WO2016192961A1 - Verfahren zur bestimmung eines potentials einer anode und/oder eines potentials einer kathode in einer batteriezelle - Google Patents

Verfahren zur bestimmung eines potentials einer anode und/oder eines potentials einer kathode in einer batteriezelle Download PDF

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anode
battery cell
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voltage
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Andre Boehm
Olivier Cois
Thomas Dufaux
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a potential of an anode and / or a potential of a cathode in a battery cell, which has a negative terminal and a positive terminal.
  • Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here are batteries.
  • Primary batteries and secondary batteries distinguished. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable.
  • a battery comprises one or more battery cells.
  • lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV).
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid vehicles
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicles
  • Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also known as
  • Cathode is called, and a negative electrode, which is also referred to as anode on.
  • the cathode and the anode each include one
  • the active material for the cathode is, for example, a metal oxide.
  • Active material for the anode is, for example, silicon. But also graphite is used as an active material for anodes. In the active material of the anode lithium atoms are embedded. At a
  • Lithium ions from the active material of the anode reversible out, which is also referred to as Deinterkalation.
  • the lithium ions migrate from the cathode to the anode.
  • the lithium ions reversibly store back into the active material of the anode, which is also referred to as intercalation.
  • the electrodes of the battery cell are formed like a film and under
  • Interlayer of a separator which separates the anode from the cathode, wound into an electrode coil.
  • Such an electrode winding is also referred to as a jelly roll.
  • the electrodes may also be stacked to form an electrode stack.
  • a battery cell typically includes one or more electrode coils or electrode stacks.
  • the electrodes and the separator are of a generally liquid electrolyte
  • the electrolyte is conductive to the lithium ions and allows the transport of lithium ions between the electrodes.
  • a generic battery cell which includes an anode disposed within a housing and a cathode and two terminals, is known for example from DE 10 2012 223 796 AI.
  • a method for assessing a functional state of a battery cell is disclosed in DE 10 2011 117 098 Al.
  • a cell voltage and a state of charge of the battery cell are monitored and functional state parameters of the battery cell are determined.
  • EP 2 762 908 A1 discloses a method for determining the power of a battery cell. Among other things, cell temperature, current and voltage are measured while the battery cell is charging or discharging. From the measured data, an internal resistance of the battery cell is then determined.
  • a method for determining a potential PI of an anode and / or a potential P2 of a cathode in a battery cell is proposed.
  • Battery cell has a negative terminal and a positive terminal, and between the negative terminal and the positive terminal of the
  • Battery cell is applied to a cell voltage Ucell.
  • the potential PI of the anode corresponds to the difference of the electrochemical
  • the cell voltage Ucell corresponds to the difference from the electrochemical
  • the charge transfer resistance Ret of the battery cell is advantageously determined by a battery management system. These are appropriate
  • Charge contact resistance Rct2 of the cathode can be determined.
  • Charge contact resistance Rct2 of the cathode are in a constant relationship to each other, which, for example, by a ratio k between the charge transfer resistor Rct2 of the cathode and the
  • the constant ratio value k is advantageously determined as follows in the method preparation:
  • the charge transfer resistance Rctl of the anode can be determined from the ratio k and the charge transfer resistance Ret. Likewise, the Charge contact resistance Rct2 of the cathode from the ratio k and the charge transfer resistance Ret determined. The following applies:
  • the no-load voltage U R can be measured directly between the terminals of the battery cell when the battery is idling, ie when no current I flows. However, if the battery cell is in operation and a current I flows, a direct measurement of the open circuit voltage U R is not possible.
  • an ohmic resistance R0 of the battery cell is determined to determine the open circuit voltage U R, and the cell voltage Ucell applied between the terminals of the battery cell is measured. Then, the open-circuit voltage U R is determined from the cell voltage Ucell, the ohmic resistance R0, the charge transfer resistance Ret and the current I according to the following equation:
  • the ohmic resistance R0 of the battery cell is advantageously determined by a battery management system. For this purpose, corresponding methods are known from the prior art.
  • the depth of discharge DOD of the battery cell depends on the
  • No-load voltage U R No-load voltage U R.
  • the discharge depth DOD of the battery cell is taken from a discharge table FE preparatory to the process, which indicates the discharge depth DOD of the battery cell as a function of the no-load voltage. You get:
  • DOD FE (Ucell - (R0 * I + Ret * I))
  • the anode residual voltage Ul is dependent on the depth of discharge DOD of the battery cell.
  • the residual anode voltage U1 is taken from an anode table FA which prepares the anode residual voltage Ul as a function of the discharge depth DOD. You get:
  • the cathode residual voltage U2 is dependent on the depth of discharge DOD of the battery cell.
  • the cathode residual voltage U2 is from a
  • cathode table FK which indicates the cathode residual voltage U2 as a function of the depth of discharge DOD.
  • the anode overpotential Nl is determined from the charge transfer resistance Rctl of the anode and the current I according to the following equation:
  • the cathode overpotential N2 is determined from the charge transfer resistance Rct2 of the cathode and the current I according to the following equation:
  • the potential PI of the anode is determined from the anode residual voltage Ul and the anode overpotential Nl according to the following equation:
  • the potential P2 of the cathode is determined from the residual cathode voltage U2 and the cathode overpotential N2 according to the following equation:
  • a battery management system which is set up for carrying out the method according to the invention.
  • the inventive method is advantageously used in one
  • Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
  • determining the potential of the anode and the potential of the cathode of the battery cell can be concluded that the state of the battery cell, in particular an aging of the battery cell.
  • a determination of the potential of the anode and of the potential of the cathode of the battery cell online, in particular by measuring all the parameters required for it, is relatively complex and complicated.
  • the method according to the invention uses a simplified model of the battery cell for this purpose
  • Determining the potential of the anode and the potential of the cathode is relatively simple and in particular with relatively simple means executable.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a battery cell
  • FIG. 2 is a simplified electrical equivalent circuit diagram of the battery cell
  • FIG. 3 is a representation of the invention equivalent to that shown in FIG.
  • the battery cell 2 comprises a cell housing 3, which is prismatic, in the present cuboid.
  • the cell housing 3 is designed to be electrically conductive and, for example, made of aluminum.
  • the cell housing 3 may also be made of an electrically insulating material, such as plastic.
  • the battery cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Via the terminals 11, 12, a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off. Furthermore, the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • the terminals 11, 12 are spaced from one another on a top surface of the prismatic cell housing 3.
  • an electrode coil is arranged, which has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22.
  • the anode 21 and the cathode 22 are each made like a foil and wound with the interposition of a separator 18 to the electrode coil. It is also conceivable that a plurality of electrode windings are provided in the cell housing 3. Instead of the electrode winding, an electrode stack can also be provided, for example.
  • the anode 21 comprises an anodic active material 41, which is designed like a foil.
  • the anodic active material 41 has as a base silicon or a silicon-containing alloy.
  • the anode 21 further comprises a current conductor 31, which is also formed like a foil. The anodic active material 41 and the current conductor 31 are laid flat against each other and connected to each other.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, for example copper.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is electrically connected by means of a collector to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the cathode 22 comprises a cathodic active material 42, which is designed like a foil.
  • the cathodic active material 42 has as a base material a metal oxide, for example lithium cobalt oxide (LiCo0 2 ).
  • the cathode 22 further includes a current collector 32, which is also formed like a foil. The cathodic active material 42 and the current collector 32 are laid flat against each other and connected to each other.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, for example aluminum.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is electrically connected by means of a collector to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • the anode 21 and the cathode 22 are separated from each other by the separator 18.
  • the separator 18 is also formed like a film.
  • the separator 18 is electrically insulating, but ionically conductive, so permeable to lithium ions.
  • the cell case 3 of the battery cell 2 is filled with a liquid electrolyte 15, or with a polymer electrolyte.
  • the electrolyte 15 penetrates the anode 21, the cathode 22 and the separator 18.
  • the electrolyte 15 is also ionically conductive.
  • FIG. 2 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of the battery cell 2 from FIG. Here protrude the terminals 11, 12 from the
  • Cell housing 3 out and are accessible from the outside, especially for measurements.
  • terminals 11, 12 a not shown here consumer is connected in the form of an ohmic resistance.
  • a cell voltage Ucell which is directly measurable from the outside.
  • a current I flows from the positive terminal 12 through the battery cell 2 to the negative terminal 11, whereby the battery cell 2 is charged.
  • the current I can also be measured directly from the outside.
  • the anode 21 is simulated by a series circuit of a
  • the anode voltage source supplies an anode residual voltage Ul.
  • the cathode 22 is simulated by a series circuit of a
  • the cathode voltage source supplies a cathode residual voltage U2.
  • the ohmic resistor R0 comprises all parasitic resistances of the battery cell 2, in particular the resistors of the current conductors 31, 32, a resistor of a fuse, not shown, a resistance of the ion transport through the separator 18, resistors of the collectors and the terminals 11, 12 and resistors Active materials 41, 42.
  • the anode 21, the cathode 22 and the resistance R0 between the negative terminal 11 and the positive terminal 12 are connected in series.
  • the current I thus flows through the anode 21, the cathode 22 and the ohmic resistance R0.
  • the current I thus also flows through the charge transfer resistor Rctl of the anode 21.
  • a voltage drops which is referred to as anode overpotential Nl.
  • Nl a voltage drop which is referred to as anode overpotential
  • Anodenreststrong Ul and Anodenüberpotential Nl yields. Said sum of anode residual voltage Ul and anode overpotential Nl is referred to as the potential PI of the anode 21.
  • the current I thus flows through the charge transfer resistor Rct2 of
  • Cathode 22 This drops at the charge transfer resistor Rct2 of the cathode 22, a voltage which is referred to as cathode overpotential N2.
  • a voltage is applied to the cathode 22, which results from the sum of residual cathode voltage U2 and cathode overpotential N2.
  • said Sum of cathode residual voltage U2 and cathode overpotential N2 is referred to as potential P2 of the cathode 22.
  • FIG. 3 shows an equivalent representation to the illustration in FIG. 2 of the electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. They are the
  • Anode voltage source which supplies the anode residual voltage Ul
  • the cathode voltage source which supplies the cathode residual voltage U2
  • the charge transfer resistance Rctl of the anode 21 the charge transfer resistance Rctl of the anode 21
  • Resistor R0 in a modified order between the negative
  • Terminal 11 and the positive terminal 12 connected in series.
  • the value of the charge transfer resistance Ret is the sum of the values of the charge transfer resistance Rctl of the anode 21 and the charge transfer resistance Rct2 of the cathode 22.
  • the anode voltage source which supplies the anode residual voltage Ul and the
  • Cathode voltage source which supplies the cathode residual voltage U2 together form a voltage source which supplies an open-circuit voltage U R of the battery cell 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Potentials (P1) einer Anode (21) und/oder eines Potentials (P2) einer Kathode (22) in einer Batteriezelle (2), welche ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) aufweist, umfassend folgende Schritte: - Messung eines durch die Batteriezelle (2) fließenden Stroms (I), - Bestimmung eines Ladungsübergangswiderstandes der Batteriezelle (2), - Ermittlung eines Ladungsübergangswiderstandes (Rct1) der Anode (21) und/oder eines Ladungsübergangswiderstandes (Rct2) der Kathode (22) aus dem Ladungsübergangswiderstand, - Ermittlung einer Leerlaufspannungder Batteriezelle (2), - Ermittlung einer Entladungstiefe der Batteriezelle (2) aus der Leerlaufspannung, - Ermittlung einer Anodenrestspannung (U1) und/oder einer Kathodenrestspannung (U2) aus der Entladungstiefe der Batteriezelle (2), - Ermittlung eines Anodenüberpotentials (N1) aus dem Ladungsübergangswiderstand (Rct1) der Anode (21) sowie dem Strom (I) und/oder eines Kathodenüberpotentials (N2) aus dem Ladungsübergangswiderstand (Rct2) der Kathode (22) sowie dem Strom (I), - Ermittlung des Potentials (P1) der Anode (21) aus der Anodenrestspannung (U1) und dem Anodenüberpotential (N1) und/oder des Potentials (P2) der Kathode (22) aus der Kathodenrestspannung (U2) und dem Kathodenüberpotential (N2).

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Potentials einer Anode und/oder eines
Potentials einer Kathode in einer Batteriezelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Potentials einer Anode und/oder eines Potentials einer Kathode in einer Batteriezelle, welche ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweist.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden
Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen- Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als
Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen
Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem
Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Silizium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet. In das Aktivmaterial der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Bei einem
Entladevorgang der Batteriezelle fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle fließen Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die
Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Deinterkalation bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Interkalation bezeichnet wird.
Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter
Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.
Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt
durchdrungen. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die eine innerhalb eines Gehäuses angeordnete Anode und eine Kathode sowie zwei Terminals umfasst, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 223 796 AI bekannt.
Ein Verfahren zur Beurteilung eines Funktionszustandes einer Batteriezelle ist in der DE 10 2011 117 098 AI offenbart. Dabei werden eine Zellenspannung sowie ein Ladezustand der Batteriezelle überwacht und Funktionszustandsparameter der Batteriezelle bestimmt. Aus der EP 2 762 908 AI geht ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung einer Batteriezelle hervor. Dabei werden unter anderem Zellentemperatur, Strom und Spannung gemessen, während die Batteriezelle geladen oder entladen wird. Aus den gemessenen Daten wird anschließend ein Innenwiderstand der Batteriezelle bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Potentials PI einer Anode und/oder eines Potentials P2 einer Kathode in einer Batteriezelle vorgeschlagen. Die
Batteriezelle weist dabei ein negatives Terminal und ein positives Terminal auf, und zwischen dem negativen Terminal und dem positiven Terminal der
Batteriezelle liegt eine Zellspannung Ucell an. Das Potential PI der Anode entspricht der Differenz des elektrochemischen
Potentials <£1 s an der Oberfläche der Anode und dem elektrochemischen Potential Φ1 β eines die Anode umgebenden Elektrolyten:
P1 = 4>1 s - Φ1 β Das Potential P2 der Kathode entspricht der Differenz des elektrochemischen
Potentials <£2s an der Oberfläche der Kathode und dem elektrochemischen Potential Φ2β eines die Kathode umgebenden Elektrolyten:
Figure imgf000005_0001
Die Zellspannung Ucell entspricht der Differenz aus dem elektrochemischen
Potential Φΐ β an der Oberfläche der Anode und dem elektrochemischen
Potential <t>2s an der Oberfläche der Kathode:
Ucell = <t>1 s - Φ2β Erfindungsgemäß sind dabei folgende Schritte vorgesehen:
Messung eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms I,
Bestimmung eines Ladungsübergangswiderstandes Ret der Batteriezelle, Ermittlung eines Ladungsübergangswiderstandes Rctl der Anode und/oder eines Ladungsübergangswiderstandes Rct2 der Kathode aus dem Ladungsübergangswiderstand Ret, Ermittlung einer Leerlaufspannung U R der Batteriezelle,
Ermittlung einer Entladungstiefe DOD der Batteriezelle aus der
Leerlaufspannung U R,
Ermittlung einer Anodenrestspannung Ul und/oder einer
Kathodenrestspannung U2 aus der Entladungstiefe DOD der
Batteriezelle,
Ermittlung eines Anodenüberpotentials Nl aus dem
Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode sowie dem Strom I und/oder eines Kathodenüberpotentials N2 aus dem
Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode sowie dem Strom I, Ermittlung des Potentials PI der Anode aus der Anodenrestspannung Ul und dem Anodenüberpotential Nl und/oder des Potentials P2 der Kathode aus der Kathodenrestspannung U2 und dem
Kathodenüberpotential N2.
Der Ladungsübergangswiderstand Ret der Batteriezelle wird dabei vorteilhaft von einem Batteriemanagementsystem bestimmt. Hierzu sind entsprechende
Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt.
Durch Kenntnis des Ladungsübergangswiderstand Ret der Batteriezelle sind der Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode und der
Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode ermittelbar. Dabei gilt:
Ret = Rctl + Rct2
Der Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode und der
Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode stehen in einem konstanten Verhältnis zueinander, welches beispielsweise durch einen Verhältniswert k zwischen dem Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode und dem
Ladungsübergangswiderstand Ret beschrieben werden kann. Der konstante Verhältniswert k wird vorteilhaft verfahrensvorbereitend folgendermaßen bestimmt:
k = Rct2 / Ret
Der Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode kann aus dem Verhältniswert k und dem Ladungsübergangswiderstand Ret ermittelt werden. Ebenso kann der Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode aus dem Verhältniswert k und dem Ladungsübergangswiderstand Ret ermittelt. Es gilt:
Rctl = (1 - k) * Ret
Rct2 = k * Ret
Die Leerlaufspannung U R kann bei leerlaufender Batterie, also wenn kein Strom I fließt, direkt zwischen den Terminals der Batteriezelle gemessen werden. Wenn jedoch die Batteriezelle in Betrieb ist und ein Strom I fließt, ist eine direkte Messung der Leerlaufspannung U R nicht möglich.
Bei in Betrieb befindlicher Batteriezelle wird zur Ermittlung der Leerlaufspannung U R ein ohmscher Widerstandes R0 der Batteriezelle bestimmt, und die zwischen den Terminals der Batteriezelle anliegende Zellspannung Ucell wird gemessen. Dann wird die Leerlaufspannung U R aus der Zellspannung Ucell, dem ohmschen Widerstandes R0, dem Ladungsübergangswiderstand Ret und dem Strom I nach folgender Gleichung ermittelt:
U R = Ucell - (R0 * I + Ret * I)
Der ohmsche Widerstand R0 der Batteriezelle wird dabei vorteilhaft von einem Batteriemanagementsystem bestimmt. Hierzu sind entsprechende Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Entladungstiefe DOD der Batteriezelle ist abhängig von der
Leerlaufspannung U R. Die Entladungstiefe DOD der Batteriezelle wird aus einer verfahrensvorbereitend erstellten Entladungstabelle FE entnommen, welche die Entladungstiefe DOD der Batteriezelle in Abhängigkeit von der Leerlaufspannung angibt. Man erhält:
DOD = FE( U R )
DOD = FE (Ucell - (R0 * I + Ret * I))
Die Anodenrestspannung Ul ist abhängig von der Entladungstiefe DOD der Batteriezelle. Die Anodenrestspannung Ul wird aus einer verfahrensvorbereitend erstellten Anodentabelle FA entnommen, welche die Anodenrestspannung Ul in Abhängigkeit von der Entladungstiefe DOD angibt. Man erhält:
Ul = FA (DOD) Die Kathodenrestspannung U2 ist abhängig von der Entladungstiefe DOD der Batteriezelle. Die Kathodenrestspannung U2 wird aus einer
verfahrensvorbereitend erstellten Kathodentabelle FK entnommen, welche die Kathodenrestspannung U2 in Abhängigkeit von der Entladungstiefe DOD angibt. Man erhält:
U2 = FK (DOD)
Das Anodenüberpotential Nl wird aus dem Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode sowie dem Strom I nach folgender Gleichung ermittelt:
Nl = - Rctl * I
Das Kathodenüberpotential N2 wird aus dem Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode sowie dem Strom I nach folgender Gleichung ermittelt:
N2 = Rct2 * I
Das Potential PI der Anode wird aus der Anodenrestspannung Ul und dem Anodenüberpotential Nl nach folgender Gleichung ermittelt:
PI = Nl + Ul
PI = (k - 1) * Ret * I + FA (FE (Ucell - (R0 * I + Ret * I)))
Das Potential P2 der Kathode wird aus der Kathodenrestspannung U2 und dem Kathodenüberpotential N2 nach folgender Gleichung ermittelt:
P2 = N2 + U2
P2 = k * Ret * I + FK (FE (Ucell - (R0 * I + Ret * I)))
Es wird auch ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, wobei das Computerprogramm auf einer
programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
Ferner wird ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhaft Verwendung in einer
Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer- Elektronik- Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Durch die Bestimmung des Potentials der Anode sowie des Potentials der Kathode der Batteriezelle kann auf den Zustand der Batteriezelle, insbesondere auf eine Alterung der Batteriezelle geschlossen werden. Eine Bestimmung des Potentials der Anode sowie des Potentials der Kathode der Batteriezelle online, insbesondere durch Messung aller dafür erforderlicher Parameter, stellt sich verhältnismäßig komplex und aufwendig dar. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt hierzu ein vereinfachtes Modell der Batteriezelle, wodurch die
Bestimmung des Potentials der Anode sowie des Potentials der Kathode verhältnismäßig einfach und insbesondere mit verhältnismäßig einfachen Mitteln ausführbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
Figur 2 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der Batteriezelle aus
Figur 1 und
Figur 3 eine zu der Darstellung in Figur 2 äquivalente Darstellung des
elektrischen Ersatzschaltbilds aus Figur 2.
Ausführungsformen der Erfindung Eine Batteriezelle 2 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mittels eines Kollektors mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium- Kobalt-Oxid (LiCo02). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mittels eines Kollektors mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt. Der Elektrolyt 15 durchdringt dabei die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.
In Figur 2 ist ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der Batteriezelle 2 aus Figur 1 dargestellt. Dabei ragen die Terminals 11, 12 aus dem
Zellengehäuse 3 heraus und sind von außen zugänglich, insbesondere für Messungen. An den Terminals 11, 12 ist ein hier nicht dargestellter Verbraucher in Form eines ohmschen Widerstandes angeschlossen.
Zwischen den besagten Terminals 11, 12 liegt eine Zellspannung Ucell an, welche von außen direkt messbar ist. Vorliegend fließt ein Strom I von dem positiven Terminal 12 durch die Batteriezelle 2 zu dem negativen Terminal 11, wodurch die Batteriezelle 2 geladen wird. Auch der Strom I ist von außen direkt messbar. Die Anode 21 wird nachgebildet durch eine Reihenschaltung aus einer
Anodenspannungsquelle und einem Ladungsübergangswiderstand Rctl. Die Anodenspannungsquelle liefert dabei eine Anodenrestspannung Ul. Die Kathode 22 wird nachgebildet durch eine Reihenschaltung aus einer
Kathodenspannungsquelle und einem Ladungsübergangswiderstand Rct2. Die Kathodenspannungsquelle liefert dabei eine Kathodenrestspannung U2.
Ferner ist ein ohmscher Widerstand R0 vorgesehen. Der ohmsche Widerstand R0 umfasst dabei alle parasitären Teilwiderstände der Batteriezelle 2, insbesondere die Widerstände der Stromableiter 31, 32, einen Widerstand einer nicht dargestellten Sicherung, einen Widerstand des lonentransports durch den Separator 18, Widerstände der Kollektoren sowie der Terminals 11, 12 und Widerstände der Aktivmaterialien 41, 42.
In dem vereinfachten elektrischen Ersatzschaltbild der Batteriezelle 2 sind die Anode 21, die Kathode 22 und der ohmsche Widerstand R0 zwischen dem negativen Terminal 11 und dem positiven Terminal 12 in Reihe geschaltet. Der Strom I durchfließt somit die Anode 21, die Kathode 22 und den ohmschen Widerstand R0.
Der Strom I durchfließt damit auch den Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21. Dabei fällt an dem Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21 eine Spannung ab, welche als Anodenüberpotential Nl bezeichnet wird. An der Anode 21 liegt somit eine Spannung an, welche sich aus der Summe aus
Anodenrestspannung Ul und Anodenüberpotential Nl ergibt. Besagte Summe aus Anodenrestspannung Ul und Anodenüberpotential Nl wird als Potential PI der Anode 21 bezeichnet. Der Strom I durchfließt damit auch den Ladungsübergangswiderstand Rct2 der
Kathode 22. Dabei fällt an dem Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode 22 eine Spannung ab, welche als Kathodenüberpotentlal N2 bezeichnet wird. An der Kathode 22 liegt somit eine Spannung an, welche sich aus der Summe aus Kathodenrestspannung U2 und Kathodenüberpotentlal N2 ergibt. Besagte Summe aus Kathodenrestspannung U2 und Kathodenüberpotential N2 wird als Potential P2 der Kathode 22 bezeichnet.
Figur 3 zeigt eine zu der Darstellung in Figur 2 äquivalente Darstellung des in Figur 2 gezeigten elektrischen Ersatzschaltbilds. Dabei sind die die
Anodenspannungsquelle, welche die Anodenrestspannung Ul liefert, die Kathodenspannungsquelle, welche die Kathodenrestspannung U2 liefert, der Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21, der
Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode 22 sowie der ohmsche
Widerstand R0 in einer abgewandelten Reihenfolge zwischen dem negativen
Terminal 11 und dem positiven Terminal 12 in Reihe geschaltet.
Der Strom I durchfließt somit weiterhin die Anodenspannungsquelle, die
Kathodenspannungsquelle, den Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21, den Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode 22 und den ohmschen
Widerstand R0. Zwischen den Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 liegt weiterhin die Zellspannung Ucell an.
Der Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21 und der
Ladungsübergangswiderstand Rct2 der Kathode 22 bilden zusammen einen
Ladungsübergangswiderstand Ret. Der Wert des Ladungsübergangswiderstands Ret ergibt sich als Summe der Werte des Ladungsübergangswiderstand Rctl der Anode 21 und des Ladungsübergangswiderstands Rct2 der Kathode 22. Die Anodenspannungsquelle, welche die Anodenrestspannung Ul liefert, und die
Kathodenspannungsquelle, welche die Kathodenrestspannung U2 liefert, bilden gemeinsam eine Spannungsquelle, welche eine Leerlaufspannung U R der Batteriezelle 2 liefert. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Potentials (PI) einer Anode (21) und/oder eines Potentials (P2) einer Kathode (22)
in einer Batteriezelle (2), welche ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) aufweist, umfassend folgende Schritte:
Messung eines durch die Batteriezelle (2) fließenden Stroms (I), Bestimmung eines Ladungsübergangswiderstandes (Ret) der Batteriezelle (2),
Ermittlung eines Ladungsübergangswiderstandes (Rctl) der Anode (21) und/oder eines Ladungsübergangswiderstandes (Rct2) der
Kathode (22)
aus dem Ladungsübergangswiderstand (Ret),
Ermittlung einer Leerlaufspannung (U R) der Batteriezelle (2), Ermittlung einer Entladungstiefe (DOD) der Batteriezelle (2) aus der Leerlaufspannung (U R),
Ermittlung einer Anodenrestspannung (Ul) und/oder einer
Kathodenrestspannung (U2) aus der Entladungstiefe (DOD) der Batteriezelle (2),
Ermittlung eines Anodenüberpotentials (Nl) aus dem
Ladungsübergangswiderstand (Rctl) der Anode (21) sowie dem
Strom (I)
und/oder eines Kathodenüberpotentials (N2) aus dem
Ladungsübergangswiderstand (Rct2) der Kathode (22) sowie dem Strom (I),
- Ermittlung des Potentials (PI) der Anode (21) aus der
Anodenrestspannung (Ul) und dem Anodenüberpotential (Nl) und/oder des Potentials (P2) der Kathode (22) aus der Kathodenrestspannung (U2) und dem Kathodenüberpotential (N2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsübergangswiderstand (Ret) von einem
Batteriemanagementsystem bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verhältniswert (k) zwischen dem Ladungsübergangswiderstand (Rct2) der Kathode (22) und dem Ladungsübergangswiderstand (Ret) verfahrensvorbereitend bestimmt wird, und dass
der Ladungsübergangswiderstand (Rctl) der Anode (21) aus dem Verhältniswert (k) und dem Ladungsübergangswiderstand (Ret) ermittelt wird, und/oder dass der Ladungsübergangswiderstand (Rct2) der Kathode (22) aus dem Verhältniswert (k) und dem
Ladungsübergangswiderstand (Ret) ermittelt wird.
Verfahren nach, dadurch gekennzeichnet, dass
ein ohmscher Widerstandes (RO) der Batteriezelle (2) bestimmt wird, dass eine zwischen den Terminals (11, 12) anliegende Zellspannung (Ucell) gemessen wird, und dass
die Leerlaufspannung (U R) aus der Zellspannung (Ucell), dem ohmschen Widerstandes (RO), dem Ladungsübergangswiderstand (Ret) und dem Strom (I) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der ohmsche Widerstand (RO) von einem Batteriemanagementsystem bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entladungstiefe (DOD) der Batteriezelle (2) aus einer
verfahrensvorbereitend erstellten Entladungstabelle (FE) entnommen wird, welche die Entladungstiefe (DOD) der Batteriezelle (2) in
Abhängigkeit von der Leerlaufspannung (U R) angibt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenrestspannung (Ul) aus einer verfahrensvorbereitend erstellten Anodentabelle (FA) entnommen wird, welche die
Anodenrestspannung (Ul) in Abhängigkeit von der Entladungstiefe (DOD) angibt, und/oder dass
die Kathodenrestspannung (U2) aus einer verfahrensvorbereitend erstellten Kathodentabelle (FK) entnommen wird, welche die
Kathodenrestspannung (U2) in Abhängigkeit von der Entladungstiefe (DOD) angibt.
8. Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
9. Batteriemanagementsystem, welches zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7
in einer Batteriezelle (2) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer- Elektronik-Produkt.
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