WO2024012937A1 - Verfahren, vorrichtung, computerprogramm und computerlesbares speichermedium zum laden eines energiespeichers - Google Patents

Verfahren, vorrichtung, computerprogramm und computerlesbares speichermedium zum laden eines energiespeichers Download PDF

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WO2024012937A1
WO2024012937A1 PCT/EP2023/068381 EP2023068381W WO2024012937A1 WO 2024012937 A1 WO2024012937 A1 WO 2024012937A1 EP 2023068381 W EP2023068381 W EP 2023068381W WO 2024012937 A1 WO2024012937 A1 WO 2024012937A1
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charge
charging
energy storage
state
storage device
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Johannes Wandt
Georg Bauer
Alexander Adam
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B60L58/15—Preventing overcharging

Definitions

  • the invention relates to a method for charging an energy storage device.
  • the invention further relates to a device for charging an energy storage device.
  • the invention further relates to a computer program for charging an energy storage device.
  • the invention further relates to a computer-readable storage medium on which the computer program is stored.
  • the object on which the invention is based is to contribute to gently charging an energy storage device.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for charging an energy storage device.
  • battery information is received, the battery information being representative of a condition of the battery.
  • the method determines a state of charge, a cell temperature and a cell resistance of the energy storage device.
  • a charge factor is determined depending on the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage device.
  • a charging power is determined and the energy storage is charged with the determined charging power.
  • the energy storage is in particular an electrical energy storage of an electric vehicle or hybrid vehicle, for example a lithium-ion battery, comprising a negative electrode, the so-called “anode”, and a positive electrode, the so-called “cathode”.
  • the anode has, for example, an anode active material, which includes, for example, a material from the group consisting of carbon-containing materials, silicon, silicon suboxide, silicon alloys, titanium, titanium oxides and mixtures thereof.
  • the anode active material is selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composite, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, titanium, titanium oxides , lithium and mixtures thereof.
  • the anode material is an anode material with a silicon content.
  • the cathode has, for example, a cathode active material.
  • the cathode active material can have a large number of particles that are integrated into an electrode binder.
  • the cathode active material may be a layered oxide such as a lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), a lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA), a lithium cobalt oxide (LCO) or a lithium nickel oxide.
  • NMC lithium nickel manganese cobalt oxide
  • NCA lithium nickel cobalt aluminum oxide
  • LCO lithium cobalt oxide
  • the layered oxide can in particular be an overlithiated layered oxide (OLO).
  • cathode active materials are compounds with a spinel structure such as lithium manganese oxide (LMO) or lithium manganese nickel oxide (LMNO), or compounds with an olivine structure such as lithium iron phosphate (LFP, LiFePO4) or lithium manganese Iron phosphate (LMFP).
  • LMO lithium manganese oxide
  • LMNO lithium manganese nickel oxide
  • olivine structure such as lithium iron phosphate (LFP, LiFePO4) or lithium manganese Iron phosphate (LMFP).
  • the rapid charging capability of lithium-ion cells has so far been limited by undesirable side reactions, in particular lithium plating on a graphite anode.
  • step profiles with decreasing current as the state of charge increases can be used, for example.
  • the silicon content on the anode side changes the fast charging properties of the energy storage device.
  • the method described makes it possible to adapt the charging profile depending on the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage device, whereby the energy storage device can be charged gently.
  • the battery information includes information about a material composition of electrodes of the energy storage and/or a silicon content of the electrodes of the energy storage.
  • a charging profile for gentle rapid charging of the electrical energy storage device can differ significantly depending on the material composition of the electrodes and/or the silicon content of the electrodes. Especially with anode materials with a silicon content, a reduction in the initial charging power can help reduce the aging effects of the electrical energy storage device.
  • the method described enables such an adjustment of the charging profile depending on the battery information, in particular the information about the material composition and/or the silicon content, whereby the energy storage device can be charged gently.
  • the battery information includes information about a voltage profile of the electrode materials and/or a voltage range of phase transitions.
  • a charging profile for gentle rapid charging of the electrical energy storage device can differ significantly depending on the voltage profile of the electrode materials and/or the voltage range of phase transitions. Especially at the phase transitions of the silicon-containing anode material, a reduction in the charging power can help reduce the aging effects of the electrical energy storage device.
  • the method described enables such an adjustment of the charging profile depending on the battery information, in particular the information on the voltage profile of the electrode materials and/or the voltage range of phase transitions of the electrode materials, whereby the energy storage device can be charged gently.
  • the charging power is determined depending on one or more charging parameters, including a planned charging duration and/or an amount of energy to be charged.
  • the necessary charging power and the necessary charging time for charging from a first charging state to a second charging state are determined.
  • the reference charging power determined depending on one or more charging parameters serves as a reference for further adjustment of the charging power using the charging factor.
  • the energy storage is charged in such a way that the charging power in a first charge state range, up to a first charge state, is adjusted by a first charge factor and in a second charge state range, between the first charge state and a second charge state, is adjusted by a second charge factor is, wherein the charging power is different in the first state of charge range and the second state of charge range.
  • the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage device it may make sense to divide the charging power into several state of charge ranges depending on the charge factor, with a charge factor being determined for each state of charge range in order to charge the energy storage device gently.
  • the energy storage comprises two charge status ranges based on the battery information, the charge level, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage at a current charge level of 20%.
  • the first state of charge range is between the current state of charge of 20% and a state of charge of 30% and the second state of charge range is between 30% and 100%.
  • the energy storage is charged in the first charge state range, for example with a C rate of 1C and in the second charge state range, for example with a C rate of 3C.
  • a weighting is assigned to the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance.
  • the weighting can ensure that safety-critical parameters, such as cell temperature, have a more significant influence on the charging factor and that the charging power is therefore more strongly adjusted.
  • the charging factor is also determined depending on a cell voltage of the energy storage device. By determining the charging factor as a function of a cell voltage of the energy storage device, it can be ensured that the cell voltage limits the charging power for charging the energy storage device.
  • the invention is further characterized by a computer program for charging an energy storage device, comprising commands which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method for charging an energy storage device.
  • the invention is further characterized by a computer-readable storage medium on which the computer program is stored.
  • the computer-readable storage medium in particular includes a medium that can be read by a data processing device and on which program code is stored.
  • Figure 1 is a flowchart of a program for charging an energy storage device
  • Figure 2 is a diagram with a gradual charging profile
  • Figure 3 is a diagram with a charging profile with an initial, linearly increasing charging power
  • Figure 4 is a diagram with a charging profile with an initial, gradually increasing
  • Figure 1 shows a flowchart of a program for charging an energy storage device.
  • a device 50 is designed to process the program.
  • the device 50 has in particular a computing unit, a program and data memory, and, for example, one or more communication interfaces.
  • the program and data memory and/or the computing unit and/or the communication interfaces can be designed in one structural unit and/or distributed over several structural units.
  • the device 50 can also be referred to as a device for charging an energy storage device.
  • the program in particular is stored in the program and data memory of the device 50.
  • the program is started in a step S101, in which variables can be initialized if necessary.
  • step S103 battery information is received.
  • the battery information is representative of a condition of the battery.
  • the battery information is stored in a battery management system.
  • the battery information includes, for example, information about a material composition of the electrodes of the battery, and/or a silicon content of the electrodes of the energy storage device, and/or a voltage profile of the electrode materials and/or a voltage range of phase transitions of the electrode materials.
  • the information regarding a material composition of the electrodes and/or a silicon content of the electrodes of the battery includes, for example, information about the electrode material used for the anode, for example a material containing silicon oxide with a silicon content of the active material of the anode of 20%.
  • the information about a voltage profile of the electrode materials and/or a voltage range of phase transitions of the electrode materials includes, for example, information about a voltage range of the anode material and/or a voltage range of a phase transition of the anode material during a charging process, for example a voltage range of the cathode and full cell voltage of 3, 0V to 4.2V and an anode voltage range of 0.05V to 1.5V.
  • a state of charge, a cell temperature and a cell resistance of the energy storage device are determined.
  • the cell temperature on a cell housing is determined using temperature sensors.
  • the state of charge of the energy storage is determined via the rest voltage of the energy storage.
  • the energy storage device has means for determining the cell resistance.
  • a charge factor is determined depending on the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage device.
  • lookup tables for the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage and / or a calculation basis for the charge factor based on the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance of the energy storage are stored, whereby the charge factor is determined.
  • the load factor is reduced as soon as the temperature exceeds a temperature threshold, here for example 40°C. For example, as the temperature increases beyond the temperature threshold, the load factor is continuously reduced.
  • the charge factor is reduced depending on the battery information and the state of charge if the battery information contains information about a silicon content present in the anode active material and the state of charge is below a state of charge threshold, here for example 30%.
  • the charge factor is increased as soon as a charge level above the charge level threshold is reached.
  • the charge factor is reduced as soon as the cell resistance exceeds a cell resistance threshold. For example, as the cell resistance increases beyond the cell resistance threshold, the charge factor is continuously reduced.
  • a weighting is assigned to the battery information, the state of charge, the cell temperature and the cell resistance. For example, cell temperature is assigned a higher weighting than cell resistance. For example, the cell temperature parameter is included twice in determining the charge factor and the battery information, state of charge and cell resistance parameters are included once.
  • the charge factor is also determined depending on a cell voltage of the energy storage device.
  • a charging power is determined depending on the charging factor.
  • the charging power is determined depending on one or more charging parameters.
  • the charging parameters include a planned charging duration and/or an amount of energy to be charged.
  • the energy storage device should be charged from a charge level of 20% to a charge level of 80% within a charging time of 20 minutes.
  • the charging power as a function of the charge factor is determined in such a way that the charging power, in a first charge state range, is adjusted up to a first charge state by a first charge factor and in a second charge state range between the first charge state and a second charge state is adjusted by a second charge factor , wherein the charging power is different in the first area and the second area.
  • a step S111 the energy storage is charged with the determined charging power.
  • the energy storage is, for example, an energy storage with an anode that has silicon oxide and silicon, in particular with a silicon content of approximately 20%.
  • the anode can have, for example, graphite and silicon oxide as active materials, in particular with a silicon oxide content of approximately 20%.
  • the energy storage device can be charged according to the example from FIG. 2 according to the diagram with a step-by-step charging profile.
  • the energy storage is charged from an original charge state Z11, here for example 20%, to a final charge state Z15, here for example 80%.
  • a charge factor is determined, for example, through which the energy storage device is charged with a charging power L11, here for example 0.8C, since the silicon is in low state of charge ranges at high ones due to intrinsic material properties Charging currents experience strong aging effects.
  • a charge factor is determined by which the energy storage is charged with a charging power L14, here for example 2C, up to a charge level Z13, here for example 60%.
  • the charge factor is then redetermined in such a way that the charging power between the state of charge Z13 and Z14, here for example 70%, is reduced to a charging power L13, here for example 1.5C.
  • the charge factor is then redetermined in such a way that the charging power between the charge level Z14 and Z15, between 70% and 80%, is reduced to a charging power L12, here for example 1C.
  • the energy storage device can be charged according to the example from FIG. 3 according to the diagram with a charging profile with an initial, linearly increasing charging power.
  • the charge factor is determined continuously, whereby the charging power is continuously increased depending on the charge factor from a first charge state Z21, here for example 20%, to a second charge state Z22, here for example 30%, and the energy storage from the charge state Z22 with a constant charging power L21, here for example 1.5C, is charged up to a charge level Z23, here for example 80%.
  • a step S113 the program is ended and can be restarted if necessary.
  • the energy storage device can be charged according to the example from FIG. 4 according to the diagram with a charging profile with an initial, gradually increasing charging power.
  • the energy storage is charged from an original charge state Z31, here for example 20%, to a final charge state Z34, here for example 80%.
  • a charge factor is determined, for example, by which the energy storage device is charged with a charging power L31, here for example 0.8C, since the silicon is in low state of charge ranges at high ones due to intrinsic material properties Charging currents experience strong aging effects.
  • a charge factor is determined by which the energy storage device is charged with a charging power L32, here for example 1C, up to a charge level Z33, here for example 40%.
  • the charging factor is then redetermined in such a way that the charging power between the charging status Z33 and Z34 is increased to a charging power L33, here for example 2C.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Laden eines Energiespeichers wird eine Batterieinformation empfangen. Die Batterieinformation ist repräsentativ für einen Zustand der Batterie. Ein Ladezustand, eine Zelltemperatur und ein Zellwiderstand des Energiespeichers werden ermittelt. Abhängig von der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand des Energiespeichers wird ein Ladefaktor ermittelt. Abhängig von dem Ladefaktor wird eine Ladeleistung ermittelt und der Energiespeicher mit der ermittelten Ladeleistung geladen.

Description

Beschreibung
Verfahren, Vorrichtung, Computerprogramm und computerlesbares Speichermedium zum Laden eines Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm zum Laden eines Energiespeichers. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
In modernen elektrischen Energiespeichern werden häufig siliziumhaltige Aktivmaterialien eingesetzt um die Energiedichte des elektrischen Energiespeichers zu erhöhen. Durch häufiges Laden und Entladen, insbesondere Schnellladen, des elektrischen Energiespeichers treten Alterungseffekte auf.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, dazu beizutragen einen Energiespeicher schonend zu laden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers.
Bei dem Verfahren wird eine Batterieinformationen empfangen, wobei die Batterieinformation repräsentativ ist für einen Zustand der Batterie. Außerdem werden bei dem Verfahren ein Ladezustand, eine Zelltemperatur und ein Zellwiderstand des Energiespeichers ermittelt. Abhängig von der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand des Energiespeichers wird ein Ladefaktor ermittelt. Abhängig von dem Ladefaktor wird eine Ladeleistung ermittelt und der Energiespeicher mit der ermittelten Ladeleistung geladen.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator, umfassend eine negative Elektrode, die sogenannte „Anode“, und eine positive Elektrode, die sogenannte „Kathode“. Die Anode weist beispielsweise ein Anodenaktivmaterial auf, das beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Titan, Titan-Oxide und Mischungen davon umfasst. Insbesondere ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium- Suboxid, Siliziumlegierungen, Titan, Titan-Oxide, Lithium und Mischungen davon.
Insbesondere handelt es sich bei dem Anodenmaterial um ein Anodenmaterial mit einem Siliziumanteil.
Die Kathode weist beispielsweise ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan- Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium- Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO4) oder Lithium-Mangan-Eisen- Phosphat (LMFP).
Die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen Zellen wurde bislang durch unerwünschte Nebenreaktionen, insbesondere Lithium-Plating an einer Graphit-Anode, begrenzt. Um dem Lithium-Plating an der Graphit-Anode bei einem Schnellladevorgang entgegenzuwirken, können beispielsweise Stufenprofile mit absinkendem Strom bei zunehmendem Ladezustand genutzt werden. Der Siliziumanteil auf der Anodenseite verändert jedoch die Schnellladeeigenschaft des Energiespeichers.
Durch das beschriebene Verfahren wird eine Anpassung des Ladeprofils in Abhängigkeit der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers ermöglicht, wodurch der Energiespeicher schonend geladen werden kann.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung umfasst die Batterieinformation eine Information zu einer Materialzusammensetzung von Elektroden des Energiespeichers und/oder zu einem Siliziumgehalt der Elektroden des Energiespeichers. Ein Ladeprofil zum schonenden Schnellladen des elektrischen Energiespeichers kann sich in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung der Elektroden und/oder dem Siliziumgehalt der Elektroden deutlich unterscheiden. Gerade bei Anodenmaterialien mit einem Siliziumanteil kann eine Absenkung der initialen Ladeleistung dazu beitragen die Alterungseffekte des elektrischen Energiespeichers zu reduzieren.
Durch das beschriebene Verfahren wird eine derartige Anpassung des Ladeprofils in Abhängigkeit der Batterieinformation, insbesondere der Information zu der Materialzusammensetzung und/oder dem Siliziumgehalt, ermöglicht, wodurch der Energiespeicher schonend geladen werden kann.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung umfasst die Batterieinformation eine Information zu einem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder zu einem Spannungsbereich von Phasenübergängen.
Ein Ladeprofil zum schonenden Schnellladen des elektrischen Energiespeichers kann sich in Abhängigkeit von dem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder dem Spannungsbereich von Phasenübergängen deutlich unterscheiden. Gerade an den Phasenübergängen des siliziumhaltigen Anodenmaterials kann eine Absenkung der Ladeleistung dazu beitragen die Alterungseffekte des elektrischen Energiespeichers zu reduzieren.
Durch das beschriebene Verfahren wird eine derartige Anpassung des Ladeprofils in Abhängigkeit der Batterieinformation, insbesondere der Information zu dem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder dem Spannungsbereich von Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien, ermöglicht, wodurch der Energiespeicher schonend geladen werden kann.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die Ladeleistung abhängig von einem oder mehreren Ladeparametern ermittelt, umfassend eine geplante Ladedauer und/oder eine zu ladende Energiemenge.
Durch die Ermittlung der Ladeleistung abhängig von einem oder mehreren Ladeparametern wird die notwendige Ladeleistung und die notwendige Ladezeit für das Laden von einem ersten Ladezustand bis zu einem zweiten Ladezustand ermittelt. Die in Abhängigkeit von einen oder mehreren Ladeparametern ermittelte Referenzladeleistung dient dabei als Referenz für die weitere Anpassung der Ladeleistung durch den Ladefaktor.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird der Energiespeicher derart geladen, dass die Ladeleistung in einem ersten Ladezustandsbereich, bis zu einem ersten Ladezustand, durch einen ersten Ladefaktor angepasst wird und in einem zweiten Ladezustandsbereich, zwischen dem ersten Ladezustand und einem zweiten Ladezustand, durch einen zweiten Ladefaktor angepasst wird, wobei die Ladeleistung in dem ersten Ladezustandsbereich und dem zweiten Ladezustandsbereich verschieden ist.
Je nach der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers kann es sinnvoll sein die Ladeleistung in Abhängigkeit des Ladefaktors in mehrere Ladezustandsbereiche zu unterteilen, wobei für jeden Ladezustandsbereich ein Ladefaktor ermittelt wird um den Energiespeicher schonend zu laden.
Beispielsweise umfasst der Energiespeicher anhand der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand des Energiespeichers bei einem aktuellen Ladezustand von 20% zwei Ladezustandsbereiche. Der erste Ladezustandsbereich liegt zwischen dem aktuellen Ladezustand 20% und einem Ladezustand von 30% und der zweite Ladezustandsbereich liegt zwischen 30% und 100%.
Um die siliziumhaltige Anode zu schonen wird der Energiespeicher in dem ersten Ladezustandsbereich beispielsweise mit einer C-Rate von 1C und in dem zweiten Ladezustandsbereich beispielsweise mit einer C-Rate von 3C geladen.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird bei dem Ermitteln des Ladefaktors der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand eine Gewichtung zugeordnet.
Durch die Gewichtung kann sichergestellt werden, dass sicherheitskritische Parameter, wie beispielsweise die Zelltemperatur, den Ladefaktor deutlicher beeinflussen und die Ladeleistung somit stärker angepasst wird.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung erfolgt das Ermitteln des Ladefaktors ferner in Abhängigkeit einer Zellspannung des Energiespeichers. Durch das Ermitteln des Ladefaktors ferner in Abhängigkeit einer Zellspannung des Energiespeichers kann sichergestellt werden, dass die die Zellspannung die Ladeleistung zum Laden des Energiespeichers begrenzt.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch ein Computerprogramm zum Laden eines Energiespeichers, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Laden eines Energiespeichers auszuführen.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Das computerlesbare Speichermedium umfasst insbesondere ein von einer Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem Programmcode gespeichert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ablaufdiagram eines Programms zum Laden eines Energiespeichers,
Figur 2 ein Diagramm mit einem stufenweisen Ladeprofil,
Figur 3 ein Diagramm mit einem Ladeprofil mit initial, linear-zunehmender Ladeleistung,
Figur 4 ein Diagramm mit einem Ladeprofil mit initial, stufenweise-zunehmender
Ladeleistung,
Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagram eines Programms zum Laden eines Energiespeichers.
Eine Vorrichtung 50 ist dazu ausgebildet das Programm abzuarbeiten. Die Vorrichtung 50 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikationsschnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein.
Die Vorrichtung 50 kann auch als Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers bezeichnet werden. Auf dem Programm- und Datenspeicher der Vorrichtung 50 ist hierfür insbesondere das Programm gespeichert.
Das Programm wird in einem Schritt S101 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden können.
In einem Schritt S103 wird eine Batterieinformation empfangen. Die Batterieinformation ist repräsentativ für einen Zustand der Batterie.
Beispielsweise ist die Batterieinformation in einem Batteriemanagementsystem gespeichert.
Die Batterieinformation umfasst beispielsweise eine Information zu einer Materialzusammensetzung von den Elektroden der Batterie, und/oder zu einem Siliziumgehalt der Elektroden des Energiespeichers, und/oder zu einem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder zu einem Spannungsbereich von Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien.
Die Information zu einer Materialzusammensetzung von den Elektroden und/oder zu einem Siliziumgehalt der Elektroden der Batterie umfasst beispielsweise eine Information über das verwendete Elektrodenmaterial der Anode, beispielsweise ein Siliziumoxid enthaltendes Material mit einem Siliziumanteil am Aktivmaterial der Anode von 20%.
Die Information zu einem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder zu einem Spannungsbereich von Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien umfasst beispielsweise eine Information über einen Spannungsbereich des Anodenmaterials und/oder einen Spannungsbereich eines Phasenübergangs des Anodenmaterials während eines Ladevorgangs, beispielsweise ein Spannungsbereich der Kathoden- und Vollzellspannung von 3,0 V bis 4,2 V und ein Spannungsbereich der Anodenspannung von 0,05 V bis 1 , 5V.
In einem Schritt S105 wird ein Ladezustand, eine Zelltemperatur und ein Zellwiderstand des Energiespeichers ermittelt.
Beispielsweise wird die Zelltemperatur an einem Zellgehäuse über Temperaturfühler ermittelt. Beispielsweise wird der Ladezustand des Energiespeichers über die Ruhespannung des Energiespeichers ermittelt. Beispielsweise verfügt der Energiespeicher über Mittel zum ermitteln des Zellwiderstands. In einem Schritt S107 wird in Abhängigkeit der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers ein Ladefaktor ermittelt.
In der Vorrichtung 50 sind beispielsweise Lookup-Tabellen zu der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers und/oder eine Berechnungsgrundlage des Ladefaktors basierend auf der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers hinterlegt, wodurch der Ladefaktor ermittelt wird.
Beispielsweise wird der Ladefaktor reduziert, sobald die Temperatur einen Temperaturschwellwert, hier beispielsweise 40°C, überschreitet. Bei zunehmender Temperatur über den Temperaturschwellwert hinaus, wird der Ladefaktor beispielsweise kontinuierlich reduziert.
Beispielsweise wird der Ladefaktor in Abhängigkeit der Batterieinformation und dem Ladezustand reduziert, wenn die Batterieinformation eine Information über einen vorhandenen Siliziumgehalt im Anodenaktivmaterial enthält und der Ladezustand unterhalb eines Ladezustandsschwellwerts, hier beispielsweise 30%, liegt. Beispielsweise wird der Ladefaktor erhöht, sobald ein Ladezustand oberhalb des Ladezustandsschwellwerts erreicht wird.
Beispielsweise wird der Ladefaktor reduziert, sobald der Zellwiderstand einen Zellwiderstandsschwellwert überschreitet. Bei zunehmenden Zellwiderstand über den Zellwiderstandsschwellwert hinaus, wird der Ladefaktor beispielsweise kontinuierlich reduziert.
Bei dem ermitteln eines Ladefaktors wird der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand eine Gewichtung zugeordnet. Beispielsweise wird der Zelltemperatur eine höhere Gewichtung zugeordnet als dem Zellwiderstand. Beispielsweise geht der Parameter der Zelltemperatur zweifach in die Ermittlung des Ladefaktors ein und die Parameter der Batterieinformation, des Ladezustands und des Zellwiderstands jeweils einfach.
Das Ermitteln des Ladefaktors erfolgt ferner in Abhängigkeit einer Zellspannung des Energiespeichers.
In einem Schritt S109 wird abhängig von dem Ladefaktor eine Ladeleistung ermittelt. Die Ladeleistung wird dabei abhängig von einem oder mehreren Ladeparametern ermittelt. Die Ladeparameter umfassen eine geplante Ladedauer und/oder eine zu ladende Energiemenge.
Beispielsweise soll der Energiespeicher innerhalb einer Ladedauer von 20 Minuten von einem Ladezustand von 20% auf einen Ladezustand von 80% geladen werden.
Die Ladeleistung in Abhängigkeit von dem Ladefaktor wird derart ermittelt, dass die Ladeleistung, in einem ersten Ladezustandsbereich, bis zu einem ersten Ladezustand durch einen ersten Ladefaktor angepasst wird und in einem zweiten Ladezustandsbereich zwischen dem ersten Ladezustand und einem zweiten Ladezustand durch einen zweiten Ladefaktor angepasst wird, wobei die Ladeleistung in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich verschieden ist.
In einem Schritt S111 wird der Energiespeicher mit der ermittelten Ladeleistung geladen.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um einen Energiespeicher mit einer Anode, die Siliziumoxid und Silizium aufweist, insbesondere mit einem Siliziumgehalt von etwa 20%. Alternativ kann die Anode beispielsweise Graphit und Siliziumoxid als Aktivmaterialien aufweisen, insbesondere mit einem Siliziumoxidgehalt von etwa 20%.
In einem ersten Beispiel kann das Laden des Energiespeichers nach dem Beispiel aus Figur 2 nach dem Diagramm mit einem stufenweisen Ladeprofil erfolgen.
Beispielsweise wird der Energiespeicher von einem ursprünglichen Ladezustand Z11, hier beispielsweise 20%, auf einen Endladezustand Z15, hier beispielsweise 80%, geladen. Aufgrund der Batterieinformation bezüglich des Siliziumgehaltes der Siliziumoxid Anode und dem Ladezustand von 20% wird beispielsweise ein Ladefaktor ermittelt, durch den der Energiespeicher mit einer Ladeleistung L11 , hier beispielsweise 0,8C, geladen wird, da das Silizium aufgrund intrinsischer Materialeigenschaften in niedrigen Ladezustandsbereichen bei hohen Ladeströmen starke Alterungseffekte erfährt.
Bei einem Ladezustand Z12, hier beispielsweise 30%, wird ein Ladefaktor ermittelt, durch den der Energiespeicher mit einer Ladeleistung L14, hier beispielsweise 2C, bis zu einem Ladezustand Z13, hier beispielsweise 60%, geladen wird. Beispielsweise wird daraufhin bei einem Ladezustand von 60% der Ladefaktor derart neu ermittelt, dass die Ladeleistung zwischen dem Ladezustand Z13 und Z14, hier beispielsweise 70%, auf eine Ladeleistung L13, hier beispielsweise 1 ,5C, reduziert wird.
Beispielsweise wird daraufhin bei einem Ladezustand von 70% der Ladefaktor derart neu ermittelt, dass die Ladeleistung zwischen dem Ladezustand Z14 und Z15, zwischen 70% und 80%, auf eine Ladeleistung L12, hier beispielsweise 1C, reduziert wird.
In einem zweiten Beispiel kann das Laden des Energiespeichers nach dem Beispiel aus Figur 3 nach dem Diagramm mit einem Ladeprofil mit initial, linear-zunehmender Ladeleistung, erfolgen.
Beispielsweise wird der Ladefaktor kontinuierlich ermittelt wodurch die Ladeleistung in Abhängigkeit des Ladefaktors von einem ersten Ladezustand Z21, hier beispielsweise 20%, bis zu einem zweiten Ladezustand Z22, hier beispielsweise 30%, kontinuierlich erhöht wird und der Energiespeicher ab dem Ladezustand Z22 mit einer konstanten Ladeleistung L21, hier beispielsweise 1 ,5C, bis zu einem Ladezustand Z23, hier beispielsweise 80%, geladen wird.
In einem Schritt S113 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder neu gestartet werden.
In einem dritten Beispiel kann das Laden des Energiespeichers nach dem Beispiel aus Figur 4 nach dem Diagramm mit einem Ladeprofil mit initial, stufenweise-zunehmender Ladeleistung, erfolgen.
Beispielsweise wird der Energiespeicher von einem ursprünglichen Ladezustand Z31, hier beispielsweise 20%, auf einen Endladezustand Z34, hier beispielsweise 80%, geladen. Aufgrund der Batterieinformation bezüglich des Siliziumgehaltes der Siliziumoxid Anode und dem Ladezustand von 20% wird beispielsweise ein Ladefaktor ermittelt, durch den der Energiespeicher mit einer Ladeleistung L31 , hier beispielsweise 0,8C, geladen wird, da das Silizium aufgrund intrinsischer Materialeigenschaften in niedrigen Ladezustandsbereichen bei hohen Ladeströmen starke Alterungseffekte erfährt.
Bei einem Ladezustand Z32, hier beispielsweise 30%, wird ein Ladefaktor ermittelt, durch den der Energiespeicher mit einer Ladeleistung L32, hier beispielsweise 1C, bis zu einem Ladezustand Z33, hier beispielsweise 40%, geladen wird. Beispielsweise wird daraufhin bei dem Ladezustand Z33 der Ladefaktor derart neu ermittelt, dass die Ladeleistung zwischen dem Ladezustand Z33 und Z34 auf eine Ladeleistung L33, hier beispielsweise 2C erhöht wird. Bezugszeichenliste
S1-S9 Schritte
50 Vorrichtung
Z11-Z15; Z21-Z23; Z31-Z34 Ladezustände L11-L14; L21; L31-L33 Ladeleistungen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, umfassend
- Empfangen von einer Batterieinformation, wobei die Batterieinformation repräsentativ ist für einen Zustand der Batterie,
- Ermitteln eines Ladezustands, einer Zelltemperatur und eines Zellwiderstands des Energiespeichers,
- Ermitteln eines Ladefaktors in Abhängigkeit der Batterieinformation, des Ladezustands, der Zelltemperatur und des Zellwiderstands des Energiespeichers,
- Ermitteln einer Ladeleistung in Abhängigkeit des Ladefaktors,
- Laden des Energiespeichers mit der ermittelten Ladeleistung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Batterieinformation eine Information zu einer Materialzusammensetzung von Elektroden des Energiespeichers und/oder zu einem Siliziumgehalt der Elektroden des Energiespeichers umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieinformation eine Information zu einem Spannungsprofil der Elektrodenmaterialien und/oder zu einem Spannungsbereich von Phasenübergängen der Elektrodenmaterialien umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladeleistung abhängig von einem oder mehreren Ladeparametern ermittelt wird, umfassend eine geplante Ladedauer und/oder eine zu ladende Energiemenge.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher derart geladen wird, dass die Ladeleistung, in einem ersten Ladezustandsbereich, bis zu einem ersten Ladezustand durch einen ersten Ladefaktor angepasst wird und in einem zweiten Ladezustandsbereich zwischen dem ersten Ladezustand und einem zweiten Ladezustand durch einen zweiten Ladefaktor angepasst wird, wobei die Ladeleistung in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich verschieden ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Ermitteln des Ladefaktors der Batterieinformation, dem Ladezustand, der Zelltemperatur und dem Zellwiderstand jeweils eine Gewichtung zugeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Ladefaktors ferner in Abhängigkeit einer Zellspannung des Energiespeichers erfolgt.
8. Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Computerprogramm zum Laden eines Energiespeichers, umfassend Befehle, die bei der
Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
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