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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einer unzulässigen Abweichung von dem zu erwartenden Profil
kann die Batterie zumindest teilweise abgeschaltet werden.
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Eine
besonders hohe Genauigkeit des Verfahrens ist hierbei dadurch erzielbar,
dass jeder Batterieeinheit zumindest ein eigener Bragg-Gitter-Sensor
zugeordnet ist.
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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.
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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.
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Der
Bragg-Gitter-Sensor kann dabei innerhalb der Batterieeinheit, auf
deren Oberfläche oder in deren unmittelbarer Nähe
angeordnet sein.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Gleichstrominselnetz mit einer
Hochleistungsbatterie,
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2 den
elektrischen Aufbau eines Batteriemoduls von 1,
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3 ein
Beispiel für eine Batteriezelle,
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4 eine
Seitenansicht eines Batteriemoduls,
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5 eine
Vorderansicht eines Batteriemoduls,
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6 eine
Batteriezelle mit einer Ausnehmung,
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7 die
Batteriezelle von 6 mit einer Lichtwellenleiterwicklung,
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8 eine
erste Anordnung von Bragg-Gitter-Sensoren in Lichtwellenleitern,
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9 eine
zweite Anordnung von Bragg-Gitter-Sensoren in Lichtwellenleitern,
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10 eine
erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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11 eine
zweite Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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12 ein
aktuelles Batterieprofil,
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13 ein
erwartetes Batterieprofil.
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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.
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Die
einzelnen Komponenten der Teilnetze 2, 3 sind über
nicht näher dargestellte Schutz- und Schaltelemente miteinander
verbunden.
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Die
folgenden Erläuterungen beziehen sich hierbei auf das Teilnetz 2,
sind aber gleichermaßen für das Teilnetz 3 gültig.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
dem gemessenen physikalischen Parameter handelt es sich somit beispielsweise
um die Temperatur, Ausdehnung oder Vibration des Batteriemoduls
oder der Batteriezelle.
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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.
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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.
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Die
Gitterperiode der Bragg-Gitter 20 der verschiedenen Zellen 12 eines
Stranges 10 kann gleich oder unterschiedlich gewählt
sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1641066
A2 [0003]
- - WO 2008/055493 A1 [0003]
- - KR 812742 B1 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Development
of high energy lithium-ion cells” von K. Brandt und S.
Theuerkauf in „Naval Forces special Issue 2007”,
Seite 109 [0004]