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1. WO2016113062 - PRÉDICTION DE COURTS-CIRCUITS INTERNES D’UN MODULE DE BATTERIE

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[ DE ]

Beschreibung

Titel

Prognose interner Kurzschlüsse eines Batteriemoduls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nachladbares Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten und insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriemodul und ein Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer

elektrochemischen Einheit des Batteriemoduls.

Stand der Technik

Lithium-Ionen Batterien, die typischerweise als ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, ausgeführt sind, zeichnen sich durch ihre hohen Energiedichten und Zellspannungen aus. Deshalb gelten Lithium-Ionen Batterien als vielversprechend für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Lithium-Ionen Batterien sind jedoch relativ empfindlich bezüglich Überladung wie auch Tiefentladung. Bei einer Überladung über einen gewissen Spannungswert pro Batteriezelle (typischerweise um 4,25 V) wird die Batteriezelle instabil und ein sich selbst verstärkender Prozess der Erwärmung kann initiiert werden. Auch eine Entladung unter eine gewisse Schwelle fördert ungünstige chemische Prozesse in der Batteriezelle, die zu einer irreversiblen Degradierung der Batteriezelle führen können. Um Lithium-Ionen-Batterien zuverlässig in Fahrzeuge integrieren zu können, ist demzufolge die Integration von Sicherheitsfunktionen in Batteriemodule und die Überwachung des Betriebs eines Batteriemoduls notwendig.

Das Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ist im Prinzip relativ einfach: Die Kathode enthält Lithium-Metalloxide und ist durch eine

ionendurchlässige Trennschicht von der Anode aus Graphit getrennt. Beim

Ladevorgang wandern die Lithium-Ionen zur Anode und speichern dort

Elektronen aus einer Energiequelle. Beim Entladen strömen die Lithium-Ionen wieder zurück zur Kathode und setzen damit Energie frei. Da die Anode aus Graphit, sprich: Kohlenstoff, besteht, weist sie eine Schichtstruktur auf. In diese Schichten können lagern sich während des Ladens Lithium-Ionen ab. Es kann jedoch vorkommen, dass sich die Lithium-Ionen nicht in die Anode einlagern, sondern metallisches Lithium bilden, welches sich auf der Anode ablagert. Dieser Effekt wird auch als„Lithium-Plating" (englisch) bezeichnet. Das angelagerte metallische Lithium steht nicht mehr für den Ladeprozess des Batteriemoduls zur Verfügung, was zu einer Verminderung sowohl der Leistungsfähigkeit als auch der Lebensdauer des Batteriemoduls führt.

In ungünstigen Fällen können sich bei der Ablagerung des metallischen Lithiums auf der Anode Dendriten, bäum- oder strauchartige Kristallstrukturen, ausbilden. Wenn die Dendriten die Trennschicht zwischen den Elektroden, Anode und Katode, durchdringen, führt dies zum Kurzschluss in der Batteriezelle. Ein solcher interner Kurzschluss kann einen vollständigen Ausfall oder in schwächer ausgeprägten Fällen eine beschleunigte Selbstentladung der Zelle zur Folge haben. Da metallisches Lithium schnell entflammbar ist, kann ein Kurzschluss auch zu einem Brand führen. Die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode führt somit zu einer beschleunigten Alterung des Batteriemoduls und stellt ein großes Sicherheitsrisiko dar.

Da es insbesondere bei tiefen Temperaturen zur Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode kommen kann, ist das Verständnis dieses Effekts wesentlich für die Auslegung von Kühl- und Ladestrategien von Lithium-Ionen Batterien.

Aus der DE 11 2011 101 823 T5 ist ein Kontrollsystem für eine parallele

Batterieanschlussschaltung. Anomalitäten werden hier durch das Vergleichen von Zuständen, beispielsweise Ströme und Temperaturen, einer Vielzahl von Sekundärbatteriepacks, welche parallel zueinander angeschlossen sind, festgestellt. Eine Kontrollschaltung führt eine Stromlimitierung aus, basierend auf einem Ausmaß einer festgestellten Abweichung. Dieses ermöglicht ein

Verhindern von Überladen und Überentladen und ermöglicht außerdem eine

genaue Einschätzung von Anomalitäten, inklusive Verschlechterung des

Ladeprozesses der Batteriepacks und internem Kurzschluss.

Der Grundgedanke der offenbarten technischen Lösung besteht darin, dass die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen

Einheit eines Lithium-Ionen Batteriemoduls zu einer beschleunigten Alterung des Batteriemoduls führt und ein großes Sicherheitsrisiko darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie auf eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und/oder verbesserte Weise ein interner Kurzschluss, der eine beschleunigte Selbstentladung oder in

schwerwiegenderen Fällen einen vollständigen Ausfall einer elektrochemischen Einheit eines Batteriemoduls zur Folge haben kann, prognostiziert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1 und ein

Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Dementsprechend sieht die Erfindung ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten vor, von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet sind, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet sind. Die in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten bilden einen ersten Strang und einen zweiten Strang. Der erste Strang und der zweite Strang sind zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad elektrisch miteinander verbindbar, wobei über den Zwischenpfad ein möglicher interner Kurzschluss prognostizierbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass über den Zwischenpfad ein mögliches Dendritenwachstum einzelner elektrochemischer Einheiten festgestellt werden kann, indem der elektronische Verstärker die Potenzialdifferenz abgreift, die sich über einen Zeitraum At bei geöffnetem Schaltkontakt einstellt, und diese Information über den Analog-Digital-Wandler an eine übergeordnete Steuereinrichtung, beispielsweise ein Batterie-Management-System, weitergibt. Damit ist es möglich, eine erhöhte Selbstentladung von fehlerhaften elektrochemischen Einheiten zu identifizieren, sodass die betroffenen elektrochemischen Einheiten vom Batteriemodul abgekoppelt oder ersetzt werden können. Mit der Erfindung wird somit vorteilhaft eine Batteriemodul geschaffen, mit dem die Sicherheit insbesondere von großen Batteriesystemen, wie sie beispielsweise bei Elektro-und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, signifikant erhöht werden kann.

Mit einer integrierten Leistungselektronik lassen sich zum Beispiel eigensichere Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten oder intelligente Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten realisieren. Die Batteriezellen bzw.

elektrochemische Einheiten besitzen hierbei bereits die leistungselektronischen Stellglieder, sodass einzelne Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten abgekoppelt oder dem Batteriemodul hinzugeschaltet werden können. Somit kann beispielsweise ein Batteriemodul mit stufig einstellbarer

Ausgangsspannung realisiert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein in den Zwischenpfad integrierter Schaltkontakt eine stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang herstellt. Durch das Öffnen und Schließen des Schaltkontaktes kann die stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang unterbrochen bzw. hergestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein elektronischer Verstärker so angeordnet ist, dass eine bei geöffnetem Schaltkontakt möglicherweise auftretende Potenzialdifferenz am Zwischenpfad erfassbar ist. Anhand der Potenzialdifferenz der parallel geschalteten

elektrochemischen Einheiten ist es möglich, einen internen Kurzschluss zu prognostizieren. Im Fall eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls kann die

Potenzialdifferenz auf Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit zurückgeführt werden. Beim Auftreten einer

Potenzialdifferenz können frühzeitig Maßnahmen bei betroffenen

elektrochemischen Einheiten eingeleitet werden. Somit können nicht erwünschte chemische Prozesse innerhalb eines Batteriemoduls, wie die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit, sichtbar gemacht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Analog-Digital-Wandler mit dem elektronischen Verstärker verbunden ist, der die vom elektronischen Verstärker erfassten analogen Messwerte in digitale Messwerte umsetzt, die an eine übergeordnete Steuereinrichtung weiterleitbar sind. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Batterie- Management-System eines Fahrzeugs sein, das in der Lage ist, im Betrieb als auch während der Standzeiten eines Fahrzeugs mithilfe einer Batterie-Steuer-Einheit (auch englisch: Battery-Control-Unit (BCU)) an jedem einzelnen

Batteriemodul über einen Überwachungsschaltkreis (auch englisch: Cell-Supervision-Circuit (CSC)) die Zustandswerte jeder einzelnen elektrochemischen

Einheit, wie beispielsweise die Spannung zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur, zu messen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Batteriemodul ein Lithium-Ionen- Batteriemodul ist. Dementsprechend weisen die elektrochemischen Einheiten eine Kathode, die Lithium-Metalloxide enthält, und eine Anode aus Graphit auf, die durch eine ionendurchlässige Trennschicht voneinander getrennt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass über den Zwischenpfad eine mögliche Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode einer der elektrochemischen Einheiten feststellbar ist. Somit können elektrochemische Prozess innerhalb der elektrochemischen Einheiten sichtbar gemacht werden und Gefahrenpotenziale rechtzeitig erkannt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten zu einem relativ langsamen Abfall der

Spannung Ui über der betroffenen elektrochemischen Einheit führt. Dieser

Spannungsabfall macht sich in der Potenzialdifferenz bemerkbar, bei geöffnetem Schaltkontakt von dem elektronischen Verstärker am Zwischenpfad erfasst wird. Betroffene elektrochemische Einheiten können somit bestimmt werden und Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei geschlossenem Schaltkontakt sowohl eine

Gesamtspannung U2 der beiden Stränge und als auch die Einzelspannungen Ui jeder elektrochemischen Einheit ausgleichbar sind. Dies ist möglich, da bei geschlossenem Schaltkontakt ein Ausgleichsstrom über den Zwischenpfad fließt.

Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten, von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet werden, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet werden, vor. Von den in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten werden ein erster Strang und ein zweiter Strang gebildet. Der erste Strang und der zweite Strang werden zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten

elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad elektrisch miteinander verbunden, wobei über den Zwischenpfad ein mögliches Dendritenwachstum innerhalb zumindest einer elektrochemischen Einheit festgestellt wird.

Durch das Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls können ungünstige chemische Prozesse innerhalb der elektrochemischen Einheiten eines Batteriemoduls, wie beispielsweise

Batteriezellen oder Elektrodenwickel, transparent gemacht werden, um so frühzeitig regulierend eingreifen zu können. So stellt dieses Verfahren eine Vorbeugungsmaßnahme dar, die die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batteriemodulen im Automobil Bereich wesentlich erhöht. Gleichzeitig kann eine erhöhte Selbstentladung von fehlerhaften elektrochemischen Einheiten schneller identifiziert werden, sodass die betroffenen elektrochemischen Einheiten

ausgetauscht werden können. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die angestrebte Gesamtleistung der Batterie aus, die hierdurch weiterhin garantiert werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass nach dem Öffnen eines in den Zwischenpfad integrierten Schaltkontaktes mit einem elektronischen Verstärker eine Spannungsdifferenz, die sich bei dem Dendritenwachstum innerhalb einzelner Einheiten in einem Zeitraum At einstellt, von dem Zwischenpfad abgegriffen wird, wodurch ein interner Kurzschluss prognostiziert werden kann. Durch das Feststellen einer

Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls können

Gefahrenpotenziale, wie beispielsweise interne Kurzschlüsse, zuverlässig und frühzeitig vorausgesagt werden. Durch die Ausstattung des Batteriemoduls mit integrierter Leistungselektronik können elektrochemischen Einheiten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als fehlerhaft identifiziert wurden, von dem Batteriemodul abgekoppelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit dem in der Figur dargestellten

Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 in einer schematischen Darstellung einen schalttechnischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist ein Batteriemodul 10 gezeigt, das vier miteinander verschaltete elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, und 14 aufweist. Eine Ausführung des Batteriemoduls 10 mit mehr als den gezeigten vier elektrochemischen Einheiten ist möglich. Bei den elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 kann es sich erfindungsgemäß, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, sowohl um

Batteriezellen als auch um einzelne Elektrodenwickel, auch englisch:„Jelly-Rolls" genannt, handeln. Positive und negative Elektroden können auf einem

Aufschlagdorn axial versetzt zu einem Elektrodenwickel zusammengerollt werden. Mehrere Elektrodenwickel können zu einer Batteriezelle

zusammengefasst werden. Das Batteriemodul 10 ist entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriemodul.

Dementsprechend weisen entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform die elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 eine Kathode, die Lithium-Metalloxide enthält, und eine Anode aus Graphit auf, die durch eine

ionendurchlässige Trennschicht voneinander getrennt sind.

Die elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 sind vorzugsweise in einer sogenannten 2s2p-Konfiguration angeordnet, wobei die elektrochemischen Einheiten 11 und 12, sowie die elektrochemischen Einheiten 13 und 14, jeweils in Serie miteinander verschaltet sind und die in Serie verschalteten

elektrochemischen Einheiten 11 und 12 mit den in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 13 und 14 parallel verschaltet sind. Diese

Anordnung ist eine bevorzugte Ausführungsform. Entsprechend weiteren möglichen Ausführungsformen können zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet werden, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet werden können.

Die in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 11 und 12 bilden einen ersten Strang 21. Die in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 13 und 14 bilden einen zweiten Strang 22. Der erste Strang 21 und der zweite Strang 22 sind darüber hinaus zwischen den jeweils zwei in Serie verschalteten

elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad 16 elektrisch miteinander verbunden. Der Zwischenpfad 16 verbindet demzufolge den ersten Strang 21 mit dem zweiten Strang 22 zwischen den elektrochemischen Einheiten 11 und 12 bzw. zwischen den elektrochemischen Einheiten 13 und 14. Ein Schaltkontakt 17, der in den Zwischenpfad 16 integriert ist, stellt die stromleitende Verbindung her. Der Schaltkontakt 17 ist im Ausgangszustand geschlossen.

Ein elektronischer Verstärker 18, beispielsweise ein Operationsverstärker (OPV), ist so angeordnet, dass eine bei geöffnetem Schaltkontakt 17 möglicherweise

auftretende Potenzialdifferenz am Zwischenpfad 16, erfasst werden kann. Der elektronische Verstärker 18 ist mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 19 verbunden, der die vom elektronischen Verstärker 18 erfassten analogen

Messwerte in digitale Messwerte umsetzt. Die digitalen Messwerte können an eine übergeordnete Steuereinrichtung (nicht gezeigt) weitergegeben werden. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Batterie-Management-System eines Fahrzeugs sein, das in der Lage ist, im Betrieb als auch während der Standzeiten eines Fahrzeugs mithilfe einer Batterie-Steuer- Einheit (auch englisch: Battery-Control-Unit (BCU)) an jedem einzelnen Batteriemodul über einen Überwachungsschaltkreis (auch englisch: Cell-Supervision-Circuit (CSC)) die Zustandswerte jeder einzelnen elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14, wie beispielsweise die Spannung zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur, zu messen.

Des Weiteren kann der Batteriemodul 10 eine integrierte Leistungselektronik aufweisen, mit der sich zum Beispiel eigensichere elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 oder intelligente elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 realisieren lassen. Die elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 besitzen hierbei bereits die leistungselektronischen Stellglieder, sodass einzelne

elektrochemische Einheiten abgekoppelt oder hinzugeschaltet werden können.

Mithilfe des in Figur 1 dargestellten Batteriemoduls 10 ist es möglich, eine Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, oder 14 festzustellen und somit Gefahrenpotenziale, wie beispielsweise interne Kurzschlüsse, zuverlässig und frühzeitig vorauszusagen.

Wenn sich bei Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, oder 14 Dendriten ausbilden und die Dendriten die Trennschicht zwischen den Elektroden, Anode und Katode, durchdringen, führt dies zum Kurzschluss in der elektrochemischen Einheit. Ein solcher interner Kurzschluss kann einen vollständigen Ausfall oder in schwächer ausgeprägten Fällen eine beschleunigte Selbstentladung der betroffenen elektrochemischen Einheit zur Folge haben. Findet also innerhalb einer elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode statt, so kann durch Dendritenwachstum ein interner Kurzschluss entstehen, der dazu führt, dass die Spannung Ui über der

elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 über einen Zeitraum relativ langsam abfällt. In Figur 1 ist die Spannung Ui nur für die elektrochemische Einheit 11 gezeigt. Bei geschlossenem Schaltkontakt 17 fließt ein dem

Spannungsabfall entsprechender Ausgleichsstrom über den Zwischenpfad 16 und ermöglicht ein Ausgleichen der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14. Wenn der Schaltkontakt 17 geschlossen ist, können sowohl die

Gesamtspannung U2 der beiden Stränge 21 und 22 als auch die

Einzelspannungen Ui jeder elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 ausgeglichen werden.

Sobald der Schaltkontakt 17 geöffnet wird, stellt sich nach einer bestimmten Zeit At eine Potenzialdifferenz am Zwischenpfad 16 ein, die mithilfe des

elektronischen Verstärkers 18 gemessen werden kann. Die vom elektronischen Verstärker 18 erfassten analogen Messwerte werden mithilfe des Analog-Digital-Wandlers 19 in digitale Messwerte umsetzt und an das Batterie-Management-System weitergegeben, um weitere Maßnahmen einleiten zu können.

Über den Zwischenpfad 16 kann somit ein mögliches Dendritenwachstum innerhalb einzelner elektrochemischer Einheiten 11, 12, 13, oder 14, festgestellt werden, welches ein frühzeitiges regulierendes Eingreifen ermöglicht und somit die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batteriemodulen deutlich erhöht.