WO2021115694A1 - Verfahren, vorrichtung, system, elektrofahrzeug, computerprogramm und speichermedium zum laden oder entladen einer zelle eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

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Definitions

  • the fast charging function for accelerated charging of an electric vehicle is the subject of current developments.
  • One or more battery cells of the electric vehicle are operated at the limits of their specification, which, if these are exceeded, can lead to potential damage to the respective battery cells.
  • One object on which the invention is based is to create a method for charging a cell of an electrical energy storage device that is both efficient and safe, which in particular helps avoid cell-damaging charging currents in (ultra) fast charging mode without computationally intensive control of the charging current.
  • a method for efficient and safe discharging of the cell is to be specified, as well as a device corresponding to the method, a system, an electric vehicle, a computer program and a computer-readable storage medium.
  • the invention relates to a method for charging a cell of an electrical energy store.
  • An energy storage device for an electric vehicle for example a lithium-ion-based secondary battery, is to be regarded as an electrical energy storage device.
  • the energy store can in particular comprise a plurality of cells or cell groups which are arranged in a battery pack. The method described below on the basis of a single cell can also be applied to a number of cells or cell groups.
  • a step A1 the cell is put into a charging mode in which a charging current is supplied to the cell.
  • a first characteristic impedance value and a second characteristic impedance value are determined during the charging operation.
  • the first characteristic impedance value and the second characteristic impedance value are each representative of a complex alternating current impedance of the cell.
  • a measured value can in particular be recorded in each case, which is representative of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the measured value is obtained, for example, by applying an AC voltage signal to the cell, recording time samples of voltage and current data, windows of the voltage and current data in a corresponding time range and performing a Fast Fourier transformation based on the windowed voltage and current data in order to achieve the Identify voltage and current quantities at a specific frequency and use them to calculate the complex alternating current impedance of the cell.
  • a first characteristic temperature value is determined using the first characteristic impedance value and a second characteristic temperature value is determined using the second characteristic impedance value.
  • the first temperature parameter and the second temperature parameter each representative of a temperature of the cell.
  • a look-up table can be used to determine the first and / or second characteristic temperature value.
  • a look-up table includes, for example, an associated temperature parameter for respective impedance parameters.
  • the specific frequency mentioned above and / or a state of charge of the cell can serve as an additional variable for determining the temperature parameter.
  • the characteristic temperature values stored in the look-up table can be assigned in particular impedance features such as a real part, imaginary part, an amplitude or phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the charging current to the cell is reduced in the event that the deviation
  • the temperature threshold value can be, for example, between 1 ° and 4 ° C, in particular 2 ° C.
  • This aspect of the invention is based on the knowledge that the two temperature parameters are identical or essentially identical in normal cell use. If, on the other hand, a cell is charged with damaging currents, the temperature parameters differ from one another, since the charging mode has already changed the cell at this point in time to such an extent that the model conditions for converting the impedance into temperature have been violated. If a critical difference is exceeded, the currents are therefore up to a complete interruption of the charging operation, so that further damage to the battery storage is prevented. Any loss of capacity in the cell caused by briefly exceeding the temperature threshold is negligibly small.
  • the first characteristic impedance value is representative of a first impedance feature with respect to a first frequency at a first point in time.
  • the second characteristic impedance value is representative of the same first impedance feature with respect to a second frequency different from the first frequency at the same first point in time.
  • the first impedance feature here designates a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the second impedance feature denotes one of a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the first characteristic impedance value is representative of a first impedance feature with respect to a first frequency at a first point in time.
  • the second characteristic impedance value is representative of a second impedance characteristic that is different from the first impedance characteristic with respect to the same first frequency at the same first point in time.
  • the first impedance feature here designates a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the second impedance feature also designates a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • step B1) comprises a step B1-1) in which a first measured value is recorded at the first point in time and the first characteristic impedance value is determined on the basis of the first measured value.
  • the first measured value is representative of a complex alternating current impedance of the cell.
  • Step Bl) also includes a step Bl-2) in which at least two second measured values are recorded at second points in time different from the first point in time, and the second characteristic impedance value based on the first point in time based on the at least two second measured values by interpolating the at least two second measured values is determined.
  • the at least two second measured values are each representative of a complex alternating current impedance of the cell.
  • the charging operation is a fast charging operation or ultra fast charging operation of the cell.
  • the fast charge mode includes, for example, when a C-rate of at least 2C is reached.
  • the ultra-fast charge mode includes, for example, when a C-rate of at least 3C is reached.
  • it can also depend on the state of charge. So it is possible that with a low SOC of 20%, for example, charging with 3C can often be carried out without any problems, but with higher SOCs such as 80% this may not be possible without damage.
  • the invention relates to a method for charging or discharging a cell of an electrical energy store.
  • a step A2 the cell is put into a resting phase in which the cell is neither supplied with electricity nor tapped from the cell.
  • a first characteristic impedance value and a second characteristic impedance value are determined during the rest phase.
  • the first characteristic impedance value and the second characteristic impedance value are each representative of a complex alternating current impedance of the cell.
  • a first characteristic impedance value normalized with respect to a predetermined boundary condition is determined based on the first characteristic impedance value and a second characteristic impedance value normalized with respect to the predetermined boundary condition is determined based on the second characteristic impedance value.
  • normalization with respect to a boundary condition is understood to be a conversion of the impedance parameters to impedance parameters when the cell is operating under normal conditions, i.e. decisive factors influencing the complex alternating current impedance of the cell, such as a state of charge and a temperature of the cell, are taken into account.
  • decisive factors influencing the complex alternating current impedance of the cell such as a state of charge and a temperature of the cell.
  • a state of charge and a temperature of the cell are taken into account.
  • the state of charge can also be referred to as the "State of Charge" (SoC).
  • a charging and / or discharging profile is adapted in such a way that the current to be supplied to the cell or to be tapped from the cell is reduced in the event that the deviation
  • the predetermined impedance threshold ITH is, for example, between 1 mW and 5 mW, in particular 2.5 mW.
  • the predefined impedance profile I Ref is understood to mean, in particular, an expected profile of the complex alternating current impedance of the cell during operation under normal conditions based on a specific frequency, in particular based on the same impedance features on which the impedance parameters are based.
  • this aspect of the invention is based on the knowledge that from the observation of the complex alternating current impedance of the cell in idle phases, a change in the complex alternating current impedance can be used as an indicator of harmful operation.
  • operating limits of the cell can thus be adapted, in particular with regard to charging and discharging of the cell.
  • This also takes into account the fact that the complex alternating current impedance of the cell also changes during normal operation, but this happens, for example, comparatively faster or with the opposite sign due to damaging currents.
  • the first characteristic impedance value is representative of a first impedance feature with respect to a first frequency at a first point in time.
  • the second characteristic impedance value is representative of the same first impedance feature with respect to the same first frequency at a second point in time that is different from the first point in time.
  • the first impedance feature here designates a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the second impedance feature denotes one of a real part, an imaginary part, an amplitude or a phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the first frequency is selected above 500 Hz.
  • the first frequency is selected above 500 Hz.
  • the first frequency and the second frequency are between 500 Hz and 10,000 Hz.
  • the invention relates to a device for charging or discharging a cell of an electrical energy store.
  • the device is set up to carry out a method according to the first and / or second aspect.
  • the device can also be referred to as a battery control device.
  • the invention relates to a system comprising a device according to the third aspect, an electrical energy store with at least one cell and a measuring device that is coupled and controllable with the device according to the third aspect and the at least one cell of the electrical energy store to detect a complex alternating current impedance of the at least one cell and according to the apparatus to provide the third aspect as a measured value.
  • the measuring device can be, for example, an IC that is able to determine the complex alternating current impedance of individual battery cells with sufficient accuracy.
  • a resolution in the range of 1 mW - 2 mW is considered to be sufficiently accurate and a repeat accuracy should advantageously be in the range between 2-5 mW in particular.
  • the measurement uncertainty may, however, be significantly greater. Since the method advantageously includes a conversion to another variable (the temperature) and these characteristics are adapted individually for each cell and thus on a chip, a systematic deviation via the characteristic itself is eliminated again.
  • the electrical energy store is a lithium-ion battery for an electric vehicle.
  • the invention relates to an electric vehicle, comprising a system according to the fourth aspect, an electrical consumer and a charging interface.
  • the electrical consumer and the charging interface are coupled to the electrical energy store.
  • the device according to the third aspect comprised by the system according to the fourth aspect is also set up to control a charging current to be supplied to the electrical energy store via the charging interface.
  • the device comprised by the system according to the fourth aspect is set up according to the third aspect to control an operating current to be tapped from the electrical energy store for the electrical consumer.
  • the invention relates to a computer program for charging or discharging a cell of a Electrical energy store, comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to execute the method according to the first and / or second aspect.
  • the invention relates to a computer-readable storage medium on which the computer program according to the sixth aspect is stored.
  • Figure 1 an electric vehicle with a device for charging or discharging a cell of an electrical energy storage device of the electric vehicle
  • FIG. 2 shows a method for charging a cell of an electrical energy store of the electric vehicle
  • FIG. 3 shows a method for charging or discharging a cell of an electrical energy store of the electric vehicle
  • FIG. 4 shows an overview of a test sequence for the method according to FIGS. 2 and 3,
  • FIG. 5 shows a temperature estimate according to the method described with reference to FIG. 2,
  • FIG. 6 shows a course of the imaginary part according to the method described with reference to FIG. 3, difference between the maxima and difference between the minima
  • FIG. 7 shows a curve of the real part according to the method described with reference to FIG. 3, difference between the maxima and difference between the minima, and
  • FIG. 8 changes in the impedance of a cell over several cycles.
  • Fast charging of lithium-ion batteries can be carried out using predefined charging profiles, for example.
  • the charging profiles can be adjusted depending on the age.
  • Other more complex methods provide for the use of a model and adaptive tracking of the model (e.g. US 2011/0285356 Al).
  • a one-off damage to battery cells due to a charging process can be proven simply by means of highly precise charging and discharging, thus preventing further damage to the battery storage system by changing the charging profile.
  • the one-off loss of capacity is in the per mille range.
  • FIG. 1 shows a device 3 according to the invention for charging a cell of an electrical energy store 1 of an electric vehicle 100, as well as a corresponding system 10 and an electric vehicle 1.
  • the system 10 comprises at least one measuring device 5, at least one of the cells of the energy store 1 being assigned to and coupled to at least one measuring device 5.
  • the measuring device 5 is also coupled to the device 3 and set up to provide it with a measured value that is representative of a complex alternating current impedance of the monitored cell (s).
  • the electric vehicle 100 has an electrical consumer 11 and a charging interface 13. In particular, one or more electric motors of the drive of the electric vehicle 100 come into consideration as the electrical consumer 11.
  • the electrical consumer 11 and the charging interface 13 are coupled to the energy store 1.
  • the device 3 is assigned a data and program memory on which at least one of the Programs are stored, which are described below with reference to the flowcharts of Figures 2 and 3.
  • the program according to FIG. 2 starts in a step A) in which, for example, variables are initialized.
  • the program is then continued in a step A1), in which the cell is put into a charging mode and a charging current is supplied to the cell.
  • a start of the program in this context is triggered by coupling the charging interface 13 to an external energy source.
  • step Bl The program is then continued in a step Bl), in which a first and a second
  • Impedance parameters Ii, I2 can be determined.
  • two measured values Mi, M2 are recorded by the measuring device 5 and provided to the device 3, which are representative of the complex alternating current impedance of a cell at a first point in time.
  • the measured values Mi, M2 are measured simultaneously.
  • FIG. 2 shows a case in which a simultaneous measurement is not possible.
  • a first measured value Mi is recorded at the first point in time, based on which the first characteristic impedance value Ii is determined.
  • step B1-2 at least two further measured values M2-1, M2-2 are recorded (preferably before and after the first point in time) and provided to the device 3, which are also representative of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the further measured values M2-1, M2-2 are interpolated on the same time base in order to enable a comparison with the first characteristic impedance value Ii at a common point in time.
  • the impedance parameters Ii, I2 are used below as a basis for the comparison and basis for a Statement as to whether the current has to be reduced during fast charging.
  • the first characteristic impedance value Ii comprises one of the following impedance features with respect to a predetermined frequency at the first point in time: real part, imaginary part, amplitude or phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the second characteristic impedance value I2 comprises the same impedance feature with respect to a different frequency at the first point in time.
  • the second characteristic impedance value I2 comprises a different impedance feature with respect to the same predetermined frequency at the first point in time.
  • the two characteristic impedance values are, for example, the real and imaginary parts of the impedance measurement at a frequency of 3125 Hz, or, for example, two imaginary parts at different frequencies.
  • the program is then continued in a step CI) in which a first and second characteristic temperature value Ti, T2 are determined on the basis of the characteristic impedance values Ii, I2, which are each representative of a temperature of the cell.
  • the impedance values are converted to a cell temperature, for example, with the aid of a look-up table (cf. eg DE 102013 103 921 A1).
  • the program is then continued in a step Dl) in which a deviation
  • step El The program is then continued in a step El), in which it is first checked (step El-1)) whether the determined deviation
  • step El-2 If the test shows that the deviation
  • step El-2) the charging current is reduced or the charging mode is canceled.
  • the method is then ended in a subsequent step F).
  • step F1 the charging operation is continued with the charging current unchanged or, depending on the charging profile, possibly increased.
  • the program can then be continued, for example, after a predetermined period of time in step B1, in order to continue to monitor the charging operation.
  • the described program steps are used to measure the impedance during rapid charging of the electric vehicle and to determine the internal cell temperature from the measured impedance and function T Re ( Re (Z)) and Ti m ( Im (Z)). If the difference T Re -Ti m is greater than the temperature threshold value T TH , the charging profile is adapted.
  • the function can be adjusted in phases of thermal equilibrium (e.g. electric vehicle 100 has been standing for 20 minutes). A generalization of the function to other operating ranges (eg high-rate discharge) is also conceivable.
  • the program according to FIG. 3 starts in a step A) in which, for example, variables are initialized.
  • step A2 The program is then continued in a step A2), in which the cell is put into a resting phase and no charging current is supplied to the cell via the charging interface 13 and no operating current is drawn to operate the electrical consumer 11.
  • a start of the program in this context is triggered by the completion of a charging or operating process of the electric vehicle 100.
  • step B2 The program is then continued in a step B2) in which a first and a second
  • Impedance parameters Ii, I2 can be determined. For example, a first measured value Mi, which is representative of the complex alternating current impedance of the cell at a first point in time, and a second measured value M2, which is representative of the complex alternating current impedance of the cell at a second point in time, are recorded by the measuring device 5 and the device 3 provided. For example, the measured values Mi, M2 are measured simultaneously.
  • the impedance parameters Ii, I2 are used below as the basis for the comparison and the basis for a statement as to whether the current must be reduced during fast charging.
  • the first characteristic impedance value Ii comprises one of the following impedance features with respect to a predetermined frequency at the first point in time: real part, imaginary part, amplitude or phase of the complex alternating current impedance of the cell.
  • the second characteristic impedance value I2 comprises the same impedance characteristic with respect to the same frequency at the second point in time. In any case, there are two identical impedance features (Re, Im, Abs or phase) at the same frequency at different times.
  • the two characteristic impedance values are, for example, two real or imaginary parts of the impedance measurement at a frequency of 781 Hz.
  • a change D ⁇ 11 _ 12 of the first normalized impedance characteristic value is determined ⁇ i to the second normalized impedance characteristic value I2.
  • Impedance reference value I Ref 2 of a predetermined impedance curve I Ref is determined, which results approximately from an impedance curve to be expected.
  • step D2 there is a comparison of the change in the impedance value over time, for example the real part.
  • step Dl a reversal of the sign of the change DI can also take place here. If a different trend occurs contrary to the normal course, it can be concluded that the cell has been damaged.
  • the normal course can represent a reduction for the real part in the first hundred cycles and only then an increase.
  • step E2 The program is then continued in a step E2), in which it is first checked (step E2-1)) whether the determined deviation
  • step E2-2 If the test shows that the deviation
  • step E2-2 the charging and / or discharging profile is adapted in such a way that the maximum current to be supplied to the cell in subsequent charging processes or the maximum current to be tapped by the cell in subsequent discharging processes is reduced.
  • the method is then ended in a subsequent step F).
  • step F2 the charging and / or discharging profile is continued unchanged.
  • the program can then be continued in step A2, for example after a predetermined period of time in which a charging operation and / or a ferry operation of the electric vehicle can have taken place, in order to enable further monitoring of the energy store.
  • the described program steps are used to measure the impedance in the resting phase of the electric vehicle, with the impedance being measured under equilibrium conditions (no-load voltage and temperature).
  • the rate of change of the impedance real or imaginary part
  • the rate of change can be compared with conventional values.
  • FIG. 4 In the overview of the test procedure (FIG. 4), several rapid charging cycles (P1-P10) with different intensity or harmfulness of a charging voltage U over the time t [data] are shown.
  • Profile PI also shows behavior deviating from the norm in the temperature peak (artifact).
  • the charging profiles P1-P10 were each run through according to their numbering with four cycles c, with three normal cycles being carried out in between (cf. FIG. 4).

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers (1) angegeben, umfassend: A1) Versetzen der Zelle in einen Ladebetrieb, B1) Ermitteln eines ersten und zweiten Impedanzkennwerts, repräsentativ für je eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle, C1) Ermitteln eines ersten und zweiten Temperaturkennwerts anhand der Impedanzkennwerte, repräsentativ für jeweils eine Temperatur der Zelle, D1) Ermitteln einer Abweichung der Temperaturkennwerte, und E1) Reduzieren eines Ladestroms der Zelle im Falle, dass die Abweichung einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert überschreitet. Darüber hinaus werden ein weiteres Verfahren, eine korrespondierende Vorrichtung (3), ein System (10), ein Elektrofahrzeug (100), ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren, Vorrichtung, System, Elektrofahrzeug, Computerprogramm und Speichermedium zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers
Die Schnelllade-Funktion zum beschleunigten Laden eines Elektrofahrzeugs ist Gegenstand derzeitiger Entwicklungen. Dabei werden eine oder mehrere Batteriezellen des Elektrofahrzeugs an den Grenzen ihrer Spezifikation betrieben, was im Falle, dass diese überschritten werden, zu einer potentiellen Schädigung der jeweiligen Batteriezellen führen kann.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein zugleich effizientes wie sicheres Verfahren zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers zu schaffen, das insbesondere beiträgt, zellschädigende Ladestromstärken im (Ultra-)Schnellladebetrieb ohne rechenintensive Steuerung des Ladestroms zu vermeiden. Überdies soll ein Verfahren zum effizienten und sicheren Entladen der Zelle angegeben sowie eine zu den Verfahren korrespondierende Vorrichtung, ein System, ein Elektrofahrzeug, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium geschaffen werden.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers. Als elektrischer Energiespeicher ist insbesondere ein Energiespeicher für ein Elektrofahrzeug anzusehen, beispielhaft eine Sekundärbatterie auf Lithium-Ionen-Basis. Der Energiespeicher kann dabei insbesondere mehrere Zellen oder Zellgruppen umfassen, die in einem Batteriepack angeordnet sind. Das im Folgenden anhand einer einzelnen Zelle beschriebene Verfahren ist sinngemäß auch auf mehrere Zellen oder Zellgruppen übertragbar.
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt Al) die Zelle in einen Ladebetrieb versetzt, in dem der Zelle ein Ladestrom zugeführt wird.
Daraufhin werden in einem auf den Schritt Al) folgenden Schritt Bl) ein erster Impedanzkennwert sowie ein zweiter Impedanzkennwert während des Ladebetriebs ermittelt. Der erste Impedanzkennwert und der zweite Impedanzkennwert sind hierbei jeweils repräsentativ für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle.
Zur Ermittlung des ersten und/oder zweiten Impedanzkennwerts kann insbesondere jeweils ein Messwert erfasst werden, der repräsentativ ist für die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle. Der Messwert ergibt sich beispielhaft durch Anlagen eines Wechselspannungssignals an der Zelle, Erfassen von Zeitabtastwerten von Spannungs- und Stromdaten, Fenstern der Spannungs- und Stromdaten auf einen korrespondierenden Zeitbereich und Durchführen einer Fast-Fourier-Transformation anhand der gefensterten Spannungs- und Stromdaten, um die Spannungs- und Stromgrößen bei einer spezifischen Frequenz zu identifizieren und daraus die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle zu errechnen.
In einem bezüglich des Schritts Bl) darauffolgenden Schritt CI) werden ein erster Temperaturkennwert anhand des ersten Impedanzkennwerts sowie ein zweiter Temperaturkennwert anhand des zweiten Impedanzkennwerts ermittelt. Hierbei sind der erste Temperaturkennwert und der zweite Temperaturkennwert jeweils repräsentativ für eine Temperatur der Zelle.
Zur Ermittlung des ersten und/oder zweiten Temperaturkennwerts kann insbesondere eine Look-up-Tabelle herangezogen werden. Eine derartige Look-up-Tabelle umfasst etwa für jeweilige Impedanzkennwerte einen zugehörigen Temperaturkennwert. Als zusätzliche Größe zur Ermittlung des Temperaturkennwerts können beispielhaft vorgenannte spezifische Frequenz und/oder ein Ladezustand der Zelle dienen. Alternativ oder zusätzlich können den in der Look-up-Tabelle hinterlegten Temperaturkennwerten insbesondere Impedanzmerkmale wie ein Realteil, Imaginärteil, eine Amplitude oder Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle zugeordnet sein.
Im Anschluss an den Schritt CI) wird in einem Schritt Dl) eine Abweichung |DT| = |T1-T2I des ersten Temperaturkennwerts Ti von dem zweiten Temperaturkennwert T2 ermittelt.
Schließlich wird in einem Schritt El) der Ladestrom zu der Zelle reduziert im Falle, dass die Abweichung |DT| einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert TTH überschreitet. Der Temperaturschwellenwert kann beispielhaft zwischen 1° und 4° C betragen, insbesondere 2° C.
Dieser Aspekt der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die zwei Temperaturkennwerte im normalen Zellgebrauch identisch oder im Wesentlichen identisch sind. Wird eine Zelle hingegen mit schädigenden Strömen geladen, so weichen die Temperaturkennwerte voneinander ab, da der Ladebetrieb die Zelle zu diesem Zeitpunkt bereits soweit verändert hat, dass die Modellbedingungen zur Umrechnung der Impedanz in die Temperatur verletzt wurden. Bei Überschreiten einer kritischen Differenz werden die Ströme daher bis hin zu einem vollständigen Abbruch des Ladebetriebs reduziert, so dass eine weitere Schädigung des Batteriespeichers verhindert wird. Ein durch kurzzeitiges Überschreiten des Temperaturschwellenwerts verursachter Kapazitätsverlust der Zelle ist dabei vernachlässigbar gering.
In vorteilhafter Weise kann so eine Schädigung von Batteriezellen aufgrund eines Ladevorgangs weitgehend verhindert und so zu einem sicheren wie zugleich effizienten Ladevorgang beigetragen werden. Insbesondere finden mit dem vorgeschlagenen Verfahren unterschiedliche Alterungspfade der Batteriezellen Berücksichtigung. Ein Vorhalt zwischen einem theoretisch maximal möglichen Ladestrom und einem rechnerisch maximal möglichen Ladestrom, bei dem die Zelle jeweils unbeschädigt bleibt, kann daher verringert werden. Auf ein komplexes, geregeltes Ladeverfahren mit hohem Parametrierungsaufwand und zusätzlich erforderlicher Rechenkapazität auf einem Batteriesteuergerät kann hierdurch verzichtet werden.
In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der erste Impedanzkennwert repräsentativ für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt. Überdies ist der zweite Impedanzkennwert repräsentativ für dasselbe erste Impedanzmerkmal bezüglich einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu demselben ersten Zeitpunkt. Hierbei bezeichnet das erste Impedanzmerkmal einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle. Ebenso bezeichnet das zweite Impedanzmerkmal eines aus einem Realteil, einem Imaginärteil, einer Amplitude oder einer Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle. In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der erste Impedanzkennwert repräsentativ für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt. Überdies ist der zweite Impedanzkennwert repräsentativ für ein von dem ersten Impedanzmerkmal verschiedenes zweites Impedanzmerkmal bezüglich derselben ersten Frequenz zu demselben ersten Zeitpunkt. Hierbei bezeichnet das erste Impedanzmerkmal einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle. Ebenso bezeichnet das zweite Impedanzmerkmal einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle.
In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Schritt Bl) einen Schritt Bl-1), in dem ein erster Messwert zu dem ersten Zeitpunkt erfasst und der erste Impedanzkennwert anhand des ersten Messwerts ermittelt wird. Der erste Messwert ist hierbei repräsentativ für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle.
Der Schritt Bl) umfasst außerdem einen Schritt Bl-2), in dem wenigstens zwei zweite Messwerte zu von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkten erfasst werden, und der zweite Impedanzkennwert bezogen auf den ersten Zeitpunkt anhand der wenigstens zwei zweiten Messwerte durch Interpolieren der wenigstens zwei zweiten Messwerte ermittelt wird. Hierbei sind die wenigstens zwei zweiten Messwerte jeweils repräsentativ für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle.
Alternativ hierzu kann in dem Schritt Bl-2) auch lediglich ein zweiter Messwert zu dem erstem Zeitpunkt erfasst und der zweite Impedanzkennwert anhand des zweiten Messwerts ermittelt werden. In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt handelt es sich bei dem Ladebetrieb um einen Schnellladebetrieb oder Ultra schnellladebetrieb der Zelle. Der Schnellladebetrieb umfasst beispielsweise, wenn eine C-Rate von mindestens 2C erreicht wird. Der Ultraschnellladebetrieb umfasst beispielsweise, wenn eine C-Rate von mindestens 3C erreicht. Dabei kann es aber auch auf den Ladezustand ankommen. So ist es möglich, dass bei einem niedrigen SOC von z.B. 20% oft problemlos mit 3C geladen werden kann, bei höheren SOCs wie z.B. 80% ist dies jedoch gegebenenfalls nicht ohne Schädigung möglich. Ähnliches gilt für die Temperatur, wobei hier bei niedrigen Temperaturen <15°C eine Reduktion des Stroms forteilhaft sein kann. Allgemein kann bei mittleren Laderaten von 2C jedoch von Schnellladen gesprochen werden.
Im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt erfolgte Erläuterungen finden - soweit nicht anderweitig beschrieben - im Folgenden ebenfalls Anwendung für gleiche Begriffe oder gleichartige Merkmale .
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers.
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt A2) die Zelle in eine Ruhephase versetzt, in der der Zelle Strom weder zugeführt noch Strom von der Zelle abgegriffen wird.
Daraufhin werden in einem auf den Schritt A2) folgenden Schritt B2) ein erster Impedanzkennwert sowie ein zweiter Impedanzkennwert während der Ruhephase ermittelt. Der erste Impedanzkennwert und der zweite Impedanzkennwert sind hierbei jeweils repräsentativ für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle. In einem bezüglich des Schritts B2) darauffolgenden Schritt C2) werden ein erster bezüglich einer vorgegebenen Randbedingung normierter Impedanzkennwert anhand des ersten Impedanzkennwerts sowie ein zweiter bezüglich der vorgegebenen Randbedingung normierter Impedanzkennwert anhand des zweiten Impedanzkennwerts ermittelt.
Als Normierung bezüglich einer Randbedingung wird hier und im Folgenden eine Umrechnung der Impedanzkennwerte auf Impedanzkennwerte im Betrieb der Zelle unter Normalbedingungen verstanden, das heißt, maßgebliche Faktoren der Beeinflussung der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle wie ein Ladezustand sowie eine Temperatur der Zelle werden berücksichtigt. Unter Normalbedingungen kann etwa ein Betrieb der Zelle bei einer Temperatur von 25° C und einem Ladezustand von 50% bezeichnet werden. Der Ladezustand kann auch als „State of Charge" (SoC) bezeichnet werden.
Im Anschluss an den Schritt C2) wird in einem Schritt D2) eine Änderung des ersten normierten Impedanzkennwerts Ii zu dem zweiten normierten Impedanzkennwert I2 sowie eine Abweichung IDII = I(I1-I2)-(lRefi-lRef2)I dieser Änderung I1-I2 von einer Änderung lRefi-lRef2 eines ersten Impedanzreferenzwerts iRefi zu einem zweiten Impedanzreferenzwert lRef2 eines vorgegebenen Impedanzverlaufs lRef ermittelt.
Schließlich wird in einem Schritt E2) ein Lade- und/oder Entladeprofil derart angepasst, dass der der Zelle zuzuführende oder von der Zelle abzugreifende Strom reduziert wird im Falle, dass die Abweichung |DI| einen vorgegebenen Impedanzschwellenwert ITH überschreitet. Der vorgegebene Impedanzschwellenwert ITH beträgt beispielhaft zwischen 1 mW und 5 mW, insbesondere 2,5 mW. Als vorgegebener Impedanzverlauf lRef wird insbesondere ein zu erwartender Verlauf der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle im Betrieb unter Normalbedingungen bezogen auf eine spezifische Frequenz verstanden, insbesondere bezogen auf dieselben Impedanzmerkmale, die den Impedanzkennwerten zugrunde liegen. So ist bei Batteriezellen auf Lithium-Ionen- Basis in den ersten 100 Ladezyklen eine Abnahme des Realteils der komplexen Wechselstromimpedanz zu beobachten; anschließend steigt der Realteil üblicherweise wieder. Wird die Zelle einem schädigen Betrieb ausgesetzt, kann es zu einer stärkeren Zunahme des Realteils bzw. einer weniger starken Abnahme des Realteils in den ersten Ladezyklen kommen.
In anderen Worten beruht dieser Aspekt der Erfindung auf der Erkenntnis, dass aus der Beobachtung der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle in Ruhephasen eine Änderung der komplexen Wechselstromimpedanz als Indikator für einen schädigenden Betrieb verwendet werden kann. Im Folgenden können so Betriebsgrenzen der Zelle angepasst werden, insbesondere im Hinblick auf ein Laden und Entladen der Zelle. Hierbei wird also auch berücksichtigt, dass sich die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle ebenso im normalen Betrieb verändert, was durch schädigende Ströme jedoch beispielsweise vergleichsweise schneller oder mit entgegengesetztem Vorzeichen geschieht.
In vorteilhafter Weise kann so eine einmalige Schädigung von Batteriezellen aufgrund Lade- oder Entladevorgängen erkannt und nachfolgende Schädigungen dementsprechend verhindert werden, so dass zu einem sicheren wie zugleich effizienten Laden wie Entladen beigetragen werden kann. In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist der erste Impedanzkennwert repräsentativ für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt. Überdies ist der zweite Impedanzkennwert repräsentativ für dasselbe erste Impedanzmerkmal bezüglich derselben ersten Frequenz zu einem von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt. Hierbei bezeichnet das erste Impedanzmerkmal einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle. Ebenso bezeichnet das zweite Impedanzmerkmal eines aus einem Realteil, einem Imaginärteil, einer Amplitude oder einer Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle.
In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt ist die erste Frequenz oberhalb von 500 Hz gewählt. Überdies ist die erste Frequenz oberhalb von 500 Hz gewählt. Insbesondere betragen die erste Frequenz und die zweite Frequenz zwischen 500 Hz und 10000 Hz.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers. Die Vorrichtung ist dabei eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt durchzuführen. Die Vorrichtung kann auch als Batteriesteuergerät bezeichnet werden.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein System, umfassend eine Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt, einen elektrischen Energiespeicher mit wenigstens einer Zelle sowie eine Messvorrichtung, die mit der Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt sowie der wenigstens einen Zelle des elektrischen Energiespeichers gekoppelt und steuerbar eingerichtet ist, eine komplexe Wechselstromimpedanz der wenigstens einen Zelle zu erfassen und der Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt als Messwert bereitzustellen. Bei der Messvorrichtung kann es sich beispielhaft um einen IC handeln, der die komplexe Wechselstromimpedanz einzelner Batteriezellen mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln vermag. Als ausreichend genau wird hier eine Auflösung im Bereich von 1 mW - 2 mW betrachtet und eine Wiederholgenauigkeit sollte vorteilhafter Weise insbesondere im Bereich zwischen 2-5mW liegen. Die Messunsicherheit darf dabei jedoch deutlich größer sein. Da das Verfahren vorteilhaft eine Umrechnung auf eine andere Größe (die Temperatur) umfasst und diese Kennlinien Zell- und damit Chipindividuell adaptiert werden, wird eine systematische Abweichung über die Kennlinie selbst wieder eliminiert .
In einer Ausgestaltung gemäß dem vierten Aspekt handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um eine Lithium- Ionen Batterie für ein Elektrofahrzeug.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug, umfassend ein System gemäß dem vierten Aspekt, einen elektrischen Verbraucher sowie eine Ladeschnittstelle. Der elektrische Verbraucher und die Ladeschnittstelle sind hierbei mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt. Die von dem System gemäß dem vierten Aspekt umfasste Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt ist überdies eingerichtet, einen dem elektrischen Energiespeicher über die Ladeschnittstelle zuzuführenden Ladestrom zu steuern. Alternativ oder zusätzlich ist die von dem System gemäß dem vierten Aspekt umfasste Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt eingerichtet, einen von dem elektrischen Energiespeicher für den elektrischen Verbraucher abzugreifenden Betriebsstrom zu steuern.
Gemäß einem sechsten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem siebten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß dem sechsten Aspekt gespeichert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Elektrofahrzeug mit einer Vorrichtung zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers des Elektrofahrzeugs,
Figur 2 ein Verfahren zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers des Elektrofahrzeugs,
Figur 3 ein Verfahren zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers des Elektrofahrzeugs,
Figur 4 eine Übersicht eines Versuchsablaufs der Verfahren gemäß Figuren 2 und 3,
Figur 5 eine Temperaturschätzung gemäß dem anhand Fig. 2 geschilderten Verfahren,
Figur 6 ein Verlauf des Imaginärteils gemäß dem anhand Fig. 3 geschilderten Verfahren, Differenz der Maxima und Differenz der Minima, Figur 7 ein Verlauf des Realteils gemäß dem anhand Fig. 3 geschilderten Verfahren, Differenz der Maxima und Differenz der Minima, und
Figur 8 Änderungen der Impedanz einer Zelle über mehrere Zyklen.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .
Schnellladen von Batterien auf Lithium-Ionen Basis kann beispielhaft über vordefinierte Ladeprofile durchgeführt werden. Um eine Schädigung der Batteriezellen zu vermeiden kann hierbei eine Anpassung der Ladeprofile in Abhängigkeit des Alters erfolgen. Weitere aufwändigere Methoden sehen die Verwendung eines Modells und die adaptive Nachführung des Modells vor (z.B. US 2011/0285356 Al). Im Labor kann eine einmalige Schädigung von Batteriezellen aufgrund eines Ladevorgangs einfach über eine hochgenaue Ladung und Entladung nachgewiesen werden und so eine weitere Schädigung des Batteriespeichers durch Umstellung des Ladeprofils verhindert werden. Der einmalig auftretende Kapazitätsverlust bewegt sich dabei im Promille-Bereich.
Bei Verwendung von vordefinierten Profilen und der Nachführung über einen Alterungsindikator, wie etwa der verbleibenden Restkapazität, wird den unterschiedlichen Alterungspfaden der Zelle nicht Rechnung getragen, u.a. da der Innenwiderstand der Zelle nicht eindeutig umkehrbar von der Restkapazität abhängig ist. Somit muss ein Vorhalt gebildet werden, um für sämtliche Alterungspfade eine sichere und nicht-schädigende Ladung der Batterie zu gewährleisten. Komplexere, geregelte Ladeverfahren die auf Modellen beruhen erfordern einen hohen Parametrierungsaufwand und benötigen zusätzliche Rechenkapazität auf einem Batteriesteuergerät. Eine hochpräzise Ladung und Entladung eines gesamten Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs ist im Betrieb kaum möglich und auch dem Nutzer des Elektrofahrzeugs nicht zuzumuten, da hierdurch die Einsatzmöglichkeit bzw. - bereitschaft des Elektrofahrzeugs stark eingeschränkt ist.
Mit neuartigen Messvorrichtungen ist es möglich, die Impedanz der Zellen mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln, um damit das Schnellladen zu optimieren und weitere Diagnosen bezüglich der Degradation zu ermöglichen.
Anhand Figur 1 sind eine erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers 1 eines Elektrofahrzeugs 100 sowie ein korrespondierendes System 10 und ein Elektrofahrzeug 1 dargestellt.
Das System 10 umfasst neben der Vorrichtung 3 und dem Energiespeicher 1 mit einer oder mehreren Zellen wenigstens eine Messvorrichtung 5, wobei wenigstens eine der Zellen des Energiespeichers 1 wenigstens einer Messvorrichtung 5 zugeordnet und mit dieser gekoppelt ist. Insbesondere ist denkbar, dass mehrere Zellen des Energiespeichers 1 zu einer Zellgruppe verschaltet sind, und von einer Messvorrichtung 5 überwacht werden. Die Messvorrichtung 5 ist darüber hinaus mit der Vorrichtung 3 gekoppelt und eingerichtet, dieser einen Messwert bereitzustellen, der repräsentativ ist für eine komplexe Wechselstromimpedanz der überwachten Zelle(n). Das Elektrofahrzeug 100 weist neben dem System 10 einen elektrischen Verbraucher 11 sowie eine Ladeschnittstelle 13 auf. Als elektrischer Verbraucher 11 kommen insbesondere ein oder mehrere Elektromotoren des Antriebs des Elektrofahrzeugs 100 in Betracht. Der elektrische Verbraucher 11 sowie die Ladeschnittstelle 13 sind mit dem Energiespeicher 1 gekoppelt.
Es wird vorgeschlagen, die komplexe Wechselstromimpedanz der Zellen im Elektrofahrzeug während des Schnellladevorgangs und auch in Ruhephasen zu überwachen. Dabei hat sich ein Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz als sinnvoll erwiesen. Durch Berechnung von zwei Zelltemperaturen aus Real- und Imaginärteil der komplexen Wechselstromimpedanz können zwei Temperaturen bestimmt werden, die im normalen Zellgebrauch identisch sind. Wird eine Zelle mit schädigenden Strömen geladen, weichen die Temperaturen voneinander ab, so dass bei Überschreiten einer kritischen Differenz die Ladung gestoppt oder die Ströme reduziert werden können, wie nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms der Figur 2 näher erläutert. Weiterhin kann aus der Beobachtung der komplexen Wechselstromimpedanz in Ruhephasen eine Änderung der komplexen Wechselstromimpedanz als Indikator für einen schädigenden Betrieb verwendet werden, so dass im Folgenden Betriebsgrenzen angepasst werden können, wie dies anhand des Ablaufdiagramms der Figur 3 im Detail beschrieben ist. Hierbei wird berücksichtigt, dass sich die Impedanz der Zelle auch im normalen Betrieb verändert und durch den schädigenden Betrieb entweder schneller oder sogar mit entgegengesetztem Vorzeichen verändert.
Der Vorrichtung 3 ist in diesem Zusammenhang ein Daten- und Programmspeicher zugeordnet, auf der wenigstens eines der Programme gespeichert ist, die im Folgenden anhand der Ablaufdiagramme der Figur 2 und 3 geschildert werden.
Das Programm gemäß Figur 2 startet in einem Schritt A) in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden. Daraufhin wird das Programm in einem Schritt Al) fortgesetzt, in dem die Zelle in einen Ladebetrieb versetzt und der Zelle ein Ladestrom zugeführt wird. Beispielhaft wird ein Start des Programms in diesem Zusammenhang durch eine Kopplung der Ladeschnittstelle 13 mit einer externen Energiequelle ausgelöst .
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt Bl) fortgesetzt, in dem ein erster und ein zweiter
Impedanzkennwert Ii, I2 ermittelt werden. Beispielsweise werden hierzu durch die Messvorrichtung 5 zwei Messwerte Mi, M2 erfasst und der Vorrichtung 3 bereitgestellt, die repräsentativ sind für die komplexe Wechselstromimpedanz einer Zelle zu einem ersten Zeitpunkt. Beispielhaft werden die Messwerte Mi, M2 gleichzeitig gemessen. Anhand Figur 2 ist davon abweichend ein Fall dargestellt, in dem eine gleichzeitige Messung nicht möglich ist. Hierbei wird zunächst (Schritt Bl-1)) ein erster Messwert Mi im ersten Zeitpunkt erfasst anhand dem der erste Impedanzkennwert Ii ermittelt wird. Überdies (Schritt Bl-2)) werden mindestens zwei weitere Messwerte M2-1, M2-2 erfasst (bevorzugt jeweils vor und nach dem ersten Zeitpunkt) und der Vorrichtung 3 bereitgestellt, die ebenfalls repräsentativ sind für die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle. Zur Ermittlung des zweiten Impedanzkennwerts I2 werden die weiteren Messwerte M2-1, M2-2 interpoliert auf die gleiche Zeitbasis, um so einen Vergleich mit dem ersten Impedanzkennwert Ii zu einem gemeinsamen Zeitpunkt zu ermöglichen. Die Impedanzkennwerte Ii, I2 dienen im Folgenden als Basis des Vergleichs und Grundlage für eine Aussage, ob der Strom beim Schnellladen verringert werden muss.
Der erste Impedanzkennwert Ii umfasst eines der folgenden Impedanzmerkmale bezüglich einer vorgegebenen Frequenz zu dem ersten Zeitpunkt: Realteil, Imaginärteil, Amplitude oder Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle.
In einer ersten Ausführungsvariante umfasst der zweite Impedanzkennwert I2 dasselbe Impedanzmerkmal bezüglich einer anderen Frequenz zu dem ersten Zeitpunkt.
In einer zweiten Ausführungsvariante umfasst der zweite Impedanzkennwert I2 hingegen ein anderes Impedanzmerkmal bezüglich derselben vorgegebenen Frequenz zu dem ersten Zeitpunkt .
In jedem Fall handelt es sich also um zwei verschiedene Impedanzmerkmale (Re, Im, Abs oder Phase) oder gleiche Impedanzmerkmale bei unterschiedlichen Frequenzen.
Bei den zwei Impedanzkennwerten handelt es sich beispielhaft um Real- und Imaginärteil der Impedanzmessung bei einer Frequenz von 3125 Hz, oder um z.B. zwei Imaginärteile bei unterschiedlichen Frequenzen.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt CI) fortgesetzt, in dem anhand der Impedanzkennwerte Ii, I2 ein erster und zweiter Temperaturkennwert Ti, T2 ermittelt wird, die jeweils repräsentativ sind für eine Temperatur der Zelle. Eine Umrechnung der Impedanzwerte auf eine Zelltemperatur erfolgt beispielhaft unter zur Hilfenahme einer Look-up Tabelle (vgl. z.B. DE 102013 103 921 Al). Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt Dl) fortgesetzt, in dem eine Abweichung |DT| = |T1-T2I der Temperaturkennwerte Ti, T2 ermittelt wird.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt El) fortgesetzt, in dem zunächst (Schritt El-1)) geprüft wird, ob die ermittelte Abweichung |DT| einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert TTH überschreitet.
Falls die Prüfung ergibt, dass die Abweichung |DT| den vorgegebenen Temperaturschwellenwert TTH überschreitet, wird das Programm in einem Schritt El-2 fortgesetzt, anderenfalls wird das Programm in einem Schritt Fl fortgesetzt.
In dem Schritt El-2) wird der Ladestrom reduziert oder der Ladebetrieb abgebrochen. In einem anschließenden Schritt F) wird das Verfahren dann beendet.
In dem Schritt Fl) wird der Ladebetrieb mit unverändertem oder je nach Ladeprofil ggf. erhöhtem Ladestrom fortgesetzt. Das Programm kann anschließend beispielhaft nach einer vorgegebenen Zeitspanne in dem Schritt Bl fortgesetzt werden, um den Ladebetrieb weiter zu überwachen.
Beispielhaft erfolgt durch die beschriebenen Programmschritte eine Impedanzmessung während der Schnellladung des Elektrofahrzeugs sowie je eine Bestimmung der zellinternen Temperatur aus der gemessenen Impedanz und Funktion TRe(Re(Z)) und Tim(Im(Z)). Wenn die Differenz TRe-Tim größer als der Temperaturschwellenwert TTH ist, dann erfolgt eine Anpassung des Ladeprofils. Überdies kann eine Nachführung der Funktion in Phasen des thermischen Gleichgewichts erfolgen (z.B. Elektrofahrzeug 100 stand seit 20 Minuten). Ebenfalls denkbar ist eine Verallgemeinerung der Funktion auf andere Betriebsbereiche (z.B. Entladung mit hoher Rate). Das Programm gemäß Figur 3 startet in einem Schritt A) in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden. Daraufhin wird das Programm in einem Schritt A2) fortgesetzt, in dem die Zelle in eine Ruhephase versetzt und der Zelle kein Ladestrom über die Ladeschnittstelle 13 zugeführt wird und kein Betriebsstrom zum Betreiben des elektrischen Verbrauchers 11 entnommen wird. Beispielhaft wird ein Start des Programms in diesem Zusammenhang durch einen Abschluss eines Lade- oder Betriebsvorgangs des Elektrofahrzeugs 100 ausgelöst.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt B2) fortgesetzt, in dem ein erster und ein zweiter
Impedanzkennwert Ii, I2 ermittelt werden. Beispielsweise werden hierzu durch die Messvorrichtung 5 ein erster Messwert Mi, der repräsentativ ist für die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle zu einem ersten Zeitpunkt, sowie ein zweiter Messwert M2, der repräsentativ ist für die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle zu einem zweiten Zeitpunkt, erfasst und der Vorrichtung 3 bereitgestellt. Beispielhaft werden die Messwerte Mi, M2 gleichzeitig gemessen. Die Impedanzkennwerte Ii, I2 dienen im Folgenden als Basis des Vergleichs und Grundlage für eine Aussage, ob der Strom beim Schnellladen verringert werden muss.
Der erste Impedanzkennwert Ii umfasst eines der folgenden Impedanzmerkmale bezüglich einer vorgegebenen Frequenz zu dem ersten Zeitpunkt: Realteil, Imaginärteil, Amplitude oder Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle.
Der zweite Impedanzkennwert I2 umfasst dasselbe Impedanzmerkmal bezüglich derselben Frequenz zu dem zweiten Zeitpunkt. In jedem Fall handelt es sich also um zwei identische Impedanzmerkmale (Re, Im, Abs oder Phase) bei derselben Frequenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Bei den zwei Impedanzkennwerten handelt es sich beispielhaft um zwei Real- oder Imaginärteile der Impedanzmessung bei einer Frequenz von 781 Hz.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt C2) fortgesetzt, in dem anhand der Impedanzkennwerte Ii, I2 ein erster und zweiter normierter Impedanzkennwert ίi, I2 ermittelt wird, die jeweils repräsentativ sind für die komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle bei Normalbedingungen von 25° C und 50% SOC. Aufgrund dieser Umrechnung ist die Messwerteaufnahme bei Fahrzeugruhe (Strom = 0, Temperatur homogen) zu bevorzugen.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt D2) fortgesetzt, in dem zunächst (Schritt D2-1)) eine Änderung Dί= 11_12 des ersten normierten Impedanzkennwerts ίi zu dem zweiten normierten Impedanzkennwert I2 ermittelt wird. Daraufhin wird in einem Schritt D2-2) eine Abweichung |DI|=|DI-(lRefi-lRef2)I dieser Änderung DI von einer Änderung eines ersten Impedanzreferenzwerts iRefi zu einem zweiten
Impedanzreferenzwert lRef2 eines vorgegebenen Impedanzverlaufs IRef ermittelt, der sich etwa aus einem zu erwartenden Impedanzverlauf ergibt.
In dem Schritt D2) erfolgt ein Vergleich der Änderung des Impdanzwertes über die Zeit, z.B. des Realteils. Im Gegensatz zu dem Schritt Dl kann hierbei auch eine Umkehrung des Vorzeichens der Änderung DI stattfinden. Tritt ein entgegen dem normalen Verlauf anderer Trend ein, so kann auf eine Schädigung der Zelle geschlossen werden. Der normale Verlauf kann dabei für den Realteil in den ersten hundert Zyklen eine Reduktion darstellen und erst anschließend eine Zunahme.
Das Programm wird im Anschluss in einem Schritt E2) fortgesetzt, in dem zunächst (Schritt E2-1)) geprüft wird, ob die ermittelte Abweichung |DI| einen vorgegebenen Impedanzschwellenwert ITH überschreitet.
Falls die Prüfung ergibt, dass die Abweichung |DI| den vorgegebenen Impedanzschwellenwert ITH überschreitet, wird das Programm in einem Schritt E2-2 fortgesetzt, anderenfalls wird das Programm in einem Schritt F2 fortgesetzt.
In dem Schritt E2-2) wird das Lade- und/oder Entladeprofil derart angepasst, dass der der Zelle maximal zuzuführende bei nachfolgenden Ladevorgängen bzw. der von der Zelle maximal abzugreifende Strom bei nachfolgenden Entladevorgängen reduziert wird. In einem anschließenden Schritt F) wird das Verfahren dann beendet.
In dem Schritt F2) wird das Lade- und/oder Entladeprofil unverändert fortgesetzt. Das Programm kann anschließend beispielhaft nach einer vorgegebenen Zeitspanne, in der ein Ladebetrieb und/oder ein Fährbetrieb des Elektrofahrzeugs erfolgt sein kann, in dem Schritt A2 fortgesetzt werden, um eine weitere Überwachung des Energiespeichers zu ermöglichen.
Beispielhaft erfolgt durch die beschriebenen Programmschritte eine Impedanzmessung in der Ruhephase des Elektrofahrzeugs, wobei die Messung der Impedanz unter Gleichgewichtsbedingungen (LeerlaufSpannung und Temperatur) erfolgt. Überdies kann eine Bestimmung der Änderungsrate der Impedanz (Real- oder Imaginärteil) sowie ein Vergleich der Änderungsrate mit üblichen Werten erfolgen. In der Übersicht des Versuchsablaufs (Fig. 4) sind mehrere Schnellladzyklen (P1-P10) mit unterschiedlicher Intensität bzw. Schädlichkeit einer Ladespannung U über die Zeit t [Daten] dargestellt.
Aus der Temperaturschätzung gemäß dem anhand Fig. 2 geschilderten Verfahren aus Realteil und Imaginärteil (Fig. 5) bei einer Frequenz f=3125Hz zeigen Profile 6, 9 und 10 starke Abweichungen ATSim der aus Imaginärteil und Realteil getrennt ermittelten Temperaturen. Daraus lässt sich schließen, dass das zur Schätzung verwendete Modell im Vergleich zu anderen Profilen nicht ausreicht, was vermutlich auf sogenanntes „Plating" zurückzuführen ist. Überdies zu sehen ist, dass Profile P5 und P8 kurz vor Ladeschluss eine höhere Abweichung DTsim erreichen.
Anhand Fig. 6 (links) ist die Entwicklung des Imaginärteils gemäß dem anhand Fig. 3 geschilderten Verfahren bei einer Frequenz f=781Hz des Profils P10 dargestellt. Bei Betrachtung des Maximums ergibt sich abhängig vom Profil jeweils eine höchste Temperatur T. Eine Differenz der Maxima innerhalb jeweils eines Zyklus c ist für die Profile P1-P10 rechts oben dargestellt. Hierbei verändert sich wie zu sehen in den Profilen P6, P9, und P10 die Impedanz Z stark und gegen den Trend.
Profil PI zeigt ebenfalls ein von der Norm abweichendes Verhalten in der Temperaturspitze (Artefakt).
Bei Betrachtung des Minimums in Fig. 6 (links) ergibt sich unabhängig vom Profil jeweils eine niedrigste, konstante Temperatur T. Eine Differenz der Minima innerhalb jeweils eines Zyklus c ist für die Profile P1-P10 rechts unten dargestellt. Hierbei steigt die Induktivität im Allgemeinen (Kapazität sinkt), der normale Verlauf entspricht einem kontinuierlichen Trend. In den Profilen P6, P9, und P10 verändert sich die Impedanz Z stark und gegen den Trend.
Anhand Fig. 7 (links) ist die Entwicklung des Realteils gemäß dem anhand Fig. 3 geschilderten Verfahren bei einer Frequenz f=781Hz des Profils P10 dargestellt. Bei Betrachtung des Maximums ergibt sich unabhängig vom Profil jeweils eine niedrigste, konstante Temperatur T. Eine Differenz der Maxima innerhalb jeweils eines Zyklus c ist für die Profile P1-P10 rechts oben dargestellt. Hierbei sinkt der Realteil über die Zyklen c. Im Gegensatz zum Imaginärteil bei Profil P6 ist hier keine Änderung gegen den Trend zu beobachten, erst bei Profil P10 ist die Änderung gegen den Trend feststellbar.
Bei Betrachtung des Minimums in Fig. 7 (links) ergibt sich abhängig vom Profil jeweils eine höchste Temperatur T. Eine Differenz der Minima innerhalb jeweils eines Zyklus c ist für die Profile P1-P10 rechts unten dargestellt. Hierbei nimmt der Realteil innerhalb eines Profils für Profile P6, P9 und P10 zu.
Anhand Fig. 8 sind Änderungen der Impedanz Z über mehrere Zyklen c dargestellt.
Die Ladeprofile P1-P10 wurden entsprechend ihrer Nummerierung mit jeweils vier Zyklen c durchlaufen, wobei zwischendurch jeweils drei Normalzyklen gefahren wurden (vgl. Fig. 4).
Allgemein ist bei Li-Ionen Zellen in den ersten Zyklen c eine Abnahme des Realteils bei hohen Frequenzen (hier 781Hz) zu beobachten, anschließend (abhängig von der jeweiligen Zelle, z.B. ab 100 Zyklen c) nimmt der Realteil wieder zu. Wird die Zelle in einem schädigenden Bereich betrieben, nimmt der Realteil stärker zu, bzw. weniger stark ab in den ersten Zyklen c. Dies ist hier für die Ladeprofile P8 und P10 der Fall.
Bezugszeichenliste
100 Elektrofahrzeug
1 Energiespeieher
3 Vorrichtung
5 MessVorrichtung
10 System
11 Verbraucher
13 Ladeschnittstelle
Mi, M2, M2-1, M2-2 Messwert Ii, I2 Impedanzkennwert ίi, I2 normierter Impedanzkennwert
Ti, T2 Temperaturkennwert
T Temperatur
IDTI, DTsim IDII Abweichung
IRefi, IRef2 Impedanzreferenzwert IRef Impedanzverlauf
ITH Impedanzschwellenwert
U Ladespannung t Zeit c Zyklus
Z Impedanz
P1-P10 Ladeprofil
A - F Programmschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers, mit den Schritten
Al) Versetzen der Zelle in einen Ladebetrieb, in dem der Zelle ein Ladestrom zugeführt wird,
Bl) Ermitteln eines ersten Impedanzkennwerts (11) sowie eines zweiten Impedanzkennwerts (12) während des Ladebetriebs, wobei der erste Impedanzkennwert (11) und der zweite Impedanzkennwert (12) jeweils repräsentativ sind für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle,
CI) Ermitteln eines ersten Temperaturkennwerts (T1) anhand des ersten Impedanzkennwerts (11) sowie eines zweiten Temperaturkennwerts (T2) anhand des zweiten Impedanzkennwerts (12), wobei der erste Temperaturkennwert (T1) und der zweite Temperaturkennwert (T2) jeweils repräsentativ sind für eine Temperatur der Zelle,
Dl) Ermitteln einer Abweichung (|DT|) des ersten Temperaturkennwerts (T1) von dem zweiten Temperaturkennwert (T2) ,
El) Reduzieren des Ladestroms zu der Zelle im Falle, dass die Abweichung (|DT|) einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert (TTH) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
- der erste Impedanzkennwert (11) repräsentativ ist für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt, und
- der zweite Impedanzkennwert (12) repräsentativ ist für dasselbe erste Impedanzmerkmal bezüglich einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu demselben ersten Zeitpunkt, wobei
- das erste Impedanzmerkmal und das zweite Impedanzmerkmal jeweils einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
- der erste Impedanzkennwert (11) repräsentativ ist für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt, und
- der zweite Impedanzkennwert (12) repräsentativ ist für ein von dem ersten Impedanzmerkmal verschiedenes zweites Impedanzmerkmal bezüglich derselben ersten Frequenz zu demselben ersten Zeitpunkt, wobei
- das erste Impedanzmerkmal und das zweite Impedanzmerkmal jeweils einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der komplexen Wechselstromimpedanz der Zelle umfassen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Bl) umfasst:
Bl-1) Erfassen eines ersten Messwerts (Mi) zu dem ersten Zeitpunkt, wobei der erste Messwert (Mi) repräsentativ ist für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle, und Ermitteln des ersten Impedanzkennwerts (Ii) anhand des ersten Messwerts (Mi),
Bl-2) Erfassen wenigstens zweier zweiter Messwerte (M2-1, M2-2) zu von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkten, wobei die wenigstens zwei zweiten Messwerte (M2-1, M2-2) jeweils repräsentativ sind für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle, und Ermitteln des zweiten Impedanzkennwerts (I2) bezüglich des ersten Zeitpunkts anhand der wenigstens zwei zweiten Messwerte (M2-1, M2-2) durch Interpolieren der wenigstens zwei zweiten Messwerte (M2-1, M2-2)·
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ladebetrieb als ein Schnell- oder Ultra-schnellladebetrieb durchgeführt wird.
6. Verfahren zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers, mit den Schritten
A2) Versetzen der Zelle in eine Ruhephase, in der kein Strom der Zelle zugeführt oder von der Zelle abgegriffen wird,
B2) Ermitteln eines ersten Impedanzkennwerts (11) sowie eines zweiten Impedanzkennwerts (12) während der Ruhephase, wobei der erste Impedanzkennwert (11) und der zweite Impedanzkennwert (12) jeweils repräsentativ sind für eine komplexe Wechselstromimpedanz der Zelle,
C2) Ermitteln eines ersten bezüglich einer vorgegebenen Randbedingung normierten Impedanzkennwerts (X1) anhand des ersten Impedanzkennwerts (11) sowie eines zweiten bezüglich der vorgegebenen Randbedingung normierten Impedanzkennwerts (Ϊ2) anhand des zweiten Impedanzkennwerts (12),
D2) Ermitteln einer Änderung (Dί) des ersten normierten Impedanzkennwerts (11) zu dem zweiten normierten Impedanzkennwert (12) sowie eine Abweichung (|DI|) dieser Änderung (Dί) von einer Änderung eines ersten Impedanzreferenzwerts (iRefi) zu einem zweiten
Impedanzreferenzwert (lRef2) eines vorgegebenen Impedanzverlaufs (IRef) ermittelt,
E2) Anpassen eines Lade- und/oder Entladeprofils derart, dass der der Zelle zuzuführende oder von der Zelle abzugreifende Strom reduziert wird im Falle, dass die dass die Abweichung (IDII) einen vorgegebenen Impedanzschwellenwert (ITH) überschreitet .
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei - der erste Impedanzkennwert (11) repräsentativ ist für ein erstes Impedanzmerkmal bezüglich einer ersten Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt, und
- der zweite Impedanzkennwert (11) repräsentativ ist für dasselbe erste Impedanzmerkmal bezüglich derselben ersten Frequenz zu einem von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt, wobei
- das erste Impedanzmerkmal (12) und das zweite Impedanzmerkmal (12) jeweils einen Realteil, einen Imaginärteil, eine Amplitude oder eine Phase der Impedanz der Zelle umfassen.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz zwischen 500 Hz und 10000 Hz betragen.
9. Vorrichtung (3) zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers (1), wobei die Vorrichtung (3) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
10. System (10), umfassend eine Vorrichtung (3) nach Anspruch 9, einen elektrischen Energiespeicher (1) mit wenigstens einer Zelle sowie eine Messvorrichtung (5), die mit der Vorrichtung (3) sowie dem elektrischen Energiespeicher (1) gekoppelt und steuerbar eingerichtet ist, eine komplexe Wechselstromimpedanz der wenigstens einen Zelle zu erfassen und der Vorrichtung (3) als Messwert bereitzustellen.
11. System (10) nach Anspruch 10, wobei der elektrische Energiespeicher (1) als eine Lithium-Ionen Batterie für ein Elektrofahrzeug (100) ausgebildet ist.
12. Elektrofahrzeug (100), umfassend ein System (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, einen elektrischen Verbraucher (11) sowie eine Ladeschnittstelle (13), wobei der elektrische Verbraucher (11) und die Ladeschnittstelle (13) mit dem elektrischen Energiespeicher (1) gekoppelt sind, und die Vorrichtung (3) eingerichtet ist, einen dem elektrischen Energiespeicher (1) über die Ladeschnittstelle (13) zuzuführenden Ladestrom und/oder einen von dem elektrischen Energiespeicher (1) für den elektrischen Verbraucher (11) abzugreifenden Betriebsstrom zu steuern.
13. Computerprogramm zum Laden oder Entladen einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers (1), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
14. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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CN202080071537.0A CN114556737A (zh) 2019-12-11 2020-11-09 用于对电蓄能器的电池单体充电或放电的方法、装置、系统、电动车、计算机程序和存储介质
KR1020227010549A KR20220057559A (ko) 2019-12-11 2020-11-09 전기 에너지 저장 장치의 셀을 충전 또는 방전하기 위한 방법, 장치, 시스템, 전기차, 컴퓨터 프로그램 및 저장 매체
US17/784,058 US20230042256A1 (en) 2019-12-11 2020-11-09 Method, Apparatus, System, Electric Vehicle, Computer Program and Storage Medium for Charging or Discharging a Cell of an Electric Energy Store
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021103949A1 (de) 2021-02-19 2022-08-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Detektieren von Lithium-Plating in einer Lithiumionenzelle sowie Lithiumionenbatterie

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1933158A1 (de) * 2005-09-16 2008-06-18 The Furukawa Electric Co., Ltd. Verfahren und einrichtung zur beurteilung einer sekundärzellenverschlechterung und stromversorgungssystem
DE102009054132A1 (de) * 2009-11-20 2011-05-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers
US20110285356A1 (en) 2010-05-21 2011-11-24 Nadim Maluf Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell
DE102013103921A1 (de) 2012-05-15 2013-11-21 GM Global Technology Operations LLC Zelltemperatur- und Degradationsmessung in Lithiumbatteriesystemen unter Verwendung einer Zellspannungs- und Packstrommessung und der Relation von Zellimpedanz zu Temperatur basierend auf einem vom Wechselrichter vorgegebenen Signal
DE102014217135A1 (de) * 2014-08-28 2016-03-03 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Health- und eines State-of-Charge-Wertes einer Batterie

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8965721B2 (en) * 2009-09-30 2015-02-24 Tesla Motors, Inc. Determining battery DC impedance
DE102015111195A1 (de) * 2015-07-10 2017-01-12 Technische Universität München Ladeverfahren für Lithium-Ionen-Batterien
CN109884532A (zh) * 2019-03-06 2019-06-14 郑州大学 一种电网储能电池检测装置和检测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1933158A1 (de) * 2005-09-16 2008-06-18 The Furukawa Electric Co., Ltd. Verfahren und einrichtung zur beurteilung einer sekundärzellenverschlechterung und stromversorgungssystem
DE102009054132A1 (de) * 2009-11-20 2011-05-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Energiespeichers
US20110285356A1 (en) 2010-05-21 2011-11-24 Nadim Maluf Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell
DE102013103921A1 (de) 2012-05-15 2013-11-21 GM Global Technology Operations LLC Zelltemperatur- und Degradationsmessung in Lithiumbatteriesystemen unter Verwendung einer Zellspannungs- und Packstrommessung und der Relation von Zellimpedanz zu Temperatur basierend auf einem vom Wechselrichter vorgegebenen Signal
DE102014217135A1 (de) * 2014-08-28 2016-03-03 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines State-of-Health- und eines State-of-Charge-Wertes einer Batterie

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