DE102009060022B4 - Verfahren zum Verändern einer Betriebstemperatur an einem Batteriepack für elektrisch betriebene Fahrzeuge, Vorrichtung zum Verändern einer Betriebstemperatur sowie Verwendung eines Batteriemoduls - Google Patents

Verfahren zum Verändern einer Betriebstemperatur an einem Batteriepack für elektrisch betriebene Fahrzeuge, Vorrichtung zum Verändern einer Betriebstemperatur sowie Verwendung eines Batteriemoduls Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks (1) aus Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit Batteriezellen (8) für elektrisch betriebene Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass an den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an den Batteriezellen (8) die jeweiligen Betriebstemperaturen ermittelt und die elektrischen Entlade- oder Ladeströme an den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an den Batteriezellen (8) in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten Betriebstemperaturen individuell reguliert werden, indem jedes der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder jede der Batteriezellen (8) einzeln thermisch überwacht wird und thermisch unterschiedlich belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) individuell derart gesteuert werden, dass thermisch höher belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) elektrisch weniger stark als thermisch niedriger belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) oder gar nicht entladen oder geladen werden, wodurch einerseits die elektrische Leistungsabgabe des Batteriepacks (1) erhöht und andererseits die Betriebstemperatur des Batteriepacks (1) reguliert werden kann, wobei die elektrischen Entlade- oder Ladeströme der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder der Batteriezellen (8) nur zwischen den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder den Batteriezellen (8) geschaltet und reguliert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks aus Batteriemodulen mit Batteriezellen für elektrisch betriebene Fahrzeuge.
  • Andererseits betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verändern einer Betriebstemperatur an einem Batteriepack aus Batteriemodulen mit Batteriezellen für elektrisch betriebene Fahrzeuge, bei welchem die Betriebstemperatur an dem Batteriepack ermittelt und das Batteriepack in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperatur gekühlt oder geheizt werden kann, wenn die ermittelte Betriebstemperatur einen vorgesehenen Temperaturarbeitsbereichs über- oder unterschreitet.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Beeinflussen von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen an Batteriemodulen und/oder an Batteriezellen eines Batteriepacks und/oder zum Verändern bzw. Regulieren einer Betriebstemperatur des Batteriepacks für elektrisch betriebene Fahrzeuge, insbesondere zum Durchführen der vorstehend genannten Verfahren, bei welcher die Batteriemodule und/oder die Batteriezellen untereinander elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Auch betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Batteriemoduls und/oder einer Batteriezelle eines Batteriepacks für elektrisch betriebene Fahrzeuge.
  • Insbesondere im Automobilbereich bei Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb werden zur Zeit Batteriepacks eingesetzt, die auf Grund ihrer Bauweise lediglich in einem sehr engen Temperaturbereich optimal betrieben werden können. Wird dieser Temperaturbereich unterschritten, fällt insbesondere die elektrische Energieleistungsabgabe rapide ab, während bei einem Überschreiten des Temperaturbereichs auch die Gefahr von irreparablen Schäden an dem Batteriepack ansteigt. Dies kann unter ungünstigen Umständen auch zu einer Explosion des gesamten Batteriepacks führen.
  • Eines der Hauptprobleme beim Einsatz derartiger Batteriepacks ist die Erhitzung des Batteriepacks sowohl beim elektrischen Entladen als auch beim elektrischen Laden des Batteriepacks, wobei bekannt ist, das Batteriepack durch eine kontrollierte Lüftung zu kühlen. In eher wenigen Fällen ist das Batteriepack an einem externen Kühlwassersystem angeschlossen oder es verfügt über ein eigenes Kühlwassersystem.
  • In manchen geographischen Regionen kann es auch zwingend erforderlich sein, das Batteriepack aktiv aufzuheizen. Dies kann ebenfalls mittels einer kontrollierten Lüftung erfolgen, wobei der Luftstrom hierbei mittels einer elektrischen Heizung oder einer Brennkraftmaschine erwärmt bzw. erhitzt werden kann. Auch ist es bekannt, das Batteriepack durch einen Lade- und Entlade-Zyklus aufzuwärmen. Dies erfordert jedoch zusätzliche externe Steuerungskomponenten und eine umfassende Kontrolle dieses Prozesses.
  • Die DE 10 2009 006 540 A1 offenbart einen Temperaturregler für eine Batterie.
  • Aus der DE 44 22 005 A1 ist ein Personenkraftwagen mit Elektroantrieb, mit einem Antriebsmotor, einer Mehrzahl von Batterien zur Stromversorgung des Antriebs bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung zu dem vorgenannten Stand der Technik alternative Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Betreiben eines gattungsgemäßen Batteriepacks für elektrisch betriebene Fahrzeuge bereitzustellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird zum einen von einem Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks aus Batteriemodulen mit Batteriezellen für elektrisch betriebene Fahrzeuge gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass an den Batteriemodulen und/oder an den Batteriezellen die jeweiligen Betriebstemperaturen ermittelt und die elektrischen Entlade- oder Ladeströme an den Batteriemodulen und/oder an den Batteriezellen in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten Betriebstemperaturen individuell reguliert werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorliegend anhand der individuell ermittelten Einzelbetriebstemperaturen der vorhandenen Batteriemodule bzw. Batteriezellen die Entlade- bzw. Ladeströme idealerweise an allen vorhandenen Batteriemodulen bzw. Batteriezellen des elektrisch betriebenen Fahrzeuges individuell verändert bzw. reguliert werden, wodurch vorteilhafter Weise das elektrische Leistungsvermögen des Batteriepacks positiv beeinflusst bzw. optimiert werden kann.
  • Insbesondere kann anhand der individuellen elektrischen Entlade- bzw. Ladeströme an den Batteriemodulen bzw. an den Batteriezellen Einfluss auf die jeweilige Betriebstemperatur eines Batteriemoduls bzw. einer Batteriezelle genommen werden, wodurch beispielsweise bereits stärker erwärmte Batteriemodule bzw. Batteriezellen durch eine individuelle Reduzierung eines elektrischen Entlade- oder Ladestroms geschont werden können.
  • Insofern ist vorliegend ein besonders vorteilhaftes Batterie-Überwachungssystem auf Basis eines vorzugsweise computergestützten aktiven Temperaturausgleichs für Batteriemodule bzw. Batteriezellen eines Batteriepacks geschaffen. Bei einem derartigen computergestützten aktiven Temperaturausgleich werden idealerweise alle Betriebstemperaturen aller vorhandener Batteriemodule bzw. Batteriezellen zu Grunde gelegt. Ein derartiger aktiver Temperaturausgleich kann auch ohne Messung von Temperaturen eine computersimulierte Vorausberechnung der Temperatur in den einzelnen Batteriemodulen bzw. Batteriezellen mit beinhalten.
  • Der Begriff „Batteriepack” beschreibt im Wesentlichen eine wiederaufladbare Batterie, welche sich etwa aus wenigstens zwei Batteriemodulen oder aus wenigstens zwei Batteriezellen zusammensetzen kann. Beispielsweise kann ein solches Batteriepack auch aus einem einzigen Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bestehen, wobei vorliegend bereits zwei Batteriezellen als ein Batteriemodul angesehen werden können. Bei dem vorliegenden Batteriepack handelt es sich beispielsweise um eine Batterie eines Fahrzeugs.
  • Häufig werden speziell für leistungsstärkere Batteriepacks mehrere Batteriemodule elektrisch zusammengefasst, welche wiederum aus einer Vielzahl an Batteriezellen bestehen. Beispielsweise umfasst ein 360 V Batteriepack hundert 3,6 V Batteriezellen, die zu zehn 36 V Batteriemodulen zusammengefasst sind.
  • Eine Batteriezelle verkörpert hierbei eine galvanische Zelle.
  • Zum anderen wird die Aufgabe der Erfindung von einem Verfahren zum Regulieren einer Betriebstemperatur an einem Batteriepack aus Batteriemodulen mit Batteriezellen für elektrisch betriebene Fahrzeuge gelöst, bei welchem die Betriebstemperatur an dem Batteriepack ermittelt und das Batteriepack in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperatur gekühlt oder geheizt werden kann, wenn die ermittelte Betriebstemperatur einen vorgesehenen Temperaturarbeitsbereich verlässt bzw. kritisch über- oder unterschreitet, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass an den Batteriemodulen und/oder an den Batteriezellen die jeweiligen Betriebstemperaturen ermittelt und an jedem der Batteriemodule und/oder an jeder der Batteriezellen ein elektrischer Entlade- und/oder Ladestrom in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten Betriebstemperaturen individuell eingestellt wird, wobei die Batteriemodule und/oder die Batteriezellen hierdurch individuell elektrisch entladen oder geladen werden, wodurch die Betriebstemperatur des Batteriepacks reguliert werden kann.
  • Hierdurch gelingt erfindungsgemäß eine batteriepackinterne Temperaturregulierung, ohne dass hierfür externe elektrische Entlade- und/oder Ladeströme erforderlich sind.
  • Durch die Regulierung der Betriebstemperatur des Batteriepacks kann vorteilhafter Weise ebenfalls das elektrische Leistungsvermögen des Batteriepacks positiv beeinflusst bzw. optimiert werden. Hierunter fällt auch die Variante, dass kein elektrischer Entlade- oder Ladestrom an einem der Batteriemodule bzw. an einer der Batteriezellen eingestellt wird.
  • Auch durch dieses alternative Verfahren ist vorliegend ein besonders vorteilhaftes Batterie-Überwachungssystem auf Basis einer vorzugsweise computergestützten aktiven Temperaturausgleichs für Batteriemodule bzw. Batteriezellen eines Batteriepacks geschaffen.
  • Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einer Verwendung eines Batteriemoduls und/oder einer Batteriezelle eines Batteriepacks zum aktiven Regulieren einer Betriebstemperatur eines weiteren Batteriemoduls und/oder einer weiteren Batteriezelle des Batteriepacks für elektrisch betriebene Fahrzeuge gelöst. Idealerweise wird dieses aktive Regulieren mittels des vorliegenden aktiven Temperaturausgleichs vorgenommen.
  • Vorteilhafter Weise kann hierdurch eine batteriepackinterne Regulierung der Betriebstemperatur des Batteriepacks und darüber hinaus auch eine Leistungsoptimierung des Batteriepacks erzielt werden.
  • Eine besonders vorteilhafte weitere Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass die elektrischen Entlade- oder Ladeströme an jedem der Batteriemodule und/oder an jeder der Batteriezellen mittels einer gemeinsamen Einrichtung zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen individuell eingestellt werden. Vorteilhafter Weise berücksichtigt die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln hierbei die ermittelten individuellen Betriebstemperaturen an den vorhandenen Batteriemodulen bzw. Batteriezellen.
  • Insofern wird die Aufgabe der Erfindung von einer Vorrichtung zum Beeinflussen von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen an Batteriemodulen und/oder an Batteriezellen eines Batteriepacks für elektrisch betriebene Fahrzeuge und/oder zum Regulieren einer Betriebstemperatur des Batteriepacks, insbesondere zum Durchführen eines der Verfahren nach einem der hier erläuterten Merkmale, gelöst, bei welcher die Batteriemodule und/oder die Batteriezellen untereinander elektrisch miteinander verbunden sind, wobei sich die Vorrichtung sowohl durch Mittel zum Ermitteln einer individuellen Betriebstemperatur eines jeden Batteriemoduls und/oder einer jeden Batteriezelle als auch durch eine Einrichtung zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen in Abhängigkeit der ermittelten individuellen Betriebstemperaturen auszeichnet.
  • Die Mittel zum Ermitteln einer individuellen Betriebstemperatur können beispielsweise durch an sich bekannte Temperatursensoren realisiert sein.
  • Die Einrichtung zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen kann hierbei als computergestützte Hardware und/oder als Software ausgeführt sein. Beispielsweise ist die Einrichtung zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen in ein an sich bekanntes Batterie-Überwachungssystem integriert.
  • Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn die Vorrichtung zusätzlich über Mittel zum Messen eines individuellen elektrischen Entlade- oder Ladestroms an jedem der Batteriemodule und/oder an jeder der Batteriezellen verfügt. Hierdurch können die individuellen elektrischen Entlade- bzw. Ladeströme besonders genau gemessen werden, wodurch die vorliegenden Verfahren besonders präzise durchgeführt werden können.
  • Alternativ können die individuellen möglichen elektrischen Entlade- bzw. Ladeströme aber auch anhand der ermittelten Einzelbetriebstemperaturen jeweils aktuell berechnet oder anhand von Modellberechnungen bestimmt werden.
  • Erfindungsgemäß werden jedes der Batteriemodule und/oder jede der Batteriezellen einzeln thermisch überwacht und thermisch unterschiedlich belastete Batteriemodule und/oder Batteriezellen individuell elektrisch geladen oder entladen werden, wodurch einerseits die elektrisch Leistungsabgabe des Batteriepacks erhöht und andererseits die Betriebstemperatur des Batteriepacks reguliert werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass thermisch höher belastete Batteriemodule und/oder Batteriezellen elektrisch weniger stark als thermisch niedriger belastete Batteriemodule und/oder Batteriezellen geladen werden oder gar nicht entladen werden. In vorteilhafter Weise kann hierdurch verfahrenstechnisch bzw. baulich besonders einfach eine Schonung bereits thermisch höher belasteter Batteriemodule und/oder Batteriezellen erzielt werden.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn thermisch niedriger belastete Batteriemodule und/oder Batteriezellen elektrisch stärker als thermisch höher belastete Batteriemodule und/oder Batteriezellen entladen oder geladen werden. Zum einen können hierdurch die thermisch höher belasteten Batteriemodule bzw. Batteriezellen geschont und zum anderen die thermisch niedriger belasteten Batteriemodule bzw. Batteriezellen schneller erwärmt werden, wodurch das Batteriepack insgesamt thermisch günstiger betrieben werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft in Zusammenhang mit einem Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb eingesetzt werden, wobei es sich bei diesem Fahrzeug um ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug handeln kann. Darüber hinaus eignet sich die vorliegende Erfindung auch zum Einsatz hinsichtlich anderer mobiler oder ortsfester Vorrichtungen.
  • Die vorliegende Erfindung bietet eine innovative Lösung insbesondere hinsichtlich des Grundproblems, dass ein Batteriepack insgesamt auf einen elektrischen Leistungsabgabewert des schlechtesten Batteriemoduls bzw. der schlechtesten Batteriezelle reduziert wird. Vorliegend kann die Performance der Batteriemodule bzw. der Batteriezellen wesentlich erhöht werden. Da dies hier in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des einzelnen Batteriemoduls bzw. der einzelnen Batteriezelle betrachtet wird, kann anhand unterschiedlicher Verfahrensabläufe gezielt insbesondere auf überhitzte oder unterkühlte Batteriemodule bzw. Batteriezellen zugegriffen werden. Dieses gezielte Zugreifen beeinflusst wiederum eine kritische Betriebstemperatur innerhalb eines Batteriemoduls bzw. einer Batteriezelle, wobei das Batteriemodul bzw. die Batteriezelle vorzeitig in einen unkritischen bzw. normalen Temperaturarbeitsbereich gesteuert bzw. geregelt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch hervorragend dann eingesetzt werden, wenn beispielsweise weiter außenliegende Batteriemodule bzw. Batteriezellen auf Grund von niedrigen Außentemperaturen verstärkt abgekühlt sind, wohingegen weiter innenliegende Batteriemodule bzw. Batteriezellen noch eine höhere Betriebstemperatur aufweisen. Dies gilt auch für die umgekehrte Situation bei zu hohen Außentemperaturen, bei welchen äußere Batteriemodule bzw. Batteriezellen höher erwärmt sind.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
  • Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und deren Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft verschiedene Betriebszustände von Batteriemodulen hinsichtlich eines aktiven Temperaturausgleichs dargestellt und beschrieben sind, wobei der beispielhaft erläuterte aktive Temperaturausgleich auch auf Ebene von Batteriezellen anwendbar ist, wie dies vorstehend bereits zum Ausdruck gebracht ist.
  • Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch eine erste Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich eines Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen bei optimalen Temperaturbedingungen;
  • 2 schematisch eine zweite Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs trotz einiger unterkühlter Batteriemodule eine hohe elektrische Leistungsabgabe an dem Batteriepack erzielt wird;
  • 3 schematisch eine dritte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs trotz einiger überhitzter Batteriemodule eine hohe elektrische Leistungsabgabe an dem Batteriepack erzielt wird;
  • 4 schematisch eine vierte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und dem erfindungsgemäßen aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs trotz starker Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Batteriemodulen eine hohe elektrische Leistungsabgabe an dem Batteriepack erzielt wird;
  • 5 schematisch eine fünfte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs kühlere Batteriemodule des Batteriepacks schneller erwärmt werden;
  • 6 schematisch eine sechste Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs wärmere Batteriemodule des Batteriepacks weniger stark entladen und damit weniger stark thermisch belastet werden;
  • 7 schematisch eine siebte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs die wärmeren Batteriemodule weniger stark entladen und damit thermisch weniger stark belastet werden und die kühleren Batteriemodule stärker entladen und damit thermisch stärker belastet werden;
  • 8 schematisch eine achte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs zum Aufwärmen aller Batteriemodule ein interner Lade- und Entlade-Zyklus geregelt wird;
  • 9 schematisch eine neunte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs zum Aufwärmen einzelner Batteriemodule ein interner Lade- und Entlade-Zyklus geregelt wird;
  • 10 schematisch eine zehnte Vergleichsdarstellung zwischen einer herkömmlichen Kontrolle und einem aktiven Temperaturausgleich des Batteriepacks mit sechs Batteriemodulen, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleichs zum Ausgleich einer starken Temperaturdifferenz zwischen einzelnen Batteriemodulen ein interner Lade- und Entlade-Zyklus an den kühleren Batteriemodulen geregelt wird;
  • 11 schematisch ein erstes Flussdiagramm zu einem aktiven Temperaturausgleich eines Batteriepacks mit Batteriemodulen;
  • 12 schematisch ein weiteres Flussdiagramm zu einem aktiven Temperaturausgleich eines Batteriepacks mit Batteriemodulen; und
  • 13 schematisch ein anderes Flussdiagramm zu einem aktiven Temperaturausgleich eines Batteriepacks mit Batteriemodulen.
  • Bei allen in den 1 bis 10 gezeigten Vergleichsdarstellungen ist links eine Methode mit einem konventionellen Batteriekontrollverfahren und jeweils rechts eine neue Methode mit dem erfindungsgemäßen aktiven Temperaturausgleich-Verfahren bezüglich eines Batteriepacks 1 umfassend sechs Batteriemodule 2, 3, 4, 5, 6 und 7 mit jeweils einer Vielzahl an Batteriezellen 8 (hier nur exemplarisch beziffert) illustriert. Die einzelnen Batteriemodule 2 bis 7 sind mittels elektrischer Verbindungskabel 9 (hier nur exemplarisch beziffert) in Reihe elektrisch miteinander verbunden.
  • Die Vergleichsdarstellungen hinsichtlich der 1 bis 7 zeigen jeweils eine Entladungsphase des Batteriepacks 1, welches über elektrische Anschlusseinrichtungen 10 elektrisch entsprechend entladen, aber auch geladen, werden kann.
  • Für das aktiven Temperaturausgleich-Verfahren ist eine nicht weiter gezeigte Einrichtung 11 zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen in Abhängigkeit von ermittelten individuellen Betriebstemperaturen an den einzelnen Batteriemodulen 2 bis 7 vorgesehen. Insofern findet mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens stets eine individuell genaue Regelung der einzelnen Batteriemodule 2 bis 7 statt. Die individuellen Betriebstemperaturen an den einzelnen Batteriemodulen 2 bis 7 werden hinsichtlich der hier dargestellten Vergleichsdarstellungen mit an sich bekannten und deshalb hier nicht gezeigten Temperatursensoren ermittelt.
  • Die elektrischen Leistungen und Richtungen der elektrischen Entlade- und Ladeströme werden mittels nicht weiter bezifferter Pfeile in den jeweiligen Vergleichsdarstellungen angegeben, wobei insbesondere die unterschiedlichen elektrischen Leistungen der elektrischen Entlade- und Ladeströme anhand der unterschiedlichen Ausgestaltungen der verschiedenen Pfeile selbsterklärend offenbart sind.
  • Bei der ersten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 1 befinden sich alle Batteriemodule 2 bis 7 in einem optimalen Betriebstemperaturbereich und das Batteriepack 1 kann sowohl mit dem konventionellen Batteriekontrollverfahren als auch mit dem aktiven Temperaturrausgleich-Verfahren sein maximales elektrisches Leistungsvermögen entfalten. Insofern besteht hier auch kein Bedürfnis einer aktiv eingreifenden Regelung.
  • Bei der zweiten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 2 sind die Batteriemodule 2 und 5 kühler als die übrigen Batteriemodule 3, 4, 6 und 7; das heißt, sie liegen unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs, in welchem die Batteriemodule 2 bis 7 ihr jeweils maximales elektrisches Leistungsvermögen entfalten können. Bei dem konventionellen Batteriekontrollverfahren kann das Batteriepack 1 nur 90% seines maximalen elektrischen Leistungsvermögens abrufen. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die kühleren Batteriemodule 2 und 5 das elektrische Leistungsvermögen des Batteriepacks 1 reduzieren, da die übrigen Batteriemodule 3, 4, 6 und 7 ebenfalls nur die reduzierte elektrische Leistung abgeben dürfen. Mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens werden die kühleren Batteriemodule 2 und 5 hinsichtlich ihrer individuellen elektrischen Entladestromleistungen entlastet, wobei die übrigen Batteriemodule 3, 4, 6 und 7 mit vollen elektrischen Entladestromleistungen arbeiten könnten. Zusätzlich könnten die übrigen Batteriemodule 3, 4, 6 und 7 kurzzeitig überlastet werden, um das elektrische Leistungsdefizit der kühleren Batteriemodule 2 und 5 vorteilhafter Weise kompensieren zu können. Insofern kann das Batteriepack 1 vorteilhaft mit 97% seines elektrischen Leistungsvermögens betrieben werden.
  • Ähnlich verhält es sich bei der dritten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 3, wobei in diesem Fall die beiden Batteriemodule 3 und 4 überhitzt sind, sodass die jeweilige Betriebstemperatur oberhalb des optimalen Betriebstemperaturbereichs der vorliegenden Batteriemodule 2 bis 7 liegt. Insofern entlastet das aktive Temperaturausgleich-Verfahren die beiden überhitzten Batteriemodule 3 und 4, indem sie mit geringeren elektrischen Entladeströmen betrieben werden. Die übrigen Batteriemodule 2, 5, 6 und 7 können zudem kurzzeitig überlastet werden, wodurch sie die elektrischen Leistungsdefizite hinsichtlich der überhitzten Batteriemodule 3 und 4 zumindest teilweise ausgleichen können. Somit kann das mit dem aktiven Temperaturausgleich-Verfahren geregelte Batteriepack 1 wenigstens 97% seines maximalen elektrischen Leistungsvermögens leisten. Bei dem konventionellen Batteriekontrollverfahren kann das Batteriepack 1 lediglich mit 90% des maximalen elektrischen Leistungsvermögens betrieben werden, da hier die elektrische Leistung insgesamt reduziert werden muss, um die bereits überhitzten Batteriemodule 3 und 4 vor Schaden zu schützen.
  • Bei der vierten Vergleichsdarstellung bezüglich der 4 sind sowohl die beiden Batteriemodule 2 und 5 unterkühlt als auch die beiden Batteriemodule 3 und 4 überhitzt, sodass das Batteriepack 1 mit dem konventionellen Batteriekontrollverfahren nur 50% seines maximalen elektrischen Leistungsvermögens leisten kann. Wohingegen das mit dem aktiven Temperaturausgleich-Verfahren geregelte Batteriepack 1 wenigstens 67% seines maximalen elektrischen Leistungsvermögens leisten kann, wobei dennoch die unterkühlten und die überhitzten Batteriemodule 2 und 5 bzw. 3 und 4 geschont werden können, indem ihre individuellen elektrischen Ladestromleistungen in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Betriebstemperatur reduziert werden können. Die übrigen Batteriemodule 6 und 7 können dieses Leistungsdefizit zumindest teilweise kompensieren.
  • Bei der fünften Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 5 wird das aktive Temperaturausgleich-Verfahren erfolgreich eingesetzt, um kühlere Batteriemodule 2 und 5 stärker zu erwärmen, indem die elektrischen Entladestromleistungen der Batteriemodule 2 und 5 erhöht werden, solange sie unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs liegen. Dies hat zur Folge, dass die kühleren Batteriemodule 2 und 5 schneller in den optimalen Betriebstemperaturbereich gelangen können, als dies mittels des links gezeigten konventionellen Batteriekontrollverfahren der Fall ist, da dort keine individuelle elektrische Leistungssteigerung an den vorhandenen Batteriemodulen 2 bis 7 vorgenommen werden kann.
  • Bei der sechsten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 6 werden mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens die elektrischen Entladestromleistungen an den beiden überhitzten Batteriemodulen 3 und 4 individuell reduziert, sodass deren weitere Erwärmung vorteilhafter Weise verringert werden kann. Die elektrischen Entladestromleistungen an den übrigen normaltemperierten Batteriemodulen 2, 5, 6 und 7 werden hingegen erhöht. Bei dem gegenübergestellten konventionellen Batteriekontrollverfahren können die elektrischen Entladestromleistungen an den Batteriemodulen 2 bis 7 jedoch nicht individuell gesteuert bzw. geregelt werden, wodurch eine Schonung der erwärmten Batteriemodule 3 und 4 nicht gewährleistet werden kann.
  • Bei der siebten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 7 liegen sowohl unterkühlte Batteriemodule 2 und 5 als auch überhitzte Batteriemodule 3 und 4 vor, wobei mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens kumuliert die überhitzten Batteriemodule 3 und 4 thermisch geschont und die unterkühlten Batteriemodule 2 und 5 schneller erwärmt werden können, wie vorstehend bereits beschrieben. Dies ist bei dem konventionellen Batteriekontrollverfahren nicht der Fall, da hier keine entsprechend temperaturabhängige Regelung möglich ist.
  • Bei der achten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 8 liegen die Betriebstemperaturen aller Batteriemodule 2 bis 7 unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs. Mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens können intern zwischen den einzelnen Batteriemodulen 2 bis 7 elektrische Entlade- und Ladeströme initiiert werden, wodurch eine hocheffektive Erwärmung des gesamten Batteriepacks 1 ohne externe Energieverluste erzielt werden kann. Elektrische Verlustleistungen finden intern statt und erhöhen hierbei die induzierte Erwärmung. Bei dem konventionellen Batteriekontrollverfahren kann dies nicht gewährleistet werden, da entsprechende elektrische Entlade- und Ladeströme über externe Komponenten vorgenommen werden müssen. Insofern arbeitet das Batteriepack 1 mit dem konventionellen Batteriekontrollverfahren insgesamt weniger effektiv.
  • Bei der neunten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 9 liegen die Betriebstemperaturen der Batteriemodule 2 bis 5 unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs. Die elektrischen Entlade- und Ladeströme können mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens vorteilhafter Weise batteriemodulgenau vorgenommen werden, wodurch das Batteriepack 1 besonders effektiv betrieben werden kann. Eine derartige batteriemodulgenaue Ansteuerung der elektrischen Entlade- und Ladeströme kann mit dem konventionellen Batteriekontrollverfahren nicht durchgeführt werden. Insofern werden auch die beiden Batteriemodule 6 und 7 thermisch weiter belastet.
  • Bei der zehnten Vergleichsdarstellung hinsichtlich der 10 liegen die Betriebstemperaturen hinsichtlich der Batteriemodule 2 bis 5 unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs und hinsichtlich der Batteriemodule 6 und 7 oberhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs. Insofern initiiert das aktive Temperaturausgleich-Verfahren lediglich elektrische Entlade- und Ladeströme zwischen den Batteriemodulen 2 bis 5, um diese weiter zu erwärmen. Bei dem konventionellen Batteriekontrollverfahren ist keine vorteilhafte Erwärmung der unterkühlten Batteriemodule 2 bis 5 möglich, da ansonsten die bereits überhitzten Batteriemodule 6 und 7 weiter thermisch belastet werden würden.
  • Bei dem in der 11 gezeigten Flussdiagramm ist beispielhaft ein Verfahrensablauf hinsichtlich einer elektrischen Entladungsphase mittels eines aktiven Temperaturausgleich – Verfahrens dargestellt, bei welchem abgefragt wird, ob Batteriemodule eines Batteriepacks mit einer kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur vorhanden sind.
  • Ist dies nicht der Fall, kann auf eine Leistungsherabsetzung verzichtet werden. Insofern ist eine aktive Temperaturausgleich-Intervention nicht erforderlich.
  • Sind jedoch Batteriemodule mit einer kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur vorhanden, wird eine Leistungsherabsetzung in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperaturen verlangt, um die Batteriemodule mit der kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur zu schützen.
  • Anschließend wird geprüft, ob Batteriemodule mit optimalen Betriebstemperaturen vorliegen.
  • Ist dies nicht der Fall, wird eine Leistungsherabsetzung für alle Batteriemodule akzeptiert.
  • Andernfalls wird eine Leistungsherabsetzung lediglich für die Batteriemodule mit der kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur vorgenommen. Mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens wird zusätzliche Leistung von den Batteriemodulen mit den optimalen Betriebstemperaturen abgerufen.
  • Bei dem in der 12 gezeigten weiteren Flussdiagramm wird ebenfalls eine Abfrage initiiert, ob Batteriemodule mit einer kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur vorhanden sind.
  • Existieren Batteriemodule mit einer kritischen hohen Betriebstemperatur, wird weiter abgefragt, ob Batteriemodule mit einer normalen bzw. niedrigen Betriebstemperatur vorliegen.
  • Ist dies nicht der Fall, ist keine Aktion hinsichtlich des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens erforderlich.
  • Ist dies der Fall, werden mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens überhitze Batteriemodule mit einer geringeren elektrischen Leistungsentnahme belastet, sodass sie wieder herunter kühlen können. Beispielsweise ist die geringere elektrische Leistungsentnahme anhand eines Temperaturmodeleinflusses kalkuliert.
  • Hierbei können die übrigen Batteriemodule mit einer höheren elektrischen Leistungsentnahme belastet werden, bis etwa die überhitzten Batteriemodule wieder herunter gekühlt sind.
  • Existieren Batteriemodule mit einer kritischen niedrigen Betriebstemperatur, wird hingegen abgefragt, ob Batteriemodule mit einer normalen bzw. erhöhten Betriebstemperatur vorliegen.
  • Ist dies nicht der Fall, wird keine Aktion durchgeführt.
  • Ist dies jedoch der Fall, wird die elektrische Leistungsentnahme an den kühleren Batteriemodule erhöht, um deren Betriebstemperatur hierdurch weiter ansteigen zu lassen.
  • Die übrigen Batteriemodule können mit reduzierter elektrischer Leistungsentnahme betrieben werden, solange kühlere Batteriemodule vorliegen.
  • Liegen keine Batteriemodule mit einer kritischen niedrigen bzw. hohen Betriebstemperatur vor, ist kein Eingreifen des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens erforderlich.
  • Bei dem in der 13 gezeigten Flussdiagramm ist ein alternativer Verfahrensablauf auf Basis des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens gezeigt, bei welchem abgefragt wird, ob Batteriemodule mit einer niedrigeren Betriebstemperatur vorliegen.
  • Ist dies nicht der Fall, ist keine weitere Aktion erforderlich.
  • Ist dies jedoch der Fall, wird mittels des aktiven Temperaturausgleich-Verfahrens eine interne elektrische Pendelladung vorzugsweise zwischen zwei kühleren Batteriemodulen initiiert. Alternativ kann eine solche interne elektrische Pendelladung auch zwischen kühlertemperierten und normaltemperierten Batteriemodulen stattfinden.
  • Die interne elektrische Pendelladung kann vorteilhafter Weise beendet werden, sobald eine Zielbetriebstemperatur erreicht ist oder aus anderen Betriebsgründen.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriepack
    2
    erstes Batteriemodul
    3
    zweites Batteriemodul
    4
    drittes Batteriemodul
    5
    viertes Batteriemodul
    6
    fünftes Batteriemodul
    7
    sechstes Batteriemodul
    8
    Batteriezellen
    9
    Verbindungskabel
    10
    Anschlusseinrichtungen
    11
    Einrichtung zum individuellen Steuern und/oder Regeln

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks (1) aus Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit Batteriezellen (8) für elektrisch betriebene Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass an den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an den Batteriezellen (8) die jeweiligen Betriebstemperaturen ermittelt und die elektrischen Entlade- oder Ladeströme an den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an den Batteriezellen (8) in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten Betriebstemperaturen individuell reguliert werden, indem jedes der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder jede der Batteriezellen (8) einzeln thermisch überwacht wird und thermisch unterschiedlich belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) individuell derart gesteuert werden, dass thermisch höher belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) elektrisch weniger stark als thermisch niedriger belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) oder gar nicht entladen oder geladen werden, wodurch einerseits die elektrische Leistungsabgabe des Batteriepacks (1) erhöht und andererseits die Betriebstemperatur des Batteriepacks (1) reguliert werden kann, wobei die elektrischen Entlade- oder Ladeströme der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder der Batteriezellen (8) nur zwischen den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder den Batteriezellen (8) geschaltet und reguliert werden.
  2. Verfahren zum Verändern einer Betriebstemperatur an einem Batteriepack (1) aus Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit Batteriezellen (8) für elektrisch betriebene Fahrzeuge, bei welchem die Betriebstemperatur an dem Batteriepack (1) ermittelt und das Batteriepack (1) in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperatur gekühlt oder geheizt werden kann, wenn die ermittelte Betriebstemperatur einen vorgesehenen Temperaturarbeitsbereich über- oder unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass an den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an den Batteriezellen (8) die jeweiligen Betriebstemperaturen ermittelt und an jedem der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an jeder der Batteriezellen (8) ein elektrischer Entlade- und/oder Ladestrom in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten Betriebstemperaturen individuell eingestellt wird, wobei die thermisch unterschiedlich belasteten Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder die Batteriezellen (8) hierdurch derart individuell gesteuert werden, dass thermisch höher belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) elektrisch weniger stark als thermisch niedriger belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) oder gar nicht entladen oder geladen werden, wodurch die Betriebstemperatur des Batteriepacks (1) batteriepackintern reguliert und andererseits die elektrische Leistungsabgabe des Batteriepacks (1) erhöht werden kann, wobei die elektrischen Entlade- oder Ladeströme der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder der Batteriezellen (8) nur zwischen den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder den Batteriezellen (8) geschaltet und reguliert werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch niedriger belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) elektrisch stärker als thermisch höher belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) entladen oder geladen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Entlade- oder Ladeströme an jedem der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder jeder der Batteriezellen (8) mittels einer gemeinsamen Einrichtung (11) zum individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen individuell eingestellt werden.
  5. Vorrichtung zum Beeinflussen von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen an Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an Batteriezellen (8) eines Batteriepacks (1) für elektrisch betriebene Fahrzeuge und/oder zum Regulieren einer Betriebstemperatur des Batteriepacks (1), zum Durchführen der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder die Batteriezellen (8) untereinander elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung sowohl Mittel zum Ermitteln einer individuellen Betriebstemperatur eines jeden Batteriemoduls (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder einer jeden Batteriezelle (8) als auch eine Einrichtung (11) zum derartigen individuellen Steuern und/oder Regeln von elektrischen Entlade- oder Ladeströmen in Abhängigkeit der ermittelten individuellen Betriebstemperaturen, dass thermisch höher belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) elektrisch weniger stark als thermisch niedriger belastete Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder Batteriezellen (8) oder gar nicht entladen oder geladen werden, aufweist, wobei die elektrischen Entlade- oder Ladeströme der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder der Batteriezellen (8) nur zwischen den Batteriemodulen (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder den Batteriezellen (8) schaltbar und regulierbar sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen oder Bestimmen eines individuellen elektrischen Entlade- oder Ladestroms an jedem der Batteriemodule (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder an jeder der Batteriezellen (8).
  7. Verwendung eines Batteriemoduls (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder einer Batteriezelle (8) eines Batteriepacks (1) für elektrisch betriebene Fahrzeuge zum aktiven Regulieren einer Betriebstemperatur eines weiteren Batteriemoduls (2, 3, 4, 5, 6, 7) und/oder einer weiteren Batteriezelle (8) des Batteriepacks (1) nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4.
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