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DE102021203390B3 - Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs - Google Patents

Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs Download PDF

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DE102021203390B3
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battery cell
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Benjamin Bedürftig
Bernd Epding
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems (4) während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (6), wobei ein die Batteriezelle (6) schädigender Prozess anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (14) charakterisiert ist, wobei die Referenzkurve (14) eine Ladungszustand-Zellspannungs-Kennlinie ist, bei welchem eine Zellspannung (UZ) der Batteriezelle (6) erfasst wird, bei welchem ein Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (6) bestimmt wird, bei welchem ein Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, bei welchem die Zellspannung (UZ) und der Ladezustand (SOC) mit der hinterlegten Referenzkurve (14) verglichen werden, bei welchem anhand des Vergleichs ein maximaler Ladestrom (IL) für den Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, und bei welchem der Ladestrom (IL) durch Steuerung und/oder Regelung der Zellspannung (UZ) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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, 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.
  • 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.
  • 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 bei einem Ladevorgang in Brand geraten 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.
  • Durch Messen einer Dicke der Batteriezelle beziehungsweise einer Kraft auf eine Verspanneinrichtung mehrerer Batteriezellen kann der Einsetzpunkt von Li-Plating bestimmt werden. Alternativ ist beispielsweise eine Messung durch hochgenaue Coulometrie (High Precision Coulombmetry) zur Bestimmung des Einsetzpunktes von Li-Plating möglich.
  • Bei Lithium-Ionen-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, Johannes [u.a.]: Fast charging of an electric vehicle lithium-ion battery at the limit of the lithium deposition process. In: Journal of Power Sources, Vol. 427, 2019, S. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus der US 2011 / 0 012 563 A1 ist ein Batteriezellenladegerät zum schnellen Laden einer Lithium-lonen-Batteriezelle (oder einer Reihe von seriell-parallel geschalteten Zellen) mit einer maximalen Batteriezellenspannung bekannt, wobei das Batteriezellenladesystem umfasst: eine Schaltung zum Laden der Batteriezelle unter Verwendung eines einstellbaren Spannungsladeprofils zum Anlegen einer Ladespannung und eines Ladestroms an die Batteriezelle, wobei das Ladeprofil mit einstellbarer Spannung umfasst: eine erste Ladestufe mit einem konstanten Ladestrom der ersten Stufe und eine ansteigende Batteriezellenspannung, wobei der Ladestrom der ersten Stufe bis zum Laden der ersten Stufe bereitgestellt wird und die Spannung etwa gleich zu einer Vollendungsspannung der ersten Stufe ist, die kleiner als die maximale Batteriezellenspannung ist; eine oder mehrere Zwischenladestufen, wobei jede Zwischenstufe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Zwischenstufe mit konstanter Spannung, die einen abnehmenden Ladestrom bereitstellt, einer Zwischenstufe mit konstantem Strom, die eine ansteigende Batteriezellenspannung erzeugt, und Kombinationen davon; und eine Endladestufe mit einer konstanten Endstufen-Ladespannung, die etwa gleich einer Zwischenstufen-Vollständigkeitsspannung ist, und einem abnehmenden Endstufen-Ladestrom, wobei die Endstufen-Ladespannung bereitgestellt wird, bis der Endstufen-Ladestrom einen gewünschten Lade-Vollständigkeitspegel erreicht.
  • Aus der US 2015 / 0 022 160 A1 ist ein System bekann, das die Verwendung einer Batterie in einem tragbaren elektronischen Gerät verwaltet. Während des Betriebs erhält das System eine Spannung der Batterie und einen Ladezustand der Batterie. Als nächstes berechnet das System eine effektive C-Rate der Batterie unter Verwendung der Spannung und des Ladezustands. Schließlich verwendet das System die effektive C-Rate, um einen Ladevorgang für die Batterie zu verwalten.
  • Aus der DE 10 2016 007 479 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle mit einer Anode und einer Kathode bekannt, wobei während des Ladevorgangs ein Ladestrom in die Batteriezelle eingespeist wird, wobei zumindest in einer vorbestimmten Ladephase das Anodenpotential der Anode indirekt über den Ladestrom auf einen vorbestimmbaren Wert geregelt wird.
  • Aus der DE 10 2015 205 171 A1 ist ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt, dessen Alterungsverhalten durch eine Beschreibung seiner Entladungstiefe modelliert ist, bei der in einem zeitabhängigen Ladezustandsverlauf jedem Zeitraum zwischen zwei benachbarten lokalen Maxima und Minima ein Entladungstiefenwert zugeordnet ist, der dem Lade- oder Entladehub zwischen den Ladezustandswerten der beiden benachbarten lokalen Maxima und Minima entspricht. Der Energiespeicher wird von einem ersten Ladezustand zu einem ersten Zeitpunkt hin zu einem zweiten Ladezustand zu einem zweiten Zeitpunkt überführt, indem innerhalb des zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt gebildeten Zeitraums der Lade- oder Entladevorgang zur Ausbildung von jeweiligen Lade- oder Entladeteilblöcken mit einem jeweiligen Lade- oder Entladehub zumindest einmal unterbrochen wird, wobei ein jeweiliger Lade- oder Entladehub kleiner als der Gesamthub zwischen dem ersten und dem zweiten Ladezustand ist.
  • 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.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriesystems mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein die Batteriezelle schädigender Prozess (Schädigungsprozess) ist hierbei anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (Kennlinie, Trajektorie) charakterisiert. Bei der Referenzkurve handelt es sich um eine Ladungszustands-Zellspannungs-Kennlinie.
  • Unter einem schädigenden Prozess ist hierbei insbesondere ein Prozess innerhalb der Batteriezelle zu verstehen, welcher die Zell- oder Elektrolytchemie beeinflusst, und zu reduzierten Zelleigenschaften, wie beispielsweise einer reduzierten Zellkapazität, führt. Insbesondere stellt der schädigende Prozess eine den Ladevorgang limitierenden Faktor dar. Der schädigende Prozess ist beispielsweise ein Alterungsprozess der Batteriezelle. Insbesondere ist unter einem schädigenden Prozess zu verstehen, welcher zu einem sicherheitskritischen Zustand der Batteriezelle führt, wie beispielsweise Lithium-Plating, Überhitzen der Batteriezelle, Zerstörung der Aktivmaterialien durch zu hohe Belastungsgradienten, oder Zersetzung des Elektrolyten. Bei einer Lithium-Ionen-Zelle mit Flüssigelektrolyten ist der für das Verfahren charakterisierte schädigende Prozess insbesondere Li-Plating.
  • Verfahrensgemäß 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.
  • Die Werte für die aktuelle Zellspannung und den aktuellen Ladezustand werden mit der hinterlegten Referenzkurve verglichen. Aus dem Vergleich wird für den jeweiligen Alterungszustand der Batteriezelle ein maximal möglicher Ladestrom bestimmt, für welchen der schädigende Prozess nicht auftritt. Anschließend wird der aktuelle Ladestrom der Batteriezelle durch eine Einstellung der Zellspannung unabhängig von einer Batteriezelltemperatur auf den maximalen Stromwert gesteuert und/oder geregelt. Mit anderen Worten wird verfahrensgemäß durch eine Steuerung und/oder Regelung des Ladestromes zum jeweiligen Alterungszustand der Batteriezelle mittels Vergleich der Zellspannung und des Ladezustandes mit der hinterlegten Referenzkurve ein vorteilhafter und/oder nicht schädigender maximaler Ladestrom einstellt. Dadurch wird der Ladestrom unter Vermeidung des Schädigungsprozesses maximiert.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Bestimmung des maximalen Ladestroms, sofern der schädigende Prozess der limitierende Faktor ist, zu einer von der Temperatur quasi unabhängigen Spannungstrajektorie führt. Insbesondere weist 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. Dadurch ist es möglich 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. Somit ist ein besonders geeignetes Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems während eines Ladevorgangs realisiert.
  • Sofern der Ladezustand jeder Batteriezelle des Batteriesystems während des Ladevorgangs bekannt ist, ist es somit ausreichend die Zellspannung zu messen, um zu bestimmen, welcher Ladestrom gerade maximal möglich ist. Für das Verfahren ist es vorteilhaft, dass bei Batteriesystemen jede Batteriezelle beziehungsweise jede Parallelschaltung von Batteriezellen einzeln spannungsüberwacht werden. Eine genaue Kenntnis der kältesten und wärmsten Punkte im Batteriesystem ist durch Verwendung des Verfahrens nicht mehr notwendig.
  • Die Spannungstrajektorie der Referenzkurve gibt hierbei für jeden Ladezustand die maximale Spannung unter Dauerbestromung an. Wird an eine ausrelaxierte Zelle ein Strom angelegt, so dauert es bis in der Zelle alle Überspannungen aufgebaut sind und die Zellspannung den Spannungsgrenzwert für die Dauerbestromung erreicht. Da die Anodenüberspannung nur einen gewissen Anteil an der gesamten Überspannung hat und dabei entscheidend ist, ist die Abschätzung des maximalen Ladestroms stets konservativ. Soll folglich mit maximalem Strom geladen werden, so muss der Strom nur so geregelt werden, dass die Zellspannung gerade auf der Spannungstrajektorie für Dauerströme liegt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen besonders vorteilhaften Betrieb des Batteriesystems sicher, bei welchem Schädigungsmechanismen und Schädigungsprozesse mittels Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der einzelnen Batteriezellen, Teil- oder Gesamtbatterie vermieden werden. Durch das Verfahren ist es möglich, eine optimale Verteilung der Ladeströme der verschalteten Batteriezellen für alle Betriebszustände zu gewährleisten, ohne unvorteilhafte Betriebszustände (Li-Plating oder dergleichen) zu erreichen.
  • Nachfolgend ist das Verfahren anhand einer Anwendung bei einem Schnellladevorgang einer Fahrzeugbatterie näher erläutert. Beim Schnellladen der Fahrzeugbatterie beziehungsweise Batteriesystems fließen hohe Ströme in die einzelnen Batteriezellen. Hierbei können auf verschiedenster Weise unvorteilhafte Zustände innerhalb der Fahrzeugbatterie auftreten. Um insbesondere Li-Plating zu verhindern, muss das Anoden-Potential einen bestimmten Wert größer 0 Volt annehmen, welcher vorab bestimmt werden kann. Allerdings entsteht während des Ladevorganges Wärme, welche die Batterietemperatur über einen unvorteilhaften Wert erhöhen kann. Die auftretende Verlustleistung ist unter anderem eine Funktion der Überspannung der Batteriezelle. Die Überspannung einer Batteriezelle ist zum Beispiel eine Funktion der Temperatur, des Ladezustandes, der Historie, des Alterungszustandes der Batteriezelle. Um die Batterietemperatur zu senken, sind entsprechende weitere Regelkreise zum Beispiel des Ladestromes oder der Batteriekühlung nötig. Zudem können beliebige äußerer Einflüsse die Batterietemperatur und das Aufheizverhalten ändern. Der Ladestrom kann hierdurch nicht mehr auf ein vorher bestimmbares Anoden Potential geregelt werden. Die hinterlegte Referenzkurve gibt für jeden Ladezustand die maximale Spannung unter Dauerbestromung an, für welche das Li-Plating nicht auftritt. Da die Referenzkurve einem im Wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf der Zellspannung entspricht, werden durch die hinterlegte Referenzkurve alle Dynamiken der Batterie und der Kühlung sowie beliebige äußere Einflüsse berücksichtig, wodurch der Schnellladebetrieb betriebssicher anhand diese Referenzkurve geregelt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise auch als Auswertemethodik oder zur Charakterisierung des Batteriesystems beziehungsweise deren Batteriezellen genutzt werden.
  • In einer geeigneten Weiterbildung des Verfahrens wird regelmäßig, beispielsweise periodisch, der Alterungszustand der Batteriezellen bestimmt. Zweckmäßigerweise wird die mindestens eine Referenzkurve im Hinblick auf den Alterungszustand angepasst. Dadurch wird ein vorteilhafter Betrieb des Batteriesystems über deren gesamten Lebensdauer ermöglicht. Eine Regelung auf die hinterlegte Referenzkurve ergibt somit zu jedem Zeitpunkt eine konservative Abschätzung für den maximalen Ladestrom.
  • Zur Bestimmung des Alterungszustands wird beispielsweise die aktuelle Kapazität aller Batteriezellen beziehungsweise Parallelschaltungen von Batteriezellen bestimmt. Dies kann beispielsweise auf Basis von Kurvenabgleichen einer Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) erfolgen. Zur Bestimmung des Alterungszustands ist es hierbei ausreichend lediglich eine Kapazitätsabnahme der Batteriezellen zu bestimmen und nicht den Innenwiderstand.
  • In der Messung der Lastspannung (Zellspannung) ist die Änderung des Innenwiderstands automatisch enthalten. Dadurch ist es möglich auf eine aufwändige Bestimmung der maximal möglichen Pulsströme z.B. durch Berechnung eines PT1-Verhaltens zu verzichten, und stattdessen eine konservative und inhärent sichere Abschätzung zu implementieren. Dies bedeutet, dass eine Bestimmung des Innenwiderstands durch Pulsstrommessung zur Bestimmung des Alterungszustands zur Anpassung der Referenzkurve nicht notwendig ist. Eine zusätzliche Implementierung von Pulsströmen zusätzlich zu den kontinuierlichen Ladeströmen kann daher entfallen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung werden für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezelle unterschiedliche Referenzkurven hinterlegt werden. Insbesondere wird lediglich eine Referenzkurve für den Aufladevorgang und lediglich eine Referenzkurve für den Entladevorgang hinterlegt. Es wird für jeden Ladevorgang nur noch eine Spannungskennlinie im System hinterlegt, so dass nicht zwischen beliebig vielen Stromkennlinien fehleranfällig interpoliert werden muss. Um diese unvorteilhaften Zustände zu verhindern, wird somit für das Laden der Batterie eine obere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert. Für das Entladen der Batterie wird entsprechend eine untere Grenzspannung in Abhängigkeit des Ladezustandes für die einzelnen Batteriezellen definiert. Es ist möglich mittels der Referenzkurven für jede Batteriezelle gesonderte Grenzspannungen zu definieren und zu implementieren.
  • In einer vorteilhaften Ausführung wird die mindestens eine Referenzkurve mit einer Laborzelle vorcharakterisiert. Die Laborzelle ist hierbei eine 3-Elektrodenzelle mit einer Anode und mit einer Kathode sowie mit stromlos betriebenen Referenzelektrode auf. Die 3-Elektrodenzelle ermöglicht eine direkte Messung und Erfassung von kontinuierlichen Spannungstrajektorien bzw. Stromkennfelder. Dem Batteriesystem wird die in den 3-Elektrodenzellen bestimmte Spannungstrajektorie als Referenzkurve hinterlegt. Anstatt der direkten Nutzung der Spannungstrajektorie aus der 3-Elektrodenlaborzelle, ist es beispielsweise möglich das bestimmte Stromkennfeld mit einer Sicherheitsmarge für die originale Batteriezelle in dem Batteriesystem zu hinterlegen.
  • Anstatt einer Messung an einer 3-Elektrodenlaborzelle, kann die Ladespannungstrajektorie auch mittels anderen Methoden an der originalen Zelle bestimmt werden, wie z.B. Druckkraft-, Dicken- oder High Precision Coulombmetry-Messungen. Insbesondere kann die Referenzkurve mittels Messung der Coulomb'schen Effizienz oder der Zellausdehnung und/oder Zellgeometrieänderung bestimmt werden.
  • In einer alternativen, ebenso vorteilhaften Ausführung wird die mindestens eine Referenzkurve mittels einer Simulation bestimmt. Insbesondere wird die Spannungstrajektorie mittels einer Simulation der Zellspannung zum Beispiel auf Basis von Halbzellmodellen bestimmt. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und aufwandreduzierte Bestimmung der Referenzkurve ermöglicht.
  • Die Spannungsregelung oder Spannungssteuerung der Batterie- oder Zellspannung unter Berücksichtigung der Referenzkurve kann mittels der Terminalspannung der Batteriezellen erfolgen. Ein Abgriff der Zellspannung kann jedoch meist aus technischen Gründen nicht direkt an der Batteriezelle erfolgen. Durch die anderen Spannungsmesspunkte können zusätzliche Spannungen zum Beispiel durch Stromschienen entstehen. In einer denkbaren Weiterbildung wird die Referenzkurve mit einem Sicherheitsfaktor versehen, bevor die Referenzkurve hinterlegt wird. Durch den Sicherheitsfaktor ist es möglich, solche zusätzlichen Spannungen in der Referenzkurve zu berücksichtigen. Dadurch wird die Spannungsmessung oder Erfassung der Zellspannung vereinfacht.
  • Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren unterbrochen oder pausiert wird, wenn ein vorgegebener oder hinterlegter Ladezustand der Batteriezelle erreicht wird. Mit anderen Worten wird der Ladezustand der Batteriezelle während des Verfahrens überwacht und mit dem hinterlegten Ladezustand oder Ladezustandswert verglichen, wobei das Verfahren pausiert oder unterbrochen wird, wenn der hinterlegte Ladezustand erreicht oder überschritten wird. Die Pausierung oder Unterbrechung kann hierbei in Form einer vorgegebenen Wartezeit oder Zeitdauer erfolgen, nach welcher das Verfahren automatisch fortgesetzt wird. Während der Pause oder Unterbrechung können vorteilhafte Ausgleichsprozesse im Batteriesystem und/oder der Batteriezelle stattfinden oder bewirkt werden. Vorzugsweise wird während der Pause ein vordefinierter Ladestrom und/oder eine Referenzkurve eingestellt.
  • 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.
  • 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 die Referenzkurve 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. 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.
  • 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.
  • Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriesystem realisiert.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem,
    • 2 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm für unterschiedliche Temperaturen einer Batteriezelle,
    • 3 ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für unterschiedliche Temperaturen einer Batteriezelle mit einer Referenzkurve,
    • 4 schematische Darstellung eines Simulationsmodells,
    • 5 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm zum Vergleich des Simulationsmodells mit einer 3-Elektroden-Messung,
    • 6 ein schematisches Diagramm zur Zusammensetzung einer Überspannung in der Batteriezelle, und
    • 7 ein Ladezustands-C-Rate-Diagramm zum Vergleich des Simulationsmodells mit Grenzwerten.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In der 1 ist in schematischer und vereinfachter Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeugs 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.
  • 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 (3) hinterlegt, welche einen die Batteriezellen 6 schädigenden Prozess charakterisiert. Bei der Referenzkurve 14 handelt es sich vorzugsweise um eine Ladungszustands-Zellspannungs-Kennlinie. In diesem Ausführungsbeispiel ist der charakterisierte schädigende Prozess insbesondere Li-Plating.
  • 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 IL in die Batteriezellen 6 eingespeist wird, näher erläutert. Mit anderen Worten ist nachfolgend unter Ladevorgang insbesondere ein Aufladevorgang, beispielsweise ein Schnellladevorgang, zu verstehen.
  • 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.
  • 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 IL für die Batteriezelle 6 bestimmt, für welchen der schädigende Prozess nicht auftritt. 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 IL mittels des Controllers 12 durch eine Ansteuerung des Spannungsreglers 10 unabhängig von einer Batteriezellentemperatur auf einen maximalen Stromwert gesteuert und/oder geregelt.
  • Der Spannungsregler 10 regelt die Ladeleistung beziehungsweise den Ladestrom IL 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.
  • 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 IL kann erhöht oder gehalten werden, solange die Zellspannung UZ beim aktuellen Ladezustand SOC kleiner oder gleich der hinterlegten Referenzkurve 14 ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand der 2 bis 7 näher erläutert.
  • Die 2 zeigt ein Ladezustands-C-Raten-Diagramm einer Batteriezelle 6. Die Die C-Rate CR beschreibt den Lade- (oder Entladestrom) einer Batteriezelle 6, bezogen auf deren Kapazität. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die einheitslose C-Rate CR aufgetragen. In dem Diagramm ist der Verlauf des Ladestroms IL beziehungsweise der C-Rate CR für unterschiedliche Temperaturen der Batteriezelle 6 gezeigt. Insbesondere sind neun Kurven für Temperaturen zwischen 10 °C (Grad Celsius) und 50 °C mit Temperaturschritten von 5 °C gezeigt.
  • Wie anhand des Stromkennfelds der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist der Ladestrom IL eine vergleichsweise große Temperaturabhängigkeit auf. So unterscheiden sich beispielsweise die C-Raten CR bei 10 °C und 50 °C um einen Faktor von etwa 2.
  • In der 3 ist ein Ladezustands-Zellspannungs-Diagramm für die Ladevorgänge der 2 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.
  • Wie anhand der 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist die Zellspannung UZ eine geringere Temperaturabhängigkeit als der Ladestrom IL 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.
  • 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.
  • Für den Übertrag der Kennfelder von Laborzellen auf die Batteriezellen 6 des automotiven Batteriesystems 2 wird eine Sicherheitsmarge M genutzt, um der Temperatur- und Ladezustandsinhomogenität in der großen Batteriezelle 6 Rechnung zu tragen. Daher ist die in 3 gezeigte Referenzkurve 14 um ca. 10% gegenüber den gemessenen Spannungstrajektorien reduziert. Die Sicherheitsmarge M kann als ein multiplikativer Faktor oder als ein Spannungs-Offset ausgeführt sein. Die dadurch bestimmte Referenzkurve 14 ist in dem Batteriesystem 4 beziehungsweise in dem Controller 14 hinterlegt.
  • 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. In einer denkbaren Weiterbildung ist ein entsprechender Sicherheitsfaktor in der Sicherheitsmarge M berücksichtigt.
  • Zur Erläuterung eines vorteilhaften Betriebs des Batteriesystems 2 bei einer Parallelschaltung von Batteriezellen 6, wobei die Temperatur der Einzelzellen nicht bekannt ist, wurde eine Simulation durchgeführt, in welcher die Spannung der Zellparallelschaltung zur Spannungstrajektorie der Referenzkurve geregelt wurde.
  • Die 4 zeigt eine schematische Skizze des Simulationsszenarios. Das Szenario weist zwei parallel geschaltete Batteriezellen 6a und 6b auf, wobei die Batteriezelle 6a eine Temperatur von 10° C und die Batteriezelle 6b eine Temperatur von 50 °C aufweist. Als Referenzkurve 14 wird hierbei der Spannungsverlauf für 10 °C verwendet.
  • In der 5 ist ein Ladezustands-C-Raten-Diagramm zum Vergleich der simulierten und gemessenen maximal möglichen Ladeströme IL gezeigt. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC in Prozent (%), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist die C-Rate CR beziehungsweise der Ladestrom IL aufgetragen. In der 5 sind vier Kurven 16, 18, 20, 22 gezeigt. Die Kurve 16 zeigt den Verlauf für die 3-Elektrodenmessung der Batteriezelle 6a bei 10 °C, wobei die Kurve 18 den entsprechend simulierten Verlauf zeigt. Entsprechend zeigt die Kurve 20 zeigt den Verlauf für die 3-Elektrodenmessung der Batteriezelle 6b bei 50 °C, wobei die Kurve 22 den simulierten Verlauf zeigt. Wie anhand der 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die simulierten Zellströme für beide Temperaturen innerhalb der jeweils maximal möglichen Ladeströme, welche mit der 3-Elektrodenmessung (3E Messung) ermittelt wurden.
  • Nachfolgend ist die Ermittlung der Ladestrompulse in Abhängigkeit der Ladungsmenge erläutert. In dem Artikel Grimsmann et al., Determining the maximum charging currents of lithium-ion cells for small charge quantities, 2017, Power Sources ist erläutert, dass der maximale Pulsstrom und die Ladungsmenge beziehungsweise der Ladungszustand SOC in etwa eine 1/VSOC-Abhängigkeit (Eins durch Wurzel Ladezustand) aufweisen.
  • Mittels einer Simulation und der Spannungstrajektorie aus den 3 Elektrodenmessungen wurden die erreichbaren Ladungsmengen in Abhängigkeit der Stromstärke ermittelt.
  • Das Schaubild der 6 umfasst zwei vertikal, übereinander angeordnete Abschnitte 24, 26.
  • Der Abschnitt 24 zeigt ein schematisches Ladezustands-Strom-Diagramm. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist ein Strom I aufgetragen. Die Höhe des Stromverlaufs, welche mit einem Doppelpfeil in dem Abschnitt 24 gezeigt ist, gibt hierbei den maximalen Ladestrom IL an.
  • Der Abschnitt 26 zeigt ein schematisches Ladezustands-Spannungs-Diagramm. Horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), ist der Ladezustand SOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist eine Spannung U aufgetragen. Der Abschnitt 26 zeigt zwei Kurven 28, 30. Die Kurve 28 entspricht hierbei der Spannungstrajektorie der Referenzkurve 14, wobei die Kurve 30 die Überspannung darstellt.
  • Im Abschnitt 26 des Schaubilds ist die Zusammensetzung der Überspannung gezeigt, welche sich aus einem Separator-/Elektrolytanteil 30a und einem Kathodenanteil 30b sowie einem Anodenanteil 30c zusammensetzt, wobei lediglich der Anodenanteil 30c für den (Schnell-)Ladevorgang von Bedeutung ist. Aus den Zusammenhängen lässt sich schlussfolgern, dass durch die Spannungsreglung der Zellspannung zur Spannungstrajektorie stets ein vorteilhafter Ladestrombereich gewährleistet ist.
  • Zur Ermittlung der erreichbaren Ladungsmengen in Abhängigkeit der Stromstärke wurde die Batteriezelle 6 solange mit einem Stromplus (Abschnitt 24) geladen, bis sich die Überspannung der Batteriezelle 6 und die Spannungstrajektorie schneiden. Die resultierende Änderungen des Ladezustands aufgrund des Strompulses ist in der 6 mit ΔSOC gekennzeichnet.
  • Ein Vergleich der ermittelten maximalen Ladestrompulse mit Herstellerangaben des Herstellers der Batteriezelle 6 und dem theoretischen Wert nach Grimsmann ist in der 7 dargestellt. Die 7 zeigt ein Diagramm, bei welchem horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Änderung des Ladezustands ΔSOC, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) die C-Rate CR beziehungsweise der Ladestrom IL aufgetragen ist. In dem Diagramm sind die Verläufe für zwei simulierte Ladestrompulse mit den Kurven 32, 34 gezeigt. Die Kurve 32 zeigt hierbei dem Verlauf für einen Ladezustand von 12% und die Kurve 34 dem Verlauf für einen Ladezustand von 60%. Die 7 zeigt weiterhin eine Line 36, welche dem theoretischen Wert nach Grimsmann entspricht, und zwei Kurven 38, 40. Die Kurve 38 entspricht dem Verlauf nach Herstellerangaben für einen Ladezustand von 12% und die Kurve 40 entspricht dem Verlauf nach Herstellerangaben für einen Ladezustand von 60%. Anhand der 7 wird deutlich, dass die simulierten Ladestrompulse nahezu vollständig unterhalb der Herstellerangaben und des theoretischen Wertes nach Grimsmann liegen.
  • 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
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Batteriesystem
    6
    Batteriezelle
    8
    Spannungsmesser
    10
    Spannungsregler
    12
    Controller
    14
    Referenzkurve
    16, 18, 20, 22
    Kurve
    24, 26
    Abschnitt
    28, 30
    Kurve
    30a
    Separator-/Elektrolytanteil
    30b
    Kathodenanteil
    30c
    Anodenanteil
    32, 34
    Kurve
    36
    Linie
    38, 40
    Kurve
    U
    Spannung
    UZ
    Zellspannung
    I
    Strom
    IL
    Ladestrom
    SOC
    Ladezustand
    CR
    C-Rate
    M
    Sicherheitsmarge

Claims (10)

  1. Verfahren zum spannungsgeführten Betrieb eines Batteriesystems (4) während eines Ladevorgangs, aufweisend mindestens eine elektrochemische Batteriezelle (6), wobei ein die Batteriezelle (6) schädigender Prozess anhand mindestens einer hinterlegten Referenzkurve (14) charakterisiert ist, wobei die Referenzkurve (14) eine Ladungszustand-Zellspannungs-Kennlinie ist, - bei welchem eine Zellspannung (UZ) der Batteriezelle (6) erfasst wird, - bei welchem ein Ladezustand (SOC) der Batteriezelle (6) bestimmt wird, - bei welchem ein Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, - bei welchem die Zellspannung (UZ) und der Ladezustand (SOC) mit der hinterlegten Referenzkurve (14) verglichen werden, - bei welchem anhand des Vergleichs ein maximaler Ladestrom (IL) für den Alterungszustand der Batteriezelle (6) bestimmt wird, und - bei welchem der maximale Ladestrom (IL) durch Steuerung und/oder Regelung der Zellspannung (UZ) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand der Batteriezelle (6) regelmäßig bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Aufladevorgang und für einen Entladevorgang der Batteriezelle (6) unterschiedliche Referenzkurven (14) hinterlegt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mit einer Laborzelle vorcharakterisiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels Messung der Coulomb'schen Effizenz bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels Messung einer Zellausdehnung und/oder Zellgeometrieänderung bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mittels einer Simulation bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzkurve (14) mit einem Sicherheitsfaktor versehen wird, bevor sie hinterlegt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem vorgegebenen Ladezustand (SOC) unterbrochen und/oder pausiert wird, wobei während der Pause ein vordefinierter Ladestrom (IL) und/oder eine Referenzkurve (14) eingestellt wird.
  10. Batteriesystem (4), aufweisend mindestens eine Batteriezelle (6), wobei ein Spannungsmesser (8) und ein Spannungsregler (10) mit der Batteriezelle (6) gekoppelt sind, sowie einen Controller (12) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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