodik oder zur Charakterisierung des Batteriesystems beziehungsweise deren Batteriezellen genutzt werden.The method according to the invention can also be used, for example, as an evaluation method or for characterizing the battery system or its battery cells.

In einer geeigneten Weiterbildung des Verfahrens wird regelmäßig, beispielsweise periodisch, der Alterungszustand der Batteriezellen bestimmt. Zweckmäßigerweise wird die mindestens eine Referenzkurve im Hinblick auf den Alterungszustand angepasst. Dadurch wird ein vorteilhafter Betrieb des Batteriesystems über deren gesamten Lebensdauer ermöglicht. Eine Regelung auf die hinterlegte Referenzkurve ergibt somit zu jedem Zeitpunkt eine konservative Abschätzung für den maximalen Ladestrom.In a suitable development of the method, the aging state of the battery cells is determined regularly, for example periodically. The at least one reference curve is expediently adjusted with regard to the state of aging. This enables advantageous operation of the battery system over its entire service life. A control on the stored reference curve thus results in a at any time conservative estimate for the maximum charging current.

Zur Bestimmung des Alterungszustands wird beispielsweise die aktuelle Kapazität aller Batteriezellen beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen bestimmt. Dies kann beispielsweise auf Basis von Kurvenabgleichen einer Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) erfolgen. Zur Bestimmung des Alterungszustands ist es hierbei ausreichend lediglich eine Kapazitätsabnahme der Batteriezellen zu bestimmen und nicht den Innenwiderstand.To determine the aging status, for example, the current capacity of all battery cells or battery cells connected in parallel is determined. This can be done, for example, based on curve fitting of an open circuit voltage (OCV). To determine the aging state, it is sufficient to determine only a decrease in capacity of the battery cells and not the internal resistance.

In der Messung der Lastspannung (Zellspannung) ist die Änderung des Innenwiderstands automatisch enthalten. Dadurch ist es möglich auf eine aufwändige Bestimmung der maximal möglichen Pulsströme z.B. durch Berechnung eines PT1-Verhaltens zu verzichten, und stattdessen eine konservative und inhärent sichere Abschätzung zu implementieren. Dies bedeutet, dass eine Bestimmung des Innenwiderstands durch Pulsstrommessung zur Bestimmung des Alterungszustands zur Anpassung der Referenzkurve nicht notwendig ist. Eine zusätzliche Implementierung von Pulsströmen zusätzlich zu den kontinuierlichen Ladeströmen kann daher entfallen.The change in internal resistance is automatically included in the measurement of the load voltage (cell voltage). This makes it possible to dispense with a time-consuming determination of the maximum possible pulse currents, e.g. by calculating a PT1 behavior, and instead to implement a conservative and inherently safe estimate. This means that it is not necessary to determine the internal resistance by measuring the pulsed current to determine the aging condition in order to adjust the reference curve. An additional implementation of pulsed currents in addition to the continuous charging currents can therefore be omitted.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezelle unterschiedliche Referenzkurven hinterlegt werden. Insbesondere wird lediglich eine Referenzkurve für den Aufladevorgang und lediglich eine Referenzkurve für den Entladevorgang hinterlegt. Es wird für jeden Ladevorgang nur noch eine Spannungskennlinie im System hinterlegt, so dass nicht zwischen beliebig vielen Stromkennlinien fehleranfällig interpoliert werden muss. Um diese unvorteilhaften Zustände zu verhindern, wird somit für das Laden der Batterie eine obere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert. Für das Entladen der Batterie wird entsprechend eine untere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert. Es ist möglich mittels der Referenzkurven für jede Batteriezelle gesonderte Grenzspannungen zu definieren und zu implementieren.In a preferred embodiment, different reference curves are stored for a charging process and for a discharging process of the battery cell. In particular, only one reference curve for the charging process and only one reference curve for the discharging process is stored. Only one voltage characteristic is stored in the system for each charging process, so that errors do not have to be interpolated between any number of current characteristics. In order to prevent these unfavorable states, an upper limit voltage is defined for charging the battery as a function of the state of charge for the individual battery cells. For discharging the battery, a corresponding lower limit voltage is defined depending on the state of charge for the individual battery cells. It is possible to define and implement separate limit voltages for each battery cell using the reference curves.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die mindestens eine Referenzkurve mit einer Laborzelle vorcharakterisiert. Die Laborzelle ist hierbei eine 3-Elektrodenzelle mit einer Anode und mit einer Kathode sowie mit stromlos betriebenen Referenzelektrode auf. Die 3-Elektrodenzelle ermöglicht eine direkte Messung und Erfassung von kontinuierlichen Spannungstrajektorien bzw. Stromkennfelder. Dem Batteriesystem wird die in den 3-Elektrodenzellen bestimmte Spannungstrajektorie als Referenzkurve hinterlegt. Anstatt der direkten Nutzung der Spannungstrajektorie aus der 3-Elektrodenlaborzelle, ist es beispielsweise möglich das bestimmte Stromkennfeld mit einer Sicherheitsmarge für die originale Batteriezelle in dem Batteriesystem zu hinterlegen.In an advantageous embodiment, the at least one reference curve is pre-characterized with a laboratory cell. The laboratory cell is a 3-electrode cell with an anode and a cathode as well as a reference electrode that is operated without current. The 3-electrode cell enables direct measurement and acquisition of continuous voltage trajectories or current maps. The voltage trajectory determined in the 3-electrode cells is stored in the battery system as a reference curve. Instead of directly using the voltage trajectory from the 3-electrode laboratory cell, it is possible, for example, to store the specific current map with a safety margin for the original battery cell in the battery system.

Anstatt einer Messung an einer 3-Elektrodenlaborzelle, kann die Ladespannungstrajektorie auch mittels anderen Methoden an der originalen Zelle bestimmt werden, wie z.B. Druckkraft-, Dicken- oder High Precision Coulombmetry-Messungen. Insbesondere kann die Referenzkurve mittels Messung der Coulomb'schen Effizienz oder der Zellausdehnung und/oder Zellgeometrieänderung bestimmt werden.Instead of a measurement on a 3-electrode laboratory cell, the charging voltage trajectory can also be determined on the original cell using other methods, such as compressive force, thickness or high-precision coulombmetry measurements. In particular, the reference curve can be determined by measuring the Coulomb's efficiency or the cell expansion and/or cell geometry change.

In einer alternativen, ebenso vorteilhaften Ausführung wird die mindestens eine Referenzkurve mittels einer Simulation bestimmt. Insbesondere wird die Spannungstrajektorie mittels einer Simulation der Zellspannung zum Beispiel auf Basis von Halbzellmodellen bestimmt. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und aufwandreduzierte Bestimmung der Referenzkurve ermöglicht.In an alternative, equally advantageous embodiment, the at least one reference curve is determined by means of a simulation. In particular, the voltage trajectory is determined by simulating the cell voltage, for example on the basis of half-cell models. This enables the reference curve to be determined in a particularly cost-effective and effort-reduced manner.

Die Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der Batterie- oder Zellspannung unter Berücksichtigung der Referenzkurve kann mittels der Terminalspannung der Batteriezellen erfolgen. Ein Abgriff der Zellspannung kann jedoch meist aus technischen Gründen nicht direkt an der Batteriezelle erfolgen. Durch die anderen Spannungsmesspunkte können zusätzliche Spannungen zum Beispiel durch Stromschienen entstehen. In einer denkbaren Weiterbildung wird die Referenzkurve mit einem Sicherheitsfaktor versehen, bevor die Referenzkurve hinterlegt wird. Durch den Sicherheitsfaktor ist es möglich, solche zusätzlichen Spannungen in der Referenzkurve zu berücksichtigen. Dadurch wird die Spannungsmessung oder Erfassung der Zellspannung vereinfacht.The voltage regulation or voltage control of the battery or cell voltage, taking into account the reference curve, can be carried out using the terminal voltage of the battery cells. For technical reasons, however, the cell voltage cannot usually be tapped directly at the battery cell. Additional voltages can arise from the other voltage measuring points, for example from busbars. In a conceivable development, the reference curve is provided with a safety factor before the reference curve is stored. The safety factor makes it possible to take such additional stresses into account in the reference curve. This simplifies the voltage measurement or detection of the cell voltage.

Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren unterbrochen oder pausiert wird, wenn ein vorgegebener oder hinterlegter Ladezustand der Batteriezelle erreicht wird. Mit anderen Worten wird der Ladezustand der Batteriezelle während des Verfahrens überwacht und mit dem hinterlegten Ladezustand oder Ladezustandswert verglichen, wobei das Verfahren pausiert oder unterbrochen wird, wenn der hinterlegte Ladezustand erreicht oder überschritten wird. Die Pausierung oder Unterbrechung kann hierbei in Form einer vorgegebenen Wartezeit oder Zeitdauer erfolgen, nach welcher das Verfahren automatisch fortgesetzt wird. Während der Pause oder Unterbrechung können vorteilhafte Ausgleichsprozesse im Batteriesystem und/oder der Batteriezelle stattfinden oder bewirkt werden. Vorzugsweise wird während der Pause ein vordefinierter Ladestrom und/oder eine Referenzkurve eingestellt.An additional or further aspect of the invention provides that the method is interrupted or paused when a predefined or stored state of charge of the battery cell is reached. In other words, the state of charge of the battery cell is monitored during the method and compared to the stored state of charge or state of charge value, with the method being paused or interrupted if the stored state of charge is reached or exceeded. The pause or interruption can take place in the form of a predetermined waiting time or period of time, after which the method is automatically continued. During the pause or interruption, advantageous balancing processes can take place or be brought about in the battery system and/or the battery cell. Preferably will a predefined charging current and/or a reference curve is set during the pause.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist beispielsweise als eine Fahrzeugbatterie oder Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Batteriesystem ist insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem. Das Batteriesystem weist hierbei mindestens eine elektrochemische Batteriezelle auf. Insbesondere sind mehrere Batteriezellen miteinander in Serie oder parallelgeschaltet. Zudem wird jede Batteriezelle beziehungsweise jede Parallelschaltung von Batteriezellen mit einem Spannungsmesser zur Spannungsmessung ausgestattet. Des Weiteren sind ein Spannungsregler und ein Controller, also eine Steuereinheit, vorgesehen. Der Controller ist hierbei beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems des Batteriesystems.The battery system according to the invention is provided, for example, as a vehicle battery or high-voltage battery of a motor vehicle, in particular an electrically driven or drivable motor vehicle, such as an electric or hybrid vehicle, and is suitable and set up for this. The battery system is in particular a lithium-ion battery system. In this case, the battery system has at least one electrochemical battery cell. In particular, several battery cells are connected to one another in series or in parallel. In addition, each battery cell or each battery cell connected in parallel is equipped with a voltmeter to measure the voltage. A voltage regulator and a controller, ie a control unit, are also provided. In this case, the controller is part of a battery management system of the battery system, for example.

Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Ladezustand der Batteriezellen zu bestimmen, und die Messdaten der Spannungsmesser zu empfangen. Der Controller weist beispielsweise einen Speicher auf, in welchem die Referenzkurve hinterlegt ist. Der Controller wertet die jeweils aktuellen Zellspannungen und Ladezustände anhand der Referenzkurve aus, und steuert den Spannungsregler entsprechend an. Der Spannungsregler regelt die Ladeleistung beziehungsweise den Ladestrom zu jeder Zeit so, dass alle Zellspannungen im System unterhalb oder gleich der Referenzkurve bleiben. Geeigneterweise wird zu jedem Zeitpunkt der Ladezustand jeder Batteriezelle beziehungsweise Parallelschaltung von Batteriezellen bestimmt und diese regelmäßig durch Balancing-Konzepte angeglichen. Weiterhin bestimmt der Controller anhand der Spannungsdaten regelmäßig die aktuelle Kapazität (Alterungszustand) aller Batteriezellen beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen und passt die Referenzkurve entsprechend an. Hierbei können Verfahren auf Basis von OCV-Kurvenabgleichen herangezogen werden.In this case, the controller is generally set up—in terms of program and/or circuitry—to carry out the method according to the invention described above. The controller is thus specifically set up to determine the state of charge of the battery cells and to receive the measurement data from the voltmeter. For example, the controller has a memory in which the reference curve is stored. The controller evaluates the current cell voltages and state of charge based on the reference curve and controls the voltage regulator accordingly. The voltage regulator regulates the charging power or the charging current at all times in such a way that all cell voltages in the system remain below or equal to the reference curve. The state of charge of each battery cell or battery cells connected in parallel is suitably determined at any time and regularly adjusted using balancing concepts. Furthermore, the controller regularly uses the voltage data to determine the current capacity (state of health) of all battery cells or battery cells connected in parallel and adjusts the reference curve accordingly. Methods based on OCV curve matching can be used here.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.In a preferred embodiment, the controller is formed, at least in its core, by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented programmatically in the form of operating software (firmware), so that the method - optionally in interaction with a device user - is performed automatically upon execution of the operating software in the microcontroller. Alternatively, within the scope of the invention, the controller can also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC), in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented with circuitry means.

Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriesystem realisiert.A particularly suitable battery system is thereby realized.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

  • 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem,
  • 2 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm für unterschiedliche Temperaturen einer Batteriezelle,
  • 3 ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für unterschiedliche Temperaturen einer Batteriezelle mit einer Referenzkurve,
  • 4 schematische Darstellung eines Simulationsmodells,
  • 5 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm zum Vergleich des Simulationsmodells mit einer 3-Elektroden-Messung,
  • 6 ein schematisches Diagramm zur Zusammensetzung einer Überspannung in der Batteriezelle, und
  • 7 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm zum Vergleich des Simulationsmodells mit Grenzwerten.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:
  • 1 a schematic representation of a motor vehicle with a battery system,
  • 2 a state of charge C-rate diagram for different temperatures of a battery cell,
  • 3 a state of charge cell voltage diagram for different temperatures of a battery cell with a reference curve,
  • 4 schematic representation of a simulation model,
  • 5 a state of charge C-rate diagram to compare the simulation model with a 3-electrode measurement,
  • 6 a schematic diagram of the composition of an overvoltage in the battery cell, and
  • 7 a state-of-charge C-rate plot comparing the simulation model to limit values.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.

In der 1 ist in schematischer und vereinfachter Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeugs 2 mit einem Batteriesystem 4 zur elektrischen Versorgung eines nicht näher dargestellten Traktionsantriebs gezeigt. Das Batteriesystem 4 ist als ein Lithium-lonen-System mit einer Anzahl von elektrochemischen Batteriezellen 6 ausgeführt. Das Batteriesystem 4 weist weiterhin einen Spannungsmesser 8 und einen Spannungsregler 10 sowie einen Controller 12 auf.In the 1 is a schematic and simplified representation of an electrically driven or drivable motor vehicle 2 with a battery system 4 for the electrical supply of a traction drive, not shown. The battery system 4 is designed as a lithium-ion system with a number of electrochemical battery cells 6 . The battery system 4 also has a voltmeter 8 and a voltage regulator 10 as well as a controller 12 .

Der Controller 12 ist hierbei zum spannungsgeführten Betrieb des Batteriesystems 4 während eines Ladevorgangs geeignet und eingerichtet. In einem Speicher des Controller 12 ist eine Referenzkurve 14 (3) hinterlegt, welche einen die Batteriezellen 6 schädigenden Prozess charakterisiert. Bei der Referenzkurve 14 handelt es sich vorzugsweise um eine Ladungszustands-Zellspannungs-Kennlinie. In diesem Ausführungsbeispiel ist der charakterisierte schädigende Prozess insbesondere Li-Plating.In this case, the controller 12 is suitable and set up for voltage-controlled operation of the battery system 4 during a charging process. In a memory of the controller 12 is a reference curve 14 ( 3 ) deposited, which characterizes a process that damages the battery cells 6 . The reference curve 14 is preferred way around a state of charge cell voltage characteristic. In this exemplary embodiment, the damaging process characterized is in particular Li plating.

Vorzugsweise sind für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezellen 6 unterschiedliche Referenzkurven 14 hinterlegt. Nachfolgend ist beispielhaft lediglich ein Aufladevorgang, bei welchem elektrische Energie mittels eines Ladestroms IL in die Batteriezellen 6 eingespeist wird, näher erläutert. Mit anderen Worten ist nachfolgend unter Ladevorgang insbesondere ein Aufladevorgang, beispielsweise ein Schnellladevorgang, zu verstehen.Different reference curves 14 are preferably stored for a charging process and for a discharging process of the battery cells 6 . Only one charging process, in which electrical energy is fed into the battery cells 6 by means of a charging current IL, is explained in more detail below by way of example. In other words, the term charging process is to be understood below as meaning in particular a charging process, for example a rapid charging process.

Während eines Ladevorgangs werden die Zellspannungen UZ der Batteriezellen 6 mittels des Spannungsmessers 8 erfasst. Der Controller 12 bestimmt oder überwacht während des Ladevorgangs einen Ladezustand SOC der Batteriezellen 6. Weiterhin bestimmt der Controller 12 anhand der Spannungsdaten des Spannungsmessers 8 regelmäßig die aktuelle Kapazität (Alterungszustand) aller Batteriezellen 6 beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen 6. Hierbei können Verfahren auf Basis von OCV-Kurvenabgleichen herangezogen werden.During a charging process, the cell voltages UZ of the battery cells 6 are recorded using the voltmeter 8 . The controller 12 determines or monitors a state of charge SOC of the battery cells 6 during the charging process. Furthermore, the controller 12 regularly uses the voltage data from the voltmeter 8 to determine the current capacity (state of health) of all battery cells 6 or parallel circuits of battery cells 6. Methods based on OCV -Curve matching are used.

Die jeweils aktuellen Ladezustände SOC und die aktuellen Zellspannungen UZ werden mit der hinterlegten Referenzkurve 14 verglichen. Der Controller 12 wertet die jeweils aktuellen Zellspannungen UZ und Ladezustände SOC anhand der Referenzkurve 14 aus. Die Werte für die Zellspannungen UZ und Ladezustände SOC werden hierbei mit der hinterlegten Referenzkurve 14 verglichen, wobei der Controller 12 anhand des Vergleichs und des Alterungszustands (SOH) einen maximal möglichen Ladestrom IL für die Batteriezelle 6 bestimmt, für welchen der schädigende Prozess nicht auftritt. Die Berücksichtigung des Alterungszustands kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Controller 12 die Referenzkurve 14 an den bestimmten Alterungszustand entsprechend anpasst. Anschließend wird der aktuelle Ladestrom IL mittels des Controllers 12 durch eine Ansteuerung des Spannungsreglers 10 unabhängig von einer Batteriezellentemperatur auf einen maximalen Stromwert gesteuert und/oder geregelt.The respective current states of charge SOC and the current cell voltages UZ are compared with the stored reference curve 14 . The controller 12 evaluates the current cell voltages UZ and states of charge SOC based on the reference curve 14 . The values for the cell voltages UZ and states of charge SOC are compared with the stored reference curve 14, with the controller 12 using the comparison and the aging state (SOH) determining a maximum possible charging current IL for the battery cell 6 for which the damaging process does not occur. The aging state can be taken into account here, for example, by the controller 12 adapting the reference curve 14 accordingly to the determined aging state. The current charging current IL is then controlled and/or regulated to a maximum current value by means of the controller 12 by activating the voltage regulator 10 independently of a battery cell temperature.

Der Spannungsregler 10 regelt die Ladeleistung beziehungsweise den Ladestrom IL somit zu jeder Zeit so, dass alle Zellspannungen UZ im System unterhalb oder gleich der Referenzkurve 14 bleiben. Geeigneterweise wird zu jedem Zeitpunkt der Ladezustand SOC jeder Batteriezelle 6 beziehungsweise Parallelschaltung von Batteriezellen 6 von dem Controller 12 bestimmt und diese regelmäßig durch Balancing-Konzepte angeglichen. Der Angleich kann hierbei beispielsweise in einer Pause oder Unterbrechung des vom Controller 12 durchgeführten Verfahrens erfolgen. Hierzu ist beispielsweise ein vorgegebener Ladezustandswert im Controller 12 hinterlegt, wobei der Controller 12 das vorstehend beschriebene Verfahren für das Balancing pausiert, wenn der Ladezustandswert erreicht oder überschritten wird.The voltage regulator 10 thus regulates the charging power or the charging current IL at all times in such a way that all cell voltages UZ in the system remain below or equal to the reference curve 14 . The state of charge SOC of each battery cell 6 or parallel connection of battery cells 6 is suitably determined by the controller 12 at any point in time and this is regularly adjusted using balancing concepts. In this case, the adjustment can take place, for example, during a pause or interruption of the method carried out by the controller 12 . For this purpose, for example, a predefined state of charge value is stored in the controller 12, with the controller 12 pausing the method described above for balancing when the state of charge value is reached or exceeded.

Soll das Batteriesystem 2 Leistung aufnehmen, so gleicht das Batteriesystem 2 beziehungsweise der Controller 10 für jede Batteriezelle 6 die aktuelle Zellspannung UZ beim aktuellen Ladezustand SOC mit der hinterlegten Ladespannungstrajektorie der Referenzkurve 14 ab. Der Ladestrom IL kann erhöht oder gehalten werden, solange die Zellspannung UZ beim aktuellen Ladezustand SOC kleiner oder gleich der hinterlegten Referenzkurve 14 ist.If the battery system 2 is to consume power, the battery system 2 or the controller 10 for each battery cell 6 compares the current cell voltage UZ at the current state of charge SOC with the stored charging voltage trajectory of the reference curve 14 . The charging current IL can be increased or maintained as long as the cell voltage UZ is less than or equal to the stored reference curve 14 at the current state of charge SOC.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand der 2 bis 7 näher erläutert.The inventive method is based on the 2 until 7 explained in more detail.

Die 2 zeigt ein Ladezustands-C-Raten-Diagramm einer Batteriezelle 6. Die Die C-Rate CR beschreibt den Lade- (oder Entladestrom) einer Batteriezelle 6, bezogen auf deren Kapazität. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die einheitslose C-Rate CR aufgetragen. In dem Diagramm ist der Verlauf des Ladestroms IL beziehungsweise der C-Rate CR für unterschiedliche Temperaturen der Batteriezelle 6 gezeigt. Insbesondere sind neun Kurven für Temperaturen zwischen 10 °C (Grad Celsius) und 50 °C mit Temperaturschritten von 5 °C gezeigt.the 2 shows a state-of-charge C-rate diagram of a battery cell 6. The C-rate CR describes the charging (or discharging) current of a battery cell 6 in relation to its capacity. Horizontally, i.e. along the abscissa axis (X-axis), the state of charge SOC is plotted in percent (%), and the unitless C-rate CR is plotted along the vertical ordinate axis (Y-axis). The diagram shows the course of the charging current IL or the C rate CR for different temperatures of the battery cell 6 . In particular, nine curves are shown for temperatures between 10°C (degrees Celsius) and 50°C with temperature steps of 5°C.

Wie anhand des Stromkennfelds der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist der Ladestrom IL eine vergleichsweise große Temperaturabhängigkeit auf. So unterscheiden sich beispielsweise die C-Raten CR bei 10 °C und 50 °C um einen Faktor von etwa 2.As based on the current map of the 2 can be seen comparatively clearly, the charging current IL has a comparatively large temperature dependency. For example, the C-rates CR at 10 °C and 50 °C differ by a factor of about 2.

In der 3 ist ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für die Ladevorgänge der 2 gezeigt. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die Zellspannung UZ in Volt (V) aufgetragen.In the 3 is a state of charge-cell voltage diagram for the charging processes of the 2 shown. Horizontally, i.e. along the abscissa axis (X-axis), the state of charge SOC is plotted in percent (%), and along the vertical ordinate axis (Y-axis) the cell voltage UZ in volts (V) is plotted.

Wie anhand der 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist die Zellspannung UZ eine geringere Temperaturabhängigkeit als der Ladestrom IL auf. Eine Betrachtung mittels eines elektrischen Zellmodells legt hierbei nahe, dass die Varianz im Spannungsverlauf eher auf die mäßige Qualität der genutzten 3-Elektrodenlaborzelle zurückzuführen ist, und die Spannungskurve tatsächlich für alle Temperaturen oberhalb einer kritischen Temperatur, bei der sich das Zellverhalten deutlich ändert, immer die gleiche ist. Dass die Spannungskurven unterhalb eines Ladezustands SOC von 10% eine vergleichsweise große Abweichung aufweisen ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Ladezustandsbereich mit prüfstandsbedingt gewählten endlichen Strömen der Ladevorgang begonnen wurde, bis das Anodenpotential 0V vs. Li/Li+ erreicht hat, und der Prüfstand die Regelung des Stroms übernehmen konnte.How based on 3 can be seen comparatively clearly, the cell voltage UZ has a lower temperature dependency than the charging current IL. An examination using an electrical cell model suggests that the variance in the voltage curve is more due to the moderate quality of the 3-electrode laboratory cell used, and the voltage curve actually for all temperatures above a critical temperature, in which the cell behavior changes significantly is always the same. The fact that the voltage curves show a comparatively large deviation below a state of charge SOC of 10% is due to the fact that the charging process was started in this state of charge range with finite currents selected due to the test bench until the anode potential reached 0V vs. Li/Li+, and the test bench controlled the control of the current could take over.

Aufgrund der geringen Aufspreizung der Spannungskurven für die unterschiedlichen Temperaturen ist es möglich das Verhalten mittels einer einzigen Referenzkurve 14 zu approximieren, welche als Schranke die Zellspannungen UZ angibt, bei welchen bei einer Dauerbestromung kein Li-Plating auftritt.Due to the low spread of the voltage curves for the different temperatures, it is possible to approximate the behavior using a single reference curve 14, which as a barrier specifies the cell voltages UZ at which no Li plating occurs with continuous current flow.

Für den Übertrag der Kennfelder von Laborzellen auf die Batteriezellen 6 des automotiven Batteriesystems 2 wird eine Sicherheitsmarge M genutzt, um der Temperatur- und Ladezustandsinhomogenität in der großen Batteriezelle 6 Rechnung zu tragen. Daher ist die in 3 gezeigte Referenzkurve 14 um ca. 10% gegenüber den gemessenen Spannungstrajektorien reduziert. Die Sicherheitsmarge M kann als ein multiplikativer Faktor oder als ein Spannungs-Offset ausgeführt sein. Die dadurch bestimmte Referenzkurve 14 ist in dem Batteriesystem 4 beziehungsweise in dem Controller 14 hinterlegt.A safety margin M is used for the transfer of the characteristic diagrams from laboratory cells to the battery cells 6 of the automotive battery system 2 in order to take into account the inhomogeneity of temperature and state of charge in the large battery cell 6 . Therefore the in 3 shown reference curve 14 reduced by about 10% compared to the measured voltage trajectories. The safety margin M can be implemented as a multiplicative factor or as a voltage offset. The reference curve 14 thus determined is stored in the battery system 4 or in the controller 14 .

Die Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der Batterie- oder Zellspannung UZ unter Berücksichtigung der Referenzkurve 14 kann mittels der Terminalspannung der Batteriezellen 6 erfolgen. Ebenso möglich ist, dass die Spannungsmesspunkte des Spannungsmessers 8 zusätzliche Spannungen zum Beispiel durch Stromschienen aufweisen. In einer denkbaren Weiterbildung ist ein entsprechender Sicherheitsfaktor in der Sicherheitsmarge M berücksichtigt.The voltage regulation or voltage control of the battery or cell voltage UZ, taking into account the reference curve 14, can take place by means of the terminal voltage of the battery cells 6. It is also possible that the voltage measuring points of the voltmeter 8 have additional voltages, for example due to busbars. In a conceivable development, a corresponding safety factor is taken into account in the safety margin M.

Zur Erläuterung eines vorteilhaften Betriebs des Batteriesystems 2 bei einer Parallelschaltung von Batteriezellen 6, wobei die Temperatur der Einzelzellen nicht bekannt ist, wurde eine Simulation durchgeführt, in welcher die Spannung der Zellparallelschaltung zur Spannungstrajektorie der Referenzkurve geregelt wurde.To explain an advantageous operation of the battery system 2 with a parallel connection of battery cells 6, where the temperature of the individual cells is not known, a simulation was carried out in which the voltage of the cell parallel connection was regulated to the voltage trajectory of the reference curve.

Die 4 zeigt eine schematische Skizze des Simulationsszenarios. Das Szenario weist zwei parallel geschaltete Batteriezellen 6a und 6b auf, wobei die Batteriezelle 6a eine Temperatur von 10° C und die Batteriezelle 6b eine Temperatur von 50 °C aufweist. Als Referenzkurve 14 wird hierbei der Spannungsverlauf für 10 °C verwendet.the 4 shows a schematic sketch of the simulation scenario. The scenario has two battery cells 6a and 6b connected in parallel, battery cell 6a having a temperature of 10° C. and battery cell 6b having a temperature of 50° C. The voltage profile for 10° C. is used here as the reference curve 14 .

In der 5 ist ein Ladezustands-C-Raten-Diagramm zum Vergleich der simulierten und gemessenen maximal möglichen Ladeströme IL gezeigt. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die C-Rate CR beziehungsweise der Ladestrom IL aufgetragen. In der 5 sind vier Kurven 16, 18, 20, 22 gezeigt. Die Kurve 16 zeigt den Verlauf für die 3-Elektrodenmessung der Batteriezelle 6a bei 10 °C, wobei die Kurve 18 den entsprechend simulierten Verlauf zeigt. Entsprechend zeigt die Kurve 20 zeigt den Verlauf für die 3-Elektrodenmessung der Batteriezelle 6b bei 50 °C, wobei die Kurve 22 den simulierten Verlauf zeigt. Wie anhand der 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die simulierten Zellströme für beide Temperaturen innerhalb der jeweils maximal möglichen Ladeströme, welche mit der 3-Elektrodenmessung (3E Messung) ermittelt wurden.In the 5 a state-of-charge C-rate diagram is shown for comparison of the simulated and measured maximum possible charging currents IL. Horizontally, i.e. along the abscissa axis (X-axis), the state of charge SOC is plotted in percent (%), and along the vertical ordinate axis (Y-axis), the C-rate CR or the charging current IL is plotted. In the 5 four curves 16, 18, 20, 22 are shown. Curve 16 shows the curve for the 3-electrode measurement of battery cell 6a at 10° C., curve 18 showing the correspondingly simulated curve. Correspondingly, curve 20 shows the curve for the 3-electrode measurement of battery cell 6b at 50° C., curve 22 showing the simulated curve. How based on 5 can be seen comparatively clearly, the simulated cell currents for both temperatures are within the maximum possible charging currents, which were determined with the 3-electrode measurement (3E measurement).

Nachfolgend ist die Ermittlung der Ladestrompulse in Abhängigkeit der Ladungsmenge erläutert. In dem Artikel Grimsmann et al., Determining the maximum charging currents of lithium-ion cells for small charge quantities, 2017, Power Sources ist erläutert, dass der maximale Pulsstrom und die Ladungsmenge beziehungsweise der Ladungszustand SOC in etwa eine 1/VSOC-Abhängigkeit (Eins durch Wurzel Ladezustand) aufweisen.The determination of the charging current pulses as a function of the amount of charge is explained below. In the article Grimsmann et al., Determining the maximum charging currents of lithium-ion cells for small charge quantities, 2017, Power Sources, it is explained that the maximum pulse current and the amount of charge or the state of charge SOC have approximately a 1/VSOC dependency ( One through root state of charge).

Mittels einer Simulation und der Spannungstrajektorie aus den 3 Elektrodenmessungen wurden die erreichbaren Ladungsmengen in Abhängigkeit der Stromstärke ermittelt.Using a simulation and the voltage trajectory from the 3 electrode measurements, the achievable amounts of charge were determined as a function of the current.

Das Schaubild der 6 umfasst zwei vertikal, übereinander angeordnete Abschnitte 24, 26.The diagram of 6 comprises two vertically stacked sections 24, 26.

Der Abschnitt 24 zeigt ein schematisches Ladezustands-Strom-Diagramm. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist ein Strom I aufgetragen. Die Höhe des Stromverlaufs, welche mit einem Doppelpfeil in dem Abschnitt 24 gezeigt ist, gibt hierbei den maximalen Ladestrom IL an.Section 24 shows a schematic state-of-charge-current diagram. The state of charge SOC is horizontal, ie along the abscissa axis (X-axis), and a current I is plotted along the vertical ordinate axis (Y-axis). The level of the current curve, which is shown with a double arrow in section 24, indicates the maximum charging current IL.

Der Abschnitt 26 zeigt ein schematisches Ladezustands-Spannungs-Diagramm. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist eine Spannung U aufgetragen. Der Abschnitt 26 zeigt zwei Kurven 28, 30. Die Kurve 28 entspricht hierbei der Spannungstrajektorie der Referenzkurve 14, wobei die Kurve 30 die Überspannung darstellt.Section 26 shows a schematic state-of-charge-voltage diagram. The state of charge SOC is horizontal, ie along the abscissa axis (X-axis), and a voltage U is plotted along the vertical ordinate axis (Y-axis). The section 26 shows two curves 28, 30. The curve 28 corresponds to the voltage trajectory of the reference curve 14, with the curve 30 representing the overvoltage.

Im Abschnitt 26 des Schaubilds ist die Zusammensetzung der Überspannung gezeigt, welche sich aus einem Separator-/Elektrolytanteil 30a und einem Kathodenanteil 30b sowie einem Anodenanteil 30c zusammensetzt, wobei lediglich der Anodenanteil 30c für den (Schnell-)Ladevorgang von Bedeutung ist. Aus den Zusammenhängen lässt sich schlussfolgern, dass durch die Spannungsreglung der Zellspannung zur Spannungstrajektorie stets ein vorteilhafter Ladestrombereich gewährleistet ist.Section 26 of the diagram shows the composition of the overvoltage, wel che is made up of a separator/electrolyte portion 30a and a cathode portion 30b and an anode portion 30c, with only the anode portion 30c being of importance for the (rapid) charging process. From the relationships it can be concluded that an advantageous charging current range is always ensured by the voltage regulation of the cell voltage to the voltage trajectory.

Zur Ermittlung der erreichbaren Ladungsmengen in Abhängigkeit der Stromstärke wurde die Batteriezelle 6 solange mit einem Stromplus (Abschnitt 24) geladen, bis sich die Überspannung der Batteriezelle 6 und die Spannungstrajektorie schneiden. Die resultierende Änderungen des Ladezustands aufgrund des Strompulses ist in der 6 mit ΔSOC gekennzeichnet.To determine the achievable amounts of charge as a function of the current, the battery cell 6 was charged with a current plus (section 24) until the overvoltage of the battery cell 6 and the voltage trajectory intersect. The resulting change in state of charge due to the current pulse is in the 6 labeled ΔSOC.

Ein Vergleich der ermittelten maximalen Ladestrompulse mit Herstellerangaben des Herstellers der Batteriezelle 6 und dem theoretischen Wert nach Grimsmann ist in der 7 dargestellt. Die 7 zeigt ein Diagramm, bei welchem horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Änderung des Ladezustands ΔSOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) die C-Rate CR beziehungsweise der Ladestrom IL aufgetragen ist. In dem Diagramm sind die Verläufe für zwei simulierte Ladestrompulse mit den Kurven 32, 34 gezeigt. Die Kurve 32 zeigt hierbei dem Verlauf für einen Ladezustand von 12% und die Kurve 34 dem Verlauf für einen Ladezustand von 60%. Die 7 zeigt weiterhin eine Line 36, welche dem theoretischen Wert nach Grimsmann entspricht, und zwei Kurven 38, 40. Die Kurve 38 entspricht dem Verlauf nach Herstellerangaben für einen Ladezustand von 12% und die Kurve 40 entspricht dem Verlauf nach Herstellerangaben für einen Ladezustand von 60%. Anhand der 7 wird deutlich, dass die simulierten Ladestrompulse nahezu vollständig unterhalb der Herstellerangaben und des theoretischen Wertes nach Grimsmann liegen.A comparison of the determined maximum charging current pulses with manufacturer information from the manufacturer of the battery cell 6 and the theoretical value according to Grimsmann is in FIG 7 shown. the 7 shows a diagram in which the change in the state of charge ΔSOC is plotted horizontally, ie along the abscissa axis (X axis), and the C rate CR or the charging current IL is plotted along the vertical ordinate axis (Y axis). The curves 32, 34 show the courses for two simulated charging current pulses in the diagram. The curve 32 shows the course for a state of charge of 12% and the curve 34 shows the course for a state of charge of 60%. the 7 also shows a line 36, which corresponds to the theoretical value according to Grimsmann, and two curves 38, 40. Curve 38 corresponds to the curve according to the manufacturer's information for a state of charge of 12% and curve 40 corresponds to the curve according to the manufacturer's information for a state of charge of 60% . Based on 7 it becomes clear that the simulated charging current pulses are almost completely below the manufacturer's specifications and the theoretical value according to Grimsmann.

Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims, without departing from the subject matter of the claimed invention.

BezugszeichenlisteReference List

22
Kraftfahrzeugmotor vehicle
44
Batteriesystembattery system
66
Batteriezellebattery cell
88th
Spannungsmessertension meter
1010
Spannungsreglervoltage regulator
1212
Controllercontrollers
1414
Referenzkurvereference curve
16, 18, 20, 2216, 18, 20, 22
KurveCurve
24, 2624, 26
Abschnittsection
28, 3028, 30
KurveCurve
30a30a
Separator-/Elektrolytanteilseparator/electrolyte content
30b30b
Kathodenanteilcathode portion
30c30c
Anodenanteilanode fraction
32, 3432, 34
KurveCurve
3636
Linieline
38, 4038, 40
Kurve Curve
Uu
Spannungtension
UZIP
Zellspannungcell voltage
II
Stromelectricity
ILIL
Ladestromcharging current
SOCSOC
Ladezustandstate of charge
CRCR
C-RateC rate
MM
Sicherheitsmargemargin of safety

Claims (10)

Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems (4) während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (6), wobei ein die Batteriezelle (6) schädigender Prozess anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (14) charakterisiert ist, wobei die Referenzkurve (14) eine Ladungszustand-Zellspannungs-Kennlinie ist, - bei welchem eine Zellspannung (UZ) der Batteriezelle (6) erfasst wird, - bei welchem ein Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (6) bestimmt wird, - bei welchem ein Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, - bei welchem die Zellspannung (UZ) und der Ladezustand (SOC) mit der hinterlegten Referenzkurve (14) verglichen werden, - bei welchem anhand des Vergleichs ein maximaler Ladestrom (IL) für den Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, und - bei welchem der maximale Ladestrom (IL) durch Steuerung und/oder Regelung der Zellspannung (UZ) eingestellt wird.Method for voltage-controlled operation of a battery system (4) during a charging process, having at least one electrochemical battery cell (6), a process damaging the battery cell (6) being characterized using at least one stored reference curve (14), the reference curve (14) indicating a state of charge -cell voltage characteristic is, - at which a cell voltage (UZ) of the battery cell (6) is detected, - In which a state of charge (SOC) of the battery cell (6) is determined, - in which an aging condition of the battery cell (6) is determined, - in which the cell voltage (UZ) and the state of charge (SOC) are compared with the stored reference curve (14), - In which a maximum charging current (IL) for the aging state of the battery cell (6) is determined on the basis of the comparison, and - At which the maximum charging current (IL) is set by controlling and/or regulating the cell voltage (UZ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand der Batteriezelle (6) regelmäßig bestimmt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the aging condition of the battery cell (6) is determined regularly. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezelle (6) unterschiedliche Referenzkurven (14) hinterlegt werden.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that different reference curves (14) are stored for a charging process and for a discharging process of the battery cell (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mit einer Laborzelle vorcharakterisiert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the at least one reference curve (14) is pre-characterized with a laboratory cell. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels Messung der Coulomb'schen Effizenz bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the at least one reference curve (14) is determined by measuring Coulomb's efficiency. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels Messung einer Zellausdehnung und/oder Zellgeometrieänderung bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the at least one reference curve (14) is determined by measuring a cell expansion and/or a change in cell geometry. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels einer Simulation bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the at least one reference curve (14) is determined by means of a simulation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mit einem Sicherheitsfaktor versehen wird, bevor sie hinterlegt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the at least one reference curve (14) is provided with a safety factor before it is stored. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem vorgegebenen Ladezustand (SOC) unterbrochen und/oder pausiert wird, wobei während der Pause ein vordefinierter Ladestrom (IL) und/oder eine Referenzkurve (14) eingestellt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the method is interrupted and/or paused at a predetermined state of charge (SOC), a predefined charging current (IL) and/or a reference curve (14) being set during the pause. Batteriesystem (4), aufweisend mindestens eine Batteriezelle (6), wobei ein Spannungsmesser (8) und ein Spannungsregler (10) mit der Batteriezelle (6) gekoppelt sind, sowie einen Controller (12) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Battery system (4), having at least one battery cell (6), a voltmeter (8) and a voltage regulator (10) being coupled to the battery cell (6), and a controller (12) for carrying out a method according to one of Claims 1 until 9 .
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