DE102010000267A1

DE102010000267A1 - Intelligente Temperaturregelung für eine Batterieheizung zum Aufheizen einer Fahrzeugbatterie auf eine Ladetemperatur

Info

Publication number: DE102010000267A1
Application number: DE102010000267A
Authority: DE
Inventors: Jürgen 82024 Jäkel; Rudolf 82544 Höbel
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: Tq-Systems De GmbH
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie. Durch wenigstens zwei Temperatursensoren, die an wenigstens zwei Messpunkten an der Fahrzeugbatterie angebracht sind, werden Temperaturen gemessen. Eine Kontrolleinheit bestimmt die Temperaturen an den Messpunkten und an dem mindestens einem weiteren Ort auf elektrischen oder numerischen Weg. Die Kontrolleinheit bestimmt eine Heizleistung und eine Heizdauer und die Fahrzeugbatterie wird mit der vorher ermittelten Heizleistung und der vorher ermittelten Heizdauer beheizt. Die obenstehenden Schritte werden solange wiederholt, bis die in obenstehendem Schritt ermittelte Temperatur an den Messpunkten und an dem mindestens einen weiteren Ort über einer ersten vorgegebenen Mindesttemperatur liegt.

Description

Fahrzeugbatterien elektrisch betriebener Fahrzeuge sind während eines Winterbetriebs häufig kalten Temperaturen ausgesetzt. Der Ladevorgang von Batterien wird durch kalte Batterietemperaturen maßgeblich beeinflusst. Insbesondere Lithium-Ionen Batterien können beim Laden unter Minustemperaturen beschädigt werden. Durch Erwärmen der Batterie kann hingegen der Ladevorgang beschleunigt und eine Beschädigung der Batterie vermieden werden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Fahrzeugbatterie mit außen angebrachten Heizelementen oder auch durch den Verlustwiderstand der Batterie zu erwärmen. Um die Erwärmung der Batterie zu kontrollieren, kann eine Elektronik hierzu Signale von Sensoren auswerten. Sensoren, die an einer Batterie angebracht sind, werden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik im Zusammenhang mit einem intelligenten Batteriemanagement verwendet. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ein verbessertes Verfahren zum Beheizen einer Fahrzeugbatterie zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der Anmeldung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie offenbart. Das Verfahren beinhaltet ein Messen von Temperaturen durch wenigstens zwei Temperatursensoren an wenigstens zwei Messpunkten an der Fahrzeugbatterie. An mindestens einem weiteren Ort bestimmt eine Kontrolleinheit auf elektrischem oder numerischem Weg die Temperaturen an den Messpunkten und an mindestens einem weiteren Ort. Hierbei ist es erforderlich mindestens zwei Temperatursensoren zu verwenden, um die Temperatur an dem weiteren Ort bzw. den weiteren Orten zu bestimmen, beispielsweise durch eine Berechnung oder eine Interpolation. Die Temperaturbestimmung auf elektrischem oder numerischen Weg bezieht sich hierbei auf eine Temperaturbestimmung mittels einer Analogschaltung oder mittels einer digitalen Recheneinheit wie zum Beispiel eines Mikrocontrollers. Die Bestimmung kann das Verwenden einer Eichtabelle oder auch weitere Berechnungsschritte umfassen.
Weiterhin umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Heizleistung und einer Heizdauer durch die Kontrolleinheit sowie das Beheizen der Fahrzeugbatterie mit der vorher ermittelten Heizleistung und der vorher ermittelten Heizdauer. Gemäß dem Verfahren werden diese Schritte solange wiederholt, bis die in obenstehendem Schritt ermittelte Temperatur an den Messpunkten und an dem mindestens einen weiteren Ort über einer ersten vorgegebenen Mindesttemperatur liegt. Insbesondere offenbart die Anmeldung oben genannte Verfahren, wobei anschließend ein Aufladevorgang der Fahrzeugbatterie gestartet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren das Vergleichen der an den Messpunkten gemessenen Temperaturen mit einer zweiten Mindesttemperatur, die höher als die erste vorgegebene Temperatur ist und das Starten eines Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie, wenn die an den Messpunkten gemessenen Temperaturen über der zweiten vorgegebenen Mindesttemperatur liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren das Speichern der an den Messpunkten gemessenen Temperaturen zu bestimmten Messzeitpunkten und ein Vergleichen der zu den bestimmten Messzeitpunkten gemessenen Temperaturen mit der ersten Mindesttemperatur. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Aufladevorgang der Fahrzeugbatterie dann gestartet, wenn die an den Messpunkten gemessenen Temperaturen innerhalb einer Äquilibrierungszeit für alle Messzeitpunkte oberhalb der ersten vorgegebenen Mindesttemperatur gelegen hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur an mindestens einen weiteren Ort (x, y, z) zu einem Zeitpunkt t mittels einer Exponentialfunktion der Art exp(–t/τ(x, y, z)) oder mittels einer Fehlerfunktion der Art erf(τ(x, y, z)/√2πt)) ermittelt. Hierbei ist τ(x, y, z) eine ortsabhängige Abklingkonstante, die vom Ort (x, y, z) an beziehungsweise in der Batterie abhängt.
Gemäß weiterer Ausführungsformen wird die Temperatur aus einer Nachschlagetabelle, durch numerische Lösung einer Differentialgleichung oder durch Lösen einer Energiebilanzgleichung ermittelt. Hierbei kann das Lösen der Differentialgleichung oder der Energiebilanzgleichung die Verwendung einer Nachschlagetabelle umfassen.
Weiterhin offenbart die Anmeldung eine Vorrichtung mit einer Fahrzeugbatterie, einer Heizeinrichtung zum Beheizen der Fahrzeugbatterie. Die Vorrichtung hat mindestens zwei Temperatursensoren an mindestens zwei Messpunkten an der Fahrzeugbatterie sowie eine Kontrolleinheit mit einer Berechnungseinheit zum Bestimmen der Temperaturen an den mindestens zwei Messpunkten und an mindestens einem weiteren Ort, wobei die Kontrolleinheit mit den Temperatursensoren verbunden ist. Die Berechnungseinheit kann hierbei als separates analoges oder digitales Bauteil oder als Bestandteil eines Programms realisiert sein.
Die Heizvorrichtung kann hierbei durch Heizfolien gebildet sein, die jeweils auf der Oberfläche von Batteriezellen der Fahrzeugbatterie angebracht sind. Dadurch ergibt sich eine platzsparende und ökonomische Ausgestaltung der Heizvorrichtung. Insbesondere kann die Kontrolleinheit mit einem Schalter verbunden sein, mit dem zwischen einem Heizvorgang und einem Ladevorgang umgeschaltet werden kann. Durch den Schalter kann eine Temperaturbestimmung gemäß der Anmeldung erleichtert werden, da sich ein Ladevorgang in der Regel ebenfalls auf die Batterietemperatur auswirkt.
1 zeigt ein Batterieelement einer Li-Ionen Batterie,
2 zeigt eine Batterieeinheit mit fünf Batterieelementen,
3 zeigt ein Schaltbild einer Batterieeinheit, und
4 zeigt ein Verfahren zur Beheizung der Batterieeinheit.
Gemäß der Anmeldung wird die Temperatur eines Ortes an einer Batterie rechnerisch ermittelt, damit die Batterie gegebenenfalls auf eine Ladetemperatur aufgeheizt werden kann, um ein effektives und batterieschonendes Laden der Batterie zu ermöglichen.
Zur rechnerischen Ermittelung einer Temperatur an einem Ort x, y, z gibt es verschiedene Möglichkeiten. Weitere Einzelheiten hierzu werden weiter unten im Anschluss an 3 beschrieben. Eine erste Methode besteht darin, die Wärmeleitungsgleichung numerisch zu lösen.
Die Wärmeverteilung in einer Batterie kann durch die Wärmeleitungsgleichung
modelliert werden. Hierbei bedeuten T die Temperatur, k eine Wärmeleitfähigkeit, ρ eine Wärmekapazität, c eine Dichte und P steht für Wärmequellen bzw. Senken. Als Wärmequellen treten hier die Batterieheizung P_heiz, die Heizung P_int durch den inneren Widerstand der Batterie und weitere externe Wärmequellen und Senken P_ext auf. Der Term P_int modelliert die innere Aufheizung der Batterie durch chemische Reaktionen beim Betrieb und beim Laden der Batterie. Der Term P_ext modelliert z. B. Wärmezufuhr durch Sonneneinstrahlung oder durch die Wärmeabstrahlung eines Verbrennungsmotors. Die Wärmeabstrahlung der Batterie kann als externe Wärmesenke in dem Term P_ext berücksichtigt werden. Die Terme P_heiz, P_ext, P_int können durch Sensorsignale und geeignete Modellannahmen ermittelt werden. Beispielsweise kann P_heiz von dem Strom abhängen, der einer Batterieheizung zugeführt wird. Die Gleichung (1) kann mit bekannten Verfahren der Numerik gelöst werden.
Ein weiterer Ansatz verwendet gespeicherte Temperaturverteilungskurven. Diese Temperaturverteilungskurven können experimentell gemessen oder durch ein Modell wie beispielsweise eine Lösung der Differentialgleichung (1) ermittelt werden. Die Temperaturverteilungskurven entsprechen jeweils bestimmten Betriebsbedingungen der Batterie, wobei die Betriebsbedingungen durch Parameter wie zum Beispiel Außentemperatur und entnommene Batterieleistung charakterisiert werden. Anhand des zeitlichen Verlaufs von gespeicherten Sensorsignalen entscheidet eine Kontrolleinheit, welche Betriebsbedingungen jeweils vorliegen.
1 zeigt ein Batterieelement 1 einer Fahrzeugbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Das Batterieelement 1 enthält eine Platte 2, die mit Hilfe von Befestigungsösen 3, 4, 5, 6 in einer Halterung befestigt ist, die in 1 nicht gezeigt ist. Auf der Platte 2 ist eine flache Li-Ionen(Lithium-Ionen)-Batteriezelle 8 angebracht. An der Li-Ionen-Batteriezelle 8 sind seitlich Befestigungslaschen 9, 10 angeordnet. Die Befestigungslaschen 9, 10 sind über Befestigungsösen 12, 13, 14, 15 an der Platte 2 befestigt. Unterhalb der oberen Befestigungsösen 12, 14 befinden sich Temperatursensoren 17, 18, die jeweils mit dem Rand der Befestigungsösen 12, 14 thermisch gekoppelt sind. Die Temperatursensoren 17, 18 haben jeweils Ausgänge 30, 31 zur Ausgabe einer Messgröße, wie zum Beispiel einer Spannung oder eines Temperaturmesswertes.
Auf der Li-Ionen-Batteriezelle 8 befindet sich eine Heizfolie 20, die über Anschlüsse 21, 22 zum Anschluss an eine Stromversorgung verfügt. Die Heizfolie 20 ist als eine flexible Plastikfolie aus Polychloropren ausgeführt, in der sich eine Heizschlange 26 aus Metall befindet. Ein Eingang 32 der Kontrolleinheit 28 ist mit einem Pol der Heizbatterie 25 verbunden und ein Ausgang 33 der Kontrolleinheit 28 ist mit einem Anschluss 21 der Heizfolie 20 verbunden.
2 zeigt eine Batterieeinheit 40, in der fünf Batterieelemente 1 einer Batterieeinheit in Reihe geschaltet sind. Dabei ist ein Pluspol einer Li-Ionen-Batteriezelle 8 jeweils mit dem Minuspol einer nachfolgenden Li-Ionen-Batteriezelle 8' in der Reihenschaltung verbunden. Ferner ist ein Minuspol der ersten Li-Ionen-Batterie in der Reihenschaltung mit einem Minuspol der Batterieeinheit verbunden und ein Pluspol der letzten Li-Ionen-Batterie in der Reihenschaltung mit einem Pluspol der Batterieeinheit verbunden. Wie weiterhin in 2 erkennbar ist, sind die Li-Ionen-Batterien so angeordnet, dass sich jeweils ein Pol einer Li-Ionen-Batterie über dem entgegengesetzten Pol der bezüglich der Reihenschaltung vorhergehenden Li-Ionen-Batterie befindet. Jedes zweite Batterieelement ist mit einer Heizfolie 20 ausgestattet. Die Heizfolien 20 sind ebenfalls in Reihe geschaltet.
3 zeigt ein Schaltbild einer Batterieeinheit 40 mit einer Batterieheizung. Die Li-Ionen Batteriezellen 8 der Batterieeinheit 40 sind in Reihe geschaltet. Hierbei sind nur die ersten vier Li-Ionen Batteriezellen 8 gezeigt und die weiteren Batterien sind durch eine Schlängellinie symbolisiert. Der Minuspol einer ersten Li-Ionen Batteriezelle 8 ist mit einem Minuspol der Batterieeinheit 40 verbunden und der Pluspol einer letzten Li-Ionen Batteriezelle 8 ist mit einem Schalter 35 verbunden.
Jedes dritte Batterieelement 1 ist mit eine Heizfolie 26 ausgestattet, die in Kontakt mit einer Li-Ionen Batteriezelle 8 ist. Hierbei sind nur die ersten zwei Heizfolien 26 gezeigt und die weiteren Batterien sind durch eine Schlängellinie symbolisiert. Die Heizfolien 26 sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Ein Anschluss einer ersten Heizfolie 26 ist mit dem Minuspol der Batterieeinheit 40 verbunden und ein Anschluss einer letzten Heizfolie 26 ist über einen regelbaren Widerstand 37 mit dem Schalter 35 verbunden. In einer Normalstellung verbindet der Schalter 35 den Pluspol einer letzten Li-Ionen Batterie mit dem Pluspol der Batterieeinheit. In einer Heizstellung verbindet der Schalter 35 einen Anschluss der letzten Heizfolie 26 mit dem Pluspol der Batterieeinheit 40.
Messeingänge einer Kontrolleinheit 28 sind mit Ausgängen von Temperaturmesseinrichtungen 36 verbunden. Eine Temperaturmesseinrichtung 36 umfasst dabei die in 1 gezeigten Temperatursensoren 17 und 18. Schrägstriche symbolisieren eine Mehrzahl von Leitungen. Weiterhin ist ein Ausgang der Kontrolleinheit 28 mit dem Schalter 35 verbunden und ein weiterer Ausgang der Kontrolleinheit 28 ist mit dem regelbaren Widerstand 37 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Stromversorgung der Kontrolleinheit 28 und der Temperatursensoren 36 in 3 nicht eingezeichnet.
Die Batterieeinheit 40 ist in 2 während eines Ladevorgangs gezeigt, bei dem der Minuspol und der Pluspol der Batterieeinheit 40 jeweils mit einem Anschluss eines Ladegerätes 38 verbunden ist. Das Ladegerät 38 ist wiederum über einen Netzanschluss 39 mit dem Stromnetz verbunden.
Die Kontrolleinheit 28 stellt über die Richtung des Spannungsabfalls entlang einer der Zuleitungen zu den in Reihe geschalteten Li-Ionen Batteriezellen 8 fest, ob ein Ladevorgang gestartet wurde. Weiterhin stellt die Kontrolleinheit 28 anhand der Temperatursignale der Temperatursensoren 36 fest, ob die Temperatur der Batteriezellen 8 für einen Ladevorgang ausreicht. Falls die Kontrolleinheit 28 feststellt, dass die Temperatur für einen Ladevorgang nicht ausreicht, steuert die Kontrolleinheit 28 den Schalter 35 so an, dass er in die Heizstellung umgelegt wird.
Durch das Umlegen des Schalters 35 wird ein Heizvorgang gestartet, in dem die Heizfolien 26 an die Spannung des Ladegerätes 38 gelegt werden. Während des Heizvorgangs regelt die Kontrolleinheit 28 den Heizstrom durch Ansteuern des regelbaren Widerstands 37. Anhand der Temperatursignale der Temperatursensoren und anhand gespeicherter Werte bestimmt die Kontrolleinheit 28, ob der Heizvorgang beendet und der Ladevorgang gestartet werden kann. Ist dies der Fall, legt die Kontrolleinheit 28 den Schalter 35 in die Normalstellung um.
Durch die flache Ausführung der Batteriezellen 8 besitzen die Batteriezellen eine große gemeinsame Oberfläche mit der Batterieheizung. Dadurch können die Batterien schnell aufgeheizt werden. Die Temperaturverteilung ist im Wesentlichen zweidimensional und kann bereits durch wenige Sensormesswerte genähert werden.
Das Polychloropren der Heizfolie ist besonders beständig gegen Witterung und Chemikalien. Andere Plastikmaterialien können aber ebenfalls verwendet werden.
Die Batteriebeheizung gemäß der Anmeldung ist vielseitig einsetzbar. Außer zur Beheizung von Batterien in Fahrzeugen kann sie auch eingesetzt werden, um Batterien in Laptops, Handgeräten und im Freien stehende Solarzellenbatterien auf einer optimalen Betriebstemperatur zu halten.
Außer durch eine externe Spannungsquelle wie einen Netzanschluss oder eine eigene Heizbatterie kann die Batterieheizung zusätzlich auch durch die Restenergie der Batteriezellen betrieben werden. Ist eine eigene Heizbatterie vorhanden, erfolgt das Auflanden der Heizbatterie ebenfalls durch ein Ladegerät. Das Laden der Heizbatterie geschieht vorzugsweise vor dem Laden der Batterieeinheit.
Die Batterien können auch durch Wechselstrom von innen her erwärmt werden, in dem der Verlustwiderstand der Batterie ausgenutzt wird. Hierbei muss der Strom so gering sein, dass die Batterie dadurch nicht beschädigt wird.
Gemäß der Anmeldung wird eine Temperatur an einem Ort r_i, der sich an bzw. in der Batterie befindet, ermittelt. Dies kann durch vorkalibrierte Nachschlagetabellen oder vorkalibrierte Parameter geschehen, die in einem Speicher der Temperatursteuerung abgelegt sind. In der folgenden Abbildung ist beispielhaft eine solche Nachschlagetabelle gezeigt.

r_i dT(r_i, t_heiz) dT/dt (r_i, t_heiz) T ΔT_heiz t_heiz

(5, 5, 10) 1°C 0.1°/min 0°C 5°C 1 min

... ... ... ... ... ...
Hierbei bedeuten die Angaben in der ersten Zeile der Tabelle

– einen Ort r_i, der sich an oder in der Batterie befindet,
– die Temperaturänderung dT am Ort r_i nach der Zeit t_heiz,
– die Temperaturänderungsrate am Ort r_i nach der Zeit t_heiz,
– die Durchschnittstemperatur T der Batterie am Anfang der Heizzeit t_heiz,
– die Temperaturdifferenz ΔT_heiz der Wärmequelle zur Batterietemperatur am Ort der Wärmequelle,
– die Dauer t_heiz des Heizvorgangs.

Die zweite Zeile der Nachschlagetabelle bedeutet, dass nach einer Heizzeit t_heiz von 1 Minute am Ort r_i = (5 cm, 5 cm, 10 cm) eine Temperatur von 1°C und eine Temperaturänderungsrate von 0.1°/min gemessen wird, wenn am Ort der Wärmequelle eine Minute lang geheizt wurde. Dabei war am Anfang des Heizzeitraums die Durchschnittstemperatur der Batterie 0°C und die Temperatur der Wärmequelle 5°C über der Wandtemperatur der Batterie. Somit muss unter den gegebenen Anfangsbedingungen eine Minute geheizt werden, um am Ort r_i eine Mindesttemperatur von 1°C zu erreichen. Die Heizleistung ist hier als vorgegeben angenommen, sie kann aber durch eine zusätzliche Spalte berücksichtigt werden.
Weitere Wärmequellen können ebenfalls durch weitere Spalten in der Nachschlagetabelle berücksichtigt werden, so z. B. durch Spalten für die Batterieheizung von außen, für die Außenluft, sowie für die innere Aufheizung der Batterie durch die Verlustleistung.
Die Wandtemperatur der Batterie kann durch einen geeignet angebrachten Temperatursensor erfasst werden. Die Durchschnittstemperatur der Batterie kann aus der Wärmekapazität der Batterie und der Energiebilanz der zu- und abgeführten Wärmemengen indirekt errechnet werden oder aber durch die Durchschnittstemperatur aller Orte x, y, z angenähert werden. Die Orte (x, y, z) sind dabei möglichst so über die Batterie verteilt, dass die tiefste auftretende Temperatur erfasst wird.
Die Nachschlagetabellen können experimentell bestimmt werden, in dem der gesamte Parameterbereich durchgemessen wird oder sie können durch ein geeignetes numerisches Modell der Batterie, wie z. B. die Wärmediffusionsgleichung (1) erstellt werden.
Die Anordnung der beim Betrieb der Batterie verwendeten Temperatursensoren muss im Allgemeinen nicht mit der Anordnung von Temperatursensoren übereinstimmen, die zur Erstellung der gespeicherten Nachschlagetabellen verwendet wird. Zum Beispiel ist es häufig nicht praktikabel, im Betrieb einen Temperatursensor zu verwenden, der im Inneren der Batterie angebracht ist und der die Säuretemperatur misst.
Die Auswirkung einer Wärmequelle oder Senke am Ort (x, y, z) zur Zeit t hängt außer von der Durchschnittstemperatur auch von der genauen Anfangstemperaturverteilung ab. Dies kann ebenfalls berücksichtigt werden, in dem in der Tabelle anstatt einer mittleren Temperatur eine Anfangstemperaturverteilung an den Orten x, y, z abgelegt wird. Da sich die Anzahl der erforderlichen Tabellenzeilen in diesem Fall mit der Anzahl der möglichen Temperaturverteilungen multipliziert, ist es dann zweckmäßig nur einige Temperaturverteilungen abzulegen. In diesem Fall sucht die Temperatursteuerung eine Tabellenzeile, die eine Anfangstemperaturverteilung enthält, die der Temperaturverteilung T(x, y, z) an den Orten x, y, z am Ende des vorherigen Zeitschrittes am nächsten kommt.
Insbesondere für kurze Zeitschritte kann die Auswirkung verschiedener Wärmequellen durch Überlagerung der Wärmequellen angenähert werden. Auf der Grundlage dieses Überlagerungsprinzips wird für jede Wärmequelle bzw. Senke eine eigene Nachschlagetabelle erstellt und die erzielte Temperaturänderungen der einzelnen Wärmequellen zur gesamten Temperaturänderung am Ort x, y, z aufsummiert.
Außer durch Nachschlagetabellen kann der zeitliche Verlauf T(x, y, z, t) an einem Ort (x, y, z) beim Heizen oder beim Abkühlen auch durch eine Funktion, insbesondere eine Exponentialfunktion, zum Beispiel in der Form T(x, y, z, t) = T_eq + (T₀ – T_eq)exp(–t/τ(x, y, z)), oder auch durch eine Gaußsche Fehlerfunktion, zum Beispiel in der Form T(x, t) = T_eq + (T₀ – T_eq)·erf(τ(x, y, z)/√2πt)), angenähert werden. Hierbei ist ”erf” die Gaußsche Fehlerfunktion, T_0 eine Anfangstemperatur, T_eq eine Äquilibrierungstemperatur und τ(x, y, z) ist eine Abklingkonstante, die vom Ort des Temperatursensors abhängt und durch eine Kalibrierung ermittelt wird. Die Abklingkonstante τ(x, y, z) ist ein Maß für die Temperaturempfindlichkeit beziehungsweise Temperaturträgheit eines Ortes (x, y, z) gegenüber einer von außen angelegten Temperatur und ist für einen Heizvorgang und einen Abkühlvorgang im allgemeinen verschieden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform berechnet die Kontrolleinheit 28 die Temperaturverteilung an einem Ort x, y, z nach einem Zeitschritt durch Addition von analytischen Lösungen der Differentialgleichung (1) für Standardsituationen. Beispielsweise kann der Einfluss der Außenluft durch die bekannte analytische Lösung für einen Temperatursprung an der Grenze eines Halbraums beschrieben werden. Hierbei wird die vorausgesagte Temperaturverteilung nach jedem Zeitschritt durch die gemessenen Werte korrigiert.
Weiterhin kann die Temperatur an den vorbestimmten Orten r_1, ..., r_n auch aus einer Energiebilanzgleichung errechnet werden, in der die Wärmezu- und Abfuhr durch Wärme bzw. Kältequellen modelliert wird und in der – in Analogie zu einem elektrischen Netzwerk – die Elemente der Batterie durch eine Anordnung von Wärmewiderständen und Wärmekapazitäten modelliert werden.
In einer alternativen Ausführungsform zu 3 sind vor und hinter jeder Batteriezelle 8 Anschlüsse zur Spannungsmessung vorhanden, die mit der Kontrolleinheit 28 verbunden sind. Dadurch kann eine Überspannung an eine Batteriezelle 8 beim Laden der Batterie vermieden werden. Gemäß einer alternativen Methode zur Temperaturermittlung können diese Spannungsmessungen dazu ausgenutzt werden, um die Abschätzung der relativen Temperaturdifferenzen zwischen den Durchschnittstemperaturen der Batteriezellen zu verbessern. Die Klemmenspannungen U_Zelle der Batteriezellen 8 hängen über die Nernst-Gleichung
mit der mittleren Zellentemperatur T_Zelle in Kelvin zusammen. Hierin ist U_0 ein Standardpotential, R die Gaskonstante, F die Faraday-Konstante und a_1/a_2 das Verhältnis der Aktivitäten der Reaktionspartner. Das Verhältnis a_1/a_2 kann über den Ladezustand der Batteriezellen berechnet werden. Die Temperaturdifferenz ΔT der mittleren Temperaturen zweier Batteriezellen kann somit über die Beziehung ΔT = FΔU/(Rln(a₁/a₂)) abgeschätzt werden.
Hierbei ist der Anschlusswiderstand zu berücksichtigen, sowie der Ausgleich der Spannung zwischen den miteinander verbundenen Batteriezellen. Die Abhängigkeit der gemessenen Spannung einer Batteriezelle von der Temperatur der Batteriezellen und vom Ladezustand der Batterie kann auch durch eine Versuchsreihe ermittelt und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Durch eine automatische Nachkalibrierung der Nachschlagetabelle kann eine Alterung der Batterie berücksichtigt werden.
Die Spannungsmessung an den Batteriezellen kann außerdem dazu ausgenutzt werden, um das Heizen der Batterie zu beenden und das Aufladen der Batterie zu starten, wenn bei allen Batteriezellen die gemessene Spannung über einem vorgegebenen Mindestwert liegt, der vom Ladezustand der Batterie abhängt.
4 zeigt, wie eine der oben angegebenen Methoden zur Temperaturermittlung für eine Beheizung einer Batterie verwendet werden kann.
In einem Schritt 45 werden die Temperaturen an sämtlichen Messpunkten durch Temperatursensoren gemessen. Wenn in Schritt 46 festgestellt wird, dass die größte gemessene Temperatur größer oder gleich einer zweiten Minimaltemperatur T2_min ist, wird in Schritt 51 sofort mit dem Laden der Batterie begonnen. Andernfalls werden in Schritt 47 die Temperaturen an sämtlichen vorbestimmten Orten ermittelt. Dies beinhaltet insbesondere die Berechnung von Temperaturen an den vorbestimmten Orten, an denen sich keine Temperatursensoren befinden. In Schritt 47 wird geprüft, ob die maximale so ermittelte Temperatur unterhalb einer Minimaltemperatur T_min ist. Ist dies nicht der Fall, wird mit dem Laden der Batterie in Schritt 51 begonnen. Andernfalls ermittelt die Kontrolleinheit in Schritt 49 eine Heizleistung P_heiz und eine Heizdauer t_heiz und steuert die Batterieheizung in Schritt 50 mit der Heizleistung P_heiz und der Heizdauer t_heiz. Anschließend wird zu Schritt 45 zurückgeschleift und erneut die Temperaturen an sämtlichen Messpunkten gemessen und die darauf folgenden Schritte ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Methode zur Batterieheizung stellt die Kontrolleinheit 28 zunächst fest, ob die Temperatur an den Messpunkten vorher für die Dauer einer Äquilibrierungszeit t_eq oberhalb einer Mindesttemperatur lag. Ist dies der Fall, ist kein Aufheizvorgang erforderlich und die Kontrolleinheit 28 aktiviert die Batterieheizung nicht.
Zur Ermittlung einer Heizdauer wird die Temperatur an n vorbestimmten Orten r_1, ..., r_n gemäß einer der oben angegebenen Verfahren ermittelt. Zweckmäßig sind die Orte r_i so ausgewählt, dass sich darunter Orte befinden, die sich bei einer Erwärmung von außen am langsamsten aufheizen, beispielsweise Orte, die von der Batterieheizung am weitesten entfernt sind. Falls sich ein Temperatursensor am Kontrollpunkt r_i befindet, benutzt die Kontrolleinheit 28 den Temperaturmesswert des Temperatursensors am Ort r_i. Andernfalls benutzt die Kontrolleinheit 28 eine der oben angegebenen Verfahren um für einen gegebenen Zeitschritt die Temperaturen T(r_i) an den Orten r_i aus den vorhandenen Messdaten zu berechnen.
Wenn während einer Äquilibrierungszeit die Temperatur an den Messpunkten näherungsweise konstant war, wird für Temperatur an den Orten, an denen sich kein Temperatursensor befindet, ein gewichteter Mittelwert aus den gemessenen Temperaturen angenommen. Ein gewichteter Mittelwert aus den gemessenen Temperaturen wird ebenfalls verwendet, um eine Anfangstemperatur festzulegen, wenn keine oder nicht genügend frühere Messwerte im Speicher vorliegen, um eine Temperatur nach einem der oben genannten Verfahren zu berechnen.
Nach der Ermittlung der Temperaturen an den Orten r_1, ..., r_n ermittelt die Kontrolleinheit die erforderliche Heizdauer, um die Batterie an den einzelnen Orten auf eine vorgegebene Mindesttemperatur aufzuheizen. Ist die Heizdauer länger als eine gewünschte Heizdauer wird mittels des Regelwiderstands 37 die Heizleistung erhöht.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer werden erneut die Temperaturen und die Heizdauer nach den oben genannten Schritten ermittelt. Sobald die so ermittelte Temperatur für alle Orte r_i oberhalb der vorgegebenen Mindesttemperatur liegt, wird der Heizvorgang abgebrochen.
Üblicherweise wird ein Sicherheitsabstand vorgesehen, um Ungenauigkeiten in einer Temperaturabschätzung auszugleichen und die Batterie bei einem Aufladevorgang nicht durch ungenügendes Aufheizen zu beschädigen. Gemäß der Anmeldung kann dieser Sicherheitsabstand nun geringer gewählt werden. Dadurch kann ein unnötiges Aufheizen der Batterie vermieden werden, beziehungsweise der Aufheizvorgang kann verkürzt werden. Somit wird Energie gespart und der Aufladevorgang beginnt früher. Da die Aufladung von Batterien mittlerweile häufig durch Schnellladegeräte erfolgt, erwartet ein Benutzer dieses Verhalten auch bei kalter Batterie. Unter anderem deshalb ist es von Vorteil, ein schnelles Aufladen auch bei temperaturempfindlichen Li-Ionen Batterien zu gewährleisten.
Gemäß der Anmeldung wird die Temperatur an mehreren geeigneten Orten an der Batterie ermittelt. Insbesondere befinden sich diese Orte an den einzelnen Zellen der Batterie. Dadurch ist eine genauere Kalkulation der wahrscheinlichen Temperatur möglich, als wenn nur ein einzelner Sensor verwendet würde.
Dadurch, dass gemäß der Anmeldung die Temperatur an mindestens einem weiteren Ort berechnet wird, kann an diesem Ort ein Temperatursensor und die erforderlichen Zuleitungen eingespart werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn es unpraktikabel ist, an diesem weiteren Ort einen Temperatursensor anzubringen, wie beispielsweise im Inneren der Batterie.
Durch die Berechnung von Temperaturwerten nach einer der oben genannten Methoden wie z. B. Verwendung von Nachschlagetabellen, Lösung einer Differentialgleichung, zeitabhängige Funktion wird die Genauigkeit der Temperaturabschätzung erhöht. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn es sich bei dem weiterem Ort, an dem die Temperatur berechnet wird, um einen temperaturträgen Punkt handelt, der sich besonders langsam aufheizt beziehungsweise abkühlt. In diesem Fall ist eine einfache Abschätzung der Temperatur häufig ungenau. Ohne eine Berechnung der Temperatur, wie sie gemäß der Anmeldung erfolgt, müsste somit ein unnötig großer Sicherheitsabstand gewählt werden.
Das in 3 gezeigte Ladegerät 38 kann auch in die Batterieeinheit 40 integriert sein. Die Kontrolleinheit 28 kann durch einen einzelnen integrierten Schaltkreis oder auch durch mehrere solcher integrierten Schaltkreise realisiert sein, die miteinander in Verbindung stehen. Weiterhin kann die Kontrolleinheit 28 auch teilweise oder vollständig mit analogen Schaltkreisen realisiert werden. Ein Programm zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der Anmeldung kann teilweise oder ganz in einem computerlesbaren Speichermedium eines Mikrocontrollers wie zum Beispiel in einem ROM, EPROM, EEPROM oder einem Flash-Speicher gespeichert sein.
Bezugszeichenliste

1: Batterieelement
2: Platte
3: Befestigungsöse
4: Befestigungsöse
5: Befestigungsöse
6: Befestigungsöse
8: Li-Ionen Batterie
9: Befestigungslasche
10: Befestigungslasche
12: Befestigungsöse
13: Befestigungsöse
14: Befestigungsöse
15: Befestigungsöse
17: Temperatursensor
18: Temperatursensor
20: Heizfolie
21: Anschluss der Heizfolie
22: Anschluss der Heizfolie
25: Heizbatterie
26: Heizschlange
28: Kontrolleinheit
29: Messeingang
30: Ausgang des Temperatursensors
31: Ausgang des Temperatursensors
32: Eingang der Kontrolleinheit
33: Ausgang der Kontrolleinheit
35: Schalter
36: Temperatursensor
37: regelbarer Widerstand
38: Ladegerät
39: Netzanschluss
40: Batterieeinheit
45: Verfahrensschritt
46: Entscheidungsschritt
47: Verfahrensschritt
48: Entscheidungsschritt
49: Verfahrensschritt
50: Verfahrensschritt
51: Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie, das die folgenden Schritte umfasst: – Messen von Temperaturen durch wenigstens zwei Temperatursensoren an wenigstens zwei Messpunkten an der Fahrzeugbatterie; – Elektrisches oder Numerisches Bestimmen der Temperaturen an den Messpunkten und an mindestens einem weiteren Ort; – Ermitteln einer Heizleistung und einer Heizdauer; – Beheizen der Fahrzeugbatterie mit der vorher ermittelten Heizleistung und der vorher ermittelten Heizdauer; – Wiederholen der obenstehenden Schritte, solange bis die in obenstehendem Schritt ermittelte Temperatur an den Messpunkten und an dem mindestens einen weiteren Ort über einer ersten vorgegebenen Mindesttemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem den folgenden Schritt umfasst: – Anschließendes Starten eines Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfasst: – Vergleichen der an den Messpunkten gemessenen Temperaturen mit einer zweiten Mindesttemperatur, die höher ist als die erste vorgegebene Temperatur; – Starten eines Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie, wenn die an den Messpunkten gemessenen Temperaturen über der zweiten vorgegebenen Mindesttemperatur liegen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfasst: – Speichern der an den Messpunkten gemessenen Temperaturen zu bestimmten Messzeitpunkten; – Vergleichen der zu den bestimmten Messzeitpunkten gemessenen Temperaturen mit der ersten Mindesttemperatur; – Starten eines Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie, wenn die an den Messpunkten gemessenen Temperaturen innerhalb einer Äquilibrierungszeit für alle Messzeitpunkte oberhalb der ersten vorgegebenen Mindesttemperatur gelegen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Temperatur an dem mindestens einen weiteren Ort (x, y, z) zu einem Zeitpunkt t mittels einer Exponentialfunktion der Art exp(–t/τ(x, y, z)) oder mittels einer Fehlerfunktion der Art erf(τ(x, y, z)/√2πt)) ermittelt wird, und wobei τ(x, y, z) eine ortsabhängige Abklingkonstante bedeutet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an dem mindestens einen weiteren Ort aus einer Nachschlagetabelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an dem mindestens einen weiteren Ort durch numerische Lösung einer Differentialgleichung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an dem mindestens einen weiteren Ort aus einer Energiebilanzgleichung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Fahrzeugbatterie beendet wird, bevor das Aufladen der Fahrzeugbatterie gestartet wurde.
Auf einem Mikrocontroller ausführbares Programm zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computerlesbares Speichermedium mit einem auf einem Mikrocontroller ausführbaren Programm gemäß Anspruch 10.
Vorrichtung mit den folgenden Merkmalen: – Fahrzeugbatterie, – Heizeinrichtung zum Beheizen der Fahrzeugbatterie, – mindestens zwei Temperatursensoren an mindestens zwei Messpunkten an der Fahrzeugbatterie, – Kontrolleinheit mit einer Berechnungseinheit zum Bestimmen der Temperaturen an den mindestens zwei Messpunkten und an mindestens einem weiteren Ort, wobei die Kontrolleinheit mit den Temperatursensoren verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung durch Heizfolien gebildet wird, die jeweils auf der Oberfläche von Batteriezellen der Fahrzeugbatterie angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit mit einem Schalter verbunden ist, mit dem zwischen einem Heizvorgang und einem Ladevorgang umgeschaltet werden kann.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14.