WO2024245751A1 - Verfahren zum betreiben eines batteriesystems - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a battery system, having at least one electrochemical battery cell in which at least one electrochemical process takes place during operation, which leads to an internal electrical cell resistance of the battery cell.
  • the invention further relates to a battery system and software for carrying out the method.
  • Electricly or electric motor-driven or drivable motor vehicles such as electric or hybrid vehicles, usually include an electric motor that can drive one or both vehicle axles.
  • the electric motor is usually connected to an internal (high-voltage) battery system as an electrical energy storage device.
  • an electrochemical battery is understood to mean a so-called secondary battery of a motor vehicle.
  • a (secondary) vehicle battery the chemical energy that has been used can be restored by means of an electrical charging process.
  • Such battery systems or vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators.
  • vehicle batteries typically have at least one battery module (battery cell module) in which several individual electrochemical battery cells are connected in a modular manner.
  • battery cell module battery cell module
  • a so-called Cell2Pack design is possible, in which the battery cells are connected directly to the vehicle battery, in particular connected in parallel, and are not combined in advance to form modules.
  • Lithium-ion battery cells usually have an efficiency of around 95%, with the losses that occur being converted into heat energy.
  • the performance of such lithium-ion battery cells typically decreases below -5 °C (degrees Celsius) (depending on the cell chemistry).
  • the absorbable power in the charging direction is usually is even more temperature-dependent, with the power that can be absorbed being limited below +20 °C. This particularly affects quick-charging processes, where the vehicle battery needs to be charged in the shortest possible time.
  • the available power of the vehicle battery is therefore essentially dependent on its state of charge (SOC) and its battery temperature.
  • SOC state of charge
  • the vehicle battery it is necessary for the vehicle battery to have a certain operating or battery temperature in order to improve the range and the available power of the electrically powered or drivable motor vehicle.
  • High-voltage batteries therefore require thermal conditioning (heating/cooling) to ensure optimal operation and the best possible performance.
  • thermal conditioning heating/cooling
  • the electrochemical processes inside the battery cells are very slow. This reduces driving performance and the ability to charge quickly in cold environments.
  • the battery temperature can cool down or be reduced to such an extent that the vehicle battery does not allow optimal power output or power consumption at the start of a driving process, i.e. when the vehicle continues to drive or drives off.
  • the battery cells will be irreversibly damaged by the deposition of metallic lithium on the anode (so-called lithium plating).
  • the charging currents released by the battery management system are usually very limited at low temperatures, which results in long charging times.
  • heating elements or heating devices are provided on the battery housing of the vehicle battery or on the cell housings on the outside, but these initially only heat the battery or cell housing.
  • the temperature of the active material inside the battery cells on the other hand, only begins to rise after a time delay after the battery and cell housings have heated up.
  • heating is energetically ineffective due to the heat losses when heating the cell housing, so that overall the heating effect is insufficient.
  • an electric heater is used, for example, which heats up the cooling water of the battery system. This is circulated in a battery temperature control circuit and thus fed to the battery system.
  • the heating function via the water heater is comparatively slow, since water must first be heated and then transported to the battery via the temperature control circuit. There, too, the heat must first travel from the cooling plates through gap filler layers (if necessary) to the battery cells. Losses also occur everywhere along this heat path, which further limit the efficiency of this heating method.
  • pulse heating the alternating current is fed in and/or taken out in the form of high-frequency current pulses.
  • the vehicle battery is usually coupled to the electric motor via an intermediate circuit and a (pulse) inverter.
  • PWR pulse inverter
  • a certain amount of energy is taken from the vehicle battery and temporarily stored in the magnetic field of the stator coils of the electric motor.
  • the polarity is then reversed, the magnetic field is reduced, and the energy is fed back into the vehicle battery or battery cells as a current pulse. This results in an energy oscillation between the battery cells and the electric motor, which causes an increase in the cell temperatures due to the internal cell resistance.
  • the heat is generated at the internal resistance of the battery cells directly where it is needed.
  • the inductance of the stator coils is usually relatively small. This means that the pulse heating process has to work with comparatively high pulse frequencies in order to achieve technically reasonable heating output.
  • the disadvantage here is that the effective internal resistance of the battery cells (real part of the cell impedance) is very small at high frequencies, which limits the achievable heating output. This can be avoided, for example, with a separate controller and a capacitive energy storage device. Due to the larger storage device, this also enables low-frequency pulses in which the internal resistance effective for heating resistance of the cells is greater, so that with the same pulse current, comparatively greater heating outputs are possible.
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for operating a battery system.
  • a reliable and safe tempering or heating of battery cells is to be specified.
  • the invention is also based on the object of specifying a particularly suitable battery system and particularly suitable software.
  • the method according to the invention is intended for operating a battery system and is suitable and configured for this purpose.
  • the method is generally suitable for battery systems which are (cold-)started at low ambient temperatures and are intended to have increased power or performance.
  • the battery system is preferably designed as a vehicle battery of a battery-electric vehicle, for example a hybrid or fully electric (motor) vehicle.
  • the battery system can be designed for other battery-electric products or as a stationary energy storage device.
  • the battery system has at least one electrochemical battery cell.
  • the battery system is preferably designed on a lithium-ion basis, wherein the electrochemical battery cell is a lithium-ion cell, for example a thin-film cell with a liquid electrolyte.
  • the electrochemical battery cell is a lithium-ion cell, for example a thin-film cell with a liquid electrolyte.
  • at least one electrochemical process takes place in the battery cell, which contributes to an internal electrical cell resistance, in particular a cell impedance, of the battery cell.
  • a time constant is assigned to the at least one electrochemical process, and a current pulse is fed into and/or removed from the battery cell.
  • a pulse frequency of the current pulse is set based on the time constant in such a way that the electrochemical process of the battery cell is resonantly excited by the current pulse.
  • the pulse frequency is adjusted based on the time constant in such a way that the electrochemical process is stimulated more strongly. This creates a particularly suitable method for operating a battery system.
  • the described behavior is made usable for the pulse heating function known from the prior art by specifically selecting the frequency of the current or heating pulses with regard to the time constants of the electrochemical processes within the battery cell.
  • the pulse frequency and preferably also the pulse shape and/or pulse amplitude and/or pulse phase during pulse heating are matched to specific electrochemical processes within the battery cell. This means that resonance with certain electrochemical processes can be used to specifically heat individual cell components.
  • resonantly excited or “resonant excitation” is understood to mean in particular an increased (periodic) excitation of the electrochemical process when it is subject to the temporally variable effect of the current pulse.
  • a stronger effect of the electrochemical process on the cell internal resistance/cell impedance can be achieved than with a constant effect (direct current charging/discharging).
  • the excitation or pulse frequency (or an integer multiple thereof) is close to the resonance frequency of the electrochemical process, i.e. in a certain frequency range around the resonance frequency or the reciprocal of the time constant of the electrochemical process.
  • the method according to the invention thus generates heat directly within the battery cell without detours and losses, e.g. in a water circuit.
  • the heating power (heating performance) is achieved by specifically addressing individual electrochemical processes within the battery cell. In particular, this enables targeted introduction of heating power into performance-critical cell components (e.g. anode during rapid charging).
  • An “electrochemical process” is understood here and below to mean in particular an electrochemical reaction or an electrochemical process inside the battery cell, which causes a (local) change in a state within the battery cell due to an electric current, which influences the electrical conductivity of the battery cell and thus changes the internal electrical resistance or the impedance of the battery cell.
  • An “electrochemical process” is also understood to mean movements or changes in the charge carriers (electrons, ions) in the battery cell or its components (e.g. conductors).
  • a whole series of different electrochemical processes take place within a battery cell, which contribute to the internal cell resistance or cell impedance. Examples include the charge passage of the Li ions at the anode and cathode, the formation of electrochemical double layers and diffusion processes. In terms of diffusion processes, a distinction must also be made between diffusion in the electrolyte (i.e. within the electrolyte-filled pore structure of the separator and electrodes) and diffusion in the solid (i.e. within the active material). Each of these processes contributes to the effective cell impedance and has an individual time constant.
  • the individual processes appear in the form of semicircles.
  • equivalent circuit models are often used.
  • the individual processes can be represented by a parallel connection of a capacitance and a resistance (RC element) (see, for example, Gaberscek, M: Impedance spectroscopy of battery cells: Theory vs. Experiment, Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 32:100917).
  • a "current pulse” is understood to mean, in particular, an alternating current signal of a certain (pulse frequency) and with a predetermined alternating current frequency (signal frequency).
  • the alternating current signal can only have one (pulse) signal component with a pulse frequency, so that the current pulse is essentially a sinusoidal signal.
  • the alternating current signal can also have several signal components with different pulse frequencies, pulse amplitudes and/or pulse shapes, whereby the current pulse is essentially the resulting superposition of the individual signal components.
  • the methods known from the state of the art can be used, e.g. generation of the current pulse via a pulse inverter with inductive storage in stator coils of an electrical machine/electric motor, via a separate actuating unit with separate e.g. capacitive energy storage, or via combinations thereof.
  • the current pulse is periodically fed into the battery cell in order to bring about reliable resonant heating of the battery cell.
  • a number of consecutive current pulses are fed in to heat the battery cell.
  • the periodicity or repetition frequency of the current pulse is also expediently selected with regard to the resonant excitation of the electrochemical process.
  • a discharge current pulse can also be used. This generally improves cell performance, including in the discharge direction, e.g. for faster preparation of driving readiness in cold environments or faster provision of required driving performance.
  • energy oscillation between the battery cell and an energy storage device e.g. inductances of stator coils
  • current pulses having components in both the charging and discharging directions.
  • asymmetrical current pulses are used in particular, which have a lower C-rate in the charging direction than in the discharging direction.
  • the triggering of age-sensitive processes can be avoided in a corresponding manner. At least one ageing process takes place in the battery cell during operation, to which a time constant can also be assigned. Therefore, in a conceivable further development, the pulse frequency of the current pulse can be set in such a way that a certain ageing process of the battery cell is stimulated little or not at all by the current pulse. This can be useful if the respective Aging process has been identified as critical with regard to cell aging.
  • the pulse frequency of the current pulse is chosen so that the electrochemical process is resonant and the aging process is not stimulated as much as possible.
  • the lifespan of the battery cell is improved by the fact that aging-sensitive processes are not triggered during heating. Furthermore, the cell performance is not operated in an otherwise unheated temperature range that strongly promotes aging for the battery cell due to the resonant heating.
  • An “aging process” is understood here and below to mean in particular an electrochemical process inside the battery cell that affects the aging of the battery cell.
  • the aging process is in particular an irreversible process that permanently affects the cell properties.
  • Such aging processes irreversibly affect, among other things, the (remaining) capacity of the battery cell as well as the internal cell resistance or cell impedance.
  • Aged battery cells typically have a reduced capacity and (permanently) higher internal cell resistance than at the beginning of life.
  • Relevant aging processes here are Li-plating, layer thickness growth and gas formation within the battery cell.
  • a sinusoidal current pulse with only one excitation or pulse frequency is used, which, for example, specifically targets the diffusion in the anode.
  • a superposition of several excitation or pulse frequencies in the current pulse can also be used, which are coordinated with the time constants of various electrochemical processes.
  • a number of different electrochemical processes in the battery cell are each assigned a time constant, and a current pulse is generated with a superposition of a corresponding number of pulse frequencies, whereby the pulse sequences are set based on the time constants in such a way that the respective electrochemical processes in the battery cell are resonantly excited by the current pulse.
  • the heating pulse is designed as a non-sinusoidal current pulse that contains several excitation frequencies. In this way, not just one, but several time constants and consequently several electrochemical processes within the battery cell can be specifically addressed/excited, thereby improving the heating performance.
  • a total of three frequency components are superimposed to form an overall heating pulse. These differ significantly in their time constant. This enables optimized heating performance by addressing several processes with widely separated time constants.
  • the first excitation frequency is particularly tailored to the movement of electrons in the current conductors of the battery cell.
  • the current conductors are made, for example, from a copper material (at the anode) or an aluminum material (at the cathode).
  • the movement of the electrodes in the metallic current conductor material is a very fast process with a small (low) time constant.
  • the first excitation frequency is a high-frequency excitation.
  • very high pulse frequencies in the range of 100 Hz (Hertz) to greater than 5 kHz (kilohertz)
  • only a pure electrical line within the battery cell busbars, conductor foils
  • charge transfers of internal double-layer capacitances are excited.
  • high C rates of the pulse current (pulse current rate) of 5 C to 10 C (depending on the cell design) would be possible.
  • the second excitation frequency is particularly tailored to the movement of solvated Li ions that are dissolved in the electrolyte.
  • the movement has a medium time constant, so that the second excitation frequency is a medium excitation frequency.
  • a medium frequency range between 50 mHz (millihertz) and 10 Hz, storage and removal reactions of Li ions at the anode and cathode are particularly stimulated.
  • the tolerable pulse current rate is reduced to, for example, 0.25 C to 1C (depending on the cell temperature).
  • the third excitation frequency is particularly due to the comparatively slow movement of the Li ions stored in the electrodes (anode, cathode) through diffusion or changes in lattice positions. This movement has a large (high) time constant, so that the third excitation frequency in particular causes low-frequency excitation.
  • the third excitation frequency in particular causes low-frequency excitation.
  • diffusion processes in the electrolyte are stimulated.
  • diffusion processes within the active material i.e. solid-state diffusion
  • different pulse amplitudes and/or pulse phases are assigned to the different pulse frequencies. This means that the pulse components of the heating pulse differ from one another in terms of frequency, amplitude and phase. In particular, the amplitudes or current strengths of the low-frequency pulse components are selected in such a way that accelerated ageing of the cell is avoided.
  • phase differences of between 0° and 45° can occur, whereby the phase difference for diffusion in the solid state can be up to 90°, for example.
  • the time constants of the electrochemical processes depend, for example, on (cell) temperature, state of charge (SOC) and aging of the battery cell (state of health, SOH), and can therefore change during operation.
  • the selected pulse frequencies and amplitudes and/or pulse shapes of the current pulse are tracked based on a cell state.
  • a "cell state” is understood here in particular to be an operating parameter of the battery cell, for example the cell temperature, the state of charge or the cell aging.
  • the frequency and pulse shape are therefore advantageously tracked, for example, as the heating increases.
  • the processes that serve to heat the cell but prevent damage to the cell should also be stimulated as the heating process progresses.
  • the tracking can be carried out, for example, using stored characteristic curves or tables.
  • the or each time constant is pre-characterized and stored.
  • the determination of the time constants and the identification of the individual electrochemical processes can be carried out, for example, ex-situ via laboratory measurements on the battery cells for different cell states with subsequent modeling.
  • the model and/or characteristic curves and/or tables derived from it or corresponding ones are stored in a memory of the battery system and are thus available on demand during operation.
  • the or each time constant is determined during operation of the battery cell.
  • an in-situ determination of the time constant is possible by evaluating a voltage response for the impressed or fed current pulses in the battery system.
  • the current pulses are impressed and an impedance spectrum is derived. From this, the specific processes - stimulated/influenced by the current pulse - are identified and a heating or current pulse tailored to them is then set.
  • the battery system according to the invention has at least one electrochemical battery cell in which at least one electrochemical process takes place during operation, which contributes to an internal electrical cell resistance of the battery cell.
  • the battery system also has a feed device for feeding a current or heating pulse into the battery cell, and a controller (i.e. a control device) for carrying out a method described above.
  • the controller is generally designed - in terms of programming and/or circuitry - to carry out the method according to the invention described above.
  • the controller is thus specifically designed to set a pulse parameter (e.g. pulse frequency, pulse amplitude, pulse shape), in particular a pulse frequency, of the fed-in current pulse based on a time constant for an electrochemical process inside the battery cell in such a way that the electrochemical process is resonantly excited.
  • a pulse parameter e.g. pulse frequency, pulse amplitude, pulse shape
  • the controller is at least essentially formed by a microcontroller with a processor and a data memory in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented in the form of operating software (firmware) so that the method - possibly in interaction with a device user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller.
  • the controller can alternatively also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or by an FPGA (Field Programmable Gate Array), in which the functionality for carrying out the method according to the invention is implemented using circuitry.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the feed device is coupled to a device for generating the current pulse, which is controlled and/or regulated by the controller.
  • the device is designed as a pulse inverter with inductive storage in stator coils of an electrical machine/electric motor or as a separate actuating unit with separate, e.g. capacitive energy storage.
  • the device for generating the current pulse can also be designed as a combination of pulse change direction and actuating unit. This ensures reliable generation of the current or heating pulse.
  • An additional or further aspect of the invention provides software on a medium or data carrier for carrying out or executing the method described above, when the software runs on a computer or controller.
  • the software is stored on a data carrier and is intended to carry out the method described above and is suitable and designed for this purpose.
  • the software is therefore in particular operating software (firmware), with the data carrier being, for example, a data memory of the controller.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle with a battery system
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the battery system
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a battery cell and a feed unit of the battery system
  • Fig. 4 is a cell impedance diagram for electrochemical processes of the battery cell
  • Fig. 5 is a flow chart for a method for operating the battery system
  • Fig. 6 is a flow chart for an alternative method for operating the battery system.
  • Fig. 1 shows an electrically driven or drivable motor vehicle 2, for example an electric or hybrid vehicle.
  • the motor vehicle 2 has a three-phase electric motor 4 shown in Fig. 2 as an electric traction drive, which is connected to a battery system 6 for supplying electrical energy.
  • the battery system 6 has an electrochemical energy storage device 8 with a number of electrochemical battery cells 10.
  • the battery cells 10 can be modularly connected to at least one battery module.
  • a so-called Cell2Pack design is possible, in which the battery cells 10 are directly connected together and are not combined into modules in advance.
  • a pulse inverter is connected as a feed device 12 between the energy storage device 8 and the electric motor 4.
  • the battery system 6 further comprises a (DC voltage) intermediate circuit 14 connecting the energy storage device 8 and the feed device 12, which extends at least partially into the feed device 12.
  • the intermediate circuit 14 is at least partially led into the feed device 12, in which an intermediate circuit capacitor 16 and a bridge circuit 18 are connected.
  • phase currents are fed to the corresponding phases (windings) of a stator (not shown in detail).
  • the bridge circuit 18 is designed as a B6 circuit.
  • each of the phase windings is switched between the voltage levels of the intermediate circuit 14 in a clocked manner at a high switching frequency.
  • This clocked control is designed as a PWM control by a controller 20 of the feed device 12, with which a control and/or regulation of the speed, the power and the direction of rotation of the electric motor 4 is possible.
  • the battery system 6 also has a (battery) controller 22 for controlling and/or regulating the energy storage operation.
  • the controllers 20, 22 can be controlled by a battery management controller or integrated into it.
  • the structure of a battery cell 10 is shown in more detail in Fig. 3.
  • the electrochemical battery cell 10 is designed in particular as a lithium-ion cell.
  • the battery cell 10 has a cathode 24 with a (cathode) conductor 26 and an anode 28 with an (anode) conductor 30, which are separated by a separator 31 and coupled by a (liquid) electrolyte 32.
  • Fig. 4 shows an idealized course of the cell impedance Z in a schematic and simplified cell impedance diagram.
  • the real part of the cell impedance Z is plotted along the abscissa axis (X-axis), and the negative imaginary part of the cell impedance Z is plotted along the vertical ordinate axis (Y-).
  • the diagram shows a curve 34 for the cell impedance Z or for the cell impedance spectrum.
  • the curve 34 has different sections which are determined by different electrochemical processes.
  • the curve 34 essentially has six areas 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, and 34f.
  • the cell impedance Z is given by the electronic resistance and the resistance of the electrolyte 32.
  • the region 34b is determined by the contact impedance between the conductors 26, 30 and the associated electrodes 24, 28.
  • the cell impedance Z is determined in particular by the charge transfer and the double layer storage.
  • the region 34d is characterized by diffusion processes in the pore structure of the electrodes, with the region 34e being determined in particular by the diffusion in the separator 31.
  • the region 34f corresponds to the diffusion processes in the active material of the electrodes 24, 28.
  • a method for operating the battery system 6 is explained below, which, taking into account the electrochemical processes, causes a local heating of the battery cells 10 or their (battery) cell components 24, 26, 28, 30, 31, 32.
  • the method is carried out, for example, by the battery management controller or by the controller 20 and/or the controller 22.
  • the heating of the battery cells 10 is carried out by pulse heating, in which alternating current signals are fed into the battery cells 10 from the feed device 12 as a current or heating pulse 38, where they cause heating due to electrical loss processes.
  • the current pulse 38 has components in both the charging and discharging direction.
  • a certain amount of energy is taken from the energy storage device 8 and temporarily stored in the magnetic field of the stator coils of the electric motor 4. The polarity is then reversed, the magnetic field is reduced and the energy is fed back into the energy storage device 8 or into the battery cells 10 as a current pulse 38.
  • a time constant is assigned to at least one of the electrochemical processes of the battery cell 10.
  • a pulse frequency of the current pulse 38 is set based on the time constant such that the electrochemical process of the battery cell 10 is resonantly excited by the current pulse 38, so that one or more specific electrochemical processes are used by means of the resonance for the targeted heating of individual or multiple cell components 24, 26, 28, 30, 31, 32.
  • the method is started in a method step 36.
  • the method is started, for example, at cold ambient temperatures of the motor vehicle 2 when the battery system 6 is to have increased performance or efficiency.
  • a first method step 40 it is first checked whether an actual temperature of the battery cell 10 is less than or equal to a desired or stored target temperature.
  • the controller 22 is suitable and set up to monitor the temperature of the battery cell 10, for example by means of a temperature sensor or based on stored temperature characteristics. If the actual temperature is greater than or equal to the target temperature, the method is terminated with method step 42.
  • method step 44 is carried out.
  • a current pulse 38 is generated and fed into the battery cells 10 by the feed device 12 in a method step 46.
  • a voltage response of the battery cells 10 is then recorded in a method step 48.
  • the controller 22 monitors the battery cells 10 using a voltmeter.
  • the corresponding cell impedance spectrum is then determined in a method step 50.
  • the electrochemical processes stimulated or influenced by the current pulse 38 are identified.
  • the recorded voltage response is fitted with a stored model for the cell impedance, thus identifying the dominant processes or processes.
  • a time constant is assigned to at least one of the processes, and a corresponding pulse frequency is then determined based on the reciprocal of the time constant.
  • an in-situ determination of the time constant is carried out by evaluating the voltage response for the impressed or injected current pulses 38.
  • the specific pulse frequency is set by means of the controller 20 or the PWM control of the feed device 12. If the current cell temperature is still lower than the target temperature, the next current pulse 38 is generated in method step 44 with the newly set pulse frequency, thus causing a resonant excitation of the associated electrochemical process in the battery cell 10.
  • time constants are determined and the individual electrochemical processes are identified, in particular ex-situ, via pre-characterizations or laboratory measurements on the battery cells 10 for different cell states with subsequent modeling.
  • the time constants are stored in a memory of the controller 22, in particular using characteristic curves and tables.
  • the time constant for a specific electrochemical process is determined in a process step 56 based on the current cell states (operating states) of the battery cell 10 (cell temperature, charge state, aging state, ...) and based on the stored information. From this, a corresponding pulse frequency is determined based on the reciprocal of the time constant, and in a subsequent process step 58 the pulse frequency is set using the controller 20 or the PWM control of the feed device 12. The current pulse 38 is then generated in process step 44 and fed into the battery cell(s) 10.
  • process step 40 checks whether the actual cell temperature is less than or equal to a desired or stored target temperature. If the actual temperature is greater than or equal to the target temperature, the process ends with process step 42. If the actual temperature is lower than the desired cell temperature, process step 60 is carried out.
  • process step 60 the pulse frequency is tracked. This means that the time constant or pulse frequency is updated using the stored information based on the actual cell temperature (and/or other operating states) present after the current pulse 38. Process step 44 is then carried out again. This ensures that even as the heating process progresses, a reliable resonant excitation of the desired processes always takes place.
  • the pulse frequency of the current pulse 38 is set in the method steps 52, 60 such that an ageing process of the battery cell 10 is stimulated as little as possible or not at all by the current pulse 38.
  • a sinusoidal current pulse 38 with only one excitation or pulse frequency is used, which is specifically aimed at the diffusion in the anode (area 34f), for example.
  • a superposition of several excitation or pulse frequencies in the current pulse 38 can be used, which are matched to the time constants of various electrochemical processes.
  • a number of different electrochemical processes of the battery cell are each assigned a time constant, and a current pulse 38 is generated with a superposition of a corresponding number of pulse frequencies.
  • pulse properties in addition to the pulse frequencies, further pulse properties, in particular a pulse shape and/or a pulse amplitude, are set for the respective pulse frequency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (6), aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (10), in welcher im Betrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang abläuft, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand der Batteriezelle (10) beiträgt, wobei dem elektrochemischen Vorgang eine Zeitkonstante zugeordnet wird, wobei ein Strompuls (38) in die Batteriezelle (10) eingespeist wird, und wobei eine Pulsfrequenz des Strompulses (38) anhand der Zeitkonstante derart eingestellt wird, dass der elektrochemische Vorgang der Batteriezelle (10) durch den Strompuls (38) resonant angeregt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle, in welcher im Betrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang abläuft, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand der Batteriezelle beträgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriesystem und eine Software zur Durchführung des Verfahrens.
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an ein fahrzeuginternes (Hochvolt-) Batteriesystem als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-) Ladevorgangs wiederherstellbar.
Derartige Batteriesysteme oder Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul (Batteriezellmodul) auf, bei welchem mehrere einzelne elektrochemische Batteriezellen modular verschaltet sind. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen direkt zu der Fahrzeugbatterie zusammengeschaltet, insbesondere parallelgeschaltet, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden.
Batteriezellen auf Lithium-Ionen-Basis weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von etwa 95% auf, wobei die auftretenden Verluste in Wärmeenergie gewandelt werden. Die Leistung derartiger Lithium-Ionen-Batteriezellen nimmt (in Abhängigkeit der Zellchemie) typischerweise unterhalb von -5 °C (Grad-Celsius) ab. Eine aufnehmbare Leistung in Lade-Richtung ist in der Regel noch deutlich stärker temperaturabhängig, wobei die aufnehmbare Leistung bereits unterhalb +20 °C eingeschränkt ist. Dies wirkt sich insbesondere auf Schnellladevorgängen aus, bei welchen die Fahrzeugbatterie in möglichst kurzer Zeit aufgeladen werden soll.
Die abrufbaren Leistung der Fahrzeugbatterie ist somit im Wesentlichen abhängig von deren Ladezustand (engl.: State of Charge, SOC) und deren Batterietemperatur. Im Falle einer vollständig geladenen Fahrzeugbatterie ist es zur Verbesserung der Reichweite und der abrufbaren Leistung des elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs notwendig, dass die Fahrzeugbatterie eine gewisse Betriebs- oder Batte rietemperatur aufweist.
Hochvoltbatterien erfordern daher für einen stets optimalen Betrieb und bestmögliche Leistungsfähigkeit (Performance) eine thermische Konditionierung (Heizen / Kühlen). Insbesondere im kalten Zustand bei Temperaturen deutlich unterhalb der Raumtemperatur laufen die elektrochemischen Prozesse im Inneren der Batteriezellen lediglich sehr langsam ab. Dies reduziert die Fahrperformance und die Schnelllade-Fähigkeit in kalten Umgebungen. Insbesondere bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs, beispielsweise im Zuge eines (Auf-) Ladevorgangs, kann es vorkommen, dass die Batterietemperatur derart abkühlt oder reduziert wird, dass die Fahrzeugbatterie zu Beginn eines Fahrvorgangs, also bei einer Weiterfahrt oder Abfahrt des Kraftfahrzeugs, keine optimale Leistungsabgabe oder Leistungsentnahme ermöglicht. Weiterhin besteht insbesondere beim Laden die Gefahr, dass die Batteriezellen durch Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anode (sog. Lithium-Plating) irreversibel geschädigt werden. Infolgedessen sind die vom Batteriemanagementsystem freigegeben Ladeströme bei tiefen Temperaturen in der Regel sehr stark eingeschränkt, was in langen Ladezeiten resultiert.
Um auch in einer kalten Umgebung eine hinreichende Fahr- und Ladeleistungsfähigkeit darstellen zu können, werden elektrische angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge regelmäßig mit Heizsystemen für das Batteriesystem ausgestattet.
Beispielsweise sind am Batteriegehäuse der Fahrzeugbatterie oder an den Zellgehäusen außen angeordnete Heizelemente oder Heizvorrichtungen vorgesehen, welche jedoch zunächst lediglich das Batterie- bzw. Zellgehäuse erwärmen. Eine Temperatur des innenliegenden Aktivmaterials der Batteriezellen beginnt hingegen lediglich zeitverzögert nach Erwärmung des Batterie- und Zellengehäuses anzusteigen. Das Heizen ist darüber hinaus aufgrund der Wärmeverluste bei der Erwärmung des Zellgehäuses energetisch ineffektiv, sodass sich insgesamt eine nicht ausreichende Heizwirkung ergibt. Alternativ wird beispielsweise ein elektrischer Heizer verwendet, der ein Kühlwasser des Batteriesystems aufheizt. Dieses wird in einem Batterie-Temperierkreis umgewälzt und so zu dem Batteriesystem geführt. Die Heizfunktion über den Wasserheizer ist vergleichsweise träge, da zunächst Wasser erwärmt werden und über den Temperierkreis zur Batterie transportiert werden muss. Auch dort muss die Wärme zunächst von den Kühlplatten durch ggf. Gapfillerlagen zu den Batteriezellen gelangen. Entlang dieses Wärmepfads treten zudem überall Verluste auf, welche die Effizienz dieser Heizmethode weiter einschränken.
Aus der CN 106532187 A ist es beispielsweise bekannt, die Batteriezellen zur Erwärmung abwechselnd mit einem Wechselstrom aufzuladen und zu entladen, also abwechselnd einen Ladestrom einzuspeisen und einen Entladestrom zu entnehmen. Der sich einstellende Stromfluss führt zu einer Eigenerwärmung der Zellen durch Verluste an ihrem Innenwiderstand (Zellinnenwiderstand).
Bei einem sogenannten „Pulsheizen“ wird der Wechselstrom insbesondere in Form von hochfrequenten Strompulsen eingespeist und/oder entnommen. In der Regel ist die Fahrzeugbatterie über einen Zwischenkreis und einen (Puls-)Wechselrichter mit dem Elektromotor gekoppelt. Für das Pulsheizen ist es hierbei möglich, über den Pulswechselrichter (PWR) hochfrequente Strompulse zu der Fahrzeugbatterie zu schicken. Hierbei wird eine gewisse Energiemenge aus der Fahrzeugbatterie entnommen und im magnetischen Feld der Statorspulen des Elektromotors zwischengespeichert. Anschließend wird umgepolt, das magnetische Feld baut sich ab, und die Energie wird als Strompuls in die Fahrzeugbatterie beziehungsweise in die Batteriezellen zurückgespeist. Auf diese Weise kommt es zu einem Energiependeln zwischen den Batteriezellen und dem Elektromotor, welche aufgrund der Zellinnenwiderstände eine Erhöhung der Zelltemperaturen bewirkt.
Vorteilhafterweise entsteht die Wärme am Innenwiderstand der Batteriezellen direkt dort, wo sie benötigt wird. Bei den in elektrifizierten Fahrzeugen eingesetzten Antrieben ist die Induktivität der Statorspulen allerdings in der Regel relativ klein dimensioniert. Dies bedingt, dass das Pulsheizverfahren mit vergleichsweise hohen Pulsfrequenzen arbeiten muss, um technisch sinnvolle Heizleistungen zu erzielen. Hierbei erweist sich als nachteilig, dass der wirksame Innenwiderstand der Batteriezellen (Realteil der Zell-Impedanz) bei hohen Frequenzen sehr klein ist, was die erzielbare Heizleistung limitiert. Dies kann beispielsweise mit einem separaten Steller und einem kapazitiven Energiespeicher vermieden werden. Dies ermöglicht infolge des größeren Speichers auch niederfrequente Pulse, bei denen der für das Heizen wirksame Innenwi- derstand der Zellen größer ist, so dass bei gleichem Pulsstrom im Vergleich größere Heizleistungen möglich werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems anzugeben. Insbesondere soll ein zuverlässiges und sicheres Temperieren oder Heizen von Batteriezellen angegeben werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriesystem sowie eine besonders geeignete Software anzugeben.
Hinsichtlich das Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriesystems mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche (Unteransprüche).
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Batteriesystem und/oder die Software übertragbar und umgekehrt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für das Batteriesystem insbesondere dadurch, dass dieses ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Batteriesystems vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Verfahren ist generell geeignet für Batteriesysteme, welche bei niedrigen Umgebungstemperaturen (kalt-)gestartet werden, und dabei eine erhöhte Leistung oder Leistungsfähigkeit aufweisen sollen. Das Batteriesystem ist vorzugsweise als eine Fahrzeugbatterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs, beispielsweise eines hybriden oder vollelektrischen (Kraft-)Fahrzeugs, ausgebildet. Alternativ kann das Batteriesystem beispielsweise für andere batterieelektrische Produkte oder als ein stationärer Energiespeicher ausgeführt sein.
Das Batteriesystem weist hierbei zumindest eine elektrochemische Batteriezelle auf. Vorzugsweise ist das Batteriesystem auf Lithium-Ionen-Basis ausgeführt, wobei die elektrochemische Batteriezelle entsprechend eine Lithium-Ionen-Zelle, beispielsweise eine Dünnschichtzelle mit einem Flüssigelektrolyten, ist. In der Batteriezelle läuft im Batterie- oder Zellbetrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang ab, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand, insbesondere einer Zellimpedanz, der Batteriezelle beiträgt.
Verfahrensgemäß wird dem mindestens einen elektrochemischen Vorgang eine Zeitkonstante zugeordnet, und ein Strompuls in die Batteriezelle eingespeist und/oder entnommen. Erfindungsgemäß wird eine Pulsfrequenz des Strompulses anhand der Zeitkonstante derart eingestellt, dass der elektrochemische Vorgang der Batteriezelle durch den Strompuls resonant angeregt wird. Mit anderen Worten wird die Pulsfrequenz anhand der Zeitkonstante derart abgestimmt, dass der elektrochemische Vorgang verstärkt angeregt wird. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems realisiert.
Erfindungsgemäß wird das beschriebene Verhalten für die aus dem Stand der Technik bekannte Pulsheizfunktion nutzbar gemacht, indem die Frequenz der Strom- oder Heizpulse mit Blick auf die Zeitkonstanten der elektrochemischen Prozesse innerhalb der Batteriezelle gezielt ausgewählt werden. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen wird im vorgeschlagenen Verfahren die Pulsfrequenz sowie vorzugsweise auch die Pulsform und/oder Pulsamplitude und/oder Pulsphase beim Pulsheizen auf konkrete elektrochemische Prozesse innerhalb der Batteriezelle abgestimmt. Dadurch kann eine Resonanz mit bestimmten elektrochemischen Prozessen zur zielgerichteten Aufheizung einzelner Zellkomponenten genutzt werden.
Entspricht die Pulsfrequenz (f) beispielsweise genau dem Kehrwert der Zeitkonstante (T) eines der innerhalb der Batteriezelle ablaufenden elektrochemischen Prozesses (f = 1/T), wird dieser angeregt und in Resonanz gebracht (Resonanzfrequenz). Dies erlaubt ein zielgerichtetes Einbringen von Heizenergie in bestimmte Regionen der Batteriezelle. Limitiert z.B. die Kinetik der Einlagerungsreaktion an der Anode einen Schnellladevorgang, können die aktiven Zentren an dieser Elektrode auf diese Weise gezielt beheizt werden.
Unter „resonant angeregt“ oder einer „resonanten Anregung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine verstärkte (periodische) Anregung des elektrochemischen Prozesses verstanden, wenn er der zeitlich veränderlichen Einwirkung des Strompulses unterliegt. Dabei kann eine stärkere Auswirkung des elektrochemischen Prozesses auf den Zellinnenwiderstand/die Zellimpedanz realisiert werden, als bei einem konstanten Einwirken (Gleichstrom-Laden/Entladen). Bei einer periodischen Anregung des elektrochemischen Prozesses liegt die Anrege- oder Pulsfrequenz (oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon) in der Nähe der Resonanzfrequenz des elektrochemischen Prozesses, also in einem gewissen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz beziehungsweise dem Kehrwert der Zeitkonstante des elektrochemischen Prozesses.
Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt somit Wärme direkt innerhalb der Batteriezelle ohne Umwege und Verluste z.B. in einem Wasserkreis. Die bewirkte Heizleistung (Heizperformance) wird durch gezieltes Ansprechen einzelner elektrochemischer Prozesse innerhalb der Batteriezelle bewirkt. Insbesondere ist somit ein gezieltes Einbringen von Heizleistung in performance- kritische Zellkomponenten (z.B. Anode beim Schnellladen) ermöglicht.
Unter einem „elektrochemischen Vorgang“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine elektrochemische Reaktion oder ein elektrochemischer Prozess im Inneren der Batteriezelle verstanden, welche eine (lokale) Veränderung der eines Zustands innerhalb der Batteriezelle aufgrund eines elektrischen Stroms bewirkt, welche die elektrische Leitfähigkeit der Batteriezelle beeinflusst und somit den elektrischen Innenwiderstand oder die Impedanz der Batteriezelle verändert. Unter einem „elektrochemischen Vorgang“ werden weiterhin auch Bewegungen oder Veränderungen der Ladungsträger (Elektronen, Ionen) in der Batteriezelle oder deren Komponenten (z.B. Ableitern) verstanden.
Innerhalb einer Batteriezelle laufen eine ganze Reihe von unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen ab, welche zum Zellinnenwiderstand bzw. der Zellimpedanz beitragen. Beispielhaft seien hier die Ladungsdurchtritte der Li-Ionen an Anode und Kathode, Bildung elektrochemischer Doppelschichten sowie Diffusionsvorgänge genannt. Bei den Diffusionsvorgängen ist zudem einer Diffusion im Elektrolyten (d.h. innerhalb der vom Elektrolyten gefüllten Porenstruktur von Separator und Elektroden) sowie der Diffusion im Feststoff (also innerhalb des Aktivmaterials) zu unterscheiden. Jeder dieser Vorgänge leistet einen Beitrag zur wirksamen Zellimpedanz und weist eine individuelle Zeitkonstante auf.
Trägt man das Impedanzspektrum der Batteriezelle in der komplexen Ebene auf (Nyquist-Plot), treten die einzelnen Prozesse in Form von Halbkreisen zu Tage. In der elektrischen Modellierung von Batteriezellen werden häufig Ersatzschaltbildmodelle herangezogen. Die einzelnen Prozesse können hierbei durch eine Parallelschaltung einer Kapazität und eines Widerstands (RC-Glied) abgebildet werden (vgl. bspw. Gaberscek , M: Impedance spectroscopy of battery cells : Theory vs. Experiment, Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 32:100917). Die Zeitkonstante des jeweiligen Prozesses ergibt sich dann als Produkt der (Gesamt-) Kapazität und des (Gesamt-) Widerstands (T = R*C). Unter einem „Strompuls“ wird insbesondere ein Wechselstromsignal einer bestimmten (Pulsbauer und mit einer vorgegebenen Wechselstromfrequenz (Signalfrequenz) verstanden. Das Wechselstromsignal kann hierbei lediglich eine (Puls-)Signalkomponente mit einer Pulsfrequenz aufweisen, so dass der Strompuls im Wesentlichen ein Sinussignal ist. Das Wechselstromsignal kann jedoch auch mehrere Signalkomponenten mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen, Pulsamplituden und/oder Pulsformen aufweisen, wobei der Strompuls im Wesentlichen die resultierende Superposition der einzelnen Signalkomponenten ist.
Zur technischen Umsetzung des Strompulses können die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren genutzt werden, also z.B. Erzeugung des Strompulses über einen Pulswechselrichter mit induktiver Speicherung in Statorspulen einer elektrischen Maschine/eines Elektromotors, über eine separate Stelleinheit mit separatem z.B. kapazitivem Energiespeicher, oder über Kombinationen hiervon.
Vorzugsweise wird der Strompuls periodisch in die Batteriezelle eingespeist, um ein zuverlässiges resonantes (Auf-)Heizen der Batteriezelle zu bewirken. Für ein Erwärmen der Batteriezelle werden also beispielsweise eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Strompulsen eingespeist. Zweckmäßigerweise ist die Periodizität oder Widerholungsfrequenz des Strompulses ebenfalls hinsichtlich der resonanten Anregung des elektrochemischen Vorgangs gewählt.
Zusätzlich oder alternativ zum Einspeisen eines Lade-Strompulses kann auch entsprechend eine Entnahme eines Entlade-Strompulses verwendet werden. Dadurch wird die Zellleistung generell verbessert, auch in Entladerichtung z.B. für ein schnelleres Herstellen einer Fahrbereitschaft in kalter Umgebung oder ein schnelleres Bereitstellen geforderter Fahrleistungen. Zum Erwärmen oder Heizen der Batteriezelle wird vorzugsweise ein Energiependeln zwischen der Batteriezelle und einem Energiespeicher (z.B. Induktivitäten von Statorspulen) genutzt, wobei Strompulse sowohl Anteile in Lade- als auch Entladerichtung aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden insbesondere asymmetrische Strompulse verwendet, welche in Laderichtung eine geringere C-Rate aufweise als in Entladerichtung.
Zusätzlich zu der resonanten Aufwärmung der Batteriezelle kann auf entsprechende Weise die Auslösung von alterungs-sensitiven Prozessen vermieden werden. In der Batteriezelle läuft im Betrieb zumindest ein Alterungsprozess ab, welchem ebenfalls eine Zeitkonstante zugeordnet werden kann. Daher kann die Pulsfrequenz des Strompulses in einer denkbaren Weiterbildung derart eingestellt werden, dass ein bestimmter Alterungsprozess der Batteriezelle durch den Strompuls wenig bis gar nicht angeregt wird. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn der jeweilige Alterungsprozess als kritisch hinsichtlich der Zell-Alterung identifiziert wurde. Vorzugsweise ist die Pulsfrequenz des Strompulses also so gewählt, dass der elektrochemische Prozess resonant und der Alterungsprozess möglichst nicht angeregt wird. Durch das Nicht-Ansprechen von alterungssensitven Prozessen beim Heizen wird die Lebensdauer der Batteriezelle verbessert. Weiterhin wird die Zellleistung durch das resonante Heizen nicht einem ansonsten ungeheizten, für die Batteriezelle stark alterungsfördernden, Temperaturbereich betrieben.
Unter einem „Alterungsprozess“ wird hier und im Folgenden insbesondere ein elektrochemischer Vorgang im Inneren der Batteriezelle verstanden, welcher sich auf die Alterung der Batteriezelle auswirkt. Der Alterungsprozess ist insbesondere ein irreversibler Prozess, welcher die Zelleigenschaften dauerhaft beeinflusst. Solche Alterungsprozesse beeinflussen unter anderem die (Rest-) Kapazität der Batteriezelle sowie den Zellinnenwiderstand bzw. die Zellimpedanz irreversibel. Gealterte Batteriezellen weisen typischerweise eine reduzierte Kapazität und (dauerhaft) höheren Zellinnenwiderstand als am Anfang (Begin-of-Life) auf. Relevante Alterungsprozesse sind hierbei Li-Plating, Schichtdickenwachstum und Gasbildung innerhalb der Batteriezelle.
In einer besonders einfachen Ausführung des Verfahrens wird ein sinusförmiger Strompuls mit lediglich einer Anregungs- oder Pulsfrequenz verwendet, welche z.B. gezielt auf die Diffusion in der Anode abzielt.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens kann auch eine Überlagerung mehrerer Anregungsoder Pulsfrequenzen im nachfolgend auch als Heizpuls bezeichneten Strompuls genutzt werden, die auf die Zeitkonstanten verschiedener elektrochemischer Vorgänge abgestimmt sind. In einer geeigneten Ausführung wird hierzu einer Anzahl von unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen der Batteriezelle jeweils eine Zeitkonstante zugeordnet, und ein Strompuls mit einer Überlagerung einer entsprechenden Anzahl von Pulsfrequenzen erzeugt, wobei die Pulssequenzen anhand der Zeitkonstanten derart eingestellt werden, dass die jeweiligen elektrochemischen Vorgänge der Batteriezelle durch den Strompuls resonant angeregt werden. Dies bedeutet, dass der Heizpuls als ein nicht-sinusförmiger Strompuls ausgeführt ist, in dem mehrere Anregungsfrequenzen enthalten sind. Auf diese Weise können nicht nur eine, sondern mehrere Zeitkonstanten und demzufolge mehrere elektrochemische Prozesse innerhalb der Batteriezelle gezielt angesprochen/angeregt werden, wodurch die Heizleistung verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden insgesamt drei Frequenzanteile zu einem Gesamt-Heizpuls überlagert. Diese unterscheiden sich signifikant in ihrer Zeitkonstante. Dadurch ist eine optimierte Heizleistung durch Ansprechen mehrerer Prozesse mit weit auseinanderliegenden Zeitkonstanten ermöglicht.
Die erste Anregungsfrequenz ist hierbei insbesondere abgestimmt auf eine Elektronenbewegung in den Stromableitern der Batteriezelle. Die Stromableiter sind beispielsweise aus einem Kupfermaterial (bei Anode) oder aus einem Aluminiummaterial (bei Kathode) ausgeführt. Die Elektrodenbewegung im metallischen Stromableitermaterial ist ein sehr schneller Prozess mit einer kleiner (niedrigen) Zeitkonstante. Entsprechend ist die erste Anregungsfrequenz eine hochfrequente Anregung. Bei sehr hohen Pulsfrequenzen im Bereich 100 Hz (Hertz) bis größer 5 kHz (Kilohertz) wird insbesondere lediglich eine reine elektrische Leitung innerhalb der Batteriezelle (Stromschienen, Ableiterfolien) und gegebenenfalls Umladungen interner Doppelschichtkapazitäten angeregt. Hierfür wären beispielsweise große C-Raten des Pulsstroms (Pulsstromrate) von 5 C bis 10 C (je nach Zellauslegung) möglich.
Die zweite Anregungsfrequenz ist insbesondere auf die Bewegung von solvatisierten Li-Ionen abgestimmt, welche im Elektrolyten gelöst sind. Die Bewegung weist hierbei eine mittlere Zeitkonstante auf, so dass die zweite Anregungsfrequenz eine mittlere Anregungsfrequenz ist. In einem mittleren Frequenzbereich zwischen 50 mHz (Millihertz) und 10 Hz werden insbesondere Einlagerungs- und Auslagerungsreaktionen von Li-Ionen an der Anode und Kathode angeregt. Hierfür ist die ertragbare Pulsstromrate auf beispielsweise 0,25 C bis 1C (je nach Zelltemperatur) reduziert.
Die dritte Anregungsfrequenz ist insbesondere auf die vergleichsweise langsame Bewegung der in den Elektroden (Anode, Kathode) eingelagerten Li-Ionen durch Diffusion beziehungsweise Wechsel von Gitterpositionen. Diese Bewegung weist eine große (hohe) Zeitkonstante auf, so dass durch die dritte Anregungsfrequenz insbesondere eine niederfrequente Anregung bewirkt wird. Beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 5 mHz und 50 mHz Diffusionsprozesse im Elektrolyten angeregt. Bei Frequenzen langsamer als 5 mHz kommen zudem Diffusionsprozesse innerhalb des Aktivmaterials (also Festkörperdiffusion) zum Tragen. In Abhängigkeit von der Zelltemperatur ist es daher notwendig, die Pulsanregung auf z.B. 0,1 C bis 0,2 C zu reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden den unterschiedlichen Pulsfrequenzen unterschiedliche Pulsamplituden und/oder Pulsphasen zugeordnet. Dies bedeutet, dass die Pulsanteile des Heizpulses sich hinsichtlich Frequenz- und Amplitude sowie Phase voneinander unterscheiden. Hierbei werden insbesondere die Amplituden oder Stromstärken der niederfrequenten Pulsanteile so gewählt, dass eine beschleunigte Alterung der Zelle vermieden wird.
Bei einer Anregung einer Anzahl von elektrochemischen Prozessen, welche bei Anregung eine rein ohmsche Auswirkung auf den Zellinnenwiderstand/die Zellimpedanz haben, sind die Prozesse in der Regel in Phase, so dass die Pulsphasen der Pulskomponenten vorzugsweise gleich ist. Bei einer Solvatisierung der Ionen können Phasenunterschiede zwischen 0° und 45° vorliegen, wobei die Phasendifferenz für die Diffusion im Festkörper beispielsweise bis zu 90° betragen kann.
Die Zeitkonstanten der elektrochemischen Prozesse sind z.B. abhängig von (Zell-)Temperatur, Ladezustand (engl.: State of Charge, SOC) und Alterung der Batteriezelle (engl.: State of Health, SOH), und können sich somit während des Betriebs verändern. In einer zweckmäßigen Ausführung werden die gewählten Pulsfrequenzen und Amplituden und/oder Pulsformen des Strompulses anhand eines Zellzustandes nachgeführt. Unter einem „Zellzustand“ ist hierbei insbesondere ein Betriebsparameter der Batteriezelle, beispielsweise die Zelltemperatur, der Ladezustand oder die Zell-Alterung, zu verstehen. Die Frequenz und Pulsform wird daher vorteilhafterweise zum Beispiel mit zunehmender Aufheizung nachgeführt. Es sollen speziell die Prozesse, die dem Aufheizen der Zelle dienen, jedoch eine Schädigung der Zelle unterbinden, auch beim Fortschreiten des Heizprozesses angeregt werden. Die Nachführung kann hierbei beispielsweise anhand von hinterlegten Kennlinien oder Tabellen erfolgen.
In einer denkbaren Ausführung wird die oder jede Zeitkonstante vorcharakterisiert und hinterlegt. Die Bestimmung der Zeitkonstanten und die Identifikation der einzelnen elektrochemischen Vorgänge kann hierbei beispielsweise ex-situ über Labormessungen an den Batteriezellen für unterschiedliche Zellzustände mit anschließender Modellierung erfolgen. Das Modell und/oder daraus abgeleitete oder entsprechende Kennlinien und/oder Tabellen werden hierbei in einem Speicher des Batteriesystems hinterlegt, und stehen somit auf Abruf im Betrieb bereit.
In einer alternativen Ausführung wird die oder jede Zeitkonstante im Betrieb der Batteriezelle bestimmt. Insbesondere ist hierbei eine in-situ Bestimmung der Zeitkonstanten über Auswertung einer Spannungsantwort für die aufgeprägten oder eingespeisten Strompulse im Batteriesystem möglich. Hierzu werden die Strompulse aufgeprägt und ein Impedanzspektrum abgeleitet. Hieraus werden die konkreten - durch den Strompuls angeregten/beeinflussten - Vorgänge identifiziert und anschließend ein darauf abgestimmter Heiz- oder Strompuls eingestellt. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens eine elektrochemische Batteriezelle, in welcher im Betrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang abläuft, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand der Batteriezelle beiträgt, auf. Das Batteriesystem weist weiterhin eine Einspeiseeinrichtung zur Einspeisung eines Strom- oder Heizpulses in die Batteriezelle, und einen Controller (das heißt ein Steuergerät) zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens auf.
Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, einen Pulsparameter (z.B. Pulsfrequenz, Pulsamplitude, Pulsform), insbesondere eine Pulsfrequenz, des eingespeisten Strompulses anhand einer Zeitkonstante für einen elektrochemischen Prozess im Inneren der Batteriezelle derart einzustellen, dass der elektrochemische Vorgang resonant angeregt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder durch einem FPGA (Field Programmable Gate Array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Einspeiseeinrichtung mit einer Einrichtung zur Erzeugung des Strompulses gekoppelt, welche von dem Controller gesteuert und/oder geregelt ist. Die Einrichtung ist hierbei als ein Pulswechselrichter mit induktiver Speicherung in Statorspulen einer elektrischen Maschine/eines Elektromotors oder als eine separate Stelleinheit mit separatem z.B. kapazitivem Energiespeicher ausgeführt. Alternativ kann die Einrichtung zur Erzeugung des Strompulses auch als eine Kombinationen von Pulswechselrichtung und Stelleinheit ausgeführt sein. Dadurch ist eine zuverlässige Erzeugung des Strom- oder Heizpulses gewährleistet.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor, wenn die Software auf einem Computer oder Controller abläuft. Dies bedeutet, dass die Software auf einem Datenträger hinterlegt ist, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines elektrisch angetrieben oder antreibbaren Kraftfahrzeugs realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem,
Fig. 2 in schematischer Darstellung das Batteriesystem,
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Batteriezelle und eine Einspeiseeinheit des Batteriesystems,
Fig. 4 ein Zellimpedanz-Diagramm für elektrochemische Vorgänge der Batteriezelle, Fig. 5 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb des Batteriesystems, und
Fig. 6 ein Flussdiagramm für ein alternatives Verfahren zum Betrieb des Batteriesystems.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug 2, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 2 weist einen in Fig. 2 gezeigten, dreiphasigen, Elektromotor 4 als elektrischen Traktionsantrieb auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an ein Batteriesystem 6 angeschlossen ist.
Das Batteriesystem 6 weist einen elektrochemischen Energiespeicher 8 mit einer Anzahl von elektrochemischen Batteriezellen 10 auf. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung können die Batteriezellen 10 modular mindestens einem Batteriemodul verschaltet sein. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen 10 direkt zusammengeschaltet sind, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden. Zwischen dem Energiespeicher 8 und dem Elektromotor 4 ist ein Pulswechselrichter als Einspeiseeinrichtung 12 verschaltet. Das Batteriesystem 6 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel weiterhin einen den Energiespeicher s und die Einspeiseeinrichtung 12 verbindenden (Gleich- spannungs-)Zwischenkreis 14, welcher sich zumindest teilweise in die Einspeiseeinrichtung 12 erstreckt. Der Zwischenkreis 14 ist zumindest teilweise in die Einspeiseeinrichtung 12 geführt, in welchen zwischen ein Zwischenkreiskondensator 16 sowie eine Brückenschaltung 18 verschaltet sind.
Im Betrieb des Elektromotors 4 wird ein der Brückenschaltung 18 zugeführter Eingangsstrom in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) für die drei Phasen des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
Die Brückenschaltung 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen den Spannungsniveaus des Zwischenkreises 14 umgeschaltet. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine PWM-Ansteuerung durch einen Controller 20 der Einspeiseeinrichtung 12 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
Das Batteriesystem 6 weist weiterhin einen (Batterie-)Controller 22 zur Steuerung und/oder Regelung des Energiespeicherbetriebs auf. Die Controller 20, 22 können hierbei von einem Batteriemanagementcontroller angesteuert werden, oder in diesen integriert sein.
In der Fig. 3 ist der Aufbau einer Batteriezelle 10 näher gezeigt. Die elektrochemische Batteriezelle 10 ist insbesondere als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Batteriezelle 10 eine Kathode 24 mit einem (Kathoden-)Ableiter 26 und eine Anode 28 mit einem (Anoden-)Ableiter 30 auf, welche durch einen Separator 31 getrennt, und durch einen (Flüssig-)Elektrolyten 32 gekoppelt sind.
In der Batteriezelle 10 läuft im Batterie- oder Zellbetrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang innerhalb der Ableiter 26, 30 und/oder den Elektrodenschichten 24, 28 und/oder dem Elektrolyten 32 ab, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand, insbesondere einer Zellimpedanz Z, der Batteriezelle 10 beiträgt. Die Fig. 4 zeigt in einem schematischen und vereinfachten Zellimpedanz-Diagramm einen idealisierten Verlauf der Zellimpedanz Z. In dem Zellimpedanz-Diagramm ist entlang der Abszissenachse (X-Achse) der Realteil der Zellimpedanz Z, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-) der negative Imaginärteil der Zellimpedanz Z aufgetragen.
In dem Diagramm ist ein Verlauf 34 für die Zellimpedanz Z beziehungsweise für das Zellimpedanz-Spektrum gezeigt. Der Verlauf 34 weist hierbei unterschiedliche Abschnitte auf, welche durch unterschiedliche elektrochemische Vorgänge bestimmt sind. Der Verlauf 34 weist hierbei im Wesentlichen sechs Bereiche 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, und 34f auf.
Im niederohmigen Bereich 34a ist die Zellimpedanz Z durch den elektronischen Widerstand und den Widerstand des Elektrolyten 32 gegeben. Der Bereich 34b ist durch die Kontaktimpedanz zwischen den Ableitern 26, 30 und den zugeordneten Elektroden 24, 28 bestimmt. Im Bereich 34c bemisst sich die Zellimpedanz Z insbesondere durch den Ladungstransfer und der Doppelschichtspeicherung (engl.: double layer storage). Der Bereich 34d wird durch Diffusionsprozesse in in der Porenstruktur der Elektroden charakterisiert, wobei der Bereich 34e insbesondere durch die Diffusion im Separator 31 bestimmt wird. Der Bereich 34f korrespondiert zu den Diffusionsprozessen im Aktivmaterial der Elektroden 24, 28.
Nachfolgend ist ein Verfahren zum Betrieb des Batteriesystems 6 erläutert, welches unter Berücksichtigung der elektrochemischen Vorgänge eine lokale Erwärmung der Batteriezellen 10 oder deren (Batterie-)Zellkomponenten 24, 26, 28, 30, 31 , 32 bewirkt. Das Verfahren wird beispielsweise durch den Batteriemanagementcontroller beziehungsweise durch den Controller 20 und/oder den Controller 22 durchgeführt.
Die Erwärmung der Batteriezellen 10 erfolgt hierbei verfahrensgemäß durch ein Pulsheizen, bei welchem von der Einspeiseeinrichtung 12 Wechselstromsignale als Strom- oder Heizpuls 38 in die Batteriezellen 10 eingespeist werden, und dort aufgrund von elektrischen Verlustprozessen eine Erwärmung bewirken. Der Strompuls 38 weist hierbei sowohl Anteile in Lade- als auch in Entladerichtung auf.
Zur Erzeugung des Strompulses 38 wird eine gewisse Energiemenge aus dem Energiespeicher 8 entnommen und im magnetischen Feld der Statorspulen des Elektromotors 4 zwischengespeichert. Anschließend wird umgepolt, das magnetische Feld baut sich ab und die Energie wird als Strompuls 38 in den Energiespeicher 8 beziehungsweise in die Batteriezellen 10 zurückgespeist. Verfahrensgemäß wird mindestens einem der elektrochemischen Vorgänge der Batteriezelle 10 eine Zeitkonstante zugeordnet. Hierbei wird eine Pulsfrequenz des Strompulses 38 anhand der Zeitkonstante derart eingestellt, dass der elektrochemische Vorgang der Batteriezelle 10 durch den Strompuls 38 resonant angeregt wird, so dass mittels der Resonanz ein oder mehrere bestimmte elektrochemische Prozesse zur zielgerichteten Aufheizung einzelner oder mehrerer Zellkomponenten 24, 26, 28, 30, 31, 32 genutzt werden.
Nachfolgend ist anhand der Fig. 5 eine erste Ausführungsform des Verfahrens näher erläutert.
In einem Verfahrensschritt 36 wird das Verfahren gestartet. Das Verfahren wird hierbei beispielsweise bei kalten Umgebungstemperaturen des Kraftfahrzeugs 2 gestartet, wenn das Batteriesystem 6 eine erhöhte Leistung oder Leistungsfähigkeit aufweisen soll.
In einem ersten Verfahrensschritt 40 wird zunächst geprüft, ob eine Ist-Temperatur der Batteriezelle 10 kleiner oder gleich einer gewünschten oder hinterlegten Soll-Temperatur ist. Der Controller 22 ist hierbei dazu geeignet und eingerichtet die Temperatur der Batteriezelle 10 zu überwachen, beispielsweise mittels eines Temperatursensors oder anhand von hinterlegten Temperatur-Kennlinien. Ist die Ist-Temperatur größer oder gleich der Soll-Temperatur wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 42 beendet.
Sofern die Ist-Temperatur niedriger als die gewünschte Zelltemperatur ist, wird der Verfahrensschritt 44 ausgeführt. In dem Verfahrensschritt 44 wird ein Strompuls 38 erzeugt und in einem Verfahrensschritt 46 durch die Einspeiseeinrichtung 12 in die Batteriezellen 10 eingespeist. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 48 eine Spannungsantwort der Batteriezellen 10 erfasst. Beispielsweise überwacht der Controller 22 die Batteriezellen 10 hierbei mittels eines Spannungsmessers.
Anhand der erfassten Spannungsantwort wird in einem Verfahrensschritt 50 anschließend das korrespondierende Zellimpedanz-Spektrum bestimmt. In einem Verfahrensschritt 52 werden die durch den Strompuls 38 angeregten oder beeinflussten elektrochemischen Vorgänge identifiziert. Beispielsweise wird die erfasste Spannungsantwort mit einem hinterlegten Modell für die Zellimpedanz gefittet, und somit die dominanten Prozesse oder Vorgänge identifiziert. Mindestens einem der Vorgänge wird eine Zeitkonstante zugeordnet, wobei anschließend eine entsprechende Pulsfrequenz anhand des Kehrwerte der Zeitkonstante bestimmt wird. Mit anderen Worten erfolgt eine in-situ Bestimmung der Zeitkonstanten über Auswertung der Spannungsantwort für die aufgeprägten oder eingespeisten Strompulse 38.
Die bestimmte Pulsfrequenz wird mittels des Controllers 20 oder der PWM-Ansteuerung der Einspeiseeinrichtung 12 eingestellt. Sofern die aktuelle Zelltemperatur noch niedriger als die Soll-Temperatur ist, wird der nächste Strompuls 38 im Verfahrensschritt 44 mit der neu eingestellten Pulsfrequenz erzeugt, und somit eine resonante Anregung des zugeordneten elektrochemischen Prozesses in der Batteriezelle 10 bewirkt.
Anhand der Fig. 6 ist nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens näher erläutert. Hierbei erfolgt die Bestimmung der Zeitkonstanten und die Identifikation der einzelnen elektrochemischen Vorgänge insbesondere ex-situ über Vorcharakterisierungen oder Labormessungen an den Batteriezellen 10 für unterschiedliche Zellzustände mit anschließender Modellierung. Die Zeitkonstanten sind hierbei insbesondere anhand von Kennlinien und Tabellen in einem Speicher des Controllers 22 hinterlegt.
Nach dem Start des Verfahrens im Verfahrensschritt 36 wird in einem Verfahrensschritt 56 anhand der aktuellen Zellzustände (Betriebszustände) der Batteriezelle 10 (Zelltemperatur, Ladungszustand, Alterungszustand, ...) und anhand der hinterlegten Informationen die Zeitkonstante für einen bestimmten elektrochemischen Vorgang bestimmt. Hieraus wird eine entsprechende Pulsfrequenz anhand des Kehrwerte der Zeitkonstante bestimmt, und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt 58 wird die Pulsfrequenz mittels des Controllers 20 oder der PWM- Ansteuerung der Einspeiseeinrichtung 12 eingestellt. Hernach wird in dem Verfahrensschritt 44 der Strompuls 38 erzeugt und in die Batteriezelle(n) 10 eingespeist.
Im Anschluss wird mit dem Verfahrensschritt 40 geprüft, ob die Ist-Zelltemperatur kleiner oder gleich einer gewünschten oder hinterlegten Soll-Temperatur ist. Ist die Ist-Temperatur größer oder gleich der Soll-Temperatur wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 42 beendet. Sofern die Ist-Temperatur niedriger als die gewünschte Zelltemperatur ist, wird der Verfahrensschritt 60 ausgeführt.
In dem Verfahrensschritt 60 werden die Pulsfrequenz nachgeführt. Dies bedeutet, dass anhand der nach dem Strompuls 38 vorliegenden Ist-Zelltemperatur (und/oder weiterer Betriebszustände) die Zeitkonstante beziehungsweise Pulsfrequenz anhand der hinterlegten Informationen aktualisiert wird. Anschließend wird der Verfahrensschritt 44 erneut ausgeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei einem Fortschreiten des Heizprozesses stets eine zuverlässige resonante Anregung der gewünschten Prozesse erfolgt.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind auf entsprechende Weise auch zur Vermeidung von alterungssensitiven Prozessen geeignet. Insbesondere wird die Pulsfrequenz des Strompulses 38 in den Verfahrensschritten 52, 60 derart eingestellt, dass ein Alterungsprozess der Batteriezelle 10 durch den Strompuls 38 möglichst wenig bis gar nicht angeregt wird.
In einer besonders einfachen Ausführung der Verfahren wird ein sinusförmiger Strompuls 38 mit lediglich einer Anregungs- oder Pulsfrequenz verwendet, welche z.B. gezielt auf die Diffusion in der Anode (Bereich 34f) abzielt. Alternativ kann auch eine Überlagerung mehrerer Anregungsoder Pulsfrequenzen im Strompuls 38 genutzt werden, die auf die Zeitkonstanten verschiedener elektrochemischer Vorgänge abgestimmt sind. Hierzu wird in den Verfahrensschritten 52, 56 eine Anzahl von unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen der Batteriezelle jeweils eine Zeitkonstante zugeordnet, und ein Strompuls 38 mit einer Überlagerung einer entsprechenden Anzahl von Pulsfrequenzen erzeugt.
Vorzugsweise werden in den Verfahrensschritten 52, 56 zusätzlich zu den Pulsfrequenzen auch weitere Pulseigenschaften, insbesondere eine Pulsform und/oder eine Pulsamplitude, für die jeweilige Pulsfrequenz eingestellt.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Elektromotor
Batteriesystem
Energiespeicher
10 Batteriezelle
12 Einspeiseeinrichtung
14 Zwischenkreis
16 Zwischenkreiskondensator
18 Brückenschaltung
20 Controller
22 Controller
24 Kathode
26 Ableiter
28 Anode
30 Ableiter
31 Separator
32 Elektrolyt
34 Verlauf
34a ... 34f Bereich
35 Verfahrensschritt
38 Strompuls
40 ... 66 Verfahrensschritt
Z Zellimpedanz

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (6), aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (10), in welcher im Betrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang abläuft, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand der Batteriezelle (10) beiträgt,
- wobei dem elektrochemischen Vorgang eine Zeitkonstante zugeordnet wird,
- wobei ein Strompuls (38) in die Batteriezelle (10) eingespeist wird, und
- wobei eine Pulsfrequenz des Strompulses (38) anhand der Zeitkonstante derart eingestellt wird, dass der elektrochemische Vorgang der Batteriezelle (10) durch den Strompuls (38) resonant angeregt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass in der Batteriezelle (10) im Betrieb zumindest ein Alterungsprozess abläuft, welchem eine Zeitkonstante zugeordnet wird, wobei die Pulsfrequenz des Strompulses (38) derart eingestellt wird, dass der Alterungsprozess der Batteriezelle (10) durch den Strompuls (38) nicht angeregt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass einer Anzahl von unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen der Batteriezelle (10) jeweils eine Zeitkonstante zugeordnet wird, und
- dass ein Strompuls (38) mit einer Überlagerung mehrerer Pulsfrequenzen erzeugt wird, wobei die Pulssequenzen anhand der Zeitkonstanten derart eingestellt werden, dass die jeweiligen elektrochemischen Vorgänge der Batteriezelle (10) durch den Strompuls (38) resonant angeregt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den unterschiedlichen Pulsfrequenzen unterschiedliche Pulsamplituden und/oder Pulsphasenlagen zugeordnet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Pulsfrequenz und/oder eine Pulsform des Strompulses (3) anhand eines Zellzustandes der Batteriezelle (10) nachgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Zeitkonstante vorcharakterisiert und hinterlegt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Spannungsantwort der Batteriezelle (10) auf den Strompuls (38) erfasst wird, und
- dass die oder jede Zeitkonstante aus der Spannungsantwort bestimmt wird.
8. Batteriesystem (6), aufweisend
- mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (10), in welcher im Betrieb mindestens ein elektrochemischer Vorgang abläuft, welcher zu einem elektrischen Zellinnenwiderstand der Batteriezelle (10) beiträgt,
- eine Einspeiseeinrichtung (12) zur Einspeisung eines Strompulses (38) in die Batteriezelle (10), und
- einen Controller (20, 22) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Batteriesystem (6) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,' dass die Einspeiseeinrichtung (12) einen mit einem Elektromotor (4) gekoppelten Pulswechselrichter oder eine Stelleinheit aufweist.
10. Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn die Software auf einem Computer abläuft.
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