WO2015139922A1 - Verfahren zum betreiben von eigensicheren batteriezellen - Google Patents

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WO2015139922A1
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intrinsically safe
safe battery
plating
charging
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Sarmimala Hore
Hans Partes
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for operating intrinsically safe
  • Battery cells find numerous uses in energy storage systems for both stationary and mobile applications, such as in emergency power systems or in the automotive industry for electric and hybrid vehicles. For these applications, a plurality of battery cells in series and or parallel to battery modules and batteries are usually electrically interconnected.
  • an intrinsically safe battery has a switching device by means of which the intrinsically safe battery cell can be deactivated within the battery, while the rest
  • Battery cells of the battery can be operated
  • Intrinsically safe battery cells such as lithium-ion intrinsic safety cells
  • electronic components such as a rapid-discharge device, to protect the battery cell in situations such as internal or external shorting, over-charging, over-discharging, or external overheating.
  • the lithium cell includes a
  • a battery management system having a state-of-charge monitor to obtain information regarding a potential difference of the operating electrodes and the potential at one or more operating electrodes (s) from a reference electrode.
  • a battery control module which monitors discharge voltages associated with a traction battery of a vehicle.
  • the battery control module operates the
  • Temperature of the traction battery is below a threshold, for example 10 ° C, the battery control module will cyclically operate the traction battery to generate heat in the traction battery, for example, during an early portion of vehicle operation in cold temperature conditions.
  • the loading of a battery cell, in particular a lithium-ion cell, at low temperatures therefore carries the risk of platinum and the failure of the battery cell.
  • a battery cell in particular a lithium-ion cell
  • the invention relates to a method for operating intrinsically safe battery cells after charging an intrinsically safe battery cell at low temperature.
  • the invention further relates to an intrinsically safe battery cell, which is set up for carrying out the method.
  • Battery cells provided after a charge of an intrinsically safe battery cell at low temperature, which is characterized by the steps of determining the discharge curve of the battery cell, the analysis of the discharge curve of the battery cell regarding the presence of plating criteria and the change, if at least one plating criterion, to operate in one
  • the advantage of the invention is that an intrinsically safe battery cell, hereinafter also referred to as a battery cell, which is operated by the method according to the invention, is now operable in a plurality of operating modes. Within the various operating modes, the battery cell undergoes variously intensive tests and is thus maintained efficiently.
  • the discharge curve is determined in the subsequent discharge process. According to the invention, the cost of this process does not have to be done every load and unload cycle, but in an efficient manner only for the case of danger.
  • the cell is henceforth operated in a monitoring mode in which the capacity of the battery cell is monitored.
  • the advantage of the invention is that the monitoring is carried out efficiently only in the case in which a concrete An lass is given.
  • the monitoring of the capacity of the battery cell has the advantage that changes in the capacity can be determined, which allow conclusions about the performance and reliability of the cell and possibly other measures.
  • the method according to the invention thus advantageously contributes to an efficient increase in operational safety in the sense of an intrinsically safe battery cell.
  • the method according to the invention has a further step, in which a change, if a rapid capacity loss of the intrinsically safe battery cell is detected, takes place for operation in a safety mode in which the intrinsically safe battery cell is deactivated.
  • the intrinsically safe battery cell is separated, for example, via an internal switching device by a circuit arrangement connected to the intrinsically safe battery cell. If the intrinsically safe battery cell is operated in a series connection, a bypass is formed by the switching device.
  • Battery cell by 0.1% to 1% within the first 50 to 100 cycles. This corresponds to an average gradient between 0.01% o and 0.2% o per _.
  • Likelihood is damaged, for example, separated from a serial interconnection in a battery and a bypass is formed so that it is excluded from future charging and discharging. Due to the separation and the formation of a bypass on the one hand, the risk of burning through the damaged battery cell is banned and on the other hand prevents them from giving off heat due to overcharging or overload, which could damage other, possibly still intact battery cells.
  • the method according to the invention is carried out in such a way that a plating criterion is present when the abovementioned discharge curve has a higher discharge voltage than is known at room temperature
  • Reference curve As a known reference curve can be used, for example, a typical for the design of the battery cell discharge curve or even a determined at the battery cell by measuring the reference curve.
  • the method according to the invention is carried out such that a plating criterion is present if the abovementioned
  • Discharge curve is characterized by a plateau. Likewise, a
  • Discharge curve which has two inflection points, indicate the presence of plating.
  • inventive method is therefore further carried out such that a plating criterion is present if the aforementioned
  • Discharge curve at least two turning points between two
  • a presence of plating may manifest itself in that the discharge curve has a plateau whose limits are close to the maximum of the charging voltage or the minimum of the discharge voltage. This is advantageous
  • the method according to the invention is therefore further designed such that a platinum Criterion is present when the aforementioned discharge curve has a plateau between two voltage intervals, wherein the limiting voltages are close to the maximum of the charging or the minimum of the discharge voltage.
  • the presence of plating may manifest itself in that the discharge curve has two inflection points which are close to the maximum of the charging voltage or the minimum of the discharge voltage. This is advantageous
  • the method according to the invention is furthermore designed in such a way that a plating criterion is present if the abovementioned discharge curve is at least two
  • Monitoring mode of the existence of a combination of several of the aforementioned criteria It is also possible to make the change to the monitoring mode dependent on the strength of the expression of one of the abovementioned plating criteria.
  • the capacity of the battery cell is monitored in the subsequent charge and discharge cycles. For this purpose, a determination and recording of the electrical characteristics, the determination and recording of the capacitance and / or the determination of the state of charge (SOC) takes place at predetermined intervals.
  • SOC state of charge
  • These monitoring tasks can be performed by a control and monitoring device, which in the form of a Battery Management System (BMS) is usually multicellular with several centralized and decentralized components.
  • BMS Battery Management System
  • Monitoring tasks for example, centrally in a control unit of the BMS or decentralized in one or more times executed, for example, each battery cell or each battery module
  • CSC Cell Supervision Circuit
  • Backup mode a signal delivered.
  • a signal is suitable for signaling that one of mostly several battery cells of a battery is no longer available as an energy store.
  • this can signal, for example, that the reserve of an emergency power supply is shortened or the range and / or performance of a drive battery is reduced.
  • the invention further relates to an intrinsically safe battery cell having a memory element, a switching device and a control device, which is designed for carrying out a method according to one of the preceding claims.
  • the switching device is advantageous in the form of a
  • Half bridge executed in the normal and in monitoring mode the memory element of the intrinsically safe battery cell to the terminals.
  • the memory element is disconnected from at least one of the connection contacts and the connection contacts are directly connected to one another according to a bypass.
  • Fig. 6 shows an example of a discharge curve with several inflection points whose associated voltages close to the maximum
  • Fig. 7 shows an embodiment of an intrinsically safe battery cell
  • Fig. 1 shows an embodiment of the method in the form of a
  • a charge of an intrinsically safe battery cell 1 takes place in a step 102, which is described in detail below with reference to FIG.
  • a step 103 it is checked whether the intrinsically safe battery cell 1 has been charged at a low temperature. If the intrinsically safe battery cell 1 has been charged, for example, at room temperature, a usual discharge operation, not shown here, takes place, and the method continues at step 101, so that the intrinsically safe battery cell 1 continues to operate in the normal operating mode and in a subsequent cycle in step 102 again is loaded. However, should the intrinsically safe battery cell 1 operate at low temperature, i.
  • the discharge curve is determined at step 104 in the subsequent discharge and analyzed at step 105 for the presence of plating criteria. If no plating criteria were detected, since, for example, no damage to the intrinsically safe battery cell 1 has taken place, the intrinsically safe battery cell 1 continues to be operated in the normal operating mode, i. the process continues at step 101.
  • Monitor mode shown here as step 106.
  • intrinsically safe battery cell 1 is charged in a step 107, is in one step 108 determines the capacity of the intrinsically safe battery cell 1.
  • step 109 the intrinsically safe battery cell 1 continues to be operated in monitoring mode and the method jumps to step 106.
  • this comparison should be a rapid
  • Fig. 2 shows an example of a discharge curve in which the discharge voltage UE is plotted against the charging status (SOC). According to the time schedule, the charging status is plotted from 100% to 0%.
  • Fig. 3 shows an example of a discharge curve, in which also the
  • Unloading voltage UE on the charging status (SOC) is applied. in the
  • Unloading voltage UE on the charging status (SOC) is applied. in the
  • FIG. 5 shows, like FIG. 3, an example of an unloading curve in which the
  • FIG. 6 shows, like FIG. 4, an example of an unloading curve with several
  • FIG. 7 shows an embodiment of an intrinsically safe battery cell 1, which has a memory element 2, a switching device 3 and a control device 4.
  • the switching device 3 is designed as a half-bridge circuit with two electronic switches and freewheeling diodes. It is controlled by the control device 4, which simultaneously monitors the electrical parameters of the memory element 2 as a monitoring circuit CSC. In the normal operating mode and in the monitoring mode, the lower of the two switches of the switching device 3 is opened and the upper of the two switches is closed, so that the memory element 2 with the
  • connection contacts the intrinsically safe battery cell 1 is connected.
  • the upper of the two switches is open, so that the memory element 2 is disconnected from the terminal contacts.
  • the intrinsically safe battery cell 1 is operated in a series connection, as is customary within a battery, the lower of the two switches is simultaneously closed, so that a bypass is formed and a series connection is not interrupted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von eigensicheren Batteriezellen nach einer Ladung einer eigensicheren Batteriezelle bei niedriger Temperatur. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass daraufhin die die Ermittlung der Entladekurve der Batteriezelle erfolgt, die Entladekurve der Batteriezelle hinsichtlich des Vorliegens von Plating-Kriterien analysiert wird und ein Wechsel zu einem Betrieb in einen Überwachungsmodus erfolgt, falls wenigstens ein Plating-Kriterium vorliegt, wobei in dem Überwachungsmodus die die Kapazität der eigensicheren Batteriezelle überwacht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine eigensichere Batteriezelle, die zur Durchführung des Verfahrens ausgeführt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben von eiqensicheren Batteriezellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von eigensicheren
Batteriezellen nach einer Ladung einer eigensicheren Batteriezelle bei niedriger Temperatur.
Stand der Technik
Batteriezellen finden zahlreichen Einsatz in Energiespeichersystemen für sowohl stationäre als auch mobile Anwendungen, wie zum Beispiel in Notstromsystemen oder in der Automobilindustrie für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Für diese Anwendungen werden in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen in Reihe und oder auch parallel zu Batteriemodulen und Batterien elektrisch miteinander verschaltet.
Aufgrund von Herstellungstoleranzen und oder alterungsbedingten
Kapazitätsverlusten ist die Kapazität der zu Batterien verschalteten Batteriezellen nicht exakt gleich. Üblicherweise erfolgen Ladung und Entladung der
Batteriezellen jedoch gemeinsam im Verbund, wodurch beispielsweise die Gefahr einer Überladung oder Tiefentladung einzelner Batteriezellen entsteht. Damit verbunden geht die Gefahr einer Überhitzung einzelner Batteriezellen einher, die in der Regel in mehreren Stufen zu einer thermischen Zerstörung der entsprechenden Batteriezelle führt.
Aus diesem Grunde besteht die Intention, eigensichere Batteriezellen
bereitzustellen, welche Sicherheitskomponenten zu deren Schutz aufweisen. Dazu gehören üblicherweise und unter anderem Funktionen und Einrichtungen wie Sicherungsschaltungen CID (Current Interrupt Device), Ventile zur
Druckentlastung, oder Wärmeschutzsicherungen gegen Überhitzung auf Grund von Überladung oder zu hohem Stromfluss. In einem einfachen Fall weist eine eigensichere Batterie eine Schalteinrichtung auf, mit Hilfe derer die eigensichere Batteriezelle innerhalb der Batterie deaktiviert werden kann, während die übrigen
Batteriezellen der Batterie weiter betrieben werden können
Eigensichere Batteriezellen wie etwa eigensichere Lithium-Ionen-Zellen weisen nach dem Stand der Technik elektronische Komponenten wie beispielsweise eine Schnell-Entladungsvorrichtung auf, um die Batteriezelle in Situationen wie internem oder externem Kurzschluss, Überladung, Tiefentladung oder externer Überhitzung zu schützen.
Zu den Mechanismen, welche zu einem internen Kurzschluss einer Batteriezelle führen, gehört das Plating. Bei diesem werden während des Ladevorgangs positiv geladenen Ionen nicht in die Struktur der Elektrode eingefügt, sondern als Schicht auf dieser abgelagert. Die Schichten der Ablagerungen können zu einem Kurzschluss zwischen den Elektroden führen. Dieser Effekt kann insbesondere beim Laden mit sehr hohen Strömen oder bei niedrigen Temperaturen auftreten. Als niedrige Temperaturen gelten dabei Temperaturen von ca. 0° Celsius und darunter.
In diesem Zusammenhang ist aus der WO 2009/036444 A2 eine
wiederaufladbare Lithiumzelle mit Referenzelektrode zur
Integritätszustandsüberwachung bekannt. Die Lithiumzelle umfasst ein
Batteriemanagementsystem mit einem state-of-charge Monitor, um Informationen bzgl. einer Potentialdifferenz der Betriebselektroden und des Potentials an einer oder mehrerer Betriebselektrode(n) gegenüber einer Referenzelektrode zu erhalten.
Weiterhin ist aus der US 7 982 437 B2 ein Batteriesteuerungsmodul bekannt, welches Entladespannungen, die mit einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs assoziiert sind, überwacht. Das Batteriesteuerungsmodul betreibt die
Traktionsbatterie zyklisch mit einem ladespannungsabhängigen Lade- /Entladeprofil, um Wärme in der Traktionsbatterie zu erzeugen. Wenn die „
Temperatur der Traktionsbatterie unter einem Grenzwert, beispielsweise 10°C liegt, wird das Batteriesteuerungsmodul die Traktionsbatterie zyklisch betreiben, um in der Traktionsbatterie beispielsweise während eines frühen Bereichs des Fahrzeugbetriebs bei kalten Temperaturbedingungen Wärme zu erzeugen.
Das Laden einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, bei niedrigen Temperaturen birgt daher die Gefahr des Platings sowie des Ausfalls der Batteriezelle. Für die Angabe einer eigensicheren Batteriezelle ist es vorteilhaft, das Entstehen von Plating zu erkennen um die Batteriezelle sowie ggf. die Batterie vor weiterem Schaden zu bewahren.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben von eigensicheren Batteriezellen nach einer Ladung einer eigensicheren Batteriezelle bei niedriger Temperatur. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine eigensichere Batteriezelle, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben von eigensicheren
Batteriezellen nach einer Ladung einer eigensicheren Batteriezelle bei niedriger Temperatur vorgesehen, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte der Ermittlung der Entladekurve der Batteriezelle, der Analyse der Entladekurve der Batteriezelle hinsichtlich des Vorliegens von Plating-Kriterien und des Wechsels, falls wenigstens ein Plating-Kriterium vorliegt, zu einem Betrieb in einen
Überwachungsmodus, in dem die Kapazität der Batteriezelle überwacht wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine eigensichere Batteriezelle, im Weiteren auch als Batteriezelle bezeichnet, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, nun in mehreren Betriebsmodi betreibbar ist. Innerhalb der verschiedenen Betriebsmodi wird die Batteriezelle unterschiedlich intensiven Untersuchungen unterzogen und so effizient gewartet. In dem Fall, in dem eine erfindungsgemäße eigensicheren Batteriezelle der besonderen Gefahr des Platings auf Grund des Ladens bei tiefen Temperaturen ausgesetzt war, wird bei dem darauffolgenden Entladevorgang die Entladekurve ermittelt. Erfindungsgemäß muss der Aufwand für diesen Vorgang nicht bei jedem Zyklus aus Lade- und Entladevorgang erfolgen, sondern in effizienter Weise nur für den Gefahrenfall. In einem weiteren Schritt wird die Entladekurve nach dem Vorliegen von
Piatingkriterien untersucht. Sollten keine Plating-Kriterien vorliegen, so wird die Batteriezelle weiterhin in einem normalen Modus betrieben. Auch in diesem normalen Modus werden die Parameter der Batteriezelle üblicherweise überwacht werden, es wird jedoch keine Entladekurve ermittelt werden müssen.
Sollte dagegen das Vorliegen von Plating-Kriterien festgestellt werden, so wird die Zelle fortan in einem Überwachungsmodus betrieben, in dem die Kapazität der Batteriezelle überwacht wird. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch die Überwachung effizient nur in dem Fall vorgenommen wird, in dem ein konkreter An lass gegeben ist. Die Überwachung der Kapazität der Batteriezelle bietet den Vorteil, dass Veränderungen in der Kapazität feststellbar sind, die Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit der Zelle sowie gegebenenfalls weitere Maßnahmen erlauben. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt somit vorteilhaft zu einer effizienten Erhöhung der Betriebssicherheit im Sinne einer eigensicheren Batteriezelle bei.
Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Schritt auf, in welchem ein Wechsel, falls ein rapider Kapazitätsverlust der eigensicheren Batteriezelle festgestellt wird, zu einem Betrieb in einen Sicherungsmodus erfolgt, in dem die eigensichere Batteriezelle deaktiviert ist. Dabei wird die eigensichere Batteriezelle beispielsweise über eine interne Schalteinrichtung von einer an die eigensichere Batteriezelle angeschlossenen Schaltungsanordnung getrennt. Wird die eigensichere Batteriezelle in einer Serienschaltung betrieben, so wird durch die Schalteinrichtung ein Bypass ausgebildet.
Dabei ist unter einem rapiden Kapazitätsverlust ein deutlicher Abfall der
Kapazität der Batteriezelle von einem Zyklus zum folgenden oder innerhalb von wenigen Zyklen zu verstehen. Üblicherweise sinkt die die Kapazität der
Batteriezelle um 0,1 % bis 1 % innerhalb der ersten 50 bis 100 Zyklen. Dies entspricht einem durchschnittlichen Gradienten zwischen 0,01%o und 0,2%o pro _.
Zyklus. Bei einem Anstieg dieses Gradienten auf das 10- bis 100-fache innerhalb von einem Zyklus oder innerhalb weniger Zyklen, beispielsweise von zehn, d.h. auf werte von 0,1 % bis 1 %, so liegt ein rapider Kapazitätsverlust vor. Der Vorteil dieses Schrittes besteht darin, dass eine Batteriezelle, die aller
Wahrscheinlichkeit nach geschädigt ist, beispielsweise aus einer seriellen Verschaltung in einer Batterie getrennt und ein Bypass ausgebildet wird, so dass sie von zukünftigen Lade- und Entladevorgängen ausgeschlossen wird. Auf Grund der Trennung und der Ausbildung eines Bypass wird einerseits die Gefahr eines Durchbrennens der geschädigten Batteriezelle gebannt und andererseits verhindert, dass sie Wärme auf Grund von Überladung oder Überlastung abgibt, durch welche weitere, möglicherweise noch intakte Batteriezellen geschädigt werden könnten.
Vorteilhaft wird als erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve eine höhere Entladespannung aufweist als eine bei Raumtemperatur bekannte
Referenzkurve. Als bekannte Referenzkurve kann dabei beispielsweise eine für die Bauart der Batteriezelle typische Entladekurve oder auch eine an der Batteriezelle selbst durch Messung ermittelte Referenzkurve dienen.
Verschiedene Charakteristika der Entladekurve können auf das Vorliegen von Plating hinweisen. Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte
Entladekurve durch ein Plateau gekennzeichnet ist. Ebenso kann eine
Entladekurve, die zwei Wendepunkte aufweist, auf das Vorliegen von Plating hinweisen. Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren daher ferner derart ausgeführt, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte
Entladekurve wenigstens zwei Wendepunkte zwischen zwei
Spannungsintervallen aufweist.
Weiterhin kann sich ein Vorliegen von Plating darin äußern, das die Entladekurve ein Plateau aufweist, dessen Grenzen nahe am Maximum der Ladespannung bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen. Vorteilhaft wird das
erfindungsgemäße Verfahren daher ferner derart ausgeführt, dass ein Plating- Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve ein Plateau zwischen zwei Spannungsintervallen aufweist, wobei die begrenzenden Spannungen nahe am Maximum der Lade- bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen.
Ebenso kann sich ein Vorliegen von Plating darin äußern, dass die Entladekurve zwei Wendepunkte aufweist, die nahe am Maximum der Ladespannung bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen. Vorteilhaft wird das
erfindungsgemäße Verfahren daher ferner derart ausgeführt, dass ein Plating- Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve wenigstens zwei
Wendepunkte zwischen zwei Spannungsintervallen aufweist, wobei die begrenzenden Spannungen nahe am Maximum der Lade- bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Wechsel in den
Überwachungsmodus von dem Vorliegen einer Kombination mehrerer der vorgenannten Kriterien abhängig gemacht werden. Ebenso ist es möglich, den Wechsel in den Überwachungsmodus von der Stärke der Ausprägung eines der vorgenannten Plating-Kriterien abhängig zu machen.
Innerhalb des Überwachungsmodus wird in den darauffolgenden Lade- und Entladezyklen die Kapazität der Batteriezelle überwacht. Dazu erfolgt in vorgegebenen Intervallen eine Bestimmung und Aufzeichnung der elektrischen Charakteristika, die Bestimmung und Aufzeichnung der Kapazität und/oder die Bestimmung des State of Charge (SOC). Diese Überwachungsaufgaben können von einer Steuer- und Überwachungseinrichtung, die in Form eines Battery Management Systems (BMS) üblicherweise mehrzellig mit mehreren zentralen wie dezentralen Komponenten ausgeführt werden. Dabei können die
Überwachungsaufgaben beispielsweise zentral in einer Kontrolleinheit des BMS oder auch dezentral in einer einmal oder mehrfach für beispielsweise jede Batteriezelle oder jedes Batteriemodul ausgeführten
Zellüberwachungseinrichtung, auch Cell Supervision Circuit (CSC) genannt, ausgeführt werden. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung kann daher sowohl durch ein CSC als auch durch zentrale
Komponenten des BMS oder durch beide gemeinsam erfolgen. Vorteilhaft werden zur Bestimmung eines rapiden Kapazitätsverlust im Überwachungsmodus Profile über die Lade- und Entladespannung über den Ladestatus, insbesondere bei Raumtemperatur, aufgezeichnet und
abgespeichert.
Vorteilhaft wird im Sicherungsmodus oder bei dem Wechsel in den
Sicherungsmodus ein Signal abgegeben. Ein derartiges Signal ist geeignet zu signalisieren, dass eine von zumeist mehreren Batteriezellen einer Batterie nicht mehr als Energiespeicher zur Verfügung steht. Je nach Anwendung kann dies beispielsweise signalisieren, dass die Reserve einer Notstromversorgung verkürzt oder die Reichweite und/oder Leistungsstärke einer Antriebsbatterie reduziert ist.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine eigensichere Batteriezelle, die ein Speicherelement, eine Schalteinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche ausgeführt ist. Dabei wird die Schalteinrichtung vorteilhaft in Form einer
Halbbrücke ausgeführt, die in dem normalen und im Überwachungsmodus das Speicherelement der eigensicheren Batteriezelle auf die Anschlusskontakte schaltet. In dem Sicherungsmodus dagegen wird das Speicherelement von zumindest einem der Anschlusskontakte getrennt und die Anschlusskontakte gemäß einem Bypass direkt miteinander verbunden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen zu
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm zu einem beispielhaften Ablauf des Verfahrens
Fig. 2 ein Beispiel einer Entladekurve
Fig. 3 Beispiel einer Entladekurve mit Plateau
Fig. 4 ein Beispiel einer Entladekurve mit mehreren Wendepunkten Fig. 5 ein Beispiel einer Entladekurve mit einem Plateau, dessen begrenzende Spannungen nahe an der maximalen Ladespannung bzw. minimalen Entladespannung liegen
Fig. 6 ein Beispiel einer Entladekurve mit mehreren Wendepunkten, deren zugehörige Spannungen nahe an der maximalen
Ladespannung bzw. minimalen Entladespannung liegen
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer eigensichern Batteriezelle
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens in Form eines
Flussdiagramms. In einem normalen Betriebsmodus, der in der Figur 1 durch Schritt 101 gekennzeichnet ist, erfolgt in einem Schritt 102 eine Ladung einer eigensicheren Batteriezelle 1 , die nachfolgend unter Bezug auf Fig. 7 im Detail beschrieben ist. In einem Schritt 103 wird überprüft, ob die die eigensichere Batteriezelle 1 bei niedriger Temperatur geladen wurde. Sollte die eigensichere Batteriezelle 1 beispielsweise bei Raumtemperatur geladen worden sein, erfolgt ein üblicher und hier nicht gezeigter Entladevorgang, und das Verfahren wird bei Schritt 101 fortgesetzt, so dass die eigensichere Batteriezelle 1 weiterhin im normalen Betriebsmodus betrieben und in einen folgenden Zyklus in Schritt 102 erneut geladen wird. Sollte die eigensichere Batteriezelle 1 jedoch bei niedriger Temperatur, d.h. bei 0° Celsius oder darunter geladen worden sein, wird bei der darauffolgenden Entladung die Entladekurve in Schritt 104 ermittelt und in Schritt 105 im Hinblick auf das Vorliegen von Plating-Kriterien analysiert. Sofern keine Plating-Kriterien erkannt wurden, da beispielsweise keine Schädigung der eigensicheren Batteriezelle 1 erfolgt ist, wird die eigensichere Batteriezelle 1 weiterhin im normalen Betriebsmodus betrieben, d.h. das Verfahren wird bei Schritt 101 fortgesetzt.
Sollte jedoch ein Plating-Kriterien erfüllt sein, erfolgt ein Wechsel von einem Betrieb im Normalmodus gemäß Schritt 101 zu einem Betrieb in einem
Überwachungsmodus, der hier als Schritt 106 dargestellt ist. In dem
Überwachungsmodus wird in den folgenden Lade- und Entladezyklen die Kapazität der eigensicheren Batteriezelle 1 überwacht. Wird also die
eigensichere Batteriezelle 1 in einem Schritt 107 geladen, wird in einem Schritt 108 die Kapazität der eigensicheren Batteriezelle 1 bestimmt. Es erfolgt eine Erstellung und Aufzeichnung von Profilen über der Lade- und Entladespannung über den Ladestatus, insbesondere bei Raumtemperatur. Diese Profile werden in einem Schritt 109 beispielsweise untereinander und oder mit einer bzw.
mehreren vorgegebenem, zum Beispiel früher bei Inbetriebnahme der Batterie gemessenen Profilen von Referenzkurven verglichen. Sollten sich bei diesem Vergleich in Schritt 109 keine Auffälligkeiten zeigen, wird die eigensichere Batteriezelle 1 weiterhin im Überwachungsmodus betrieben und das Verfahren springt zu Schritt 106. Sollte bei diesem Vergleich jedoch ein rapider
Kapazitätsverlust erkennbar sein, erfolgt in einem Schritt 1 10 ein Wechsel zu einem Betrieb in einen Sicherungsmodus, in dem die eigensichere Batteriezelle 1 bzw. ihr Speicherelement 2 abgeklemmt und über ihre Anschlusskontakte ein Bypass ausgebildet wird. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Entladekurve, bei welcher die Entladespannung UE über den Ladestatus (SOC) aufgetragen ist. Gemäß dem zeitlichen Ablauf ist der Ladestatus von 100% auf 0% fallend aufgetragen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Entladekurve, bei welcher ebenfalls die
Entladespannung UE über den Ladestatus (SOC) aufgetragen ist. Im
Unterscheid zur Fig. 2 bildet die Entladekurve in einem Abschnitt ein Plateau 5 aus, welches auf das Vorliegen von Plating hindeutet, d.h. ein Plating-Kriterium darstellt. Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Entladekurve, bei welcher die
Entladespannung UE über den Ladestatus (SOC) aufgetragen ist. Im
Unterscheid zu den Figuren 2 und 3 bildet die Entladekurve mehrere
Wendepunkte 6 aus, welche ebenfalls auf das Vorliegen von Plating hindeuten, d.h. ebenfalls ein Plating-Kriterium darstellen.
Fig. 5 zeigt wie Fig. 3 ein Beispiel einer Entladekurve, bei welcher die
Entladekurve zwischen zwei Spannungsintervallen 7 ein Plateau 5 ausbildet. Im Unterscheid zur Fig. 3 liegen die begrenzenden Spannungen nahe an der maximalen Ladespannung bzw. der minimalen Entladespannung. Fig. 6 zeigt wie Fig. 4 ein Beispiel einer Entladekurve mit mehreren
Wendepunkten 6, deren zugehörige Spannungen nahe an der maximalen Ladespannung bzw. der minimalen Entladespannung liegen.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer eigensichern Batteriezelle 1 , welche ein Speicherelement 2 eine Schalteinrichtung 3 sowie eine Steuereinrichtung 4 aufweist. Dabei ist die Schalteinrichtung 3 als Halbbrückenschaltung mit zwei elektronischen Schaltern und Freilaufdioden ausgebildet. Sie wird von der Steuereinrichtung 4 gesteuert, welche als Überwachungsschaltung CSC gleichzeitig die elektrischen Parameter des Speicherelements 2 überwacht. Im normalen Betriebsmodus sowie im Überwachungsmodus ist der untere der beiden Schalter der Schalteinrichtung 3 geöffnet und der obere der beiden Schalter geschlossen, so dass das Speicherelement 2 mit den
Anschlusskontakten der eigensicheren Batteriezelle 1 verbunden ist. Im Sicherungsmodus dagegen ist der obere der beiden Schalter geöffnet, so dass das Speicherelement 2 von den Anschlusskontakten abgeklemmt ist. Wird die eigensichere Batteriezelle 1 wie innerhalb einer Batterie üblich in einer Reihenschaltung betrieben, so wird gleichzeitig der untere der beiden Schalter geschlossen, so dass ein Bypass ausgebildet und eine Reihenschaltung nicht unterbrochen wird.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben von eigensicheren Batteriezellen (1 ) nach einer
Ladung einer eigensicheren Batteriezelle (1 ) bei niedriger Temperatur, gekennzeichnet durch die Schritte
- Ermittlung der Entladekurve der eigensicheren Batteriezelle (1 ),
Analyse der Entladekurve der eigensicheren Batteriezelle (1 ) hinsichtlich des Vorliegens von Plating-Kriterien,
Wechsel zu einem Betrieb in einen Überwachungsmodus, falls wenigstens ein Plating-Kriterium vorliegt, wobei in dem Überwachungsmodus die Kapazität der eigensicheren Batteriezelle (1 ) überwacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel von einem Betrieb im Überwachungsmodus zu einem Betrieb in einen
Sicherungsmodus erfolgt, falls ein rapider Kapazitätsverlust der eigensicheren Batteriezelle (1 ) festgestellt wird, wobei die eigensichere Batteriezelle (1 ) in dem Sicherungsmodus deaktiviert ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve eine höhere Entladespannung aufweist als eine bei Raumtemperatur bekannte
Referenzkurve.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve durch ein Plateau (5) gekennzeichnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve wenigstens zwei Wendepunkte (6) zwischen zwei Spannungsintervallen aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve ein Plateau (5) zwischen zwei Spannungsintervallen (7) aufweist, wobei die begrenzenden Spannungen nahe am Maximum der Lade- bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plating-Kriterium vorliegt, wenn die vorgenannte Entladekurve wenigstens zwei Wendepunkte (6) zwischen zwei Spannungsintervallen aufweist, wobei die begrenzenden Spannungen nahe am Maximum der Lade- bzw. dem Minimum der Entladespannung liegen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines rapiden Kapazitätsverlust im Überwachungsmodus Profile über die Lade- und Entladespannung über den Ladestatus,
insbesondere bei Raumtemperatur, aufgezeichnet und abgespeichert werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das im Sicherungsmodus oder bei dem Wechsel in den Sicherungsmodus ein Signal abgegeben wird.
10. Eigensichere Batteriezelle (1 ), die ein Speicherelement (2), eine
Schalteinrichtung (3) und eine Steuereinrichtung (4) aufweist, die zur
Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche ausgeführt ist.
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