Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufladbaren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesteuergerät.

Stand der Technik

Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden

Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-

Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride

Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.

Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als

Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen

Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem

Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Silizium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet. In das Aktivmaterial der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der

Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird.

Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter

Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.

Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodenwickel oder des Elektrodenstapel. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.

Bauartbedingt weist jede Batteriezelle eine Grenzspannung auf. Ein

geringfügiges Überschreiten der Grenzspannung bei einem Ladevorgang kann zu einer schnelleren Alterung der Batteriezelle führen. Ein starkes Überschreiten der Grenzspannung bei einem Ladevorgang kann zu einer Überhitzung der Batteriezelle in Kombination mit einem Brand oder einer Explosion führen.

Ein Verfahren zum Laden sowie zum Angleichen von Ladezuständen von aufladbaren Batteriemodulen ist beispielsweise aus der DE 10 2013 204 346 AI bekannt. Ein Verfahren zum Betrieb, insbesondere zum Laden und Entladen einer aufladbaren Batterie in einem Fahrzeug ist in der JP 2012-200048 A offenbart.

Aus der WO 2014/057802 AI ist ein Verfahren zum Betrieb von Batteriezellen, insbesondere zum Laden mittels Rekuperation, in einem Fahrzeug bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer aufladbaren Batteriezelle

vorgeschlagen, wobei

- eine erste Messung einer ersten Spannung der Batteriezelle durchgeführt wird,

- ein erster Vergleich der ersten Spannung mit einer ersten Grenzspannung durchgeführt wird,

- ein Ladevorgang der Batteriezelle durchgeführt wird, wenn die erste Spannung kleiner als die erste Grenzspannung ist,

- eine zweite Messung einer zweiten Spannung der Batteriezelle durchgeführt wird,

- ein zweiter Vergleich der zweiten Spannung mit einer zweiten Grenzspannung durchgeführt wird,

- ein Entladevorgang der Batteriezelle durchgeführt wird, wenn die zweite Spannung größer als die zweite Grenzspannung ist.

Dabei ist die erste Grenzspannung größer als die zweite Grenzspannung. Die zweite Grenzspannung entspricht dabei der üblichen Betriebsspannung oder der üblichen Nennspannung der Batteriezelle.

Bei der Batteriezelle handelt es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen- Batteriezelle. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch auf andere Typen von Batteriezellen anwendbar.

Ein Abbruch einer Aufladung der Batteriezelle wird durchgeführt, wenn die erste Spannung größer oder gleich der ersten Grenzspannung ist. Dadurch wird eine Überhitzung der Batteriezelle verhindert. Ein Abbruch einer Entladung der Batteriezelle wird durchgeführt, wenn die zweite Spannung kleiner oder gleich der zweiten Grenzspannung ist. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn unmittelbar nach dem Ladevorgang, welcher zu einer Überladung der Batteriezelle geführt hat, Energie von einem Verbraucher entnommen wird, wodurch die Spannung der Batteriezelle sinkt.

Zwischen dem Ladevorgang und der zweiten Messung der zweiten Spannung ist vorteilhaft eine Wartezeit vorgesehen. Die Wartezeit liegt vorzugsweise in einem Bereich von mehreren Millisekunden bis hin zu wenigen Sekunden. Die besagte Wartezeit gibt vor, wie lange eine kurzzeitige Überladung der Batteriezelle andauern kann.

Bei eine handelsüblichen Lithium-Ionen-Batteriezelle beträgt die erste

Grenzspannung vorzugsweise zwischen 4,3 Volt und 4,35 Volt. Bei eine handelsüblichen Lithium-Ionen-Batteriezelle beträgt die zweite Grenzspannung vorzugsweise zwischen 4,15 Volt und 4,2 Volt. Die erste Grenzspannung ist somit größer als die zweite Grenzspannung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft in einem Fahrzeug anwendbar. Insbesondere in einem Fahrzeug findet der Ladevorgang durch Rekuperation statt. Das bedeutet, bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs wird die Bremsenergie in elektrische Energie gewandelt und in die Batteriezelle zurück gespeist. Aber auch andere Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind denkbar.

Es wird auch ein Batteriesteuergerät vorgeschlagen, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Ein erfindungsgemäßes Batteriesteuergerät findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plugin-Hybridfahrzeug (PHEV).

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine kurzzeitige Überladung einer Batteriezelle. Dadurch ist es möglich, auch noch bei eigentlich voll geladener Batteriezelle durch Rekuperation zur Verfügung gestellte Energie zu speichern, welche andernfalls verloren wäre. Dadurch kann die durch Rekuperation zur Verfügung gestellte elektrische Energie besser ausgenutzt werden, und Verluste werden minimiert.

Insbesondere kann bei einem Fahrzeug bei einem Bremsvorgang erzeugte elektrische Energie in die Batteriezelle zurück gespeist werden, was zu einer kurzzeitigen Überladung der Batteriezelle führt. Unmittelbar nach der Überladung kann die zurück gespeiste Energie wieder zur Beschleunigung des Fahrzeugs genutzt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren findet höchstens eine kurzzeitige Überladung der Batteriezelle statt. Eine solche kurzzeitige Überladung ist für die Batteriezelle unkritisch und beschleunigt insbesondere nicht die Alterung der Batteriezelle. Ferner ist durch das erfindungsgemäße Verfahren nur eine Überladung bis einer vordefinierten Spannung möglich, wodurch eine

Überhitzung, insbesondere in Kombination mit einem Brand oder einer

Explosion, ausgeschlossen ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer aufladbaren Batteriezelle und

Figur 2 Schritte eines Verfahrens zum Betrieb der Batteriezelle aus Figur 1.

Ausführungsformen der Erfindung Eine Batteriezelle 2 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Bei der Batteriezelle 2 handelt es sich vorliegend um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das

Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.

Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt.

Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.

Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.

Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein

Metalloxid auf, beispielsweise Lithium- Kobalt-Oxid (LiCo0 ₂ ). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.

Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.

Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.

Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt. Der Elektrolyt 15 umgibt dabei die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.

Ein Batteriesteuergerät 50 ist mittels eines Ladekabels 52 mit der Batteriezelle 2 verbunden. Das Ladekabel 52 weist dabei zwei Adern auf, wobei eine erste Ader elektrisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden ist, und eine zweite Ader mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist.

Figur 2 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Betrieb der in Figur 1 dargestellten, als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführten Batteriezelle 2.

In einem ersten Schritt wird eine erste Messung 101 einer ersten Spannung Ul der Batteriezelle 2 durchgeführt. Die erste Messung 101 der ersten Spannung Ul wird dabei von einer Spannungsmesseinheit des Batteriesteuergeräts 50 über das mit den Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 verbundene Ladekabel 52 durchgeführt.

In einem zweiten Schritt wird ein erster Vergleich 102 der ersten Spannung Ul mit einer ersten Grenzspannung Umaxl durchgeführt. Der erste Vergleich 102 der ersten Spannung Ul mit der ersten Grenzspannung Umaxl wird dabei von einer Vergleichseinheit des Batteriesteuergeräts 50 durchgeführt.

Wenn die erste Spannung Ul größer oder gleich der ersten Grenzspannung Umaxl ist, so wird anschließend ein Abbruch 103 einer Aufladung der

Batteriezelle 2 durchgeführt. Vorliegend beträgt die erste Grenzspannung zwischen 4,3 Volt und 4,35 Volt.

Wenn die erste Spannung Ul kleiner als die erste Grenzspannung Umaxl ist, so wird in einem folgenden Schritt ein Ladevorgang 104 der Batteriezelle 2 durchgeführt. Der Ladevorgang 104 der Batteriezelle 2 findet dabei insbesondere durch Rekuperation statt.

Nach einer Wartezeit 105 wird in einem weiteren Schritt eine zweite Messung 106 einer zweiten Spannung U2 der Batteriezelle 2 durchgeführt. Die zweite

Messung 106 der zweiten Spannung U2 wird dabei ebenfalls von der

Spannungsmesseinheit des Batteriesteuergeräts 50 über das mit den Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 verbundene Ladekabel 52 durchgeführt. In einem anschließenden Schritt wird ein zweiter Vergleich 107 der zweiten

Spannung U2 mit einer zweiten Grenzspannung Umax2 durchgeführt. Der zweite Vergleich 107 der zweiten Spannung U2 mit der zweiten Grenzspannung Umax2 wird dabei ebenfalls von der Vergleichseinheit des Batteriesteuergeräts 50 durchgeführt. Vorliegend beträgt die zweite Grenzspannung Umax2 zwischen 4,15 Volt und 4,2 Volt.

Wenn die zweite Spannung U2 größer als die zweite Grenzspannung Umax2 ist, so wird in einem folgenden Schritt ein Entladevorgang 109 der Batteriezelle 2 durchgeführt. Der Entladevorgang 109 wird dabei durch das Batteriesteuergerät 50 gesteuert, indem ein Entladewiderstand oder Balancing- Widerstand zwischen die Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 geschaltet wird. Dadurch fließt ein Entladestrom von der Batteriezelle 2 durch den Entladewiderstand, wodurch die Batteriezelle 2 entladen wird. Wenn die zweite Spannung U2 kleiner oder gleich der zweiten Grenzspannung

Umax2 ist, so wird ein Abbruch 108 einer Entladung der Batteriezelle 2 durchgeführt. Die Batteriezelle 2 ist wider in einem gewöhnlichen Ladezustand und eine weitere Entladung ist nicht erforderlich. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.