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.