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CN105492236A - 使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行的方法和设备 - Google Patents

使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行的方法和设备 Download PDF

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CN105492236A CN201580001723.6A CN201580001723A CN105492236A CN 105492236 A CN105492236 A CN 105492236A CN 201580001723 A CN201580001723 A CN 201580001723A CN 105492236 A CN105492236 A CN 105492236A
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Abstract

本发明涉及一种用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行的方法和设备。在此，确定（S10）描述电池或者负载的状态的至少一个运行参数；将所述至少一个所确定的运行参数分别与一个参考值相比较（S20），以便识别出是否存在预先限定的状态；并且如果已经识别出存在预先限定的状态，那么使电池放电（S32），直到电池的充电状态在电池的所给出的临界充电状态之下，其中在使电池放电的情况下通过电池的放电电流给蓄能器充电。

Description

使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行（Betreiben）的方法和设备。
背景技术
可再充电的电池、尤其是锂离子电池在多个产品中被用作蓄能器。目前可用的锂离子电池在安全技术上看来是关键的。在事故情况下，电池可能燃烧，发出有毒的气体和灰尘并且甚至爆炸。在锂离子电池的情况下的热烧穿主要是由有机电解质（常常是有机碳酸盐、诸如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等等）在高温情况下的加速氧化引起的。在这种情况下决定性的是放热的自加速，所述放热的自加速贯穿电池直到最终的燃烧和与之相关的热失控（Durchgehen）。该燃烧最后由金属氧化的阴极材料的氧释放（Sauerstofffreisetzung）来触发，所述金属氧化的阴极材料利用电解质的有机物产生可燃烧的混合物。对于这种不稳定性来说主要公知LiCoO2和LiNiO2。
借助于更稳定的阴极材料（诸如所谓的NCM或NMC（Ni-Co-Mn基）），可以将氧释放推移到更高的温度，并且因此减少燃烧的危险。除了混合氧化物NCM以外也采用所谓的NCA（Ni-Co-Al基）。在阴极侧基于NCA的电池常常被用于高功率应用（诸如电动自行车（E-Bike））。然而，基于NCA电池相比于其它的基于氧化的阴极材料的电池表现得安全性更关键（sicherheitskritischer）。主要的原因是由高的镍含量引起的，所述高的镍含量作为NCA表示相对来说不稳定的结构并且可以在升高的温度的情况下释放氧。该氧剧烈地与有机电解质起反应并且导致热烧穿（所谓的“热失控（thermalrunaway）”），这又可以导致燃烧或者爆炸。
为了避免这一点，存在对这种电池的安全的运行管理（Betriebsfuehrung）的需求。
发明内容
按照本发明的用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行（Betreiben）的方法包括：确定描述了电池或者负载的状态的至少一个运行参数；将所述至少一个所确定的运行参数分别与一个参考值相比较，以便识别出是否存在预先限定的状态；和如果已经识别出存在预先限定的状态，那么使电池放电，直到电池的充电状态在电池的所给出的临界充电状态之下，其中在使电池放电的情况下通过电池的放电电流来给蓄能器充电。
按照本发明的用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池运行的设备包括：确定单元，所述确定单元被设立为确定描述了电池或者负载的状态的至少一个运行参数；分析单元，所述分析单元被设立为将所述至少一个运行参数分别与一个参考值相比较，以便识别出是否存在预先限定的状态；和放电单元，所述放电单元被设立为如果已经识别出存在这种预先限定的状态那么使电池放电，直到电池的充电状态在电池的所给出的临界充电状态之下，其中在使电池放电的情况下通过电池的放电电流来给蓄能器充电。由此，阻止了电池的热失控，因为电池被带到安全的充电状态下，在所述安全的充电状态下，如果清楚的是电池是在其中不需要电池的全功率的预先限定的状态下，那么热失控是不可能的。因此改善了电池的安全性。
从属权利要求表明了本发明的优选的扩展方案。
在此有利的是，蓄能器是附加的电池。该附加的电池尤其是具有比运行的电池更小的蓄能容量。因此，存储器损耗可以被最小化。此外，因此还必须只花费最小的附加重量，用于能量的存储，这尤其是在电池的移动应用中是有利的。
此外，还有利的是：蓄能器是附加的负载，所述附加的负载被设立为存储用于附加的负载的运行的能量。这种附加的负载常常在负载的环境下已经可供支配，并且按照本发明可以被内连（einbinden），经此又可以实现成本优点。此外，还可以以这种方式在同时赢得安全性的情况下实现附加的负载的运行持续时间。
尤其是，负载是车辆，运行参数中的一个是车辆的速度并且如果不存在车辆的运动，那么存在预先限定的状态。经此被保证的是，电池的全功率在车辆的行驶运行期间可提供使用（bereitstehen）。
此外，还有利的是：负载是车辆，运行参数中的一个是如下传感器信号：所述传感器信号说明了：车辆的站立支架（Stehhilfe）是否是未翻转的（ausgeklappt），并且如果车辆的站立支架是未翻转的，那么存在预先限定的状态。经此被保证的是，电池的全功率在车辆的行驶运行期间可提供使用。在此，最简单的传感器装置（例如开关）可以被用于确定运行参数并且由此可以不仅实现成本优点而且实现重量优点。
同样有利的是：运行参数中的一个是电池的温度，并且如果电池的温度在预先给定的温度阈值之上，那么存在预先限定的状态。经此可以识别出电池的具有高可靠性的临界状态。电池的所给出的临界充电状态尤其是在电池的满充电状态的80％到90％之间。这是有利的，因为电池的热失控特别是很大可能在该充电状态之上。同时，电池不是不必要被放电太多并且提供了在最大安全性的情况下的最大能量。
有利的是，如果不再存在所限定的状态，那么在蓄能器中所存储的能量被用于给电池充电。因此保证了，安全性在最小能量损耗的情况下被升高并且电池的整个的被存储的能量对于负载可提供使用。
同样有利的是，只有当电池和/或负载的运行参数中的至少一个存在超过预先给定的时间间隔时，预先限定的状态才被确定为存在的。由此，如果状态只是短时地或者偶然地出现，那么通过电池的不必要的放电和冲电引起的损耗被减少。
附图说明
接下来，本发明的实施例参考附图详细地被描述。在附图中：
图1是示出了对具有电解质的NCA（Ni-Co-Al）的DDK测量的结果的曲线图，
图2是在第一优选的按照本发明的实施形式中的用于使负载中的电池运行的方法的流程图，
图3是在第二优选的按照本发明的实施形式中的用于使负载中的电池运行的方法的流程图，和
图4是具有用于使电池运行的设备的电动自行车的电部件的示意图。
具体实施方式
图1是示出了对电池中的具有适当的电解质的NCA阴极（Ni-Co-Al基）的DDK测量的结果、即差动量热法的曲线图。
被称为NCA的阴极材料是针对Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2的简称。该阴极材料由于其微小的热稳定性被视为不安全的阴极材料。基于NCA的电池具有相对来说差的安全特性。由于热的、电的和机械的载荷，在电池中可发生温度上升。该温度上升通过不同的放热反应引起。此外，阴极材料的释放氧的放热分解属于所述放热反应。氧在升高的温度的情况下可以与电解质的有机物一起燃烧。在最糟糕的情况下发生所谓的热烧穿。借助于差动量热法（DKK）可以研究这种放热的电池单元成分反应（Zellkomponentenreaktionen）。
在图1中可看到一系列实验的结果，在所述一系列实验中已经借助于DKK分析法研究了针对锂离子电池的在商业电解质（在EC/DMC中的1M的LiPF6，1:1w/w）在场时的被充电的NCA。在此，阴极材料的充电状态已经变化了。对此，完整的商业电池借助于充电系统被带到不同的充电状态上。该阴极材料已经通过在保护气体气氛下打开电池被得到。根据图1（右上方）可得知的是，对于不同的被研究的充电状态（SOC）来说，相对地被释放的能量只是不大显著地改变。然而，所释放的能量相比于其它的在商业上被采用的阴极材料（例如LiCoO2）很高。
测量已经针对电池的不同的充电状态（SOC－充电状态（StateofCharge））被执行。这样，通过实线所示出的第一曲线A表明NCA的在电池的为最大可能的充电状态的40％（SOC40％）的充电状态下的特性。通过虚线所示出的第二曲线B表明NCA的在电池的为最大可能的充电状态的80％（SOC80％）的充电状态下的特性。通过点划线所示出的第三曲线C表明NCA的在电池的为最大可能的充电状态的90％（SOC90％）的充电状态下的特性。通过双点划线所示出的第四曲线D表明NCA的在最大可能的充电状态（SOC100％）下的特性。每个曲线A、B、C、D分别示出了在大约80度到大约400度的温度范围上的由NCA所放出的能量。
图1表明：在SOC90％之下在放热的DKK曲线的变化过程中有显著的改变。这暗示被放慢的动力学。不仅绝对地被释放的能量（以[J]为单位）或者相对地被释放的能量（以[J/kg]为单位）对于电极材料和由此所构造的完整的电池的安全性来说是有意义的。用来在事故情况下释放能量的功率或动力学同样有意义。在较高的充电状态（>SOC90％）的情况下，直到热烧穿的时间明显地缩短，而在小于或者等于临界充电状态SOCkrit的充电状态的情况下，放热反应的动力学强烈地被放慢，如根据针对SOC<80％的曲线A和B可看到的那样。因而，临界充电状态SOCkrit标明了最大可能的SOC阈值，在所述最大可能的SOC阈值处已经观察到在DKK（如针对SOC<80％的那样）中的每单位时间所释放的能量的比较强烈的扰动（Einbruch），即发现缓慢的反应动力学。由此，临界充电状态SOCkrit在：
SOC90％>SOCkrit>SOC80％
的范围中。借助于更精细的筛选可以确定临界充电状态SOCkrit的精确值。
应注意的是，在图1中所示出的曲线图仅仅具有实例性的特征并且所示出的曲线可以根据阴极材料和电解质而变化。
图2示出了在第一优选的按照本发明的实施形式中的用于使负载中的电池运行的方法的流程图。在所述第一实施形式中，负载是电动自行车，而电池是锂离子电池1。只要所述锂离子电池1被附着到负载、即所述电动自行车上，该方法就被开始一次并且被实施。在开始该方法之后实施第一方法步骤S10。
在第一方法步骤S10中进行至少一个运行参数的确定，所述至少一个运行参数描述了锂离子电池1或者负载的状态。在所述第一实施形式中确定了如下运行参数：所述运行参数描述了电动自行车的状态。该运行参数是被布置在电动自行车的自行车停放架（Fahrradstaender）上的开关的开关状态，通过所述开关状态确定自行车停放架的位置。被未翻转的自行车停放架描述了第一状态，在所述第一状态下，自行车未在使用中、即被停放。在所述第一状态下，开关在第一位置并且输出传感器值“1”。被折起的自行车停放架描述了第二状态，在所述第二状态下，自行车在使用中。在所述第二状态下，开关在第二位置并且输出传感器值“0”。在确定运行参数之后实施第二方法步骤S20。
在第二方法步骤S20中进行所述至少一个所确定的运行参数分别与一个参考值的比较，以便识别出是否存在预先限定的状态。这里，所述预先限定的状态是第一状态。用于开关的参考值是“1”，并且因此是描述了开关在第一位置并且自行车停放架因此是未翻转的值。开关的参考值与由开关所输出的传感器值相比较。如果参考值（这里为“1”）等于传感器值，那么存在预先限定的状态并且实施第三方法步骤S30。如果参考值（这里为“1”）不等于传感器值，那么不存在预先限定的状态并且该方法分岔回到第一方法步骤S10。换句话说，第一方法步骤S10和第二方法步骤S20一直被实施，直到自行车不在使用中，即被停放。只有那时才实施第三方法步骤S30。
在所述第三方法步骤S30中进行电池的放电，直到电池的充电状态在锂离子电池1的所给出的临界充电状态SOCkrit之下。在此，在使锂离子电池1放电的情况下，通过锂离子电池1的放电电流给蓄能器充电。为此，第三方法步骤S30包括充电状态评价S31和能量转移S32。如果碰到（anstossen）第三方法步骤S30，那么首先进行充电状态评价S31。
在充电状态评价S31的情况下评价，锂离子电池1的充电状态是否在锂离子电池1的所给出的临界充电状态SOCkrit之下。为此，首先询问锂离子电池1的当前充电状态SOCakt。该值可能会例如由锂离子电池1的电池控制装置取得。在所述第一实施形式中，临界充电状态SOCkrit在锂离子电池1的最大可能的充电状态的85％处，并且因此在其中很大可能热烧穿的充电状态之下。锂离子电池1的当前充电状态SOCakt与临界充电状态SOCkrit相比较。如果当前充电状态SOCakt小于或者等于临界充电状态SOCkrit，那么该方法分岔回到第一方法步骤S10，因为锂离子电池1已经处于安全状态下。如果当前充电状态SOCakt大于临界充电状态SOCkrit，那么能量转移S32被执行。
在能量转移S32的情况下，锂离子电池1被放电并且通过锂离子电池1的放电所释放的能量被使用，以便给蓄能器充电。在所述第一实施形式中，蓄能器是附加的电池9，所述附加的电池9具有锂离子电池1的容量的最大30％，因为该电池9仅仅暂存了锂离子电池1的部分能量。因为锂离子电池1应该不是完全被放电，而是仅仅直到锂离子电池1的当前充电状态SOCakt在临界充电状态SOCkrit之下，所以能量转移32被限制到预先给定的持续时间上。在该持续时间过去之后，该方法分岔回到第一方法步骤S10。如果电池的当前充电状态SOCakt还不在临界充电状态SOCkrit之下，那么如果该方法在重复实施第一方法步骤S10、第二方法步骤S20和充电状态评价S31之后又归入到能量转移S32中，就进行重新的能量转移32。
可选地，蓄能器是附加的负载，所述附加的负载被设立成存储用于附加的负载的运行的能量。例如，蓄能器是被安置在电动自行车的车把上的显示模块。该显示模块包括用于存储能量的存储单元、诸如另一电池或者电容式的蓄能器。该存储单元通过电池被充电并且同时一定的能量被用于使该显示模块运行。在此，尤其是有利的是，在该时间点执行显示模块的耗能的操作。
图3示出了在第二优选的按照本发明的实施形式中的用于使负载中的电池运行的方法的流程图。所述第二实施形式对应于第一实施形式，然而如果不再存在所限定的状态，那么被存储在蓄能器中的能量被用于给锂离子电池1充电。因而第二实施形式区别于第一实施形式之处在于：如果不存在预先限定的状态，那么该方法不是直接向回跳到第一方法步骤S10，而是在重新实施第一方法步骤S10之前，执行第四方法步骤S40。在第四方法步骤S40中，锂离子电池1通过被存储在蓄能器中的能量充电。
按照本发明的方法的第一优选的可替换实施形式对应于第一或者第二优选的按照本发明的实施形式，然而在第一方法步骤S10中所确定的运行参数是电动自行车的当前速度，所述电动自行车的当前速度由速度传感器确定，或者由速度计取得。在第二方法步骤S20中，参考值是电动自行车的参考速度。该参考速度是为0km/h的速度。如果电动自行车的当前速度对应于参考速度，那么存在预先限定的状态并且实施第三方法步骤S30。只有当运行参数存在超过预先给定的时间间隔时，即例如超过45分钟的时段地测量为0km/h的速度时，在该实施形式中才存在预先限定的状态。由此，避免在（例如红灯的）短的停止间歇（Standpause）期间使锂离子电池放电。如果电动自行车的当前速度不与参考速度相对应，那么不存在预先限定的状态并且该方法分岔回到第一方法步骤S10。换句话说，第一方法步骤S10和第二方法步骤S20一直被实施，直到自行车停下超过45分钟的时段。只有那时才实施第三方法步骤S30。
按照本发明的方法的第二优选的可替换实施形式对应于第一或者第二优选的按照本发明的实施形式，然而在第一方法步骤S10中所确定的运行参数是锂离子电池1的当前温度，所述锂离子电池1的当前温度通过温度传感器或者借助于用于进行温度确定的其它方法（例如借助于通过测量锂离子电池1的阻抗来确定温度）而被确定。在第二方法步骤S20中，参考值是参考温度。该参考温度是为60摄氏度的温度。如果锂离子电池1的当前温度超过参考温度，那么存在预先限定的状态并且实施第三方法步骤S30。如果锂离子电池1的当前温度小于或者等于参考温度，那么不存在预先限定的状态并且该方法分岔回到第一方法步骤S10。换句话说，第一方法步骤S10和第二方法步骤S20一直被实施，直到锂离子电池1的当前温度超过60摄氏度。在此有利的是，该方法只在电动自行车运行期间被执行。
因此，在第二优选的可替换的实施形式中，锂离子电池1被温度传感器监控。如果锂离子电池1的温度超过被限定为临界的温度（例如60摄氏度），那么使锂离子电池1放电，直到该锂离子电池1具有低于临界充电状态SOCkrit的充电状态。放电电流被存储在特意为之所限定的电池（例如另一锂离子电池）中并且在需要时被引回。然而，只有当锂离子电池1的温度降到被限定为临界的温度之下时，放电电流才又被馈回。如果由于强烈的加速出现在被限定为临界的温度之上的短时间的温度升高（例如持续小于一分钟的时间间隔），那么按照本发明还没有使锂离子电池1放电。只有当锂离子电池1的温度升高长于临界的时间区间地在被限定为临界的温度之上时，才按照第三方法步骤S30进行锂离子电池1的放电。
通常，通过相对应地选出传感器可以识别出任意的预先限定的状态。一种状态或者由唯一的传感器信号或者由多个传感器信号的预先给定的组合限定。在此，可以将每个传感器信号与分别所属的参考值相比较。只有当电动自行车在运动中时，即电动自行车的当前速度不等于0km/h并且锂离子电池1的温度超过60摄氏度时，这样才可能会存在预先限定的状态。
图4示出了具有用于使锂离子电池1运行的设备的电动自行车的电部件的示意图。该电动自行车包括锂离子电池1。锂离子电池1的两个电压极分别与直流总线11的总线线路相连，使得锂离子电池1的电池电压附在该直流总线11上。通过直流总线11，功率电子装置5用电池电压被供电。该功率电子装置5与被设立用于驱动电动自行车的电动机6相连。该功率电子装置5使得能够操控电动机6。该电动机6包括转矩传感器7，所述转矩传感器7与控制单元10相耦合并且向控制单元10传输电动机6的转矩。
此外，电动自行车还包括确定单元2，所述确定单元2被设立为确定描述了锂离子电池1或者电动自行车的状态的至少一个运行参数。为此，确定单元2例如包括在电动自行车的后轮上的速度传感器8。确定单元2的速度传感器8的信号被传输给分析单元3和控制单元10。电动机6的转矩和由速度传感器8所检测到的速度通过控制单元10被转化为控制信号，所述控制信号被传输给功率电子装置5，以便按照转矩来操控电动机6。
此外，电动自行车还包括分析单元3，所述分析单元3被设立为将所述至少一个运行参数分别与一个参考值相比较，以便识别出是否存在预先限定的状态。分析单元3被包括在控制单元10的所示出的示意图中。分析单元3比较速度传感器8的信号，并且如果速度传感器8的信号说明了为0km/h的速度，那么识别出存在预先限定的状态。如果已经识别出预先限定的状态，那么放电信号被传送给放电单元4。如果没有识别出预先限定的状态，那么充电信号被传送给放电单元4。
此外，电动自行车还包括放电单元4。该放电单元4与直流总线11相耦合。作为蓄能器的附加的电池9被耦合到放电单元4上。如果放电信号被放电单元4接收到，那么放电单元4将附加的电池9这样与直流总线11相耦合，使得附加的电池9通过该直流总线11并且因此由锂离子电池1充电。如果充电信号被放电单元4接收到，那么放电单元4将附加的电池9这样与直流总线11相耦合，使得附加的电池9通过该直流总线11被放电。通过该放电在直流总线11上被提供的能量不是被用于给锂离子电池1充电就是被任意的其它的负载（例如电动机6）使用。
该设备在静止阶段（例如一夜之间）给锂离子电池1充电仅仅直到临界充电状态SOCkrit。剩余的必需的容量被维持在蓄能器、即针对需求情况的附加的电池9中。
本发明已经依据电动自行车示例性地被描述。按照本发明的设备或按照本发明的方法同样可以被用于其它的由电池供电的电负载、诸如电动车辆、混合动力车辆、工具和尤其是任何类型的可携带的或者移动的负载。当电池的温度被用于识别预先限定的状态时，这尤其是可能的。
按照本发明的设备尤其是可以被集成到电池系统中，其中按照本发明的方法例如由电池控制装置控制。在此有利的是，预先限定的状态是电池的状态。
除了上面的书面的公开内容以外还明确地参阅图1至4的公开内容。

Claims (10)

1.用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池（1）运行的方法，其特征在于：
－确定（S10）描述了电池或者负载的状态的至少一个运行参数，
－将所述至少一个所确定的运行参数分别与一个参考值相比较（S20），以便识别出是否存在预先限定的状态，并且
－如果已经识别出存在预先限定的状态，那么使电池放电（S32），直到电池的充电状态在电池的所给出的临界充电状态（SOCkrit）之下，其中在使电池放电的情况下通过电池的放电电流来给蓄能器充电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蓄能器是附加的电池。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，蓄能器是附加的负载，其被设立来存储用于使附加的负载运行的能量。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
－负载是车辆，
－运行参数中的一个是车辆的速度，并且
－如果不存在车辆的运动，那么存在预先限定的状态。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
－负载是车辆，
－运行参数中的一个是说明车辆的站立支架是否是未翻转的传感器信号，并且
－如果车辆的站立支架是未翻转的，那么存在预先限定的状态。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
－运行参数中的一个是电池的温度，并且
－如果电池的温度超过预先限定的温度阈值，那么存在预先限定的状态。
7.根据上述权利要求之一所述的用于使电池运行的方法，其特征在于，电池的所给出的临界充电状态在电池的满充电状态的80％到90％之间。
8.根据上述权利要求之一所述的用于使电池运行的方法，其特征在于，如果不再存在所限定的状态，那么被存储在蓄能器中的能量被用于给电池充电。
9.根据上述权利要求之一所述的用于使电池运行的方法，其特征在于，只有当电池和/或负载的运行参数中的至少一个存在超过预先给定的时间间隔时，预先限定的状态才被确定为存在。
10.用于使负载中的电池、尤其是锂离子电池（1）运行的设备，其特征在于：
－确定单元（2），所述确定单元（2）被设立为确定描述了电池或者负载的状态的至少一个运行参数，
－分析单元（3），所述分析单元（3）被设立为将所述至少一个运行参数分别与一个参考值相比较，以便识别出是否存在预先限定的状态，和
－放电单元（4），所述放电单元（4）被设立为如果已经识别出这种被限定的状态存在那么使电池放电，直到电池的充电状态在电池的所给出的临界充电状态SOCkrit之下，其中在使电池放电的情况下通过电池的放电电流给蓄能器（9）充电。
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