DE102018007151A1 - Method for capacity adaptation of an electrochemical energy store of a motor vehicle - Google Patents

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Jochen Bandlow
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kapazitätsanpassung eines elektrochemischen Energiespeichers (12) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens zwei in Serie geschalteten Speicherzellen (10), welche jeweils eine Referenzelektrode (20) umfassen,
mit den Schritten:
- Ermitteln einer jeweiligen Zellspannung der jeweiligen Speicherzelle (10);
- Ableiten einer in der jeweiligen Speicherzelle (10) verfügbaren Kapazität aufgrund der ermittelten Spannung;
- Verschalten der jeweiligen Referenzelektrode (20) mit einer Anode (14) oder Kathode (16) der Speicherzelle (10) in Abhängigkeit der jeweiligen verfügbaren Kapazität; und
- Erhöhen oder Erniedrigen der jeweiligen Kapazität der jeweiligen Speicherzelle (10) durch das Verschalten.

Figure DE102018007151A1_0000
The invention relates to a method for adapting the capacitance of an electrochemical energy store (12) of a motor vehicle, having at least two storage cells (10) connected in series, each comprising a reference electrode (20),
with the steps:
- Determining a respective cell voltage of the respective memory cell (10);
Deriving a capacitance available in the respective memory cell (10) on the basis of the determined voltage;
- Interconnecting the respective reference electrode (20) with an anode (14) or cathode (16) of the memory cell (10) in dependence of the respective available capacity; and
- Increasing or decreasing the respective capacity of the respective memory cell (10) by the interconnection.
Figure DE102018007151A1_0000

Description

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.The invention relates to a method for adapting the capacitance of an electrochemical energy store, in particular a lithium-ion battery, a motor vehicle, with at least two series-connected memory cells, each comprising a reference electrode.

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.Motor vehicles, in particular passenger cars, can be driven electrically by means of an electric machine. For the power supply of the electric machine is often a so-called traction battery is used, which is usually designed as an electrochemical energy storage. This energy store is often constructed from a plurality of memory modules, which in turn may itself be constructed from individual memory cells. In this case, the most common memory cell used is a so-called lithium-ion memory cell in which electrical energy in the form of lithium ions is chemically storable. Such a lithium-ion storage cell usually consists of a graphite anode, a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide cathode and an electrolyte-impregnated separator. These components are welded depending on the design under vacuum, for example in a so-called "pouch bag" or a steel housing. The separator separates one electrode of the memory cell from another electrode of the memory cell. The smallest unit of a lithium-ion storage cell is a galvanic cell. In this case, the lithium-ion storage cell itself may comprise only one galvanic cell or may already be composed of a plurality of galvanic cells to be considered as unit cells.

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.The cell voltage between anode and cathode varies depending on the state of charge. In the discharge state, this is about 3 volts, which corresponds to the size of the discharge end voltage. In the charged state, voltages between anode and cathode of approximately up to 4.2 volts can be achieved. The cell voltage results from the position of the respective half-cell voltages of the individual electrodes, ie the anode and the cathode, which in turn are measurable against a reference electrode. Thus, the total voltage of the cell U cell = U cathode -U anode . If an anode potential falls below 0 volts during charging compared to Li / Li + , irreversible lithium deposition, the so-called lithium plating, occurs and, associated with this, a capacity loss of the memory cell. Similarly, when exceeding the cathode potential of 4.3 volts compared to Li / Li + to an increased degradation of the electrolyte.

Darüber hinaus tritt während der Lebensdauer der Speicherzelle allgemein ein Verlust an aktivem Lithium auf, was ebenso zu Kapazitätsverlusten der Speicherzelle führt.In addition, during the life of the memory cell, a loss of active lithium generally occurs, which also leads to capacitance losses of the memory cell.

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.As a rule, the memory cells in the electrochemical energy store are connected in series or in series. In this case, the state of charge of the individual memory cells can diverge for example due to different self-discharge, that is, different memory cells have different voltages. This affects the operation of the energy storage, since this effect of different self-discharge restricts the overall system, since the memory cells with the maximum state of charge determines the end of the charging process and the memory cell with the lowest state the end of the discharging process. In a series connection, only all memory cells can be charged or discharged at the same time and it is therefore not possible to adjust the charge states again. For example, there are additional circuits for each memory cell, so-called balancers, in which a respective memory cell is charged according to its capacity.

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.Furthermore, the shows DE 10 2013 215 316 A1 a method for detecting the state of an electrochemical energy storage device with at least one electrochemical cell. In this case, an anode potential of at least one cell is determined by a voltage measurement of the anode against a reference electrode. Furthermore, the cathode potential of the at least one cell is determined by a voltage measurement of the cathode against the reference electrode. Subsequently, the anode potential and the cathode potential are transmitted to an evaluation unit, which determines at least one operating state of the energy store.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein elektrochemischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft zum Betreiben des Kraftfahrzeugs nutzbar ist.The object of the present invention is to provide a method by means of which an electrochemical energy store of a motor vehicle can be used particularly advantageously for operating the motor vehicle.

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.This object is achieved by a method for capacity adjustment of an electrochemical energy storage device of a motor vehicle with the feature of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

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.In order to be able to use an electrochemical energy store, in particular a traction battery based on lithium-ion storage cells, of a motor vehicle, in particular a passenger car, particularly advantageously, the method according to the invention serves for the capacity adaptation of the electrochemical energy store, which at least two series-connected memory cells, each comprising a reference electrode. The inventive method comprises several steps. In a first step, a respective cell voltage of the respective memory cell, which is in particular a lithium-ion memory cell, determined. The memory cell may itself be a single galvanic cell or a composite of a plurality of galvanic cells, each having an anode, a cathode and a separator impregnated with an electrolyte. Furthermore, the memory cell in each case comprises a reference electrode which is formed, in particular, from a material which comprises lithium. In this case, the cell voltage, in particular the cell voltage in a respective half-cell advantageously with the reference electrode by, for example, a voltage measurement between the anode and reference electrode or cathode and reference electrode can be determined. Thus, by determining and monitoring the cell voltage, in particular in the form of an anode potential relative to the reference electrode damage to the memory cell can be prevented by the aforementioned lithium plating, which, for example, a particular increase in the life of the electrochemical energy storage can be achieved.

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.In a second step of the method, a capacitance available in the respective memory cell is derived on the basis of the determined voltage. This is possible, for example, since there is a relationship between the voltage occurring in a memory cell and the available capacity in it, which is limited in particular by the amount of freely available or freely movable lithium ions. In a further step of the method, the interconnection of the respective reference electrode of the respective memory cell with an anode or cathode of the memory cell takes place as a function of the respective available capacitance. Finally, in a last step of the method according to the invention, the respective capacity of the respective memory cell is increased or decreased, which can be realized by the connection and / or application of an electrical voltage.

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.In other words, the reference electrode makes it possible to change the capacity of a memory cell. Thus, by interconnecting the reference electrode of the respective memory cell with the anode or the cathode, in particular via an external circuit, lithium from the reference electrode into the memory cell in the form of lithium ions flow, so by a larger amount of freely available active lithium existing free charge carriers the capacity increases. On the other hand, through the interconnection, lithium ions can also flow from the memory cell to the reference electrode, which lowers the capacitance of the memory cell. In this case, the interconnection and the increasing or decreasing of the capacitance always takes place on the basis of the particular available capacity of the respective memory cell in comparison to the other memory cells of the energy store.

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.If, in the case of a discharged energy store, in particular of the traction battery, the capacity of at least one cell with a high charge state is increased and, for example, reduced by at least one cell with a low charge state, the charge states of the cell become the same again during a next charging process. Advantageously, the capacitances of the at least two series-connected memory cells are matched to one another in such a way that, in the case of a next charging process, the two cells can have a similar voltage approximately at the end, as a result of which the electrochemical energy store can be operated particularly advantageously.

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.In an advantageous embodiment of the invention, the increasing or decreasing of the respective capacity takes place as a function of a state of charge of the energy store. That is, when the battery is charged, for example, and the respective cells have a mutually varying voltage and thus a different capacitance, the capacity of a memory cell is increased with a high state of charge compared with the other memory cells high state of charge, whereas the capacity of a memory cell with is reduced compared to the at least one other memory cell low state of charge. At a low state of charge of the energy storage, the capacity of a memory cell is increased with respect to the other cells low state of charge, whereby this slower, for example, when charging reaches the highest possible voltage. In contrast, when the state of charge of the energy store is low, the capacity of one memory cell is reduced with a high state of charge compared with the at least one other memory cell. This means that the change in the individual capacities depends on the state of charge of the respective memory cell.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, after a charge of the energy storage, a reversal of the capacitance change that took place before the charging is performed and vice versa. In other words, before discharging the energy storage, the capacity of high-state storage cells is increased and decreased by low-state storage cells, so that the charge states of the storage cells are equalized in the next discharge process. In the discharged state, the capacities of the cells are changed exactly opposite, in order to achieve a further alignment during the unloading process. That means the process can be special be carried out advantageously, in particular dynamically, so that the charge states of the respective memory cells can be adapted to each other particularly advantageous.

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.In a further advantageous embodiment of the invention is provided as a material for respective reference electrode lithium iron phosphate and / or lithium titanate or at least one of the two is used as the electrode material of the reference electrode. By using lithium iron phosphate and / or lithium titanate, lithium ions can be absorbed or emitted particularly advantageously by or from the reference electrode. Both lithium iron phosphate and lithium titanate as electrode materials also show a very small potential change with changes in the state of charge, whereby, for example, in the first step of the method, the voltages can be determined particularly advantageous and they are also chemically stable to an electrolyte.

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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigt:

  • 1 eine Explosionsansicht einer Speicherzelle eines elektrochemischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs;
  • 2 eine schematische Ansicht des elektrochemischen Energiespeichers umfassend zwei Speicherzellen der 1.
Showing:
  • 1 an exploded view of a memory cell of an electrochemical energy storage of a motor vehicle;
  • 2 a schematic view of the electrochemical energy storage device comprising two memory cells of 1 ,

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. 1 shows an exploded view of a memory cell 10 an electrochemical energy storage 12 a motor vehicle, which is designed in particular as a passenger car. In this case, the memory cell comprises 10 at least one galvanic lithium-ion cell, each anode 14 , in particular a graphite anode, and a, in particular lithium-nickel-manganese-cobalt oxide having, cathode 16 having. Where the respective anode 14 and the respective cathode 16 through a respective separator 18 are separated from each other, which is permeated permeable to the lithium ions of an electrolyte. Furthermore, the memory cell 10 a reference electrode 20 on which, for example, relatively centrally between the individual galvanic cells of the memory cell 10 can be arranged. Here is the memory cell 10 from a cell envelope 22 enclosed, which is designed for example as a so-called "pouch bag".

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. 2 shows an electrochemical energy storage 12 with at least two memory cells connected in series 10 , wherein the memory cells 10 each one in 1 shown memory cell 10 correspond. The interconnection in series or series can, for example via a switching unit 24 take place, which for example also has a monitoring device by means of which the implementation of the method can be monitored or even carried out.

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.The method is used for capacity adaptation within an electrochemical energy store 12 a motor vehicle with at least two series-connected memory cells 10 , which in each case the reference electrode 20 include. In this case, the capacity adjustment of the memory cells takes place 10 to each other, so that the capacities of the individual memory cells are equal to each other. The method comprises several steps. In a first step, a respective cell voltage of the respective memory cell 10 determined. In a second step, the derivation of one takes place in the respective memory cell 10 available capacity due to the detected voltage. In a third step, a connection takes place, for example by the switching unit 24 , the respective reference electrode 20 with the anode 14 or the cathode 16 depending on the available capacity. The anode 14 and the cathode 16 can in particular in each case the whole respective anodes 14 or cathode 16 the elementary memory cells or galvanic cells of the memory cell 10 include or bundle, cf. this the 1 , Finally, in a final step, the respective capacity of the respective memory cell 10 by the connection and / or application of an electrical voltage, in particular to an external circuit of the respective memory cells 10 , increased or decreased as needed.

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.The respective reference electrode is advantageously formed of lithium iron phosphate and / or lithium titanate or a material is used which may contain both lithium iron phosphate and lithium titanate. Lithium-ions can be particularly advantageous from the reference electrode for increasing the capacity or cell capacity of the respective memory cell 10 be used. The other way around is a particularly good absorption of lithium ions on the reference electrode 20 for lowering the capacity of the memory cell 10 realizable. Advantageously, the increase or decrease of the respective Capacity depending on a state of charge of the energy storage 12 , That is, depending on whether the battery or the energy storage 12 for example, is charged or discharged, the respective capacity of the respective memory cell 10 customized. Furthermore, it is advantageous after charging the energy store 12 a reversal of the capacity change taking place before loading.

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.By the method and the cell structure of the respective memory cell 10 with the reference electrode 20 For example, an increase in the life of the electrochemical energy storage 12 be achieved. Furthermore, in particular as in step 1 the method in determining the cell voltage particularly well half-cell potentials are monitored. The respective memory cell may alternatively be constructed as a "pouch bag" as a "hard case". Of course, the method shown can also be applied to electrochemical energy storage, which are not used as a traction battery in a motor vehicle or electric vehicle.

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.In summary, the method allows, in particular by means of the respective reference electrode 20 , the capacity of each memory cell 10 to change. Thus, for example, the capacity of a memory cell before discharging the energy storage 10 enlarged with a high state of charge and from a memory cell 10 reduced with low state of charge, so that the charge states of the respective memory cells 10 can equalize after unloading. In the discharged state, the capacities of the memory cells 10 changed exactly opposite, in order to achieve an equalization after the charging process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Speicherzellememory cell
1212
Energiespeicherenergy storage
1414
Anodeanode
1616
Kathodecathode
1818
Separatorseparator
2020
Referenzelektrodereference electrode
2222
Zellhüllecell envelope
2424
VerschalteinheitVerschalteinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013215316 A1 [0006]DE 102013215316 A1 [0006]

Claims (4)

Verfahren zur Kapazitätsanpassung eines elektrochemischen Energiespeichers (12) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens zwei in Serie geschalteten Speicherzellen (10), welche jeweils eine Referenzelektrode (20) umfassen, mit den Schritten: - Ermitteln einer jeweiligen Zellspannung der jeweiligen Speicherzelle (10); - Ableiten einer in der jeweiligen Speicherzelle (10) verfügbaren Kapazität aufgrund der ermittelten Spannung; - Verschalten der jeweiligen Referenzelektrode (20) mit einer Anode (14) oder Kathode (16) der Speicherzelle (10) in Abhängigkeit der jeweiligen verfügbaren Kapazität; und - Erhöhen oder Erniedrigen der jeweiligen Kapazität der jeweiligen Speicherzelle (10) durch das Verschalten.Method for capacity adaptation of an electrochemical energy store (12) of a motor vehicle, having at least two storage cells (10) connected in series, each comprising a reference electrode (20), comprising the steps of: - Determining a respective cell voltage of the respective memory cell (10); Deriving a capacitance available in the respective memory cell (10) on the basis of the determined voltage; - Interconnecting the respective reference electrode (20) with an anode (14) or cathode (16) of the memory cell (10) in dependence of the respective available capacity; and - Increasing or decreasing the respective capacity of the respective memory cell (10) by the interconnection. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen oder Erniedrigen der jeweiligen Kapazität in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeichers (12) erfolgt.Method according to Claim 1 , characterized in that the increasing or decreasing of the respective capacity in dependence of a state of charge of the energy store (12) takes place. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Laden des Energiespeichers (12) eine Umkehr der vor dem Laden stattgefunden Kapazitätsänderung durchgeführt wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that after loading of the energy store (12), a reversal of the capacitance change occurring before charging is performed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die jeweilige Referenzelektrode (20) Lithium-Eisenphosphat und/oder Lithiumtitanat verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as the material for the respective reference electrode (20) lithium iron phosphate and / or lithium titanate is used.
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DE102013215316A1 (en) 2013-08-05 2015-02-05 Robert Bosch Gmbh Method for detecting the state of an energy storage

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