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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs, welches mindestens eine elektrochemische Batteriezelle aufweist.
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Unter einem Ladevorgang ist hier und im Folgenden insbesondere ein Aufladen oder Entladen des Batteriesystems beziehungsweise der Batteriezelle mittels eines elektrischen Ladestroms (Aufladestrom, Entladestrom) zu verstehen. Bei einem Aufladevorgang wird der Batteriezelle elektrische Energie mittels des (Auf-)Ladestroms zugeführt, wobei bei einem Entladevorgang entsprechend elektrische Energie mittels des (Ent-)Ladestroms aus der Batteriezelle abgeführt wird.
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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 eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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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 Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.
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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.
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Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen können je nach (Batteriezellen-)Temperatur, Bestromungsdauer und Ladezustand lediglich einen bestimmten Ladestrom aufnehmen, ohne Schaden zu nehmen. Dieser Grenzstrom ändert sich mit dem Alterungszustand der Batteriezelle. Weiterhin ergibt sich die Schwierigkeit, dass in einem Batteriesystem mehrere Batteriezellen in Serie oder parallelgeschaltet sein können, welche unterschiedliche Temperaturen und/oder Alterungszustände aufweisen.
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Es ist daher notwendig, zu jedem Zeitpunkt den Lade- und Alterungszustand aller Batteriezellen im System der Batterie, sowie die kälteste und wärmste Stelle zu kennen. Daher ist es auch notwendig, dass Temperaturgradienten innerhalb einer Batteriezelle bekannt sein müssen, um tatsächlich den kältesten und wärmsten Punkt im gesamten Batteriesystem zu kennen. Diese beiden Punkte bestimmen zusammen mit dem Lade- und Alterungszustand einer jeden Batteriezelle den zu jedem Zeitpunkt maximal möglichen Ladestrom. Da eine ausrelaxierte Batteriezelle kurzfristig einen höheren Strom als den maximal möglichen Dauerstrom aufnehmen kann, muss zudem die zeitliche Reaktion der Batteriezelle auf den Ladestrom bekannt sein. Unter „relaxiert“ oder „ausrelaxiert“ ist hierbei insbesondere ein beständiger Zustand der Batteriezelle zu verstehen, welcher nach dem Beenden eines Lade- oder Entladestroms erreicht wird.
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Ein Alterungs- oder Schädigungsprozess in Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Flüssigelektrolyten ist beispielsweise das sogenannte Lithium-Plating (Li-Plating), bei welchem sich metallisches Lithium auf der Oberfläche der Anode ablagert und irreversibel mit den Bestandteilen des Elektrolyten reagiert. In der Folge kommt es beispielsweise zu einem Kapazitätsverlust der Batteriezelle aufgrund der Verringerung von freien Lithium-Ionen. Des Weiteren kann dadurch ein elektrischer Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle auftreten, wodurch die Batteriezelle geschädigt werden kann. Li-Plating tritt auf, wenn das elektrische Potential des Anodenmaterials und dem Elektrolyten unter das Potential von Lithium fällt. Bei dem Ladevorgang treten Überspannungen auf, welche das Potential der Anode reduzieren. Die Überspannung setzt sich hierbei aus einem Separator-/Elektrolytanteil und einem Kathodenanteil sowie einen Anodenanteil zusammen, wobei der Anodenanteil der kritische Anteil hinsichtlich des Li-Platings ist. Bei hohen Ladeströmen sinkt das Anodenpotential unter das Lithiumpotential (0 Volt vs. Li/Li+), wodurch es zur Abscheidung von Lithium-Ionen auf der Anodenoberfläche kommt.
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Durch Messen einer Dicke der Batteriezelle beziehungsweise einer Kraft auf eine Verspanneinrichtung mehrerer Batteriezellen kann der Einsetzpunkt von Li-Plating bestimmt werden.
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Alternativ ist beispielsweise eine Messung durch hochgenaue Coulometrie (High Precision Coulombmetry) zur Bestimmung des Einsetzpunktes von Li-Plating möglich.
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Bei Lithium-lonen-Zellen lässt sich der maximal mögliche Ladestrom beispielsweise mit Hilfe von 3-Elektrodenzellen bestimmen, indem auf das Potential der Anode unter Last geregelt wird. Dies ist nur in einer 3-Elektrodenzelle mit einer Referenzelektrode möglich. Eine Reduktion der Ladestromkennfelder proportional zu Abnahme der Kapazität beziehungsweise zum Anstieg des Innenwiderstands der Batteriezelle im Verlauf der Alterung erfolgt dann im Batteriesystem. Dies ist beispielsweise in dem Artikel
Sieg et al, Journal of Power Sources 427 (2019) 260-270, und der
DE 10 2016 007 479 A1 beschrieben. Diese Methode weist jedoch die Limitierung auf, dass für jede Batteriezelle im System die minimale und maximale Temperatur in der Batteriezelle bekannt sein muss, damit der maximal erlaubte Ladestrom aus dem Kennfeld ausgewählt werden kann. Weiterhin muss der Alterungszustand, vor allem der aktuelle Innenwiderstand, jeder Batteriezelle im Batteriesystem bekannt sein, da bei dem dort beschriebenen Vorgehen die am meisten gealterte Batteriezelle den Strom bestimmt. Weiterhin ist es für Batteriesysteme als Fahrzeugbatterien notwendig, aus der industriell gefertigten Batteriezelle experimentelle Laborzellen mit Referenzelektrode zu bauen.
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Weiterhin ist es beispielsweise aus der
DE 10 2019 003 465 A1 bekannt, dass mittels der 3-Elektrodenzellen der maximale Pulsstrom für jeden Ladezustand für eine ausrelaxierte Zelle bestimmt werden kann. Diese Methode weist jedoch ähnliche Herausforderungen wie die vorstehend beschriebene Methode auf. Hinzu kommt, dass eine große Menge an Kennfeldern bestimmt und im System gespeichert werden muss.
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Die
CN 107 040 019 A offenbart ein Schnellladeverfahren für eine Lithiumbatterie. Das Schnellladeverfahren umfasst eine spannungsgeführte Ladephase mit einem konstantem Strom I1 und eine intermittierende Phase, in welcher ein Laden mit wiederholten Strompulsen eines konstanten Stromes I2 erfolgt, zwischen welchen das Laden ausgesetzt wird.
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Die
DE 10 2018 200 976 A1 nennt ein Verfahren zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit mit möglichst kurzer Ladezeit unter Vermeidung der Gefahr des Lithiumplatings, wobei ein aktueller Wert einer Überpotentialreserve U(t) einer Anode der Batterieeinheit bestimmt wird, ein aktueller Wert eines Innenwiderstands R(t) der Batterieeinheit bestimmt wird, und eine Stärke und/oder ein zeitlicher Verlauf eines Ladestroms I
Lade(t) durch den Quotienten aus dem aktuellen Wert der Überpotentialreserve und dem aktuellen Wert des Innenwiderstands eingestellt wird: l
Lade(t) = U(t) / R(t).
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In Ernst, Sabine et al. (2019): Capturing the Current-Overpotential Nonlinearity of Lithium-Ion Batteries by Nonlinear Electrochemical Impedance Spectroscopy (NLEIS) in Charge and Discharge Direction. Lausanne: Frontiers. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00151 (https://www.frontier-sin.org/articles/10.3389/fenrg.2019.00151/full) wird ein Verfahren für eine nichtlineare elektrochemische Impedanz-Spektroskopie vorgestellt, welche es erlaubt, das nichtlineare Verhalten eines Stromes und eines Überpotentials einer Li-lonen-Batterie beim Laden und Entladen getrennt voneinander zu erfassen. Hierfür wird eine Bias-Gleichspannung an die Batterie angelegt, um ihren Arbeitspunkt in den nichtlinearen Bereich für Strom und Überpotential zu verlegen. Mittels eines schwachen Wechselstroms, welcher zeitgleich überlagert wird, lässt sich das System zusätzlich in der Zeit-Domäne untersuchen.
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Die
DE 10 2013 000 572 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Modellparameter eines elektrochemischen Energiespeichers, dessen dynamisches Verhalten im Betrieb durch ein elektrisches Referenzmodell beschrieben wird. Das Referenzmodell umfasst zumindest eine Kapazität und einen damit verbundenen ersten Widerstand. Die Parameterwerte dieser Parameter bilden gemeinsam einen Parameterdatensatz des Referenzmodells und werden während des Betriebes des Energiespeichers an dessen aktuellen Zustand angepasst. Hierfür werden ausgehend von einem Referenzparameterdatensatz eine Mehrzahl an Parameterdatensatzvarianten gebildet, für die jeweils iterativ anhand des aktuellen, gemessenen Stroms des Energiespeichers die Überspannung sowie daraus eine Abweichung der Summe dieser Überspannung und einer Anfangsspannung zu einer aktuell gemessenen Spannung ermittelt und aufintegriert wird. Anschließend wird bestimmt, welcher Parameterdatensatzvariante die kleinste quadratische Abweichung zugeordnet ist. Diese Parameterdatensatzvariante wird dann als neuer Referenzdatensatz zur Beschreibung des Batteriemodells definiert und kann zur prädikativen Bestimmung der für eine vordefinierte Zeit zur Verfügung stehenden, maximalen Leistung des Energiespeichers verwendet werden.
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Allgemein gilt, wenn explizite Ladestromkennfelder im System hinterlegt werden, ist es notwendig die maximale und minimale Temperatur im System genau zu bestimmen und die Vielzahl von hinterlegten Kennfeldern fehlerfrei anzuwenden. Ein stabiler und sicherer Betrieb muss hierbei durch aufwendige Programmierung und umfassende Tests abgesichert werden.
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Weiterhin ist es beispielsweise möglich, dass Ladestromkennfelder in Abhängigkeit von Temperatur, Ladezustand und Pulsdauer durch wiederholte Anwendung auf die Batterie auf ihre Schädlichkeit geprüft und später dem System entsprechend vorgegeben werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriesystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs, welches mindestens eine elektrochemische Batteriezelle aufweist, wobei ein Ladezustand und eine Zellspannung der Batteriezelle erfasst werden, wobei für eine Spannungsregelung des Ladevorgangs der wenigstens einen Batteriezelle eine Referenzspannung vorgegeben wird, welche anhand einer hinterlegten Ladezustand-Zellspannung-Trajektorie ermittelt wird, wobei ein Ladestrom durch eine Steuerung und/oder Regelung der Zellspannung eingestellt wird, bei welcher die Zellspannung gemessen wird, wobei der Ladestrom des Ladevorgangs wenigstens über ein vorgegebenes erstes Zeitfenster gemessen wird, und dadurch ein Stromsignal erzeugt wird, wobei eine Störung im Stromsignal erkannt wird, welche einem Überschreiten der Referenzspannung und/oder einem Überschreiten einer vorgegebenen Ladungsmenge zugeordnet ist, die einem von der Referenzspannung abhängigen maximalen Dauerstrom über ein vorgegebenes zweites Zeitfenster entspricht, wobei überprüft wird, ob das Überschreiten der Referenzspannung bzw. der vorgegebenen Ladungsmenge über einen vordefinierten, für die Batteriezelle zulässigen Überschwinger der Zellspannung bzw. der Ladungsmenge hinausgeht, und in diesem Fall durch die Steuerung bzw. Regelung der Zellspannung der Ladestrom derart eingestellt wird, dass die Zellspannung den für die Batteriezelle zulässigen Überschwinger nicht weiter überschreitet.
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Verfahrensgemäß ist weiter vorgesehen, dass das besagte Einstellen des Ladestroms im Fall des Überschreitens der Referenzspannung bzw. der vorgegebenen Ladungsmenge durch eine Anpassung der Referenzspannung und/oder der gemessenen Zellspannung erfolgt, wobei die vorgegebene Referenzspannung um einen Offset verringert und/oder mit einem Faktor < 1 beaufschlagt wird, wobei der Offset bzw. der Faktor vom unzulässigen Anteil des Überschwingers abhängen. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriesystem mit wenigstens einer Batteriezelle, einem mit der Batteriezelle verbundenen Spannungsmesser, einem mit der Batteriezelle verbundenen Spannungsregler, sowie einer Steuereinheit, welche zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Das erfindungsgemäße Batteriesystem teilt die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die für das Verfahren und für sein Weiterbildungen angegebenen Vorteile können dabei sinngemäß auf das Batteriesystem übertragen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines Batteriesystems, insbesondere einer Fahrzeug- oder Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Der Betrieb der Batterie umfasst hierbei sowohl Ruhephasen, in den von außen kein Strom fließt, als auch komplexe Betriebsszenarien, wie zum Beispiel Schnellladen und Rekuperation bei elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen. Die Belastungen der Batterie können hierbei beliebig miteinander kombiniert werden und können eine beliebige zeitliche Abfolge sowie eine beliebige Form haben, wie z.B. Pulse, Stufen, kontinuierlicher Verlauf. Das Verfahren ist hierbei zum spannungsgeführten Betrieb des Batteriesystems während eines Ladevorgangs, also während einer Belastung des Batteriesystems, ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Betrieb des Batteriesystems während des Ladevorgangs Spannungssteuerung und/oder Spannungsregelung erfolgt.
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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.
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Das Batteriesystem weist hierbei mindestens eine elektrochemische Batteriezelle auf. Das Batteriesystem kann auch mehrere Batteriezellen aufweisen, wobei die Batteriezellen miteinander elektrisch verschaltet sind (z.B. Reihen- und Parallelschaltung). Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssigelektrolyten als Batteriezellen. Die Ausführungen sind jedoch sinngemäß auch beispielsweise auf Festkörperzellen oder Batteriezellen mit anderer Zellchemie übertragbar.
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Es ist nun möglich, für eine spannungsgeführte Regelung eines Ladevorgangs eine Referenzspannung anhand einer Referenzkurve vorzugeben, welche insbesondere von einer Zellspannung und einem aktuellen Ladezustand sowie einem Alterungszustand der Batteriezelle abhängt.
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Bevorzugt wird während des Ladebetriebs eine Zellspannung der Batteriezelle erfasst und ein Ladezustand der Batteriezelle sowie ein Alterungszustand der Batteriezelle bestimmt. Der Alterungszustand (engl.: State of Health, SOH) der Batteriezelle ist hierbei ein Maß für die in der Batteriezelle bewirkten Alterungsprozesse, also für die schädigenden Prozesse, welche zu einer Änderung der Zelleigenschaften führen, wodurch sich zum Beispiel die maximale Energiespeicherfähigkeit, der Zellinnenwiderstand, die Zellspannung, oder die Zellgeometrie ändert.
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Durch eine Spannungsregelung anhand der sich aus besagter Kennlinie ergebenden Referenzspannung kann ein maximaler Ladestrom eingestellt werden, indem die Werte für die aktuelle Zellspannung und den aktuellen Ladezustand mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen werden. Einem derartigen spannungsgeführten Ladebetrieb liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass für die Bestimmung des maximalen Ladestroms üblicherweise ein die Batteriezelle schädigender Prozess der limitierende Faktor ist. Ein solcher Prozess kann insbesondere die Zell- oder Elektrolytchemie beeinflussen, und zu reduzierten Zelleigenschaften, wie beispielsweise einer reduzierten Zellkapazität führen, sowie einen Alterungsprozess der Batteriezelle darstellen. Beispiele für einen solchen Prozess sind u.a. ein Lithium-Plating, Überhitzen der Batteriezelle, Zerstörung der Aktivmaterialien durch zu hohe Belastungsgradienten, oder Zersetzung des Elektrolyten. Bei einer Lithium-Ionen-Zelle mit Flüssigelektrolyten ist ein die Batteriezelle schädigender Prozess, welcher für die Referenzkurve relevant ist, insbesondere durch ein irreversibles Li-Plating gegeben.
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Die Referenzkurve liefert eine alterungsabhängige Zellspannung-Ladezustands-Kennlinie, welche keine nennenswerte Temperaturabhängigkeit aufweist. Hierdurch kann der Umstand ausgenutzt werden, dass die Bestimmung des maximalen Ladestroms, sofern ein die Batteriezelle schädigender Prozess der limitierende Faktor ist, zu einer von der Temperatur quasi unabhängigen Spannungstrajektorie führt. Insbesondere weist dabei die Zellspannung gegenüber dem Ladezustand der Batteriezelle keine oder lediglich eine geringe Temperaturabhängigkeit auf. Dies bedeutet, dass die Zellspannung gegenüber dem Ladezustand der Batteriezelle einen nahezu konstanten Verlauf für unterschiedliche Batteriezelltemperaturen aufweist.
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Dadurch ist es möglich den, a priori den Ladevorgang anhand lediglich einer einzigen Referenzkurve zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist somit keine Temperaturüberwachung jeder einzelnen Batteriezelle im Batteriesystem notwendig. Eine aufwändige Temperaturüberwachung durch direkte Messung oder Modellbildung jeder einzelnen Batteriezelle entfällt somit.
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Infolge der Leistungselektronik, welche die Zellspannung einzustellen hat, kann es jedoch zu einem Spannungsrauschen in der Größenordnung von bis zu 10% der Zellspannung kommen (also einem Spannungsrauschen in der Größenordnung von 10-1 V), welches sich infolge des geringen Innenwiderstands der Batteriezelle im Bereich von 0,5 bis 20 mΩ zu einem Rauschen im Stromsignal in Höhe von über 100A führen kann. Zusätzlich können in einer Batteriezelle beim Ladevorgang auch Induktionsströme auftreten. Weiter kann bei einer Spannungsregelung durch den genannten Zusammenhang auch eine geringe Messungenauigkeit in der anliegenden Zellspannung, wie sie infolge der meist als Massenware gefertigten Spannungsmesser z.B. durch unzureichende Schirmung ebenfalls auftreten kann, zu einem substantiellen Rauschen im Stromsignal führen.
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Da derartige Schwankungen im Stromsignal zu einer zu starken Erwärmung der Batteriezelle und auch zu einem irreversiblen Li-Plating führen können, bei welchem das Lithium nach Abschalten des Stromes nicht mehr in den Elektrolyt zurückkehrt, sondern von der passivierten Elektrode „ausflockt“, ist es erstrebenswert, das Rauschen im Stromsignal bei einer Spannungsregelung des Ladevorgangs möglichst gering zu halten.
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Verfahrensgemäß wird nun über ein vorgegebenes erstes Zeitfenster, in welchem bevorzugt die Zellspannung den Referenzwert nach einem Einschaltvorgang bereits erreicht hat, der Ladestrom gemessen, und daraus ein Stromsignal erzeugt. Das erste Zeitfenster ist dabei bevorzugt gemäß der für den Ladevorgang relevanten Zeitskalen geeignet zu wählen. Das erste Zeitfenster wird bevorzugt mit einer Länge von 0,5 s bis 15 s, besonders bevorzugt mit einer Länge von 1 s bis 10 s gewählt. In diesem Stromsignal kann nun eine Analyse dahingehend erfolgen, ob eine Störung vorliegt, welche einem Überschreiten der Referenzspannung durch die Zellspannung zugeordnet und insbesondere durch diese bedingt ist, und/oder welche einem Überschreiten einer vorgegebenen Ladungsmenge zugeordnet und insbesondere durch diese bedingt ist. Diese vorgegebene Ladungsmenge ergibt sich aus bzw. entspricht einem maximalen Dauerstrom über ein vorgegebenes zweites Zeitfenster, welches insbesondere gleich dem ersten Zeitfenster sein kann, wobei der maximale Dauerstrom von der Referenzspannung abhängig ist und insbesondere demjenigen Strom entspricht, welcher im Idealfall, d.h. ohne Schwankungen in Spannung und/oder Strom, durch die Referenzspannung eingestellt wird.
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Es wird dabei weiter analysiert, ob eine festgestellte Überschreitung der Referenzspannung durch die Zellspannung bzw. der besagten vorgegebenen Ladungsmenge über einen für die Batteriezelle zulässigen Überschwinger in der entsprechenden Größe hinausgeht.
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Ein solcher zulässiger Überschwinger ergibt sich dabei bevorzugt aus einem Modell für die Batteriezelle als Kondensator, insbesondere einem Doppelschicht-Kondensator, wobei infolge der Doppelschicht-Kapazität vorübergehend eine höhere Ladungsmenge aufgenommen werden kann, als es für den betreffenden Zeitraum durch den gemäß der Referenzspannung maximalen Ladestrom eigentlich möglich wäre. Analog dazu kann die Doppelschicht-Kapazität Spannungsspitzen der Zellspannung über das durch die Referenzspannung gegebene Maß hinaus aufnehmen.
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Wird nun erkannt, dass der Überschwinger nicht zulässig im o.g. Sinne ist, so wird, insbesondere über eine Filterung der gemessenen Zellspannung und/oder eine vorübergehende Anpassung der Referenzspannung, durch die Steuerung bzw. Regelung der Zellspannung der Ladestrom derart eingestellt, dass der Überschwinger den für die Batteriezelle zulässigen nicht weiter überschreitet. Hierdurch werden somit leichte Variationen in der Zellspannung nicht sofort durch die Regelung beseitigt, sondern vielmehr zugelassen, sodass ein ständiges Schwanken der eingestellten Spannung und ein hieraus resultierendes Rauschen im Stromsignal signifikant verringert werden kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt das besagte Einstellen des Ladestroms im Fall des Überschreitens der Referenzspannung bzw. der vorgegebenen Ladungsmenge durch eine Anpassung der Referenzspannung und/oder der gemessenen Zellspannung. Die Referenzspannung, wie sie gemäß der entsprechenden Kennlinie vorgegeben ist, wird dabei um einen Offset verringert und/oder mit einem Faktor < 1 beaufschlagt, wobei der Offset bzw. der Faktor vom unzulässigen Anteil des Überschwingers abhängen. Ebenso kann die gemessene Zellspannung entsprechend gefiltert werden, beispielsweise mittels eines IIR- oder FIR-Filters, eines Wiener-Filters oder eines Kalman-Filters. Insbesondere kann dabei ein Tiefpass-Filter, welches durch eines der genannten Filter implementiert ist, zur Filterung der gemessenen Zellspannung an einem Eingang eines Spannungsreglers verwendet werden. Über Parameter des Filters kann dabei die Größe des zulässigen Überschwingers eingestellt werden, sodass unzulässige Bereiche „weggefiltert“ werden.
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Bevorzugt erfolgt im Fall, dass das Überschreiten der Referenzspannung bzw. der vorgegebenen Ladungsmenge über den vordefinierten, für die Batteriezelle zulässigen Überschwinger der Zellspannung bzw. der Ladungsmenge nicht hinausgeht, keine Anpassung der Referenzspannung bzw. der gemessenen Zellspannung. Insbesondere bedeutet dies, dass ein Eingriff zur Reduktion des Überschwingers lediglich dann erfolgt, wenn dieser tatsächlich als unzulässig identifiziert wird.
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Zweckmäßigerweise wird das wenigstens über das erste Zeitfenster gemessene Stromsignal gefiltert, um einen wiederkehrenden Störanteil zu erkennen, wobei die Anpassung auch in Abhängigkeit des wiederkehrenden Störanteils erfolgt. Ein solcher wiederkehrender Störanteil kann einerseits durch einen periodischen Störanteil gegeben sein, wie er z.B. infolge einer nicht ausreichend geschirmten Netzspannung durch eine Ladestation o.ä. auf das Batteriesystem übertragen werden kann. Andere wiederkehrenden Anteile können von Komponenten der Leistungselektronik stammen, welche die Spannung der Ladestation auf die korrekte Zellspannung konvertieren muss. Ein wiederkehrender Störanteil kann insbesondere auch in einer hochfrequenten Störung konstanter Frequenz bestehen.
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Günstigerweise wird der für die Batteriezelle zulässige Überschwinger der Zellspannung bzw. der Ladungsmenge anhand einer Messung/und oder einer Simulation ermittelt. Die Simulation kann dabei insbesondere erfolgen anhand eines Modells einer Doppelschicht-Kapazität in der Batteriezelle. Die Messung kann dabei insbesondere gegeben sein durch eine Impedanz-Spektroskopiemessung.
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Die einzelnen Prozesse, welche die Zellimpedanz verursachen, lassen sich durch ein Modell eines Ersatzschaltbildes darstellen, und so auch in einem gemessenen Impedanzspektrum Re(Z) gegen Im (Z) identifizieren. Ein geeignetes Ersatzschaltbild ist dabei gegeben durch jeweils einen ohmschen Kontaktwiderstand an der Grenzfläche der Anode bzw. der Kathode, eine erste Doppelschicht, welche an der Anode vorliegt („solid-electrolyte interface“, SEI) und z.B. durch ein sog. ZARC-Element repräsentiert werden kann, eine zweite Doppelschicht an der Kathode (ebenfalls repräsentiert durch ein ZARC-Element), sowie zwei Diffusionsterme für die jeweilige Diffusion im Bereich der sich an jeder der Elektroden ausbildenden Doppelschicht.
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Der negative Wert des Imaginärteils der Impedanz ist dabei indirekt proportional zur Kapazität der jeweiligen Doppelschicht; diese ist im Wesentlichen bedingt durch eine jeweilige sog. SEI-Schicht („Solid Electrolyte Interface“) an der betreffenden Elektrode. Durch Variation der Frequenz und auch der Amplitude eines Wechselstroms kann über die Spannungsantwort der Batteriezelle ein Spektrum für die Impedanz der Batteriezelle gewonnen werden, wobei aus einem charakteristischen Kurvenverlauf die jeweiligen Kapazitäten der durch die Doppelschichten gebildeten Helmholtz-Kondensatoren identifiziert werden können. Für die Impedanz-Spektroskopie kann insbesondere eine Laborzelle in Form einer 3-Elektrodenzelle mit einer Anode und mit einer Kathode sowie mit stromlos betriebenen Referenzelektrode verwendet werden. Die 3-Elektrodenzelle ermöglicht eine direkte Messung und Erfassung von kontinuierlichen Spannungstrajektorien bzw. Stromkennfelder.
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Vorteilhafterweise wird dabei eine mathematische Funktion und/oder eine Lookup-Tabelle der für die Batteriezelle zulässigen Überschwinger der Zellspannung bzw. der Ladungsmenge erzeugt, sodass die Anpassung der Referenzspannung bzw. der gemessenen Zellspannung zum einstellen des Ladestroms anhand der mathematischen Funktion bzw. anhand der Lookup-Tabelle erfolgt. Insbesondere kann also zu jeder Referenzkurve, anhand derer die Referenzspannung bestimmt wird, eine mathematische Funktion (z.B. in Form eines Fitting-Polynoms o.ä.) oder ein Datensatz hinterlegt sein, welcher die Zulässigkeit des jeweiligen Überschwingers der gemessenen Zellspannung über die durch die Referenzkurve gegebene Referenzspannung hinaus (oder der gemessenen Ladungsmenge über eine von maximalen Ladestrom gemäß der Referenzkurve abhängige Ladungsmenge hinaus) charakterisiert.
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Bevorzugt wird bis zum Beginn des ersten Zeitfensters der Ladestrom anhand der Referenzspannung als der maximal mögliche Dauerstrom eingestellt. Insbesondere kann dies bedeuten, dass bei einem Anschaltvorgang des Ladevorgangs oder nach einer Pause desselben die Zellspannung auf die Referenzspannung geregelt wird, und der sich hierdurch ergebende Ladestrom als der maximale Dauerstrom eingestellt wird. Der maximale Dauerstrom ist insbesondere als derjenige Ladestrom charakterisiert, welcher im Idealfall - also insbesondere ohne Überschwinger, welche z.T. auch von nicht-idealen Komponenten etc. herrühren können - dauerhaft in die Batteriezelle fließen kann, sodass die Batteriezelle gerade noch keinen Schaden nimmt bzw. ein Schädigungsprozess einsetzt. Diese Eigenschaft erfolgt in bevorzugter Weise aus der entsprechenden Bestimmung der Referenzspannung bzw. der Referenzkurve. Insbesondere kann dabei das erste Zeitfenster beginnen, wenn die Zellspannung, welche sich durch die Regelung zunächst erst aufbauen muss, die Referenzspannung erreicht.
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Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn ein Ladezustand und die Zellspannung der Batteriezelle erfasst werden, bestimmt wird, und die Referenzspannung ermittelt wird anhand einer in Abhängigkeit des Alterungszustands hinterlegten Ladezustand-Zellspannung-Kennlinie als einer Referenzkurve. Bevorzugt wird dabei auch ein Alterungszustand der Batteriezelle bestimmt, wobei die Referenzspannung ermittelt wird anhand eine Ladezustand-Zellspannung-Kennlinie, welche in Abhängigkeit des Alterungszustands hinterlegt ist. Die Werte für die aktuelle Zellspannung und den aktuellen Ladezustand werden mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen. Aus dem Vergleich wird, insbesondere für den jeweiligen Alterungszustand der Batteriezelle, ein maximal möglicher Ladestrom bestimmt, für welchen ein die Batteriezelle schädigender Prozess gerade noch nicht auftritt.
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Bevorzugt werden dabei die Zellspannung und der Ladezustand mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen, wobei anhand des besagten Vergleiches ein maximaler Ladestrom für den erfassten Ladezustand der Batteriezelle bestimmt wird. Der Alterungszustand der Batteriezelle kann dabei regelmäßig erfasst werden, und z.B. durch ein Bestimmen der aktuellen Kapazität anhand von Kurvenabgleichen einer gemessenen Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) erfolgen, sodass die Referenzkurve zusätzlich an den Alterungszustand angepasst werden kann. Zur Bestimmung des Alterungszustands ist es in diesem Fall ausreichend, lediglich eine Kapazitätsabnahme aller Batteriezellen bzw. Parallelschaltungen von Batteriezellen zu bestimmen, und nicht den Innenwiderstand. Für einen Auflade- und einen Entladevorgang der Batteriezelle können dabei für ansonsten identische Parameter unterschiedliche Referenzkurven hinterlegt werden. Somit kann für das Laden der Batterie eine obere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert werden, und für das Entladen der Batterie entsprechend eine untere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert werden.
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Die Referenzkurve kann dabei mittels der bereits erwähnten Laborzelle ermittelt werden, und/oder durch eine Messung der Coulomb'schen Effizienz. Weiter kann die Referenzkurve mittels Messung einer Zellausdehnung und/oder Zellgeometrieänderung oder mittels einer Simulation bestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist beispielsweise als eine Fahrzeugbatterie oder Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Batteriesystem ist insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem. Das Batteriesystem weist hierbei mindestens eine elektrochemische Batteriezelle auf. Insbesondere sind mehrere Batteriezellen miteinander in Serie oder parallelgeschaltet. Zudem wird jede Batteriezelle beziehungsweise jede Parallelschaltung von Batteriezellen mit einem Spannungsmesser zur Spannungsmessung ausgestattet. Des Weiteren sind ein Spannungsregler und ein Controller, also eine Steuereinheit, vorgesehen. Der Controller ist hierbei beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems des Batteriesystems.
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Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Ladezustand der Batteriezellen zu bestimmen, und die Messdaten der Spannungsmesser zu empfangen. Der Controller weist beispielsweise einen Speicher auf, in welchem eine Referenzkurve zum entsprechenden Ermitteln der Referenzspannung hinterlegt ist. Der Controller wertet die jeweils aktuellen Zellspannungen und Ladezustände anhand der Referenzkurve aus, und steuert den Spannungsregler entsprechend an. Der Spannungsregler regelt die Ladeleistung beziehungsweise den Ladestrom zu jeder Zeit so, dass alle Zellspannungen im System unterhalb oder gleich der Referenzkurve bleiben, wobei Überschwinger der Spannung bezüglich der Referenzkurve genau in jenem Umgang zugelassen werden, wie die Batteriezelle dem entsprechenden Modell nach (z.B. Modell eines Helmholtz-Doppelschicht-Kondensators für Batteriezelle) dazu imstande ist, eine kurzfristige Überspannung bzw. einen kurzfristigen Ladungspuls aufzunehmen, ohne Schaden zu nehmen. Geeigneterweise wird zu jedem Zeitpunkt der Ladezustand jeder Batteriezelle beziehungsweise Parallelschaltung von Batteriezellen bestimmt und diese regelmäßig durch Balancing-Konzepte angeglichen. Weiterhin bestimmt der Controller anhand der Spannungsdaten regelmäßig die aktuelle Kapazität (Alterungszustand) aller Batteriezellen beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen und passt die Referenzkurve entsprechend an. Hierbei können Verfahren auf Basis von OCV-Kurvenabgleichen herangezogen werden.
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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), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriesystem realisiert.
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Die Erfindung nennt zudem ein Kraftfahrzeug mit einem vorbeschriebenen Batteriesystem. Das Kraftfahrzeug kann dabei insbesondere als rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder als ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb, insbesondere als sog. Plugin-Hybrid, ausgestaltet sein. Das Kraftfahrzeug teilt die Vorzüge des Verfahrens und des Batteriesystems. Die für das Verfahren und für dessen Weiterbildungen sowie für das Batteriesystem angegebenen Vorteile können sinngemäß auf das Kraftfahrzeug übertragen werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem,
- 2 ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für unterschiedliche Temperaturen einer Batteriezelle mit einer Referenzkurve,
- 3 den zeitlichen Verlauf von Zellspannung und Ladestrom für einen spannungsgeführten Ladevorgang,
- 4 den zeitlichen Verlauf von Zellspannung und Ladestrom für einen verbesserten spannungsgeführten Ladevorgang mit geringerem Stromrauschen,
- 5 in einem Blockdiagramm den Ablauf eines Verfahrens für den Ladevorgang nach 4.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist in schematischer und vereinfachter Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug 2 mit einem Batteriesystem 4 zur elektrischen Versorgung eines nicht näher dargestellten Traktionsantriebs gezeigt. Das Batteriesystem 4 ist als ein Lithium-lonen-System mit einer Anzahl von elektrochemischen Batteriezellen 6 ausgeführt. Das Batteriesystem 4 weist weiterhin einen Spannungsmesser 8 und einen Spannungsregler 10 sowie einen Controller 12 auf.
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Der Controller 12 ist hierbei zum spannungsgeführten Betrieb des Batteriesystems 4 während eines Ladevorgangs geeignet und eingerichtet. In einem Speicher des Controller 12 ist eine Referenzkurve 14 (2) hinterlegt. Bei der Referenzkurve 14 handelt es sich vorzugsweise um eine Ladungszustands-Zellspannungs-Kennlinie, welche bevorzugt für einen gegebenen Alterungszustand der Batteriezelle 6 in Abhängigkeit eines Ladezustands eine Referenzspannung derart festlegt, dass bei einer Spannungsregelung des Ladevorgans auf besagte Referenzspannung der maximal mögliche Ladestrom erreicht wird, ohne dass schädigende Prozesse in der Batteriezelle 6 auftreten. Ein solcher schädigender Prozess kann insbesondere durch irreversibles Li-Platin gegeben sein.
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Vorzugsweise sind für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezellen 6 unterschiedliche Referenzkurven 14 hinterlegt. Nachfolgend ist beispielhaft lediglich ein Aufladevorgang, bei welchem elektrische Energie mittels eines Ladestroms in die Batteriezellen 6 eingespeist wird, näher erläutert. Mit anderen Worten ist nachfolgend unter Ladevorgang insbesondere ein Aufladevorgang, beispielsweise ein Schnellladevorgang, zu verstehen.
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Während eines Ladevorgangs werden die Zellspannungen UZ der Batteriezellen 6 mittels des Spannungsmessers 8 erfasst. Der Controller 12 bestimmt oder überwacht während des Ladevorgangs einen Ladezustand SOC der Batteriezellen 6. Weiterhin bestimmt der Controller 12 anhand der Spannungsdaten des Spannungsmessers 8 regelmäßig die aktuelle Kapazität (Alterungszustand) aller Batteriezellen 6 beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen 6. Hierbei können Verfahren auf Basis von OCV-Kurvenabgleichen herangezogen werden.
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Die jeweils aktuellen Ladezustände SOC und die aktuellen Zellspannungen UZ werden mit der hinterlegten Referenzkurve 14 verglichen. Der Controller 12 wertet die jeweils aktuellen Zellspannungen UZ und Ladezustände SOC anhand der Referenzkurve 14 aus. Die Werte für die Zellspannungen UZ und Ladezustände SOC werden hierbei mit der hinterlegten Referenzkurve 14 verglichen, wobei der Controller 12 anhand des Vergleichs und des Alterungszustands (SOH) einen maximal möglichen Ladestrom für die Batteriezelle 6 bestimmt, für welchen schädigende Prozesse nicht auftreten. Die Berücksichtigung des Alterungszustands kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Controller 12 die Referenzkurve 14 an den bestimmten Alterungszustand entsprechend anpasst. Anschließend wird der aktuelle Ladestrom mittels des Controllers 12 durch eine Ansteuerung des Spannungsreglers 10 unabhängig von einer Batteriezellentemperatur auf einen maximalen Stromwert gesteuert und/oder geregelt.
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Der Spannungsregler 10 regelt die Ladeleistung beziehungsweise den Ladestrom somit zu jeder Zeit so, dass alle Zellspannungen UZ im System unterhalb oder gleich der Referenzkurve 14 bleiben. Geeigneterweise wird zu jedem Zeitpunkt der Ladezustand SOC jeder Batteriezelle 6 beziehungsweise Parallelschaltung von Batteriezellen 6 von dem Controller 12 bestimmt und diese regelmäßig durch Balancing-Konzepte angeglichen. Der Angleich kann hierbei beispielsweise in einer Pause oder Unterbrechung des vom Controller 12 durchgeführten Verfahrens erfolgen. Hierzu ist beispielsweise ein vorgegebener Ladezustandswert im Controller 12 hinterlegt, wobei der Controller 12 das vorstehend beschriebene Verfahren für das Balancing pausiert, wenn der Ladezustandswert erreicht oder überschritten wird.
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Soll das Batteriesystem 2 Leistung aufnehmen, so gleicht das Batteriesystem 2 beziehungsweise der Controller 10 für jede Batteriezelle 6 die aktuelle Zellspannung UZ beim aktuellen Ladezustand SOC mit der hinterlegten Ladespannungstrajektorie der Referenzkurve 14 ab. Der Ladestrom kann erhöht oder gehalten werden, solange die Zellspannung UZ beim aktuellen Ladezustand SOC kleiner oder gleich der hinterlegten Referenzkurve 14 ist. Wie nachfolgend noch beschrieben wird, ist eine derartige Regelung ohne weitere Maßnahmen jedoch oftmals großen Schwankungen bzw. Störungen im Ladestrom ausgesetzt, welche erneut zur Schädigung der Batteriezelle 6 führen können.
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In der 2 ist ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für den eben beschriebenen Ladevorgang gezeigt. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die Zellspannung UZ in Volt (V) aufgetragen.
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Wie anhand der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist die Zellspannung UZ eine auf den ganzen Wertebereich bezogen geringe Temperaturabhängigkeit auf. Eine Betrachtung mittels eines elektrischen Zellmodells legt hierbei nahe, dass die Varianz im Spannungsverlauf eher auf die mäßige Qualität der genutzten 3-Elektrodenlaborzelle zurückzuführen ist, und die Spannungskurve tatsächlich für alle Temperaturen oberhalb einer kritischen Temperatur, bei der sich das Zellverhalten deutlich ändert, immer die gleiche ist. Dass die Spannungskurven unterhalb eines Ladezustands SOC von 10% eine vergleichsweise große Abweichung aufweisen ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Ladezustandsbereich mit prüfstandsbedingt gewählten endlichen Strömen der Ladevorgang begonnen wurde, bis das Anodenpotential 0V vs. Li/Li+ erreicht hat, und der Prüfstand die Regelung des Stroms übernehmen konnte.
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Aufgrund der geringen Aufspreizung der Spannungskurven für die unterschiedlichen Temperaturen ist es möglich das Verhalten mittels einer einzigen Referenzkurve 14 zu approximieren, welche als Schranke die Zellspannungen UZ angibt, bei welchen bei einer Dauerbestromung kein Li-Plating auftritt.
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Für den Übertrag der Kennfelder von Laborzellen auf die Batteriezellen 6 des automotiven Batteriesystems 2 kann eine konstante Sicherheitsmarge (M) genutzt werden, um der Temperatur- und Ladezustandsinhomogenität in der großen Batteriezelle 6 Rechnung zu tragen. In einem solchen Fall wäre die in 2 gezeigte Referenzkurve 14 um einen entsprechenden Faktor < 1 (oder einen Spannungs-Offset) gegenüber den gemessenen Spannungstrajektorien reduziert.
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Die Referenzkurve 14 ist in dem Batteriesystem 4 beziehungsweise in dem Controller 14 hinterlegt.
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Die Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der Batterie- oder Zellspannung UZ unter Berücksichtigung der Referenzkurve 14 kann mittels der Terminalspannung der Batteriezellen 6 erfolgen. Ebenso möglich ist, dass die Spannungsmesspunkte des Spannungsmessers 8 zusätzliche Spannungen zum Beispiel durch Stromschienen aufweisen.
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In 3 sind für diesen Ladevorgang zwei Diagramme 20, 22 dargestellt, wobei im linken Diagramm 20 die Zellspannung UZ gegen die Zeit t aufgetragen ist, und im rechten Diagramm 22 der eingestellte Ladestrom IL gegen die Zeit t. bei einem Startzeitpunkt t0 wird der Ladevorgang gestartet. Die Spannungsregelung regelt dabei über einen konstanten Ladestrom IL, welcher im Prinzip nur ein vernachlässigbares Rauschen aufweist, die Zellspannung UZ auf eine Referenzspannung UR. Die Zellspannung UZ baut sich dabei unter einem teils erheblichen Rauschen 23 auf, welches u.a. durch die Leistungselektronik des Batteriesystems 4 verursacht wird. Diese konvertiert Spannungen einer Ladestation (nicht dargestellt), an welche das Kraftfahrzeug 2 für den Ladevorgang angeschlossen ist, auf die für das Batteriesystem 4 bzw. für die einzelnen Batteriezellen vorgesehenen Spannungen. Das Spannungsrauschen ist jedoch unterhalb der Referenzspannung UR noch als unschädlich anzusehen, da diese ja gezielt dafür bestimmt wird.
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Zu einem ersten Zeitpunkt t1 erreicht jedoch die Zellspannung UZ die Referenzspannung UR. In diesem Moment setzt die „tatsächliche“ Spannungsregelung ein, d.h., die Zellspannung Uz wird für den weiteren Ladevorgang hart auf die Referenzspannung UR begrenzt. Infolge von nicht idealen Komponenten der o.g. Leistungselektronik, aber auch nicht idealen Komponenten für die Messung der Zellspannung UZ der Batteriezelle 6 (z.B. mit nicht vollständig ausreichender Schirmung, grober Quantisierung etc.) sowie ggf. in der Batteriezelle 6 durch den Ladevorgang selbst induzierten Strömen führt die besagte Regelung der Zellspannung UZ auf die Referenzspannung UR in der „realen“ Batteriezelle 6 (mit den o.g. Abweichungen vom Idealfall) ab dem ersten Zeitpunkt t1 zu einem teils erheblichen Rauschen 24 im Ladestrom IL.
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Dieses Rauschen 24 ist jedoch nun für die Batteriezelle 6 potentiell problematisch: Eine bereits vergleichsweise geringe Abweichung der Zellspannung UZ von der Referenzspannung UR führt infolge des geringen Innenwiderstands R der Batteriezelle 6 von 0,5 mS2 bis ca. 20 mS2 zu einer erheblichen Schwankung des Ladestroms IL. Um bei der Spannungsregelung also Schwankungen der Zellspannung UZ in der Größenordnung von 10-2 bis 10-0 mV auszugleichen, wie sie tatsächlich durchaus vorkommen, können bei diesem Ausgleich Schwankungen in der Größenordnung von 101 bis 102 A entstehen, welche für die Batteriezelle 6 zu einer vorzeitigen Alterung oder gar einer Schädigung führen können.
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Um dies zu verhindern, wird die anhand von 3 erklärte „harte“ Spannungsregelung in noch zu beschreibender Weise „aufgeweicht“, sodass einzelne Überschwinger der Zellspannung UZ über die Referenzspannung UR zugelassen werden. In 4 sind für eine derartige „weiche“ Regelung Diagramme 30, 32 gezeigt, welche zu denen der 3 analog sind. Im linken Diagramm 30 der 4 ist die Zellspannung UZ gegen die Zeit t aufgetragen, und im rechten Diagramm 32 der eingestellte Ladestrom IL gegen die Zeit t.
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Bis zum ersten Zeitpunkt t1 verlaufen beide Diagramme 30, 32 im Wesentlichen wie die entsprechenden Diagramme 20, 22 der 3, d.h., die Zellspannung UZ und der Ladestrom IL weisen dasselbe Verhalten auf. Nach dem ersten Zeitpunkt t1 wird für ein erstes Zeitfenster Dt1, welches sich bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2 erstreckt, eine Störung 34 im Ladestrom IL analysiert. Die Störung 34 ist dabei gegeben durch das Rauschen 24. Die Störung 34 entspricht dabei einem Überschwinger der Zellspannung UZ, welcher „weggeregelt“ wird. Da die Batteriezelle 6 in erster Näherung bei einem möglichen zunächst noch reversiblen Li-Plating als ein Doppelschicht-Kondensator bzw. Helmholtz-Kondensator beschrieben werden kann, kann die daraus resultierende Kapazität der sich an der Anode und der Kathode jeweils ausbildenden Doppelschicht Überschwinger der Zellspannung UZ bzw. Überschwinger der aus den Schwankungen im Ladestrom IL resultierenden Ladungsmenge vorübergehend in einem Umfang aufnehmen, welcher sich quantitativ aus der Kapazität der Doppelschichten bemessen lässt. Diese Kapazität kann dabei bis zu 50F erreichen, bei großen Batteriezellen bisweilen sogar auch mehr. Es wird somit lediglich bei Störungen 34 eine eingreifende Regelung vorgenommen, welche einem Überschreiten der Referenzspannung UR durch die Zellspannung UZ entsprechen, welches nicht mehr vollständig durch diese Doppelschicht-Kapazität aufgenommen werden kann, und der Eingriff beschränkt sich bevorzugt auch darauf, die Zellspannung UZ lediglich in den gemäß der Doppelschicht-Kapazität zulässigen Bereich zu bringen (also nicht „vollständig“ auf die Referenzspannung UR herunter zu regeln). Ein „Entladen“ der Doppelschicht-Kapazitäten kann dann insbesondere in den „unterschwingenden“ Phasen einer der Störung 34 analogen Störung nach dem zweiten Zeitpunkt t2 erfolgen, in welchen der Ladestrom IL unterhalb des konstanten Wertes für den maximalen Dauerstrom Idm liegt.
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In 5 ist schematisch in einem Blockschaltbild ein Verfahren zur „weichen“ Spannungsregelung eines Ladevorgangs dargestellt, welcher durch die Diagramme 30, 32 nach 4 charakterisiert ist. Es wird zunächst die Referenzkurve 14 in bereits beschriebener Abhängigkeit und Weise vorgegeben, anhand derer die Referenzspannung UR für die Spannungsregelung ermittelt wird. Weiter wird für das erste Zeitfenster Dt1 der Ladestrom IL einer Analyse 40 unterzogen, ob eine Störung 34 nach 3 bzw. 4 vorliegt. Hierzu können noch weitere externe Informationen 42 über bekannte Störungen wie z.B. eine Netzfrequenz einer Ladestation, eine Restwelligkeit einer gleichgerichteten Ladespannung o.ä. in die Analyse 40 eingehen. In der Analyse 40 wird ermittelt, ob die Störung 34 einem zulässigen Überschwinger 44 der Referenzspannung UR durch die Zellspannung UZ entspricht, bzw. einem zulässigen Überschwinger einer vorgegebenen Ladungsmenge Qsoll durch den Ladestrom IL über ein geeignet zu wählendes zweites Zeitfenster (nicht dargestellt). Die Zulässigkeit ergibt sich dabei aus einer Kapazität C eines Doppelschicht-Kondensators, welcher sich in der Batteriezelle 6 jeweils an den beiden Elektroden der Batteriezelle 6 ausbildet. Die Kapazität C lässt sich dabei vorab anhand von Impedanz-Spektroskopie bestimmen, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands SOH und/oder eines bestimmbaren Alterungszustandes, und als Funktion bzw. als Lookup-Tabelle hinterlegen.
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Ist der Überschwinger 44 als zulässig in diesem Sinne identifiziert, erfolgt keinerlei Eingriff. Ist jedoch der Überschwinger 44 unzulässig, so erfolgt ein regelnder Eingriff. Durch eine von der Störung 34 abhängige Filterung 46 der gemessenen Zellspannung UZ wird dafür diese entsprechend angepasst. Im Spanungsregler 48 wird die so angepasste Zellspannung UZ' mit der Referenzspannung UR verglichen, und entsprechend der Ladestrom IL eingestellt.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Batteriesystem
- 6
- Batteriezelle
- 8
- Spannungsmesser
- 10
- Spannungsregler
- 12
- Controller
- 14
- Referenzkurve
- 20
- Diagramm
- 22
- Diagramm
- 23
- Rauschen (in der Zellspannung)
- 24
- Rauschen (im Ladestrom)
- 30
- Diagramm
- 32
- Diagramm
- 34
- Störung (im Ladestrom)
- 40
- Analyse
- 42
- externe Informationen
- 44
- Überschwinger
- 46
- Filterung
- 48
- Spannungsregler
- C
- Kapazität
- Dt1
- erstes Zeitfenster
- Idm
- maximaler Dauerstrom
- IL
- Ladestrom
- Qsoll
- vorgegebene Ladungsmenge
- SOC
- Ladezustand
- t
- Zeit
- t0
- Startzeitpunkt
- t1, t2
- erster/zweiter Zeitpunkt
- UR
- Referenzspannung
- UZ
- Zellspannung
- UZ`
- angepasste Zellspannung
