DE102005058315A1

DE102005058315A1 - Verfahren zur exakten Erfassung und Bestimmung von Temperaturen in Batterien, Akkumulatoren oder Akku-Packs

Info

Publication number: DE102005058315A1
Application number: DE102005058315A
Authority: DE
Inventors: Mario Ing. Feierer; Jochen Dipl.-Ing. König; Peter Schlichenmaier
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, das mit einem Infrarotsensor oder einer Wärmebildkamera die Batterie- oder Akkuoberfläche an verschiedenen von einander beabstandeten Messpunkten lokal erfasst und ermittelt. Hierbei können mit dem Infrarotsensor verschiedene Abtastwege bzw. Scankurven relativ zur messenden Batterieoberfläche abgefahren werden, oder es werden aus einer Wärmebildaufnahme einzelne Messpunkte nach einem vorgegebenen Muster elektronisch aufgewählt. Je umfangreicher die Anzahl der Messpunkte und je aufwendiger die Abtastwege bzw. Messpunktmuster desto genauere Aussagen zur Temperaturverteilung und desto genauere Aussagen zum Batterie- oder Akkuzustand werden möglich. Bei Abtastungen, bei denen pro Batteriezelle mindestens ein Messpunkt aufgenommen wird, werden Analysen zu den einzelnen Batterie- oder Akkuzellen möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, mit dem eine exakte Bestimmung einer Temperaturverteilung oder eine Temperaturänderung beim Ladevorgang einer Batterie oder eines Akkumulators ermittelt wird. Als Temperatursensor wird ein Infrarotsensor eingesetzt.

Batterieladesystem mit Infrarot Temperatursensor sind beispielsweise aus der EP 0473514 A2 oder aus der JP 57021077 A bekannt. Mit dem Temperatursensor wird hierbei während des Ladevorganges die Temperaturentwicklung in der oder den zu ladenden Batterien überwacht. Die Temperaturüberwachung während des Ladevorganges ist hierbei insbesondere bei Schnellladevorgängen in Ni-MH Batterien notwendig, da durch den Ladevorgang Wärme freigesetzt wird und eine Überhitzung der Batterien verhindert werden muss. Die Ladesysteme unterbrechen daher bei Erreichen einer kritischen Grenztemperatur während des Ladevorgangs diesen Ladevorgang, um eine Schädigung der Batterie zu verhindern.

Mit den vorgenannten Ladesystemen und Temperaturüberwachungen werden die zu ladenden Batterien lediglich integral auf einen Temperaturschwellwert hin überwacht. Genauere Analysen sind mit dieser integralen Temperaturüberwachung nicht möglich.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die Temperaturmessung an Batterien oder Akkumulatoren so weit zu verbessern, dass auch genauere Analysen und genauere Aussagen über die zu ladenden Einheiten möglich werden.

Die Lösung gelingt mit einem Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung offenbart.

Die Lösung gelingt hauptsächlich mit einem Messverfahren, das mit einem Infrarotsensor oder einer Wärmebildkamera die Batterie- oder Akkuoberfläche an verschiedenen von einander beabstandeten Messpunkten lokal erfasst und ermittelt. Hierbei können mit dem Infrarotsensor verschiedene Abtastwege bzw. Scankurven relativ zur messenden Batterie- oder Akkuoberfläche abgefahren werden, oder es werden aus einer Wärmebildaufnahme einzelne Messpunkte nach einem vorgegeben Muster elektronisch ausgewählt. Je umfangreicher die Anzahl der Messpunkte und je aufwendiger die Abtastwege bzw. Messpunktmuster desto genauere Aussagen zur Temperaturverteilung und desto genauere Aussagen zum Batterie- oder Akkuzustand werden möglich. Bei Abtastungen, bei denen pro Batteriezelle mindestens ein Messpunkt aufgenommen wird, werden Analysen zu den einzelnen Batterie- oder Akkuzellen möglich.

In einer weiteren Ausführungsform können pro Batterie- oder Akkuzelle mindestens zwei Messwerte an lokal voneinander beabstandeten Messpunkten genommen werden. Hierdurch kann z.B. eine lokale Überhitzung und damit bei Nassbatterien ein zu starkes Ausgasen frühzeitig erkannt werden und eine beginnende Austrocknung der Zelle frühzeitig erkannt werden.

Dies trifft besonders dann zu, wenn einer der Messpunkte am oberen Plattenende und der andere Messpunkt in der Nähe des unteren Plattenendes der jeweiligen Anoden und Kathoden liegt.

In einer anderen Ausführungsform können durch Differenzbildung der Messwerte die Temperaturen von benachbarten Batterie- oder Akkuzellen miteinander verglichen werden und Temperaturerhöhungen in einzelnen Batterie- oder Akkuzellen festgestellt werden.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielbaren Vorteile werden in den besseren Analysemöglichkeiten gesehen, die mit der verbesserten Messwertaufnahme möglich werden. Im Zuge eines Prüf- und Ladevorganges einer Batterie oder eines Akkus, kommt es zu chemischen Reaktionen, die zu einer Erwärmung der Batterie oder des Akkus führen. Bei einer defekten Batterie (z.B. Zellschluss, starke Sulfatablagerung) kann es zu einer sehr raschen Erwärmung kommen, welche bei Nichterfassen oder zu langsamer Erfassung unmittelbar zum Gasaustritt und bei bestimmten Batterietypen sogar zum Säureaustritt oder zur Explosion führen kann. Zur Vorbeugen dieser gravierenden Reaktionen wird mit der Erfindung eine möglichst schnelle und möglichst genau auflösende Temperaturüberwachung vorgeschlagen. Die lokalen Messpunkte können die Temperatur schneller und präziser erfassen, da eine lokale Messung weniger durch Trägheitsmomente beeinflusst ist als eine integrierende Messung, bei der eine Mittelung über einen größeren Bereich hin stattfindet.

Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand von zeichnerischen Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 Eine Prinzipskizze für eine Temperaturmessung mittels Infrarotsensor, wie sie prinzipiell auch aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 Eine Prinzipskizze für eine lokale Temperaturmessung mit mehreren Messpunkten;
3 Eine Prinzipskizze für die Erfassung einer Temperaturerhöhung in einer einzelnen Batteriezelle;
4 Eine Prinzipskizze für eine Temperaturmessung mit zwei Messpunkten pro Batteriezelle;
5 Eine Prinzipskizze für eine Temperaturmessung mit zwei Messpunkten pro Zelle und zusätzlicher Differenzbildung der Messwerte aus zwei Messpunkten.
1 zeigt eine Prinzipskizze für eine Temperaturmessung mittels Infrarotsensor, wie sie prinzipiell auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Verfahren verwendet einen Infrarotsensor 1, welcher direkt die Oberflächentemperatur der Batterie- oder Akkuummantelung 2 erfasst. Diese Art der Temperaturmessung hat den Vorteil, dass die Messung weitgehend unabhängig von Verschmutzungen auf der Gehäuseoberfläche ist. Der eher gedankliche Messstrahl 3 wird hierbei auf einen Messpunkt 4 der Gehäuseoberfläche gerichtet und erfasst für diesen Bereich die Temperatur aufgrund der Wärmeabstrahlung dieses Messpunktes, die von dem Infrarotsensor erfasst wird. Der Infrarotsensor kann hierbei auch als Wärmebildkamera ausgebildet sein, die in einem Messschritt die Temperaturverteilung über die gesamte Batterieoberfläche aufnimmt. Zur Auswertung werden dann ausgewählte Messpunkte herangezogen.
Alternativ kann die Batterie oder Akkuoberfläche auch mit einem punktuell messenden Infrarotsensor abgescannt werden, indem entweder der Infrarotsensor oder die Unterlage des Batteriemessplatzes motorisch angetrieben und dadurch beweglich ist, so dass mittels der Motorik verschiedene Abtastwege abgefahren werden können.
Messpunktmuster, wie sie bei der Erfindung zum Einsatz kommen, mit mehreren, voneinander beabstandeten Messpunkten werden im Folgenden an Hand der 2 bis 5 erläutert.
Ein erstes Messpunktmuster zeigt 2. Bei diesem Muster wird pro Batteriezelle oder Akkuzelle durch einen Abtastweg ein Messpunkt platziert und dessen Temperatur erfasst. Durch dieses Messpunkt Muster kann die Temperaturverteilung T der Batterie oder des Akkus besser erfasst werden und es können die einzelnen Batteriezellen 5 abgetastet und erfasst werden. Der Defekt einer Zelle kann somit besser aufgefunden werden. Das Messpunkt Muster kann insbesondere als lineares Mehrpunktmuster ausgebildet sein.
Sollte für das Auffinden von defekten in einzelnen Batterie- oder Akkuzellen die einfache Temperaturerfassung nicht ausreichen, so kann durch Differenzbildung der Messwerte aus jeweils benachbarten Zellen, eine Temperaturüberhöhung ΔT einer einzelnen Zelle festgestellt werden. (3) Zusätzlich kann mit einer nach geordneten rechnerischen Auswertung einer Messwerterfassung ein Schwellwertvergleich durchgeführt werden, um natürliche Temperaturschwankungen zwischen den einzelnen Zellen nicht als Defekt werten zu müssen.
4 zeigt ein Messpunkt Muster, bei dem pro Batterie- oder Akkuzelle zwei voneinander beabstandete Messpunkte platziert und erfasst werden. Dies kann z.B. mit einer Mehr-Punkt Messung erfolgen, bei der der Infrarotsensor nicht nur eine Horizontal Bewegung, sondern auch ein Vertikal Bewegung ausführt. Durch dieses Messpunkt Muster wird es möglich zusätzlich zum Messabgriff für einzelne Batterie- oder Akkuzellen auch ein Temperaturprofil in der einzelnen Zelle zu erfassen. Dadurch können Rückschlüsse auf eventuelle Zellschlüsse, Plattenverbindungsfehler und Sulfatablagerungen getroffen werden.
5 verdeutlicht ein noch aufwendigeres Messpunktmuster. Bei diesem Messpunktmuster ist im Vergleich und in Ergänzung zu dem Messpunkt Muster aus 4 eine Differenzbildung zwischen den beiden Temperaturen der zwei Messpunkte einer Batterie- oder Akkuzelle vorgesehen. Die Differenzbildung liefert einen Temperaturgradienten innerhalb der Batterie- oder Akkuzelle. Außerdem kann ebenfalls zusätzlich vorgesehen sein, das Messpunkt Raster mit einem Abtastvorgang mehrfach zu durchlaufen, z.B. zweimal oder 10-mal zu durchlaufen, um statistische Messwertabweichungen einer Einzelmessung besser herausfiltern oder zumindest durch Mittelwertbildung ausgleichen zu können.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Temperaturverteilung in einer Batterie, einem Akkumulator oder einem Akku-Pack mit einem Infrarotsensor oder einer Wärmebildkamera, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Messpunktmuster die Oberflächentemperaturen von lokal voneinander beabstandete Messpunkten erfasst werden und dass das Messpunktmuster pro Batterie- oder Akkuzelle mindestens einen Messpunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Batterie- oder Akkuzelle mit dem Messpunktmuster die Temperaturen von mindestens zwei lokal voneinander beabstandeten Messpunkten erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den beiden erfassten Temperaturen ein Temperaturgradient ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten Temperaturen von benachbarten Batterie- oder Akkuzellen die Differenz gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Messpunktmuster mehrfach erfasst werden und die erfassten Temperaturen eines Messpunktes gemittelt werden.