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Die
Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiequelle mit wenigstens
einem innerhalb der Energiequelle angeordneten Temperatursensor
zum Erfassen der Betriebstemperatur sowie ein Verfahren zum Erfassen
der Betriebstemperatur innerhalb einer elektrochemischen Energiequelle
mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten
Merkmalen.
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Es
ist bekannt, dass für
elektrochemische Energiequellen, sowohl elektrochemische Energiespeicher
als auch elektrochemische Energiewandler, wenn sie an die Grenzen
ihrer Leistungsfähigkeit
gebracht werden, durch den durch sie fließenden Laststrom erwärmt werden.
Hierbei können
die verwendeten Elektroden oder Elektrolyten durch Überhitzung
zerstört
oder angegriffen werden, so dass die Lebensdauer der elektrochemischen
Energiequelle erheblich verkürzt
wird. Um derartigen überhitzungsbedingten
Alterungsprozessen oder gar einer elektrochemischen Zerstörung einer
elektrochemischen Energiequelle vorzubeugen, werden Überhitzungsschutzsysteme
eingesetzt. Hierzu wird die Temperatur innerhalb der elektrochemischen
Energiequelle erfasst und einer Steuerung zugeführt, in der die erfasste Temperatur
mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. In Abhängigkeit
von diesem Vergleich kann die Steuerung beispielsweise die Leistung
eines Kühlsystems
regeln und/oder den von der Energiequelle abzugebenden Laststrom
begrenzen.
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Da
die modernen leistungsstarken elektrochemischen Energiespeicher
und Energiewandler modular aufgebaut sind, indem eine Vielzahl von Zeltmodulen
parallel oder in Reihe geschaltet werden, kommt zusätzlich zu
dem obigen Problem der Überhitzung
hinzu, dass innerhalb eines relativ ausgedehnten Volumens einer
Energiequelle der Temperaturanstieg nicht gleichmäßig erfolgt,
sondern es lokale überhitzte
Bereiche geben kann, die man Hotspots nennt. In einem derartigen
lokalen überhitzten Volumenbereich,
einem Hotspot, kann es daher zu einer lokalen Überhitzung und Zerstörung oder
Alterung kommen, während
ein Temperatursensor, der entfernt von diesem Hotspot angeordnet
ist, eine noch akzeptable Temperatur misst. Deswegen weisen konventionelle
elektrochemische Energiequellen eine Vielzahl von punktuell messenden Temperatursensoren
auf, die innerhalb des Volumens der elektrochemischen Energiequelle
im Wesentlichen gleichmäßig verteilt
angeordnet sind. Bei Vorliegen besonders gefährdeter Volumenbereiche können dort
Temperatursensoren in einer höheren
Dichte angeordnet werden.
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Durch
diese Art einer vielfachen punktuellen Temperaturerfassung innerhalb
des Volumens der elektrochemischen Energiequelle entstehen zum einen
höhere
Kosten für
die Vielzahl der Temperatursensoren und deren Anschlüsse und
zum anderen ein höherer
mess- und regelungstechnischer Aufwand zum Erfassen der vielen Temperaturwerte
in einer Steuerung. Diese erfasste Vielzahl von Temperaturdaten
muss folglich ebenso mit einem hohen Aufwand verarbeitet werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Temperaturerfassung
innerhalb einer elektrochemischen Energiequelle derart zu vereinfachen,
dass die überhitzten
lokalen Raumbereiche, die Hotspots, mit einer geringeren Anzahl
von Temperatursensoren dennoch zuverlässig erkannt werden.
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Durch
eine erfindungsgemäße elektrochemische
Energiequelle mit wenigstens einem innerhalb der Energiequelle angeordneten
Temperatursensor zum Erfassen der Betriebstemperatur, wobei der
wenigstens eine Temperatursensor in wenigstens einer räumlichen
Dimension ausgedehnt ausgebildet ist, wird die Aufgabe der Erfindung
nach einem vorrichtungstechnischen Aspekt gelöst. Dabei wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung unter einer ”ausgedehnten räumlichen
Dimension” eine
Ausdehnung in einer ersten Raumrichtung verstanden, die um ein Mehrfaches
größer ist
als in einer zweiten Raumrichtung, insbesondere um mindestens das
Fünffache, vorzugsweise
um mindestens das Zehnfache, besonders bevorzugt um mindestens das
Zwanzigfache. Das heißt
bei einer Breite eines bandförmigen Temperatursensors
von beispielsweise 5 mm, dass dieser eine Länge von mindestens 25 mm, vorzugsweise
von mindestens 50 mm, besonders bevorzugt von mindestens 100 mm
aufweist. Dadurch, dass der Temperatursensor beispielsweise der
Länge nach ausgebildet
ist und der temperaturabhängige
Widerstand im Wesentlichen gleichmäßig entlang seiner Längenausdehnung
verteilt ist, erfasst ein derartiger Temperatursensor auf analoge
Weise einen Mittelwert der Temperatur aller räumlichen Bereiche, die er mit
seiner Kontaktfläche
durchdringt. Eine lokale starke Erwärmung innerhalb eines von dem
Temperatursensor durchquerten Hotspots ist hierdurch direkt in dem
gemessenen Mittelwert der Temperatur erkennbar. Eine Steuerung,
die dieses berücksichtigt,
kann so eingerichtet sein, dass die Veränderungen der erfassten Mitteltemperatur
entsprechend interpretiert werden.
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Dieser
in wenigstens einer räumlichen
Dimension ausgedehnte Temperatursensor ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung aus einem vorzugsweise biegsamen Draht-,
einem Band- und/oder einem Flächenelement
gebildet. Hierdurch können
einzelne Bereiche innerhalb der elektrochemischen Energiequelle
in Berührung
mit dem ausgedehnten Temperatursensor gebracht werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
der ausgedehnte Temperatursensor um einzelne Bauelemente oder Gruppen
von Bauelementen der Energiequelle umschlingend angeordnet, insbesondere
um einzelne Zellen oder Module oder Gruppen von solchen. Vorzugsweise
erfolgt die Anordnung der ausgedehnten Temperatursensoren so, dass
eine im Wesentlichen gleichmäßige räumliche
Durchdringung der Energiequelle durch die Kontaktfläche des
ausgedehnten Temperatursensors erreicht wird. Beispielsweise können einzelne
Zellen oder Blöcke
innerhalb der elektrochemischen Energiequelle durch einen oder mehrere
ausgedehnte Temperatursensoren umwickelt oder mäanderförmig umfasst werden, wobei zwischen
den dadurch gebildeten Wicklungen ein geringer oder kein Abstand
vorgesehen ist, so dass alle potentiellen lokalen Überhitzungsbereiche,
Hotspots, durch die Temperaturmessung erfasst werden.
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Die
elektrochemische Energiequelle ist vorzugsweise als ein elektrochemischer
Energiespeicher, insbesondere eine Batterie oder ein Akkumulator
oder eine Hochvoltbatterie oder als ein Energiewandler, insbesondere
als eine Brennstoffzelle, ausgeführt.
Solche elektrochemischen Energiespeicher finden eine breite Anwendung
in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Durch die erfindungsgemäß erreichbaren
Kostenvorteile kann daher die umweltfreundliche elektrische Antriebstechnik
eine weitere Verbreitung finden.
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Die
elektrochemische Energiequelle weist vorzugsweise eine Vielzahl
zusammengeschalteter Zelleneinheiten oder zu Modulen zusammengefasster
Zelleneinheiten auf. Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen besonders
gut zum Tragen, wenn die Temperaturerfassung innerhalb eines modular
aufgebauten, viele Zelleneinheiten aufweisenden Gehäusevolumens
einer elektrochemischen Energiequelle verwendet wird.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Erfassen der Betriebstemperatur innerhalb einer elektrochemischen
Energiequelle weist einen Schritt zum Erfassen eines temperaturabhängigen Widerstandes wenigstens
eines innerhalb der Energiequelle angeordneten Temperatursensors
auf.
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Dadurch,
dass die Erfassung der Temperatur durch wenigstens einen in wenigstens
einer räumlichen
Dimension ausgedehnten Temperatursensor ausgeführt wird und hierdurch ein
räumlicher
Temperaturmittelwert wenigstens eines erfassten Volumenbereiches
der Energiequelle ermittelt wird, ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung gelöst.
Insbesondere ist der wenigstens eine Temperatursensor innerhalb
der Energiequelle möglichst
gleichmäßig räumlich angeordnet.
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Mit
den erfindungsgemäßen Merkmalen
ist es möglich,
auf eine wirtschaftliche Art und Weise die räumliche Verteilung der Temperatur
innerhalb einer elektrochemischen Energiequelle unter Einbeziehung
lokaler Überhitzungsbereiche,
sogenannter Hotspots, zu verwirklichen. Es kann erfindungsgemäß das gesamte
Innenvolumen einer elektrochemischen Energiequelle durch nur einen
ausgedehnten Temperatursensor erfasst werden. In einer alternativen
Ausgestaltung kann das Innenvolumen der elektrochemischen Energiequelle
in mehrere Volumenbereiche aufgeteilt sein, die jeweils von einem
ausgedehnten Temperatursensor durchdrungen werden. Das erfasste
Temperaturmesssignal bzw. die Temperaturmesssignale werden erfindungsgemäß einer Steuerung
zugeführt,
die dafür
ausgelegt ist, Temperaturmittelwerte derart zu verarbeiten, dass
das Auftreten von lokalen Überhitzungsbereichen,
den Hotspots, erkannt wird.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische räumliche Anordnung
einer erfindungsgemäßen elektrochemischen
Energiequelle 10.
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Eine
im dargestellten Beispiel rechteckig ausgebildete elektrochemische
Energiequelle 10 weist ein Gehäuse 101 auf, in dem
(nicht dargestellte) Zellen, beispielsweise einer Batterie oder
einer Brennstoffzelleangeordnet sind, wobei die Zellen wiederum
elektrisch (entweder in Parallel- oder
in Reihenschaltung) zu Modulen zusammengeschlossen sein können. Meist
bilden diese Zellen eines Moduls nicht nur eine elektrische sondern
auch eine räumliche
Einheit, indem sie in räumlicher
Nähe zueinander
angeordnet sind. Mehrere Module können je nach Typ der elektrochemischen
Energiequelle weiter in Reihe oder parallel verschaltet werden.
In vielen Systemen sind ferner (nicht dargestellte) Kühlungs-
und/oder Belüftungseinrichtungen vorgesehen,
beispielsweise konvektiv oder forciert betriebene Zu- und Ablüftungskanäle für Luftströme.
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Die
abgegebene Leistung der beispielsweise als Batterie ausgeführten Energiequelle 10 wird durch
den Stromfluss an den Stromabnehmern (Klemmen) bestimmt, dieser
wiederum durch den Stromfluss durch die Module bzw. Zellen und hängt somit
vom Zellwiderstand ab. Somit bedingt der jeweilige Stromfluss das
thermische Verhalten des Gesamtsystems, da die Stromwärme durch
den Zellwiderstand generiert wird. Durch unvorteilhaftes Design
der Lüftungsführung kann
es zu sogenannten Wärmenestern
(Hotspots) kommen, an denen die Temperatur deutlich höher als
die Temperatur der umgebenden Zellen ist. Diese Hotspots führen auf Dauer
zu einem frühzeitigen
Altern des Systems, so dass Lebensdauerangaben nicht mehr eingehalten werden.
Entsprechende Wärmeentwicklungen
können
auch durch übermäßige Belastung
durch Lade- oder Entladeströme
entstehen, wie sie elektromotorisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere
Hybrid-, reinen Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeugen, vorkommen.
Um irreversible Schädigungen,
beispielsweise durch Ausgasungen oder thermischen Zersetzungen,
zu vermeiden, müssen
die elektrischen Ströme
durch eine Systemsteuerung begrenzt werden. Dies setzt die Erfassung
und zeitliche Beobachtung und Steuerung der thermischen Entwicklung der
Energiequelle voraus.
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Die
in 1 als Blasen oder Kugelelemente dargestellten
Temperaturmessfelder V1 bis Vn geben beispiel-
und skizzenhaft die einzelnen, in Bezug auf eine Überhitzung
interessierenden und zu beobachtenden Volumenbereiche wider. Ein
bzw. mehrere (nicht dargestellte) ausgedehnte Temperatursensoren
können
erfindungsgemäß so angeordnet
werden, dass deren erfasste Messwerte bevorzugt den als Blasen dargestellten
Temperaturmessfeldern V1 bis Vn zugeordnet
werden, so dass die Signale der Sensoren Temperaturmittelwerte dieser
Bereiche darstellen. Somit entsprechen die Volumina V1 bis
Vn den räumlichen
Temperaturmessbereichen der einzelnen Sensoren. Diese räumliche
Erstreckung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass Temperatursensoren
mit einer ausgeprägten
räumlichen
Dimension im Sinne der Erfindung um eine oder mehrere Zellen oder
ein oder mehrere Module (entsprechend den Bereichen V1 bis
Vn) umschlingend angeordnet werden, um den
Temperaturmittelwert dieser Elemente zu erfassen. Entsprechende
Widerstandsthermometer etwa aus Platin (PT), Nickel (Ni) oder Kupfer
(Cu) sind beispielsweise in Längen
von 50 bis 900 mm erhältlich.
Dabei kann darauf geachtet werden, dass eventuell vorhandene (luft-
oder wassergekühlte)
Wärmebrücken zwischen
den Zellen oder Modulen wärmeisoliert
sind, um den Temperaturmesswert nicht zu verfälschen.
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Die
Erfindung ist auf eine elektrochemische Energiequelle anwendbar,
die beispielsweise als ein elektrochemischer Speicher ausgeführt sein
kann, der aus einzelnen Zellen oder Modulen besteht und beispielsweise
eine aufladbare oder nicht aufladbare Batterie oder einen Akkumulator
bildet. Die erfindungsgemäßen Merkmale
können
ebenso auf eine elektrochemische Energiequelle angewendet werden,
die als ein Energiewandler ausgeführt ist. Beispielsweise kann
es eine Brennstoffzelle sein, die Wasserstoff und Sauerstoff oder
eine andere Gasmischung in einer elektrochemischen Reaktion in elektrischen
Strom wandelt.
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- 10
- elektrochemische
Energiequelle
- 101
- Gehäuse
- V1...n
- Temperatur-Messfeld