DE102021207971A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden mindestens einer Li-Ionen-Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle (3), umfassend eine Stromquelle (4), um einen Ladestrom (IL) zur Verfügung zu stellen, wobei die Stromquelle (4) derart ausgebildet ist, einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil für den Ladestrom (IL) zu überlagern, wobei die Vorrichtung (1) weiter derart ausgebildet ist, eine resultierende Spannung (U) zu erfassen und mindestens einen Parameter der resultierenden Spannung (U) mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ein Li-Plating geschlossen wird, wobei die Vorrichtung (1) weiter derart ausgebildet ist, dass der Gleichstromanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichstromanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle.
• Aus der JP 2020 165 559 A ist ein Verfahren zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle bekannt, wobei ein Wechselstrom zum Laden verwendet wird und die resultierende Ladespannung ermittelt wird, wobei aus den Messwerten eine Impedanz ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit der ermittelten Impedanz die Wellenform des Ladestroms nachgeführt wird.
• Aus der DE 10 2018 108 184 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes eines Akkumulators bekannt, indem an Anschlusskontakten des Akkumulators ein Wechselstromsignal aufgeprägt wird und wenigstens ein elektrisches Antwortsignal des Akkumulators gemessen wird und zur Auswertung des Zustandes verwendet wird. Der Akkumulator ist vorzugsweise ein Li-lonen-Akkumulator, wobei der Zustand unter anderem ein Li-Plating ist. Dabei werden insbesondere die Oberwellen (2. oder höhere Harmonische) ausgewertet. Der ermittelte Zustand kann dann dazu verwendet werden, einen zukünftigen Ladevorgang anzupassen, wozu beispielsweise ein Ladestrom reduziert wird, um Li-Plating zu vermeiden.
• Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle zur Verfügung zu stellen sowie eine geeignete Vorrichtung zu schaffen.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 5 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 9 oder 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das Verfahren zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle erfolgt mittels eines Ladestromes, wobei der Ladestrom einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil aufweist. Weiter wird eine resultierende Spannung erfasst, wobei mindestens ein Parameter der resultierenden Spannung mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ein Li-Plating geschlossen wird, wobei der Gleichstromanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichstromanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird. Die Erkennung des Li-Platings wird also in den Ladevorgang integriert, sodass eine optimale Anpassung zeitnah möglich ist. Dabei gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten. In einer ersten Ausführungsform wird mit einem geringen Gleichstromanteil angefangen, der im Extremfall null ist. Anschließend wird dann der Gleichstromanteil erhöht, bis ein Li-Plating erfasst wird, wobei dann der letzte Erhöhungsschritt rückgängig gemacht wird. Somit wird mit dem höchstmöglichen Gleichstrom geladen, bei dem noch kein Li-Plating auftritt. Alternativ ist der Startwert des Gleichstromanteils so hoch, dass ein Li-Plating auftritt, wobei dann der Gleichstromanteil reduziert wird, bis kein Li-Plating mehr auftritt. Drittens kann mit einem Startwert für den Gleichstromanteil begonnen werden, der dazwischen liegt. Wird dann kein Li-Plating erfasst, so wird der Gleichstromanteil erhöht. Wird hingegen bereits Li-Plating festgestellt, so wird dieser schrittweise erniedrigt. Der Startwert kann dabei vorzugsweise ein Gleichstromwert des letzten Ladevorgangs sein. Der Vorteil der dritten Variante ist, dass diese im Regelfall am schnellsten ist. Dabei sei angemerkt, dass der Wechselstromanteil erheblich kleiner als der Gleichstromanteil am Ende des Ladevorgangs ist (z.B. mindestens eine Größenordnung).
• In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter der resultierenden Spannung das Auftreten mindestens einer Oberwelle, eine Amplitude mindestens einer Oberwelle und/oder die Amplitude einer Grundschwingung. Wird die Wechselspannung derart ausgebildet, dass deren Amplitude eine Spannung in der Größe der thermischen Spannung (≈ 26 mV bei 25 °C) erzeugt, so erzeugt der Wechselstrom alleine keine Oberwellen in dem Spannungssignal. Durch den zusätzlichen Gleichstromanteil können dann aber ab einer gewissen Stromstärke Oberwellen auftreten, die dann zur Bestimmung des Li-Platings ausgewertet werden können. Alternativ kann eine Amplitude mindestens einer Oberwelle (z.B. die erste Oberwelle, was der zweiten Harmonischen entspricht) ausgewertet werden. Alternativ oder kumulativ kann auch die Amplitude der Grundschwingung (bzw. erste Harmonische) ausgewertet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass beim Auftreten von Oberwellen die Leistung sich auf die Frequenzkomponenten aufteilt, was mit einer Reduzierung der Amplitude der Grundschwingung einhergeht. Das Auswerten der Amplitude der Grundschwingung hat mehrere Vorteile. Zum einen kennt man die Frequenz sehr genau, wohingegen die Oberwellen durch Verzerrungen gegebenenfalls nicht ganz so einfach detektiert werden können.
• Ein weiterer Vorteil ist, dass die Auswertung etwas einfacher ausgebildet werden kann, da keine FFT oder Ähnliches benötigt wird. Beispielsweise können der Ladestrom und die resultierende Spannung einfach kreuzkorreliert werden, was erheblich einfacher und schneller als eine FFT ist. Alternativ zur Kreuzkorrelation können die beiden Signale (Ladestrom und resultierende Spannung) auch durch Multiplikation miteinander verknüpft werden. Hierzu wird beispielsweise die erste Ableitung der resultierenden Spannung gebildet und diese mit dem Ladestrom multipliziert. Alternativ kann auch vorgesehen sein, den Ladestrom einmal mit der resultierenden Spannung direkt und einmal mit einer um 180° phasenverschobenen resultierenden Spannung zu multiplizieren. Die beiden Ergebnisse können dann mit 2 multipliziert werden, wobei dann anschließend der arithmetische Mittelwert gebildet wird. Aber auch andere Verfahren zur Verknüpfung von Ladestrom und resultierender Spannung sind möglich. Die Ausführungen gelten sinngemäß auch, wenn eine Ladespannung verwendet wird und ein resultierender Strom ausgewertet wird, was später noch erläutert wird. Ein weiterer Parameter kann auch eine bereits erwähnte Verschiebung von Oberwellen aufgrund von Verzerrungen sein.
• Wie bereits ausgeführt, kann die Amplitude des Wechselstroms derart gewählt werden, dass der Wechselstrom alleine keine Oberwellen in der resultierenden Spannung erzeugt.
• Die Frequenz des Wechselstroms liegt vorzugsweise zwischen 1 Hz bis 0,01 Hz.
• Vorzugsweise ist die Frequenz veränderbar. So kann beispielsweise im Vorfeld, aber auch während des Ladens ermittelt werden, was für Störfrequenzen vorliegen, die beispielsweise durch die Ladeinfrastruktur oder andere Komponenten hervorgerufen werden. Es kann dann eine Frequenz für den Wechselstrom (oder die Wechselspannung) gewählt werden, die einen möglichst großen Störabstand aufweist.
• Weiter kann nach Einstellung des optimalen Gleichstroms der Wechselstrom abgeschaltet werden.
• Alternativ kann das Verfahren auch mit einer Ladespannung ausgeführt werden, wobei dann der resultierende Strom ausgewertet wird. Ansonsten kann auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden. Die Amplitude der Wechselspannung liegt dabei vorzugsweise im Bereich der thermischen Spannung oder knapp darunter (z.B. 20 mV bis 25 mV).
• Hinsichtlich der vorrichtungsmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
• Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Laden einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laden einer Li-lonen-Batterie mittels eines Ladestroms,
• 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laden einer Li-lonen-Batterie mittels einer Ladespannung,
• 3a eine schematische Darstellung eines ersten Ladestroms,
• 3b eine schematische Darstellung einer ersten resultierenden Spannung,
• 4a eine schematische Darstellung eines zweiten Ladestroms,
• 4b eine schematische Darstellung einer zweiten resultierenden Spannung bei Li-Plating,
• 5a eine Darstellung eines ersten Ladestroms über der Frequenz,
• 5b eine Darstellung einer resultierenden Spannung über der Frequenz,
• 6a eine Darstellung eines zweiten Ladestroms über der Frequenz und
• 6b eine Darstellung einer resultierenden Spannung über der Frequenz bei Li-Plating.
• In der 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Laden einer Li-lonen-Batterie 2 dargestellt, wobei die Li-lonen-Batterie 2 aus einer Vielzahl von Li-lonen-Batteriezellen 3 besteht. Die Vorrichtung 1 weist eine Stromquelle 4 auf, um einen Ladestrom I_L zur Verfügung zu stellen. Die Stromquelle 4 ist derart ausgebildet, sowohl einen Wechselstrom als auch einen Gleichstrom zur Verfügung zu stellen, die als überlagertes Ladestromsignal I_L ausgegeben werden. In der 1 wird dies durch eine Gleichstromquelle 4a und eine Wechselstromquelle 4b dargestellt. Weiter weist die Vorrichtung 1 eine Auswerte- und Steuereinheit 5 sowie eine Spannungsmesseinrichtung 6 auf, die die resultierende Spannung U über der Li-lonen-Batterie 2 erfasst.
• In der 2 ist schematisch eine alternative Vorrichtung 10 zum Laden einer Li-lonen-Batterie 2 dargestellt, wobei zum Laden eine Spannungsquelle 11 verwendet wird. Die Spannungsquelle 11 ist derart ausgebildet, sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung zur Verfügung zu stellen, die als überlagerte Ladespannung U_L ausgegeben werden. Weiter weist die Vorrichtung 10 eine Auswerte- und Steuereinheit 5 und eine Strommesseinrichtung 12 auf, die den resultierenden Strom I durch die Li-lonen-Batterie 2 erfasst. Bevor die beiden Vorrichtungen 1, 10 in ihrer Arbeitsweise beschrieben werden, werden zunächst anhand der Figuren ein paar Vorbetrachtungen angestellt.
• In der 3a ist ein Verlauf eines Ladestroms I_L dargestellt, wobei der Gleichstromanteil I_1 gestrichelt dargestellt ist. Anschaulich ist der Ladestrom I_L ein Wechselstromsignal mit einem Gleichstrom-Offset. In der 3b ist dann ein resultierendes Spannungssignal U dargestellt, wenn kein Li-Plating auftritt. Dabei steigt die Spannung U pulsierend an.
• In der 4a ist ein zweiter Ladestrom I_L mit einer Gleichspannung I_2 dargestellt, wobei I_2 > I_1 ist. In der 4b ist dann gestrichelt die resultierende Spannung U dargestellt, die man erwarten würde, wobei durchgezogen die resultierende Spannung U dargestellt ist, die beim Auftreten von Li-Plating gemessen werden würde.
• In der 5a ist vereinfacht der Ladestrom über der Frequenz dargestellt, wobei es im Idealfall in der resultierenden Spannung U₁ ohne Li-Plating keine Oberwellen gibt. In der 6a ist hingegen ein Ladestrom I₂ dargestellt, bei dem Li-Plating auftritt (I₂ > I₁), sodass Oberwellen bei den Frequenzen f₂ und f₃ auftreten (f₂ = 1. Oberwelle und f₃ = 2. Oberwelle).
• Nun soll die Arbeitsweise der Vorrichtung 1 kurz erläutert werden. Dabei steuert die Auswerte- und Steuereinheit 5 die Stromquelle 4 an, dass diese einen Wechselstrom mit einer Frequenz f₁ liefert. Dabei kann die Auswerte- und Steuereinheit 5 die Frequenz f₁ innerhalb eines Frequenzbandes einstellen. Dabei wird vorzugsweise eine Frequenz f₁ eingestellt, die möglichst weit entfernt von Störfrequenzen ist. Die resultierende Spannung U wird erfasst und von der Auswerte- und Steuereinheit 5 wird mindestens ein Parameter der resultierenden Spannung U ausgewertet, ob es ein Anzeichen für Li-Plating gibt. Beispielsweise wird überprüft, ob Oberwellen aufgetreten sind oder ob die Amplitude der Grundschwingung kleiner als erwartet wird. Ist dies nicht der Fall, so steuert die Auswerte- und Steuereinheit 5 die Stromquelle 4 an, sodass der Gleichstromanteil erhöht wird. Dann erfolgt wieder die Auswertung der resultierenden Spannung. Dieses Verfahren wird solange fortgesetzt, bis ein Li-Plating festgestellt wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 5 macht dann den letzten Erhöhungsschritt rückgängig und führt den Ladevorgang weiter, der dann mit dem maximal möglichen Ladestrom I_L durchgeführt wird, bei dem kein Li-Plating auftaucht.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Li-lonen-Batterie

3

Li-lonen-Batteriezellen

4

Stromquelle

5

Steuereinheit

6

Spannungsmesseinrichtung

10

Vorrichtung

11

Spannungsquelle

12

Strommesseinrichtung

IL

Ladestrom

UL

Ladespannung

U

resultierende Spannung

I

resultierender Strom

f1

Frequenz der Grundschwingung

f2

Frequenz der 1. Oberwelle

f3

Frequenz der 2. Oberwelle

• 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
• JP 2020165559 A [0002]
• DE 102018108184 A1 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle (3) mittels eines Ladestromes (I_L), wobei der Ladestrom (I_L) einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil aufweist, wobei eine resultierende Spannung (U) erfasst wird, wobei mindestens ein Parameter der resultierenden Spannung (U) mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ein Li-Plating geschlossen wird, wobei der Gleichstromanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichstromanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter der resultierenden Spannung (U) das Auftreten mindestens einer Oberwelle, eine Amplitude mindestens einer Oberwelle und/oder die Amplitude einer Grundschwingung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Wechselstroms derart gewählt wird, dass der Wechselstrom alleine keine Oberwellen in der resultierenden Spannung (U) erzeugt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f₁) des Wechselstroms zwischen 1 Hz bis 0,01 Hz liegt.
5. Verfahren zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle (3) mittels einer Ladespannung (U_L), wobei die Ladespannung (U_L) einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil aufweist, wobei ein resultierender Strom (I) erfasst wird, wobei mindestens ein Parameter des resultierenden Stroms (I) mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ei Li-Plating geschlossen wird, wobei der Gleichspannungsanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichspannungsanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter des resultierenden Stroms (I) das Auftreten mindestens einer Oberwelle, eine Amplitude mindestens einer Oberwelle und/oder die Amplitude einer Grundschwingung ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Wechselspannung derart gewählt wird, dass die Wechselspannung alleine keine Oberwellen in dem resultierenden Strom (I) erzeugt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f₁) der Wechselspannung zwischen 1 Hz bis 0,01 Hz liegt.
9. Vorrichtung (1) zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle (3), umfassend eine Stromquelle (4), um einen Ladestrom (I_L) zur Verfügung zu stellen, wobei die Stromquelle (4) derart ausgebildet ist, einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil für den Ladestrom (I_L) zu überlagern, wobei die Vorrichtung (1) weiter derart ausgebildet ist, eine resultierende Spannung (U) zu erfassen und mindestens einen Parameter der resultierenden Spannung (U) mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ein Li-Plating geschlossen wird, wobei die Vorrichtung (1) weiter derart ausgebildet ist, dass der Gleichstromanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichstromanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird.
10. Vorrichtung (10) zum Laden mindestens einer Li-lonen-Batteriezelle (3), umfassend eine Spannungsquelle (11), um eine Ladespannung (U_L) zur Verfügung zu stellen, wobei die Spannungsquelle (11) derart ausgebildet ist, einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil für die Ladespannung (U_L) zu überlagern, wobei die Vorrichtung (10) weiter derart ausgebildet ist, einen resultierenden Strom (I) zu erfassen und mindestens einen Parameter des resultierenden Stroms (I) mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen, wobei anhand des Vergleichs mit dem Schwellwert auf ein Li-Plating geschlossen wird, wobei die Vorrichtung (10) weiter derart ausgebildet ist, dass der Gleichspannungsanteil schrittweise erhöht wird, bis ein Li-Plating detektiert wird oder der Gleichspannungsanteil schrittweise erniedrigt wird, bis kein Li-Plating mehr detektiert wird.

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