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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kapazitätsanpassung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkus, eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens zwei in Serie geschalteten Speicherzellen, welche jeweils eine Referenzelektrode umfassen.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, können mittels einer elektrischen Maschine elektrisch antreibbar sein. Zur Energieversorgung der elektrischen Maschine kommt häufig eine sogenannte Traktionsbatterie zum Einsatz, welche meist als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist. Dieser Energiespeicher ist häufig aus mehreren Speichermodulen aufgebaut, welche wiederum selbst aus einzelnen Speicherzellen aufgebaut sein können. Dabei ist die häufigste verwendete Speicherzelle eine sogenannte Lithium-Ionen-Speicherzelle, in welcher elektrische Energie in Form von Lithium-Ionen chemisch speicherbar ist. Solch eine Lithium-Ionen-Speicherzelle besteht üblicherweise aus einer Graphitanode, einer Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Kathode und einem mit Elektrolyt getränkten Separator. Diese Komponenten werden je nach Bauart unter Vakuum beispielsweise in einem sogenannten „Pouch Bag“ oder auch einem Stahlgehäuse eingeschweißt. Der Separator trennt eine Elektrode der Speicherzelle von einer weiteren Elektrode der Speicherzelle. Dabei ist die kleinste Einheit einer Lithium-Ionen- Speicherzelle eine galvanische Zelle. Dabei kann die Lithium-Ionen- Speicherzelle selbst nur eine galvanische Zelle umfassen oder bereits aus mehreren als Elementarzelle zu betrachtenden galvanischen Zellen aufgebaut sein.
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Die Zellspannung zwischen Anode und Kathode variiert je nach Ladezustand. Im Entladezustand beträgt diese ca. 3 Volt, was der Größe der Entladeschlussspannung entspricht. Im geladenen Zustand können Spannungen zwischen Anode und Kathode von ca. bis zu 4,2 Volt erreicht werden. Die Zellspannung ergibt sich aus der Lage der jeweiligen Halbzellenspannungen der einzelnen Elektroden, also der Anode und der Kathode, die wiederum gegen eine Referenzelektrode messbar sind. Somit ergibt sich die Gesamtspannung der Zelle UZelle=UKathode-UAnode. Fällt ein Anodenpotenzial beim Ladevorgang unter 0 Volt im Vergleich zu Li/Li+, kommt es zu irreversiblen Lithiumabscheidung, dem sogenannten Lithium-Plating, und damit verbunden einem Kapazitätsverlust der Speicherzelle. Ebenso kommt es beim Überschreiten des Kathodenpotenzials von 4,3 Volt im Vergleich zu Li/Li+ zu einer verstärkten Degradation des Elektrolyten.
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Darüber hinaus tritt während der Lebensdauer der Speicherzelle allgemein ein Verlust an aktivem Lithium auf, was ebenso zu Kapazitätsverlusten der Speicherzelle führt.
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In der Regel sind die Speicherzellen in dem elektrochemischen Energiespeicher in Serie beziehungsweise in Reihe geschaltet. Dabei kann der Ladezustand der einzelnen Speicherzellen beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Selbstentladung auseinanderlaufen, das heißt unterschiedliche Speicherzellen weisen unterschiedliche Spannungen auf. Dies wirkt sich auf den Betrieb des Energiespeichers aus, da dieser Effekt der unterschiedlichen Selbstentladung das Gesamtsystem einschränkt, da die Speicherzellen mit dem Höchstladezustand das Ende des Ladevorgangs bestimmt und die Speicherzelle mit dem niedrigsten Zustand das Ende des Entladevorgangs. Bei einer Reihenschaltung können nur alle Speicherzellen gleichzeitig geladen oder entladen werden und so ist es nicht möglich, die Ladezustände wieder anzugleichen. Es gibt beispielsweise zusätzliche Schaltungen für jede Speicherzelle, sogenannte Balancer, bei welchen eine jeweilige Speicherzelle entsprechend ihrer Kapazität geladen wird.
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Des Weiteren zeigt die
DE 10 2013 215 316 A1 ein Verfahren zur Zustandserkennung eines elektrochemischen Energiespeichers mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle. Dabei wird ein Anodenpotenzial wenigstens einer Zelle durch eine Spannungsmessung der Anode gegen eine Referenzelektrode bestimmt. Ferner wird das Kathodenpotenzial der wenigstens einen Zelle durch eine Spannungsmessung der Kathode gegen die Referenzelektrode bestimmt. Anschließend wird das Anodenpotenzial und das Kathodenpotenzial an eine Auswerteeinheit übermittelt, welche wenigstens einen Betriebszustand des Energiespeichers ermittelt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein elektrochemischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft zum Betreiben des Kraftfahrzeugs nutzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kapazitätsanpassung eines elektrochemischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Um einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine auf Lithium-Ionen-Speicherzellen basierende Traktionsbatterie, eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Personenkraftwagen, besonders vorteilhaft nutzen zu können dient das erfindungsgemäße Verfahren der Kapazitätsanpassung des elektrochemischen Energiespeichers, welcher wenigstens zwei in Serie geschaltete Speicherzellen, welche jeweils eine Referenzelektrode umfassen aufweist. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Schritte. In einem ersten Schritt wird eine jeweilige Zellspannung der jeweiligen Speicherzelle, welche insbesondere eine Lithium-Ionen-Speicherzelle ist, ermittelt. Bei der Speicherzelle kann es sich dabei selbst um eine einzige galvanische Zelle oder um einen Verbund mehrerer galvanischer Zellen handeln, welche jeweils eine Anode, eine Kathode sowie einen von einem Elektrolyt getränkten Separator aufweisen. Ferner umfasst die Speicherzelle jeweils eine Referenzelektrode, welche insbesondere aus einem Werkstoff gebildet ist, welcher Lithium aufweist. Dabei kann die Zellspannung, insbesondere die Zellspannung in einer jeweiligen Halbzelle vorteilhafterweise mit der Referenzelektrode durch beispielsweise eine Spannungsmessung zwischen Anode und Referenzelektrode beziehungsweise Kathode und Referenzelektrode ermittelt werden. So kann auch durch das Ermitteln und Überwachen der Zellspannung, insbesondere in Form eines Anodenpotenzials gegenüber der Referenzelektrode eine Schädigung der Speicherzelle durch das bereits erwähnte Lithium-Plating verhindert werden, wodurch beispielsweise schon eine besondere Steigerung der Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers erreichbar ist.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine in der jeweiligen Speicherzelle verfügbare Kapazität aufgrund der ermittelten Spannung abgeleitet. Dies ist beispielsweise möglich, da ein Zusammenhang zwischen der in einer Speicherzelle auftretenden Spannung und der in ihr verfügbaren Kapazität, welche insbesondere durch die Menge der frei verfügbaren beziehungsweise frei beweglichen Lithium-Ionen begrenzt ist, besteht. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt das Verschalten der jeweiligen Referenzelektrode der jeweiligen Speicherzelle mit einer Anode oder Kathode der Speicherzelle in Abhängigkeit der jeweiligen verfügbaren Kapazität. Schließlich wird in einem letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die jeweilige Kapazität der jeweiligen Speicherzelle erhöht oder erniedrigt was, durch das Verschalten und/oder Anlegen einer elektrischen Spannung realisiert werden kann.
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Mit anderen Worten ermöglicht es die Referenzelektrode die Kapazität einer Speicherzelle zu verändern. So kann durch das Verschalten der Referenzelektrode der jeweiligen Speicherzelle mit der Anode oder der Kathode, insbesondere über einen äußeren Stromkreis, Lithium von der Referenzelektrode in die Speicherzelle in Form von Lithium-Ionen fließen, sodass durch eine größere Menge an frei verfügbarem aktivem Lithiumvorhandener freier Ladungsträger die Kapazität steigt. Anders herum können durch das Verschalten auch Lithium-Ionen von der Speicherzelle auf die Referenzelektrode fließen was die Kapazität der Speicherzelle erniedrigt. Dabei erfolgt das Verschalten und das Erhöhen beziehungsweise Erniedrigen der Kapazität immer aufgrund der jeweils vorhandenen Kapazität der jeweiligen Speicherzelle im Vergleich zu den übrigen Speicherzellen des Energiespeichers.
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Wird bei einem entladenen Energiespeicher, insbesondere der Traktionsbatterie die Kapazität von wenigstens einer Zelle mit hohem Ladezustand vergrößert und beispielsweise von wenigstens einer Zelle mit geringem Ladezustand verringert, gleichen sich die Ladezustände der Zelle bei einem nächsten Ladevorgang wieder an. Vorteilhafterweise werden die Kapazitäten der wenigstens zwei in Serie geschalteten Speicherzellen derart aneinander angeglichen, dass bei einem nächsten Ladevorgang die beiden Zellen in etwa am Ende eine gleiche Spannung aufweisen können, wodurch der elektrochemische Energiespeicher besonders vorteilhaft betrieben werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erhöhen oder Erniedrigen der jeweiligen Kapazität in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeichers. Das heißt ist die Batterie beispielsweise geladen, und weisen die jeweiligen Zellen eine zueinander variierende Spannung und somit eine unterschiedliche Kapazität auf, wird bei einem hohen Ladezustand die Kapazität einer Speicherzelle mit im Vergleich zu den anderen Speicherzellen hohem Ladezustand erhöht, wohingegen die Kapazität einer Speicherzelle mit im Vergleich zu der wenigstens einen anderen Speicherzelle niedrigen Ladezustand verringert wird. Bei einem niedrigen Ladezustand des Energiespeichers wird die Kapazität einer Speicherzelle mit im Vergleich zu den anderen Zellen niedrigem Ladezustand erhöht, wodurch diese beispielsweise bei einem Laden langsamer die größtmögliche Spannung erreicht. Im Gegensatz dazu wird bei niedrigem Ladezustand des Energiespeichers die Kapazität einer Speicherzelle mit im Vergleich zu der wenigstens einen anderen Speicherzelle hohem Ladezustand verringert. Das heißt die Änderung der Einzelkapazitäten ist abhängig vom Ladezustand der jeweiligen Speicherzelle.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird nach einem Laden des Energiespeichers eine Umkehr der von der vor dem Laden stattgefundenen Kapazitätsänderung durchgeführt und umgekehrt. Mit anderen Worten wird vor dem Entladen des Energiespeichers die Kapazität von Speicherzellen mit hohem Ladezustand vergrößert und von Speicherzellen mit geringem Ladezustand verringert, sodass sich die Ladezustände der Speicherzellen bei dem nächsten Entladevorgang angleichen. Im entladenen Zustand werden die Kapazitäten der Zellen genau entgegengesetzt verändert, um beim Entladevorgang ein weiteres Angleichen zu erreichen. Das heißt das Verfahren kann besonders vorteilhaft, insbesondere dynamisch, durchgeführt werden, sodass sich die Ladezustände der jeweiligen Speicherzellen zueinander besonders vorteilhaft anpassen lassen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist als Werkstoff für jeweilige Referenzelektrode Lithium-Eisenphosphat und/oder Lithiumtitanat vorgesehen beziehungsweise wird wenigstens eines der beiden als Elektrodenmaterial der Referenzelektrode verwendet. Durch die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat und/oder Lithiumtitanat können durch die beziehungsweise von der Referenzelektrode besonders vorteilhaft Lithium-Ionen aufgenommen oder abgegeben werden. Sowohl Lithium-Eisenphosphat als auch Lithiumtitanat als Elektrodenmaterialien zeigen ferner bei Änderungen des Ladungszustands eine sehr geringe Potenzialänderung, wodurch sich beispielsweise im ersten Schritt des Verfahrens die Spannungen besonders vorteilhaft ermitteln lassen und sie sind zudem noch chemisch stabil gegenüber einem Elektrolyten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Explosionsansicht einer Speicherzelle eines elektrochemischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Ansicht des elektrochemischen Energiespeichers umfassend zwei Speicherzellen der 1.
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1 zeigt eine Explosionsansicht einer Speicherzelle 10 eines elektrochemischen Energiespeichers 12 eines Kraftfahrzeugs, welches insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet ist. Dabei umfasst die Speicherzelle 10 wenigstens eine galvanische Lithiumionenzelle, welche jeweils Anode 14, insbesondere eine Graphitanode, sowie eine, insbesondere Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid aufweisende, Kathode 16 aufweist. Wobei die jeweilige Anode 14 und die jeweilige Kathode 16 durch einen jeweiligen Separator 18 voneinander getrennt sind, welcher für die Lithium-Ionen durchlässig von einem Elektrolyten durchtränkt ist. Ferner weist die Speicherzelle 10 eine Referenzelektrode 20 auf, welche beispielsweise relativ zentral zwischen den einzelnen galvanischen Zellen der Speicherzelle 10 angeordnet sein kann. Dabei ist die Speicherzelle 10 von einer Zellhülle 22 eingefasst, welche beispielsweise als sogenannte „Pouch Bag“ ausgebildet ist.
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2 zeigt einen elektrochemischen Energiespeicher 12 mit wenigstens zwei in Serie geschaltete Speicherzellen 10, wobei die Speicherzellen 10 jeweils der in 1 gezeigten Speicherzelle 10 entsprechen. Die Verschaltung in Serie beziehungsweise Reihe kann beispielsweise über eine Verschalteinheit 24 erfolgen, welche beispielsweise auch eine Überwachungseinrichtung aufweist, mittels welcher die Durchführung des Verfahrens überwachbar beziehungsweise sogar durchführbar ist.
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Dabei dient das Verfahren zur Kapazitätsanpassung innerhalb eines elektrochemischen Energiespeichers 12 eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens zwei in Serie geschalteten Speicherzellen 10, welche jeweils die Referenzelektrode 20 umfassen. Dabei erfolgt die Kapazitätsanpassung der Speicherzellen 10 zueinander, sodass sich die Kapazitäten der einzelnen Speicherzellen einander angleichen. Das Verfahren umfasst dabei mehrere Schritte. In einem ersten Schritt wird eine jeweilige Zellspannung der jeweiligen Speicherzelle 10 ermittelt. In einem zweiten Schritt erfolgt das Ableiten einer in der jeweiligen Speicherzelle 10 verfügbaren Kapazität aufgrund der ermittelten Spannung. In einem dritten Schritt erfolgt ein Verschalten, beispielsweise durch die Verschalteinheit 24, der jeweiligen Referenzelektrode 20 mit der Anode 14 oder der Kathode 16 in Abhängigkeit der jeweiligen verfügbaren Kapazität. Die Anode 14 und die Kathode 16 kann dabei insbesondere jeweils die ganzen jeweiligen Anoden 14 beziehungsweise Kathode 16 der Elementarspeicherzellen beziehungsweise galvanischen Zellen der Speicherzelle 10 umfassen beziehungsweise bündeln, vgl. hierzu die 1. In einem letzten Schritt wird schließlich die jeweilige Kapazität der jeweiligen Speicherzelle 10 durch das Verschalten und/oder Anlegen einer elektrischen Spannung, insbesondere zu einem äußeren Stromkreis der jeweiligen Speicherzellen 10, je nach Bedarf erhöht oder erniedrigt.
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Die jeweilige Referenzelektrode ist vorteilhafterweise aus Lithium-Eisenphosphat und/ oder Lithiumtitanat ausgebildet beziehungsweise wird ein Werkstoff verwendet welcher sowohl Lithium-Eisenphosphat als auch Lithiumtitanat enthalten kann. Durch die genannten Wirkstoffe können Lithium-Ionen besonders vorteilhaft von der Referenzelektrode zur Erhöhung der Kapazität beziehungsweise Zellkapazität der jeweiligen Speicherzelle 10 verwendet werden. Andersrum ist gleichzeitig eine besonders gute Aufnahme von Lithium-Ionen auf der Referenzelektrode 20 für ein Erniedrigen der Kapazität der Speicherzelle 10 realisierbar. Vorteilhafterweise erfolgt das Erhöhen oder Erniedrigen der jeweiligen Kapazität in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeichers 12. Das heißt abhängig davon ob die Batterie beziehungsweise der Energiespeicher 12 beispielsweise geladen oder entladen ist, wird die jeweilige Kapazität der jeweiligen Speicherzelle 10 angepasst. Ferner wird vorteilhafterweise nach einem Laden des Energiespeichers 12 eine Umkehr der vor dem Laden stattfindenden Kapazitätsänderung durchgeführt.
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Durch das Verfahren und den Zellaufbau der jeweiligen Speicherzelle 10 mit der Referenzelektrode 20 kann beispielsweise eine Steigerung der Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers 12 erreicht werden. Ferner können insbesondere wie im Schritt 1 des Verfahrens beim Ermitteln der Zellspannung besonders gut Halbzellenpotenziale überwacht werden. Die jeweilige Speicherzelle kann alternativ zu einem „Pouch Bag“ auch als „Hardcase“ aufgebaut sein. Natürlich lässt sich das gezeigte Verfahren auch auf elektrochemische Energiespeicher anwenden, welche nicht als Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug beziehungsweise Elektrofahrzeug verwendet werden.
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Zusammenfassend ermöglicht das Verfahren, insbesondere mittels der jeweiligen Referenzelektrode 20, die Kapazität der jeweiligen Speicherzelle 10 zu verändern. So wird vor dem Entladen der Energiespeicher beispielsweise die Kapazität einer Speicherzelle 10 mit hohem Ladezustand vergrößert und von einer Speicherzelle 10 mit geringem Ladezustand verringert, sodass sich die Ladezustände der jeweiligen Speicherzellen 10 nach dem Entladevorgang angleichen können. Im entladenen Zustand werden die Kapazitäten der Speicherzellen 10 genau entgegengesetzt verändert, um nach dem Ladevorgang ein Angleichen zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Speicherzelle
- 12
- Energiespeicher
- 14
- Anode
- 16
- Kathode
- 18
- Separator
- 20
- Referenzelektrode
- 22
- Zellhülle
- 24
- Verschalteinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013215316 A1 [0006]
