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Title:
METHOD FOR REGENERATION OF A BATTERY CELL AND OF A PLURALITY OF BATTERY CELLS, DEVICE FOR REGENERATION OF A PLURALITY OF BATTERY CELLS, AND MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/050220
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for the regeneration of a battery cell, a method for the regeneration of a plurality of battery cells, a device for the regeneration of a plurality of battery cells, and a motor vehicle. The invention comprises: i) detecting the current value of at least one of the following parameters of the battery cell: a) internal resistance, b) power and/or c) capacitance; ii) comparing the detected parameter value to a previously determined permissible parameter value range, and iii) modifying the charge state of the battery cell by realizing a pulsed current flow to the poles of the battery if the detected parameter value deviates from the respective permissible parameter value range.

Inventors:
SOBOLL STEFAN (DE)
REITZLE ALEXANDER (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/067747
Publication Date:
April 11, 2013
Filing Date:
September 12, 2012
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
SAMSUNG SDI CO LTD (KR)
SOBOLL STEFAN (DE)
REITZLE ALEXANDER (DE)
International Classes:
H01M10/42; H01M10/44
Foreign References:
JP2005032593A2005-02-03
DE102008008238A12008-08-21
EP1701175A22006-09-13
JP2004236381A2004-08-19
DE69925984T22005-12-22
Attorney, Agent or Firm:
BEE, Joachim (DE)
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Claims:
Ansprüche

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium- Ionen-Batteriezelle, umfassend die Schritte:

i) Erfassung des aktuellen Wertes von wenigstens einem der folgenden Parameter der Batteriezelle:

a) Innenwiderstand;

b) Leistung; und/oder

c) Kapazität

ii) Vergleich des erfassten Parameterwertes mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich;

iii) bei Abweichung des erfassten Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen Parameterwertebereich Änderung des Ladungszustandes der Batteriezelle durch Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der Batteriezelle.

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach Anspruch 1 , bei dem die Obergrenze des zulässigen Parameterwertebereiches des Innenwiderstandes wenigstens 1 10 % des minimal möglichen Innenwiderstandes der Batteriezelle entspricht.

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zulässige Parameterwertebereich der Leistung wenigstens 60 % der maximal möglichen Leistung der Batteriezelle entspricht.

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zulässige Parameterwertebereich der Kapazität wenigstens 60 % der maximal möglichen Kapazität der Batteriezelle entspricht.

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Batteriezelle mit Strompulsen geladen wird. Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Batteriezelle mit Strompulsen entladen wird.

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Stromfluss mit einer Frequenz von 0 Hz bis 150 Hz, einer Amplitude von 1 C bis 15 C und/oder über eine Zeitdauer von 1 Sekunde bis 60 Sekunden generiert wird.

Verfahren zur Regeneration von mehreren Batteriezellen, vorzugsweise von Batteriezellen, die in einem Paket angeordnet sind, bei dem

i) der aktuelle Wert von wenigstens einem der folgenden Parameter der einzelnen Batteriezellen erfasst wird:

a) Innenwiderstand;

b) Leistung; und/oder

c) Kapazität

ii) der durchschnittliche Wert der an den einzelnen Batteriezellen erfassten Parameterwerte gebildet wird,

ii) der jeweilige durchschnittliche Parameterwert mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich verglichen wird; und

iii) bei Abweichung des durchschnittlichen Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen Parameterwertebereich der Ladungszustand der

Batteriezellen durch Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der Batteriezelle geändert wird.

Einrichtung zur Regeneration von mehreren Batteriezellen, vorzugsweise von Lithium-Ionen-Batteriezellen, die in einem Paket angeordnet sind, umfassend eine Einheit zur Erfassung des aktuellen Wertes von wenigstens einem der folgenden Parameter der Batteriezelle:

a) Innenwiderstand;

b) Leistung; und/oder

c) Kapazität;

eine Einrichtung zur Ermittlung des durchschnittlichen Parameterwertes aus den an den einzelnen Batteriezellen erfassten Parameterwerten;

eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des durchschnittlichen Parameterwertes mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich; und eine Einrichtung zur Änderung des Ladungszustandes der Batteriezellen durch Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der

Batteriezellen bei Abweichung des durchschnittlichen Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen Parameterwertebereich.

Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend eine Einrichtung zur Regeneration einer Batteriezelle nach Anspruch 9.

Description:
Beschreibung Titel

Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle sowie mehrerer Batteriezellen, Einrichtung zur Regeneration von mehreren Batteriezellen und Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle, ein Verfahren zur Regeneration mehrerer Batteriezellen und eine Einrichtung zur Regeneration von mehreren Batteriezellen.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Dabei ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf die Regeneration von Lithium-Ionen-Batteriezellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien oder entsprechenden Batteriezellenmodulen bezogen.

Stand der Technik

Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel

Windkraftanlagen und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.

Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium- Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.

Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch im Verbraucher-Bereich, hier zum Beispiel in Laptops und Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit,

Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.

Eine Batteriezelle beziehungsweise ein aus mehreren Batteriezellen

hergestelltes sogenanntes Akku-Pack gilt als am Lebensdauerende

(sogenanntes "EOL" - end of life), wenn es nur noch eine bestimmte Leistung aufweist und/oder eine bestimmte Kapazität hat und/oder einen bestimmten Innenwiderstand überschreitet. Bei der Leistung und der Kapazität ist diese Grenze meist in etwa bei 80 % des Anfangswertes erreicht, das heißt des Wertes, welchen die Batteriezelle beziehungsweise das Akku-Pack maximal aufweisen kann. Diese Grenzwerte definieren das Lebensdauerende.

Aus Gründen der Effizienz muss die betreffende Batteriezelle beziehungsweise das betreffende Akku-Pack dann ausgetauscht werden.

DE 699 25 984 T2 offenbart ein Ladeverfahren für Batterien, bei welchem ab einer bestimmten erfassten Batteriespannung die Batterie mit einer Pufferladung geladen wird. Dieser Ladevorgang dient der Aufladung der Batterie, um mit dieser elektrische Energie zur Verfügung stellen zu können.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regeneration einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:

Erfassung des aktuellen Wertes von wenigstens einem der folgenden Parameter der Batteriezelle: a) Innenwiderstand, b) Leistung und/oder c) Kapazität; Vergleich des erfassten Parameterwertes mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich; und bei Abweichung des erfassten

Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen Parameterwertebereich Änderung des Ladungszustandes der Batteriezelle durch Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der Batteriezelle.

Versuche haben ergeben, dass sich durch die Strompulse der Innenwiderstand reduzieren beziehungsweise die Leistung und/oder Kapazität der Batteriezelle erhöhen lässt. Das heißt, dass Strompulse so lange realisiert werden, bis der Innenwiderstand in den zulässigen Innenwiderstands-Parameterwertebereich gesunken ist, beziehungsweise die Leistung und/oder die Kapazität der Batteriezelle in den jeweils zulässigen Parameterwertebereich angestiegen ist. Dadurch ist die Lebensdauer verlängerbar und die Leistungsfähigkeit erhöhbar. Ein Austausch der Batteriezellen beziehungsweise eines gesamten

Batteriezellen-Paketes kann auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, oder ist nicht mehr nötig. So lässt sich der Aufwand für einen Austausch der Batteriezellen sowie der Material- und Fertigungsaufwand zur Herstellung weiterer Batteriezellen verringern.

So kann zum Beispiel bei einem zu verzeichnenden Abfall von der nominellen Kapazität einer Batteriezelle von 10 kWh auf 8 kWh die erfindungsgemäße Einleitung oder Ableitung der Strompulse erfolgen.

Die Obergrenze des zulässigen Parameterwertebereiches des

Innenwiderstandes entspricht vorzugsweise wenigstens 1 10% des minimal möglichen Innenwiderstandes der Batteriezelle.

Insbesondere kann die Obergrenze des zulässigen Parameterwertebereiches des Innenwiderstandes 1 10-130 %, insbesondere 1 10-160 % ,das heißt ca. 60- 90 % der elektrischen Leitfähigkeit der Batteriezelle, dabei besonders bevorzugt 125 %, das heißt, ca. 80 % der elektrischen Leitfähigkeit der Batteriezelle betragen.

Der zulässige Parameterwertebereich der Leistung sollte wenigstens 60 % der maximal möglichen Leistung der Batteriezelle entsprechen. Der bevorzugte Leistungs-Grenzwert beträgt ca. 60-90 %, insbesondere 80 % der maximal möglichen Leistung der Batteriezelle.

Der zulässige Parameterwertebereich der Kapazität sollte wenigstens 60 % der maximal möglichen Kapazität der Batteriezelle entsprechen.

Der bevorzugte Kapazitäts-Grenzwert beträgt ca. 60-90 %, insbesondere 80 % der maximal möglichen Kapazität der Batteriezelle.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei nicht auf die als bevorzugt genannten Grenzwerte der zulässigen Parameterwertebereiche für

Innenwiderstand, Leistung und Kapazität eingeschränkt, sondern das Verfahren kann mit wesentlich geringeren Innenwiderstands-Grenzwerten

beziehungsweise bei wesentlich höheren Leistungs- beziehungsweise

Kapazitäts-Grenzwerten durchgeführt werden, wie zum Beispiel zur

beabsichtigten Erhöhung der Leistungsfähigkeit beziehungsweise der Kapazität der Batteriezelle.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die

Batteriezelle mit Strompulsen geladen.

Alternativ ist vorgesehen, dass die Batteriezelle mit Strompulsen entladen wird.

Eine solche Entladung ist auch noch bei relativ geringer Batteriezellen-Ladung möglich.

Der Ladungsvorgang kann sequentiell auch mit dem Entladungsvorgang kombiniert werden.

Vorteilhafterweise hat der gepulste Stromfluss eine Frequenz von 0 Hz bis 150 Hz, eine Amplitude von 1 bis 15 C und/oder erfolgt über eine Zeitdauer von 1 Sekunde bis 60 Sekunden. Die Parameter der Strompulse beim Laden sind vorzugsweise die gleichen wie beim Entladen.

Vorteilhafterweise wird die Realisierung des gepulsten Stromflusses so of wiederholt, bis der Innenwiderstand der Batteriezelle geringer ist als die festgelegte Obergrenze des zulässigen Innenwiderstands-

Parameterwertebereiches. Dies betrifft ebenso die anderen Parameter Leistung und Kapazität, bei denen der gepulste Stromfluss so of wiederholt wird, bis die Leistung und/oder die Kapazität der Batteriezelle wieder im zulässigen Kapazitäts- oder

Leistungsbereich liegt. Das heißt, dass die Strompulsung solange wiederholt wird, bis Werte hinsichtlich des Innenwiderstands und/oder der Leistung beziehungsweise der Kapazität erreicht werden, die nicht das Lebensdauerende der Batteriezelle definieren.

Es wird weiterhin ein Verfahren zur Regeneration von mehreren Batteriezellen, vorzugsweise von Batteriezellen, die in einem Paket angeordnet sind, zur Verfügung gestellt, bei dem an den einzelnen Batteriezellen der aktuelle Wert von wenigstens einem der Parameter Innenwiderstand, Leistung und/oder Kapazität erfasst wird; der durchschnittliche Wert der an den einzelnen

Batteriezellen erfassten Parameterwerte gebildet wird; der jeweilige

durchschnittliche Parameterwert mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich verglichen wird; und bei Abweichung des

durchschnittlichen Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen

Parameterwertebereich der Ladungszustand der Batteriezellen durch

Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der Batteriezelle geändert wird.

Vorzugsweise sind auch diese in einem Paket angeordneten Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen.

Das heißt, dass vorzugsweise die Parameterwerte der einzelnen Batteriezellen gemessen werden, jedoch die Bestromung mit Strompulsen an allen

Batteriezellen gleichermaßen erfolgt.

Alternativ werden die Parameter an jeder Batteriezelle einzeln gemessen und die Batteriezellen einzeln mit Strompulsen geladen oder entladen.

Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Regeneration von mehreren Batteriezellen, vorzugsweise von Lithium-Ionen-Batteriezellen, die in einem Paket angeordnet sind, zur Verfügung gestellt. Diese Einrichtung umfasst eine Einheit zur Erfassung des aktuellen Wertes von wenigstens einem der Parameter Innenwiderstand, Leistung und/oder Kapazität der einzelnen

Batteriezellen; eine Einrichtung zur Ermittlung des durchschnittlichen Parameterwertes aus den an den einzelnen Batteriezellen erfassten

Parameterwerten;

eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des durchschnittlichen Parameterwertes mit einem vorher festgelegten zulässigen Parameterwertebereich; und eine Einrichtung zur Änderung des Ladungszustandes der Batteriezellen durch

Realisierung eines gepulsten Stromflusses an den Polen der Batteriezellen bei Abweichung des durchschnittlichen Parameterwertes vom jeweiligen zulässigen Parameterwertebereich. Vorzugsweise umfasst diese Einrichtung auch eine Einrichtung zur Erfassung der Leistung und/oder der Kapazität der Batteriezelle, die dafür eingerichtet ist, auch bei Unterschreitung des Grenzwertes für Leistung beziehungsweise Kapazität die Strompulse ein- und/oder auszuleiten. Vorteilhafterweise ist die Einrichtung zur Regeneration von mehreren

Batteriezellen derart ausgestaltet, dass mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration von mehreren Batteriezellen durchführbar ist.

Eine solche Einrichtung kann ein Diagnosetester in einer Werkstatt sein oder von diesem umfasst sein, oder sie kann Bestandteil eines Kraftfahrzeuges sein, in dem die Batteriezellen angeordnet sind.

Ergänzend wird außerdem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, zur Verfügung gestellt, welches eine Einrichtung zur Regeneration mehrerer Batteriezellen umfasst.

Vorzugsweise ist diese Einrichtung im Kraftfahrzeug mit einem Generator des Kraftfahrzeuges elektrisch leitfähig verbunden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1 bis 3 Stromstärke-Zeit-Diagramme mit unterschiedlichen

Strompuls-Verläufen. In dem in Figur 1 dargestellten Stromstärke-Zeit-Diagramm ist beispielhaft ein sinusförmiger Verlauf der Stromstärke I dargestellt. Ein solcher Verlauf kann mittels einer geeigneten Steuerungseinrichtung realisiert werden. Dadurch entsteht eine sinusförmige Pulsung an den Polen der Batteriezelle.

Dieser Strompuls-Verlauf kann beim Laden der Batteriezelle als auch beim Entladen der Batteriezelle realisiert werden.

Der gepulste Stromfluss ist jedoch nicht auf die in Figur 1 dargestellte Funktion eingeschränkt, sondern es können weitere Pulsfunktionsformen realisiert werden, wie sie beispielhaft in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind. In Figur 2 ist ein Strompuls-Verlauf dargestellt, der positiv ansteigende Rampen, daran anschließende kontinuierliche Verläufe und damit verbundene

Funktionsabschnitte mit negativem Anstieg aufweist. Den fachmännischen Versuchen bleibt es vorbehalten, die idealen Amplituden, Frequenzen sowie Anzahl der Pulse zu ermitteln.

Vorzugsweise sollten jedoch Amplituden in einem Bereich von 1 C bis 15 C, in einen Frequenzbereich von 0 Hz bis 150 Hz und/oder einer Mindestanzahl von 3 Pulsen realisiert werden.

In Figur 3 ist beispielhaft ein weiterer Strompuls-Verlauf dargestellt, bei dem die einzelnen Strompulse Sprungabschnitte zwischen kontinuierlichen Verläufen aufweisen.

Die beispielhaft dargestellten Strompuls-Verläufe können sowohl beim Laden der Batteriezelle als auch beim Entladen der Batteriezelle realisiert werden. Die Erfindung ist dabei nicht darauf eingeschränkt, dass beim Laden der

Batteriezelle sowie auch beim Entladen der Batteriezelle die gleichen

Strompulsverläufe realisiert werden.