DE102009024657A1 - Verfahren zum Betrieb einer Hochleitstungs-Batterie sowie für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Hochleitstungs-Batterie sowie für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Hochleistungs-Batterie (6), die mehrere parallel geschaltete Stränge (10) aus jeweils mehreren in Reihe geschalteten Batterieeinheiten (11, 12) umfasst, werden - zumindest eine Referenzgröße der Batterie (6) gemessen und daraus ein zu erwartendes Profil (45) der Batterie (6) in Bezug auf einen physikalischen Parameter der Batterieeinheiten (11, 12) abgeleitet, - aktuelle Werte des physikalischen Parameters der Batterieeinheiten (11, 12) mit Hilfe von Bragg-Gitter-Sensoren (20) gemessen und daraus ein aktuelles Profil (40) der Batterie (6) in Bezug auf den physikalischen Parameter abgeleitet, - das aktuelle Profil (40) mit dem zu erwartenden Profil (45) verglichen und - der Betrieb der Batterie (6) in Abhängigkeit von einer Abweichung von dem zu erwartenden Profil (45) gesteuert und/oder geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hochleistungs-Batterie gemäß Patentanspruch 1 sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12.
  • Derzeit sich in der Entwicklung befindliche Hochleistungs-Batterien auf Basis von z. B. Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymer-Zellen, Li-Eisen-Phosphat-Batteriezellen, Li-Titanat-Batteriezellen und Kombinationen davon zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen Batterien, wie z. B. Bleibatterien, durch eine erhebliche Verkürzung der Lade- und Entladezeiten und eine erhebliche Erhöhung des Kurzzeit-Entladestromes aus. Auf der anderen Seite werden als problematisch für ihren Einsatz in einem als Großanlage ausgebildeten Gleichstrominselnetz, wie z. B. in einer Eigenstromversorgung eines Kraftwerkes oder in einem U-Boot-Gleichstromnetz, die außerordentlich hohen prospektiven Kurzschlussströmen gesehen, die beispielsweise 20 kA für einen Batteriestrang und bis zu 500 kA pro Batterie betragen können.
  • Eine Hochleistungs-Batterie in einem Gleichstrominselnetz umfasst hierbei üblicherweise mehrere parallel geschaltete Batteriemodule mit jeweils einem Strang oder mehreren parallel geschalteten Strängen von in Reihe geschalteten Hochleistungs-Batteriezellen, wobei der bzw. jeder der Stränge die Netzspannung des Gleichstrominselnetzes hat. Für das Schalten der Betriebsströme und die Begrenzung der Kurzschlussströme weist eine Batterieanlage in einem Gleichstrominselnetz üblicherweise noch eine Schalteinrichtung auf. Ein Gleichstrominselnetz mit einer Hochleistungs-Batterie und einer derartigen Schalteinrichtung ist beispielsweise in der EP 1 641 066 A2 und der WO 2008/055493 A1 offenbart.
  • Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batteriezellen und -module für die Verwendung in derartigen Netzen sind beispielsweise aus dem Aufsatz „Development of high energy lithium-ion cells" von K. Brandt und S. Theuerkauf in „Naval Forces special Issue 2007", Seite 109 bekannt.
  • Um Überlastungen, Kurzschlüsse und allgemeine Schädigungen an der Batterie und den Batterie-Modulen zu vermeiden sind entsprechende Überwachungen und Sicherheitsfunktionen notwendig. Gleichzeitig soll die Batterie bzw. deren einzelne Module oder Zellen in ihren Lade- und Entladezyklen optimal betrieben werden. Auch hierzu sind entsprechende Überwachungen und Steuerungsfunktionen notwendig. Die Überwachungs-, Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen müssen dabei in kurzschlusssicherer Ausführung erfolgen, da sonst von diesen Funktionen selbst Gefahren ausgehen. Für einen Einsatz der Batterie in einem Fahrzeug, insbesondere einem Wasserfahrzeug, müssen sich die hierfür benötigten Einrichtungen durch Robustheit, eine geringe Anfälligkeit gegen elektromagnetische Strörungen, eine geringen Platzbedarf und ein geringes Gewicht auszeichnen.
  • Aus der KR 812742 B1 ist es bereits bekannt, bei einer Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen die Temperatur der einzelnen Batteriezellen mit Bragg-Gitter-Sensoren zu überwachen. Die Bragg-Gitter-Sensoren sind dabei in einem Lichtwellenleiter angeordnet, der entlang der Batteriezellen verläuft und mit den Batteriezellen im Bereich ihrer Stromanschlüsse verbunden ist.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, für eine eingangs erläuterte Hochleistungs-Batterie mit einer Vielzahl von Batteriesträngen und Batteriezellen und damit verbunden relativ großer räumlichen Ausdehnung ein Betriebsverfahren anzugeben, das einen sicheren und optimalen Betrieb der Batterie, insbesondere bei einem Einsatz der Batterie in einem Gleichstrominselnetz wie z. B. in einem Wasserfahrzeug, ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
  • Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11. Eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 13 bis 15.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Hochleistungs-Batterie, wobei die Batterie mehrere parallel geschaltete Stränge aus jeweils mehreren in Reihe geschalteten Batterieeinheiten (z. B. Batteriemodule oder Batteriezellen) umfasst, wird zumindest eine Referenzgröße der Batterie gemessen und daraus ein zu erwartendes Profil der Batterie in Bezug auf einen physikalischen Parameter der Batterieeinheiten abgeleitet. Bei dem physikalischen Parameter kann es sich beispielsweise um eine Temperatur, Ausdehnung oder Vibration einer Batterieeinheit handeln. Außerdem werden aktuelle Werte des physikalischen Parameters der Batterieeinheiten mit Hilfe von Bragg-Gitter-Sensoren gemessen und daraus ein aktuelles Profil der Batterie in Bezug auf den physikalischen Parameter abgeleitet. Das aktuelle Profil wird mit dem zu erwartenden Profil verglichen und der Betrieb der Batterie in Abhängigkeit von einer ermittelten Abweichung von dem zu erwartenden Profil gesteuert und/oder geregelt.
  • Da eine Vielzahl von Bragg-Gitter-Sensoren in einem gemeinsamen Lichtwellenleiter angeordnet werden können, ist die Erfassung der Messwerte mit relativ geringem Verkabelungsaufwand und somit geringem Gewicht und Platzbedarf auch bei einer Batterie mit einer Vielzahl von Strängen und Zellen möglich. Weiterhin zeichnet sich eine Messwerterfassung auf Basis von Bragg-Gitter-Sensoren und Lichtwellenleitern durch Festigkeit gegen Kurzschlüsse, Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen und Robustheit aus. Unter einem Pro fil der Batterie in Bezug auf einen physikalischen Parameter der Batterieeinheiten wird hierbei eine Menge von Werten für diesen Parameter für die einzelnen Batterieeinheiten zu einem bestimmten Zeitpunkt verstanden.
  • Der Betrieb der Batterie erfolgt somit nicht auf Basis einer isolierten Einzelbetrachtung jeder einzelnen Batterieeinheit, sondern auf Basis eines Gesamtbildes der Batterie, das sich aus einer Vielzahl von Messwerten von vielen unterschiedlichen Batterieeinheiten zusammensetzt und das wiederum in Bezug gesetzt wird zu betrieblichen Rahmenbedingungen der Batterie, die mit Hilfe der Referenzgröße erfasst werden. Betriebliche Rahmenbedingungen der Batterie sind beispielsweise die Umgebungstemperatur der Batterie, mechanische Einwirkungen wie z. B. Vibrationen oder Stöße, Ausrichtung der Batterie, hohe oder geringe Strombelastung der Batterie aufgrund Entladung oder der Ladungszustand der Batterie oder einzelner Batteriezellen. Neben den betrieblichen Rahmenbedingungen können aber auch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Batterieeinheiten (z. B. gegenseitige Erwärmung) und der Einbauort innerhalb der Batterie (z. B. in der Mitte oder am Rand) berücksichtigt werden. Hierdurch kann der Betrieb einer Batterie mit einer Vielzahl von Strängen und Zellen und damit verbunden relativ großer räumlichen Ausdehnung optimiert und gleichzeitig die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Batterie erhöht werden.
  • Die Ableitung des zu erwartenden Profils aus dem Messwert der Referenzgröße kann entweder auf Basis vorher (z. B. rechnerisch und/oder experimentell) ermittelter und abgespeicherter Profile erfolgen, die jeweils unterschiedlichen Messwerten der Referenzgröße zugeordnet sind, oder auf Basis einer aktuellen Berechung, erfolgen, die beispielsweise auch mit Hilfe eines neuronalen Netz erfolgen kann.
  • Vorzugsweise wird die Kühlung der Batterie und/oder die Ladung der Batterieeinheiten in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung von dem zu erwartenden Profil gesteuert und/oder geregelt und somit das aktuelle Profil gezielt an das zu erwartende Profil herangeführt.
  • Bei einer unzulässigen Abweichung von dem zu erwartenden Profil kann die Batterie zumindest teilweise abgeschaltet werden.
  • Eine besonders hohe Genauigkeit des Verfahrens ist hierbei dadurch erzielbar, dass jeder Batterieeinheit zumindest ein eigener Bragg-Gitter-Sensor zugeordnet ist.
  • Eine besonders genaue Auswertung bei gleichzeitig geringem Verkabelungsaufwand ist dadurch möglich, dass jedem Strang ein eigener Lichtwellenleiter zugeordnet ist, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren sämtlicher Batterieeinheiten des Stranges angeordnet sind.
  • Im Fall dass die Stränge jeweils eine gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten Batterieeinheiten aufweisen, kann auch den in den Reihenschaltungen an jeweils gleicher Stelle angeordneten Batterieeinheiten ein gemeinsamer Lichtwellenleiter zugeordnet sein, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren dieser Batterieeinheiten angeordnet sind.
  • Der Bragg-Gitter-Sensor kann dabei innerhalb der Batterieeinheit, auf deren Oberfläche oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet sein.
  • Bevorzugt wird die zumindest eine Referenzgröße ebenfalls mit zumindest einem Bragg-Gitter-Sensor gemessen, wobei dieser vorzugsweise außerhalb der Batterie angeordnet ist. Die Referenzgröße kann hierdurch ohne Beeinflussung durch die Batterie selbst gemessen und somit das zu erwartende Profil mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
  • Eine gleichzeitige Messung sowohl der Temperatur, der Ausdehnung als auch von Vibrationen einer Batterieeinheit ist dadurch möglich, dass in eine Oberfläche der Batterieeinheiten eine Ausnehmung eingebracht ist, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser des Lichtwellenleiters angepasst ist, und dass in der Ausnehmung ein Lichtwellenleiter mit zumindest einem Bragg-Gitter-Sensor angeordnet ist. Hierdurch können besonders vorteilhaft abnormale Verformungen der Batterieeinheit, die auf eine Überlastung oder einen Defekt hinweisen, identifiziert werden.
  • Eine besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst
    • – zumindest einen Bragg-Gitter-Sensor zur Messung eines Wertes zumindest einer Referenzgröße der Batterie,
    • – für jede der Batterieeinheiten jeweils zumindest einen Bragg-Gitter-Sensor zur Messung eines aktuellen Wertes des physikalische Parameters der Batterieeinheiten,
    • – eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass sie
    • a) aus dem Messwert der Referenzgröße ein zu erwartendes Profil der Batterie in Bezug auf den physikalischen Parameter der Batterieeinheiten ableitet,
    • b) aus den gemessenen aktuellen Werten des physikalische Parameters der Batterieeinheiten ein aktuelles Profil der Batterie in Bezug auf den physikalischen Parameter ableitet,
    • c) das aktuelle Profil mit dem zu erwartenden Profil vergleicht und
    • d) den Betrieb der Batterie in Abhängigkeit von einer ermittelten Abweichung von dem zu erwartenden Profil steuert und/oder regelt.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
  • 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Gleichstrominselnetz mit einer Hochleistungsbatterie,
  • 2 den elektrischen Aufbau eines Batteriemoduls von 1,
  • 3 ein Beispiel für eine Batteriezelle,
  • 4 eine Seitenansicht eines Batteriemoduls,
  • 5 eine Vorderansicht eines Batteriemoduls,
  • 6 eine Batteriezelle mit einer Ausnehmung,
  • 7 die Batteriezelle von 6 mit einer Lichtwellenleiterwicklung,
  • 8 eine erste Anordnung von Bragg-Gitter-Sensoren in Lichtwellenleitern,
  • 9 eine zweite Anordnung von Bragg-Gitter-Sensoren in Lichtwellenleitern,
  • 10 eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 11 eine zweite Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 12 ein aktuelles Batterieprofil,
  • 13 ein erwartetes Batterieprofil.
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als U-Boot-Gleichstromnetz 1 ausgebildeten Gleichstrominselnetzes bestehend aus einem ersten Teilnetz 2 und einem nicht näher dargestellten zweiten Teilnetz 3, das zu dem ersten Teilnetz 2 symmetrisch aufgebaut ist. Die Teilnetze 2, 3 sind über eine Netzkupplung 4 miteinander verbindbar oder verbunden. Jedes der Teilnetze 2, 3 weist einen Generator 5 zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Batterie 6 zur Speicherung der elektrischen Energie und als Energieverbraucher einen Motor 7 (z. B. einen DC-Motor oder einen DC-gespeisten Motor) zum Antrieb eines Propellers 8 des U-Bootes sowie ein nicht näher dargestelltes Bordnetz auf. Die Teilnetze 2, 3 können natürlich auch jeweils mehrere parallel geschaltete Generatoren 5 und Batterien 6 aufweisen. Bei den Batterien der Teilnetze 2, 3 kann es sich auch um Teilbatterien einer einzigen Batterie handeln.
  • Die einzelnen Komponenten der Teilnetze 2, 3 sind über nicht näher dargestellte Schutz- und Schaltelemente miteinander verbunden.
  • Die folgenden Erläuterungen beziehen sich hierbei auf das Teilnetz 2, sind aber gleichermaßen für das Teilnetz 3 gültig.
  • Die Batterie 6 des Teilnetzes 2 besteht aus mehreren parallel geschalteten Strängen 10 (z. B. zehn Stränge oder mehr) von in Reihe geschalteten Batteriemodulen 11. Jedes der Batteriemodule 11 besteht wiederum – wie in 2 gezeigt – aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 12 (z. B. 20 in Reihe geschaltete Batteriezellen). Bei den Batteriezellen 12 handelt es sich um Hochleistungsenergiespeicher wie z. B. Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymerbatteriezellen oder Kombinationen daraus. Die einzelnen Stränge 10 weisen hierbei jeweils eine gleiche Anzahl gleicher Module 11 mit jeweils einer gleichen Anzahl von Batteriezellen 12 auf. Die Höhe der Netzspannung des Netzes 1 ergibt sich somit aus der Anzahl der in den einzelnen Strängen 10 in Reihe geschalteten Batteriezellen 12 und der Höhe der Spannung der einzelnen Batteriezellen 12. Die für die Energieverbraucher in dem Netz 1 zur Verfügung stehende Leistung ergibt sich aus der Anzahl der parallel geschalteten Stränge.
  • Wie in 3 gezeigt, sind die Batteriezellen 12 beispielsweise zylinderförmig mit einer Mantelfläche 13 und zwei Stirnflächen 14, 15 ausgebildet. An den Stirnflächen 14, 15 befindet sich jeweils ein Anschlusskontakt 16 für den elektrischen Anschluss an die Batteriezelle 12.
  • Ein beispielhafter konstruktiver Aufbau eines Moduls 11 mit sechs Batteriezellen 12 ist in 4 und 5 dargestellt. Dabei zeigt 4 eine Seitenansicht und 5 eine Vorderansicht eines Moduls 11. Das Batteriemodul 11 umfasst eine Haltestruktur oder Gehäuse 17, in der die Batteriezellen 12 des Moduls 11 aufeinander gestapelt gehalten sind und über elek trische Leiter 18 miteinander in Reihe geschaltet sind. Die elektrischen Leiter 18 verlaufen hierbei abwechselnd auf der einen und der anderen Seite des Moduls 11. Zusätzlich umfasst das Modul 11 eine Modul-Management-Einrichtung 19 zur Überwachung und Ladesteuerung des Moduls 11.
  • Wie in 6 gezeigt, weist die Zelle 12 an ihrer Oberfläche im Bereich ihrer Mantelfläche 13 eine umlaufende Ausnehmung 21 auf, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser einer Lichtwellenleiter angepasst ist. Wie in 7 gezeigt, ist in der Ausnehmung 21 formschlüssig ein Lichtwellenleiter 22 in Form einer flexiblen Glasfaser mit einem Bragg-Gitter 20 angeordnet. Der Lichtwellenleiter 22 verläuft hierbei in der Ausnehmung genau einmal um die Mantelfläche 13, d. h. er bildet eine Wicklung um die Mantelfläche 13 der Zelle aus. Grundsätzlich kann bei entsprechender Größe der Ausnehmung der Lichtwellenleiter 22 auch mehrfach um die Zelle 12 gewickelt sein. Es ist auch möglich, den Bragg-Gitter-Sensor 20 innerhalb der Zelle 12 oder in deren unmittelbarer Nähe anzuordnen. In der Wicklung um die Zelle 12 können auch mehrere Bragg-Gitter-Sensoren 20 angeordnet sein.
  • Ein Bragg-Gitter-Sensor ist durch Einschreiben einer Gitterstruktur in einen Lichtwellenleiter ausgebildet. Ein Lichtwellenleiter 22 weist üblicherweise einen Mantel und einen Kern auf. Das Bragg-Gitter 20 besteht aus einer periodischen Folge von scheibenförmigen Bereichen, die in dem Kern des Lichtwellenleiters 22 angeordnet sind und die einen von dem normalen Brechungsindex n2 des Kerns des Lichtwellenleiters abweichenden Brechungsindex n1 aufweisen. Eine mechanische Verformung des Lichtwellenleiters 22 im Bereich eines Bragg-Gitters 20, z. B. aufgrund einer Temperaturänderung oder einer Verformung der Zelle führt zu einer lokalen Längenexpansion oder -kontraktion und damit zu einer Änderung der Gitterperiode, was eine Verschiebung der spektralen Intensitätsverteilung des zurückgestreuten Lichtes zur Folge hat. Das Ausmaß dieser Verschiebung ist ein Maß für die Längenänderung und damit für die Temperaturänderung oder Verformung der Zelle 12.
  • Bei dem gemessenen physikalischen Parameter handelt es sich somit beispielsweise um die Temperatur, Ausdehnung oder Vibration des Batteriemoduls oder der Batteriezelle.
  • Wie in 8 gezeigt, können die Bragg-Gitter-Sensoren 20 sämtlicher Zellen 12 der Batteriemodule 11 eines Stranges 10 in einem einzigen gemeinsamen Lichtwellenleiter 22 angeordnet sein, der entlang der in Reihe geschalteten Zellen 12 verläuft und um jede Zelle 12 eine oder mehrere Wicklungen bildet.
  • Wenn die Stränge 10 jeweils eine gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten Modulen 11 mit jeweils einer gleichen Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 12 aufweisen, können – wie in 9 gezeigt – auch die Bragg-Gitter-Sensoren 20 der in den Reihenschaltungen an jeweils gleicher Stelle angeordneten Batteriezellen 12 in einem einzigen gemeinsamen Lichtwellenleiter 22 angeordnet sein.
  • Die Gitterperiode der Bragg-Gitter 20 der verschiedenen Zellen 12 eines Stranges 10 kann gleich oder unterschiedlich gewählt sein.
  • Ist die Periode der Bragg-Gitter 20 der verschiedenen Zellen 12 eines Stranges 10 unterschiedlich gewählt, dann wird zur Messung des physikalischen Parameters bevorzugt Licht einer Lichtquelle mit einer breitbandigen Verteilung der Intensität über der Wellenlänge in den Lichtwellenleiter 22 Licht eingestrahlt. Es wird dann ein geringer Teil des Lichtes an den Bragg-Gittern 20 zurückgestreut, und zwar mit einer für das jeweilige Gitter charakteristischen spektralen Intensitätsverteilung, die von der Gitterperiode des Gitters abhängt. Unterschiedliche Gitter und somit unterschiedliche Batterieeinheiten können folglich anhand unterschiedlicher Wellenlängen des zurückgestreuten Lichtes identifziert werden. Die Wellenlänge des zurückgestreuten Lichtes ist dabei umso größer, je größer die Gitterperiode ist.
  • Werden dagegen in einem Lichtwellenleiter 22 Bragg-Gitter 20 mit gleichen oder im Wesentlichen gleichen Gitterperioden eingesetzt, so wird vorzugsweise zur Messung des physikalischen Parameters eine gepulste, monochromatische Lichtquelle eingesetzt. Unterschiedliche Gitter und somit unterschiedliche Batterieeinheiten können folglich durch unterschiedliche Laufzeiten der Lichtpulse identifiziert werden.
  • 10 zeigt für den Fall der Anordnung der Bragg-Gitter-Sensoren 20 von 8 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zur Überwachung und zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs der in 1 gezeigten Batterie 6, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die ersten und letzten Stränge 10 und davon auch nur das jeweils erste und letzte Batteriemodul 11 gezeigt sind. Die Batterie 6 weist neben den Batteriemodulen 11 noch ein Batteriegehäuse 29 auf.
  • Die Vorrichtung 30 umfasst für jeden der Stränge 10 der Batterie 6 jeweils einen Lichtwellenleiter 22 mit Bragg-Gittern 20. Ein zusätzlicher Lichtwellenleiter 22A mit mehreren Bragg-Gittern 20A ist entlang der Außenseite des Gehäuses 29 der Batterie geführt und an diesem befestigt.
  • Die Vorrichtung 30 umfasst neben den Lichtwellenleitern 22, 22A mit den Bragg-Gittern 20, 20A noch eine Messanordnung 31 mit jeweils einer breitbandigen Lichtquelle 32, einem optischen Richtkoppler 33 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 34 für jeden der Lichtwellenleiter 22, sowie eine mit den Signalverarbeitungseinrichtungen 34 sämtlicher Lichtwellenleiter 22 verbundene Steuereinheit 35.
  • Jeder der Lichtwellenleiter 22 mit seinen Bragg-Sensoren 20 ist somit über einen optischen Richtkoppler 33 mit einer ihm zugeordneten Lichtquelle 32 und Signalverarbeitungseinrichtung 34 verbunden.
  • Der Richtkoppler 33 koppelt von der Lichtquelle 32 abgestrahltes Licht in den Lichtwellenleiter 22 ein und aus diesem zurückgestreutes Licht zu der Signalverarbeitungseinrichtung 34 aus.
  • Die Signalverarbeitungseinrichtung 34 enthält einen Spektralanalysator zur Ermittlung der spektralen Verteilung des von den einzelnen Bragg-Gittern 20 zurückgestreuten Lichtes und eine Recheneinrichtung, welche das Ausmaß der jeweiligen Verschiebung gegenüber einer Referenzlage ermittelt und in eine Änderung des physikalischen Parameters, z. B. eine Temperaturänderung, gegenüber einer Referenzwert für diesen Parameter, bei der die spektrale Verteilung die Referenzlage hat, umrechnet. Dies geschieht für jedes einzelne Bragg-Gitter 20, 20A so dass auf diese Weise die Verteilung des physikalischen Parameters, z. B. der Temperatur, entlang des gesamten Lichtwellenleiters 22, 22A an den mit Bragg-Gittern 20, 20A versehenen Stellen erhalten wird.
  • Bei Verwendung von Bragg-Gittern mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Gitterperiode weist die Signalverarbeitungsvorrichtung 34 zusätzlich eine Auswerteelektronik auf, welche die Laufzeit des rückgestreuten Lichts mit veränderter spektraler Intensitätsverteilung erfasst und auswertet. Um eine zeitaufgelöste Messung zu realisieren, kann auf gängige OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) – Technik zurückgegriffen werden, wie sie in der Nachrichtentechnik zur Qualitätsbeurteilung von Signalstrecken verwendet wird.
  • Aus der beschriebenen Funktionsweise der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ergibt sich, dass die räumliche Verteilung des gemessenen physikalischen Parameters, z. B. die Temperatur, entlang des Lichtwellenleiters 22, 22A erfasst wird. Die Messwerte werden von den Signalverarbeitungseinrichtungen 34 an die Steuerungseinrichtung 35 übertragen, in der aus den Messwerten ein aktuelles Profil 40 der Batterie 2 in Bezug auf den physikalischen Parameter erstellt wird, wie es beispielsweise in 12 für eine Batterie mit zwölf Strängen 10 mit jeweils zwölf Batteriezellen 12 dargestellt ist. Die Spalten 41 des Profils 40 entsprechen dabei den Strängen 10, wobei die einzelnen Kästchen 42 in einer Spalte den einzelnen Zellen 12 des Stranges 10 entsprechen.
  • Zusätzlich wird mit Hilfe des am Gehäuse 29 befestigten Lichtwellenleiters 22A eine Referenzgröße, z. B. die Umgebungstemperatur oder Vibrationen des Gehäuses, gemessen und daraus durch die Steuerungseinrichtung 35 ein zu erwartendes Profil 45 der Batterie 6 abgeleitet, wie es beispielhaft in 13 dargestellt ist. Die Ableitung des zu erwartenden Profils 45 aus dem Messwert der Referenzgröße kann entweder auf Basis vorher (z. B. rechnerisch und/oder experimentell) ermittelter und in der Steuerungseinrichtung 35 abgespeicherter Profile erfolgen, die jeweils unterschiedlichen Messwerten der Referenzgröße zugeordnet sind, oder auf Basis einer aktuellen Berechung, erfolgen, die beispielsweise auch mit Hilfe eines neuronalen Netz erfolgen kann. Das aktuelle Profil 40 wird in der Steuerungseinrichtung 35 mit dem zu erwartenden Profil 45 verglichen und durch die Steuerungseinrichtung 35 der Betrieb der Batterie in Abhängigkeit von einer Abweichung von dem zu erwartenden Profil 45 gesteuert und/oder geregelt.
  • Für den Fall dass die in 12 und 13 gezeigten Profile 40, 45 beispielsweise die Temperatur der Zellen darstellen, wird aus dem Profil 45 deutlich, dass das Maximum der Temperatur in der Mitte der Batterie zu erwarten wäre. Tatsächlich findet sich jedoch bei dem aktuellen Profil 40 noch ein weiteres Maximum im rechten unteren Bereich 43 der Batterie, was ein Hinweis auf eine unzureichende Kühlung oder den Beginn einer Fehlfunktion der Zellen 12 in diesem Bereich 43 ist. Durch die Steuerungseinrichtung 35 kann nun in einem ersten Schritt über eine Steuerleitung 39 eine zusätzliche Kühleinrichtung 37 für die Batterie 6 aktiviert werden. Alternativ und/oder ergänzend kann durch die Steuerungseinrichtung 35 über Kom munikationsverbindungen 38 den Modul-Management-Einrichtungen 19 der betroffenen Batteriemodule 11 der vergleichsweise abnormale Betriebszustand signalisiert werden, so dass die Modul-Management-Einrichtungen 19 gezielte Gegenmaßnahmen einleiten können.
  • Ergibt der Vergleich des aktuellen Profils 40 mit dem zu erwartenden Profil 45 jedoch sogar eine unzulässige Abweichung von dem zu erwartenden Profil 45, so wird durch die Steuerungseinrichtung 35 die Batterie zumindest teilweise abgeschaltet (z. B. durch Öffnen eines Batterieschalters).
  • Eine in 11 gezeigte zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 30 unterscheidet sich von der in 10 gezeigten Vorrichtung 30 dadurch, dass die Messanordnung 31 eine für sämtliche Lichtwellenleiter 22 gemeinsame Lichtquelle 32 und gemeinsame Signalverarbeitungseinrichtung 34 statt jeweils einer eigenen Lichtquelle 32 und Signalverarbeitungseinrichtung 34 für jeden der Lichtwellenleitern 22 aufweist.
  • Die Richtkoppler 33 sind hierzu über Lichtwellenleiter 36A, 36B seriell miteinander verbunden und koppeln von der Lichtquelle 32 abgestrahltes Licht in die Lichtwellenleiter 22 ein und aus diesen zurückgestreutes Licht zu der Signalverarbeitungseinrichtung 34 aus. Die Richtkoppler 33 sind hierbei derart ausgelegt, dass sie nur Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches (im Folgenden als „Auskopplungsbereich” bezeichnet) auskoppeln und Licht außerhalb dieses Wellenlängenbereiches durchlassen. Die Richtkoppler 33 weisen hierbei unterschiedliche Auskopplungsbereiche auf. Jedem der Lichtwellenleiter 22 bzw. Stränge 10 ist genau einer dieser Auskopplungsbereiche zugeordnet. Von einem Richtkoppler 33 wird somit nur Licht aus das dem an ihn angeschlossenen Lichtwellenleiter 22 zugeordneten Wellenlängenbereich ausgekoppelt, Licht in Auskopplungsbereichen der anderen Lichtwellenleiter 22 jedoch weitergeleitet. Nur einer der Richtkoppler 33 ist direkt mit der gemeinsamen Lichtquelle 32 und der gemeinsamen Signalverarbeitungseinrichtung 34 verbunden.
  • Eine derartige Anordnung kommt mit einem Minimum an Bauteilaufwand für Lichtquellen und Signalverarbeitungseinrichtungen aus. Die Anzahl der Batteriestränge 10, die hierdurch überwacht werden können, ist im wesentlichen nur durch die Bandbreite, die pro Bragg-Gitter zur spektralen Trennung der von den einzelnen Bragg-Gittern zurückgestreuten Signale vorgesehen werden muss, der benötigten Breite der Auskopplungsbereiche und der Bandbreite der Lichtquelle begrenzt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Hochleistungs-Batterie (6), die mehrere parallel geschaltete Stränge (10) aus jeweils mehreren in Reihe geschalteten Batterieeinheiten (11, 12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest eine Referenzgröße der Batterie (6) gemessen und daraus ein zu erwartendes Profil (45) der Batterie (6) in Bezug auf einen physikalischen Parameter der Batterieeinheiten (11, 12) abgeleitet wird, – aktuelle Werte des physikalische Parameters der Batterieeinheiten (11, 12) mit Hilfe von Bragg-Gitter-Sensoren (20) gemessen werden und daraus ein aktuelles Profil (40) der Batterie (6) in Bezug auf den physikalischen Parameter abgeleitet wird, – das aktuelle Profil (40) mit dem zu erwartenden Profil (45) verglichen wird, – der Betrieb der Batterie (6) in Abhängigkeit von einer Abweichung von dem zu erwartenden Profil (45) gesteuert und/oder geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung der Batterie (6) und/oder eine Ladung der Batterieeinheiten (11, 12) in Abhängigkeit von der Abweichung von dem zu erwartenden Profil (45) gesteuert und/oder geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer unzulässigen Abweichung von dem zu erwartenden Profil (45) die Batterie (6) zumindest teilweise abgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Batterieeinheit (11, 12) zumindest ein eigener Bragg-Gitter-Sensor (20) zugeordnet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Strang (10) jeweils ein eigener Lichtwellenleiter (22) zugeordnet ist, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren (20) sämtlicher Batterieeinheiten (11, 12) des Stranges (10) angeordnet sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (10) jeweils eine gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten Batterieeinheiten (11, 12) aufweisen, wobei den in den Reihenschaltungen an jeweils gleicher Stelle angeordneten Batterieeinheiten (11, 12) ein gemeinsamer Lichtwellenleiter (22) zugeordnet ist, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren (20) dieser Batterieeinheiten (11, 12) angeordnet sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der einer Batterieeinheit (11, 12) zugeordnete Bragg-Gitter-Sensor (20) innerhalb der Batterieeinheit (11, 12), auf deren Oberfläche oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Oberfläche der Batterieeinheiten (11, 12) eine Ausnehmung (21) eingebracht ist, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser eines Lichtwellenleiters (22) angepasst ist, und dass in der Ausnehmung (21) ein Lichtwellenleiter (22) mit zumindest einem Bragg-Gitter-Sensor (20) angeordnet ist.
  9. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Referenzgröße mit zumindest einem Bragg-Gitter-Sensor (20A) gemessen wird, der vorzugsweise außerhalb der Batterie (6) angeordnet ist.
  10. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter eine Temperatur, Ausdehnung oder Vibration der Batterieeinheit ist.
  11. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit ein Batteriemodul (11) oder eine Batteriezelle (12) ist.
  12. Vorrichtung (30) zur Durchführung der Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – zumindest einen Bragg-Gitter-Sensor (20) zur Messung eines Wertes zumindest einer Referenzgröße der Batterie (6), – für jede der Batterieeinheiten (11, 12) jeweils zumindest einen Bragg-Gitter-Sensor (20) zur Messung eines aktuellen Wertes eines physikalische Parameters der Batterieeinheit (11, 12), – eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (35), die derart eingerichtet ist, dass sie a) aus dem Messwert der Referenzgröße ein zu erwartendes Profil (45) der Batterie (6) in Bezug auf einen physikalischen Parameter der Batterieeinheiten (11, 12) ableitet, b) aus den gemessenen aktuellen Werten des physikalische Parameters der Batterieeinheiten (11, 12) ein aktuelles Profil (40) der Batterie in Bezug auf den physikalischen Parameter ableitet, c) das aktuelle Profil (40) mit dem zu erwartenden Profil (45) vergleicht und d) den Betrieb der Batterie in Abhängigkeit von einer Abweichung von dem zu erwartenden Profil steuert und/oder regelt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Strang (10) ein jeweils eigener Lichtwellenleiter (22) zugeordnet ist, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren (20) sämtlicher Batterieeinheiten (11, 12) des Stranges (10) angeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (10) jeweils eine gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten Batterieeinheiten (11, 12) aufweisen, wobei den in den Reihenschaltungen an je weils gleicher Stelle angeordneten Batterieeinheiten (11, 12) ein gemeinsamer Lichtwellenleiter (22) zugeordnet ist, in dem die Bragg-Gitter-Sensoren (20) dieser Batterieeinheiten (11, 12) angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Oberfläche der Batterieeinheiten (11, 12) eine Ausnehmung (21) eingebracht ist, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser eines Lichtwellenleiters (22) angepasst ist und dass in der Ausnehmung ein Lichtwellenleiter (22) mit zumindest einem Bragg-Gitter-Sensor (20) angeordnet ist.
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