DE102011075361A1

DE102011075361A1 - Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102011075361A1
Application number: DE201110075361
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuthner
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08
Also published as: WO2012150119A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur (ϑ) einer Batteriezelle (12c) beschrieben, das folgende Schritte umfasst: Messen einer an en eines durch die Batteriezelle (12c) fließenden Stroms; Ermitteln eines Innenwiderstands (Ri) der Batteriezelle (12c) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom; und Überwachen der Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstandes (Ri). Ferner wird eine Batteriemanagementeinheit bereitgestellt, die eine Überwachungseinheit umfasst, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Des Weiteren werden eine Batterie (10) mit einer erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit oder einer erfindungsgemäßen Batterie (10) bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer Batteriezelle, eine Batteriemanagementeinheit mit einer Überwachungseinheit, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit oder der erfindungsgemäßen Batterie.
Stand der Technik
Batteriesysteme umfassen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher, die einen breiten Einsatz in tragbaren Konsumgeräten und anderen Anwendungen finden, wie beispielsweise in teilweise oder ausschließlich elektrisch betriebenen Fahrzeugen. In automobilen Anwendungen gelten Batteriesysteme und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme als Schlüsseltechnologie für die Elektrifizierung des Antriebssystems von Fahrzeugen. Batteriesysteme und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme können dabei je nach Einsatzspezifikation modular aufgebaut sein und umfassen meist eine Mehrzahl von seriell oder parallel elektrisch verschalteten Batteriezellen.
Ein wesentlicher Aspekt für die erfolgreiche Etablierung dieser Technologie ist unter anderem die Betriebssicherheit der Batteriesysteme, speziell der Lithium-Ionen-Batteriesysteme, die nicht selten mit großen Kapazitäten betrieben werden. Dabei ist es erforderlich, das Batteriesystem innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs zu betreiben, denn die Batterietemperatur hat einen großen Einfluss auf die Leistungsbereitstellung, Alterung, Lebensdauer und Betriebssicherheit des Batteriesystems. Um dies zu gewährleisten, weisen Batteriesysteme meist ein ausgefeiltes thermisches Managementkonzept auf.
Während des Betriebs von Batteriesystemen kann es vorkommen, dass die Temperatur in der Batterie derart ansteigt, dass diese sich nicht mehr durch äußere Kühlsysteme abkühlen lässt. Hauptursache für solche Temperaturverläufe sind interne Kurzschlüsse in der Batterie, hervorgerufen beispielsweise durch physische Deformationen der Batterie oder durch Verunreinigungen bei der Herstellung der Batterie (beispielsweise Beschädigung des Separators durch Partikel). Ein interner Kurzschluss kann weitere irreversible elektrochemische Prozesse in der Batterie in Gang setzen, bei denen Wärme freigesetzt wird (exotherme Reaktionen). Schließlich kann es zu einem so genannten thermischen Durchgehen, einer Art selbstbeschleunigter Überhitzung, kommen, welches zu einem Bersten des Überdrucksicherheitsventils mit Abblasen von toxischen Gasen oder gar zu einem Bersten der Batteriezelle führen kann. Eine andere mögliche Ursache für irreversible Temperaturzunahmen einer Batterie ist eine Überladung der Batterie.
Üblicherweise weisen Batteriesysteme Sicherheitseinrichtungen auf, die der Vermeidung eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems dienen. Ziel ist es dabei, die Gefahr einer irreversiblen Überhitzung frühzeitig zu erkennen und gegebenenfalls die Batterie schnell vom restlichen Stromnetz zu trennen und/oder einen Ladevorgang der Batterie zu beenden. In Batteriezellen mit größerer Speicherkapazität, typischerweise von mehr als 3 Amperestunden, werden beispielsweise Sicherheitseinrichtungen integriert, welche bei einem erhöhten Innendruck, welcher bei einer erhöhten Temperatur in der Batteriezelle entsteht, einen Strom durch die Batteriezelle unterbinden, sogenannte stromunterbrechende Vorrichtungen (Current Interruptive Devices, CIDs). Diese schützen bei Überlast durch zu hohe Lade- oder Entladeströme und Überlast durch externen Kurzschluss, welche ein thermisches Durchgehen verursachen, nicht aber bei anderen Ursachen, insbesondere bei einem internen Kurzschluss, welcher durch mechanische Deformierung, Partikel oder Dendriten hervorgerufen wird. Ein weiterer gravierender Nachteil derartiger Sicherheitseinrichtungen ist, dass bei deren Auslösung die zur Überwachung der einzelnen Batteriezellen oder zur Ermittlung des Ladezustands eingesetzte Elektronik Schaden nehmen und das Gesamtsystem in einen nicht definierten Zustand geführt werden kann.
Ursache für die Schädigung der Elektronik bei Auslösen einer stromunterbrechenden Vorrichtung ist, dass die zugehörige Spannungsüberwachung mit hohen negativen Spannungen beaufschlagt wird, die bei einer in Fahrzeugen eingesetzten Batterie durchaus mehrere Hundert Volt betragen können. Die eingesetzten Elektronikkomponenten können nur mit erheblichem Aufwand gegen derartige Belastungen geschützt werden. Daher wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen in der Regel auf solche Maßnahmen verzichtet.
Vielmehr finden Verfahren Anwendung, in denen die Temperatur von Batteriezellen überwacht wird, sodass bei überhöhter Temperatur der Batteriezellen das Batteriesystem in einen sicheren Zustand überführt werden kann. Die Überwachung der Temperatur findet dabei üblicherweise mittels zusätzlicher Komponenten, beispielsweise Temperatursensoren statt, die zusätzliche Kosten verursachen und eine mögliche Fehlerquelle darstellen.
Typischerweise werden mehrere Zellen in einem Batteriesystem gemeinsam hinsichtlich ihrer Temperatur überwacht. Hierbei ist jedoch nicht gewährleistet, dass detektiert wird, wenn die Temperatur einer einzelnen Batteriezelle überhöht ist. Es ist somit möglich, dass eine einzelne Batteriezelle in einen sicherheitskritischen Zustand gerät, ohne dass dies detektiert wird.
Es ist auch bekannt, sämtliche Batteriezellen mit einer individuellen Temperaturüberwachung zu versehen und bei Überschreiten einer Grenztemperatur in einer der Batteriezellen die Batterie in einen sicheren Zustand zu überführen. Dies bringt jedoch Zusatzkosten mit sich.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Temperaturüberwachung Messdaten zu nutzen, die typischerweise in einem Batteriesystem zur Verfügung stehen. Insbesondere werden typischerweise in einem Batteriesystem die an den einzelnen Batteriezellen anliegenden Spannungen sowie der im Batteriesystem fließende Gesamtstrom gemessen. Durch die Nutzung ohnehin zu messender Größen können die Kosten für die Temperaturüberwachung gesenkt werden.
Wahlweise können diese Größen auch zusätzlich zu anderen Verfahren zur Temperaturüberwachung verwendet werden, wodurch eine Redundanz und damit eine geringere Fehleranfälligkeit erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer Batteriezelle zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfasst: Messen einer an der Batteriezelle anliegenden Spannung; Messen eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms; Ermitteln eines Innenwiderstands der Batteriezelle aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom; und Überwachen der Temperatur der Batteriezelle auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstandes. Dadurch, dass die Temperatur auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstands überwacht wird, der sich aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ermitteln lässt, wird erreicht, dass Messwerte, die ohnehin zu anderen Zwecken gemessen werden, zur Überwachung der Temperatur verwendet werden können.
Vorzugsweise wird eine die Batteriezelle umfassende Batterie in einen sicheren Zustand überführt, wenn das Überwachen der Temperatur der Batteriezelle auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstandes ergibt, dass die Temperatur der Batteriezelle überhöht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Batterie in einen sicheren Zustand überführt, wenn der ermittelte Innenwiderstand geringer ist als ein einer vorbestimmten Temperatur entsprechender Innenwiderstand. Die vorbestimmte Temperatur beträgt vorzugsweise 60 °C.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen, der Innenwiderstand mindestens zweier Batteriezellen wird ermittelt, und die Batterie wird in einen sicheren Zustand überführt, wenn der für eine erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand sehr viel geringer ist als der für eine zweite Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand. Beispielsweise kann die Batterie in einen sicheren Zustand überführt werden, wenn der für die erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand um einen vorbestimmten Faktor geringer ist als der für eine zweite Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann der für die erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand auch mit dem für mehrere weitere Batteriezellen ermittelten Innenwiderstand verglichen werden, und die Batterie kann beispielsweise in einen sicheren Zustand überführt werden, wenn der für die erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand sehr viel geringer ist als mindestens einer der für die weiteren Batteriezellen ermittelten Innenwiderstände, oder die Batterie kann in einen sicheren Zustand überführt werden, wenn der für die erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand sehr viel geringer ist als alle für die weiteren Batteriezellen ermittelten Innenwiderstände. Der Vergleich mit einem einer vorbestimmten Temperatur entsprechenden Innenwiderstand und der Vergleich mit dem für eine oder mehrere weitere Batterien ermittelten Innenwiderstand können beliebig kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Batterie dadurch in einen sicheren Zustand überführt, dass ein Ladevorgang beendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig mit anderen Verfahren zur Überwachung der Temperatur der Batteriezelle eingesetzt. Dabei können das erfindungsgemäße Verfahren und die anderen Verfahren redundante Werte für die Temperatur der Batteriezelle ermitteln. Dadurch wird erreicht, dass verschiedene Indikationen für eine sicherheitsrelevante Fehlfunktion der Batteriezelle gleichzeitig genutzt werden können, wodurch der Betrieb der Batteriezelle sicherer wird.
Eine die Batteriezelle umfassende Batterie kann eine Vielzahl von Batteriezellen in einer Reihenschaltung umfassen. In diesem Fall wird der durch die Batteriezelle fließende Strom vorzugsweise gemessen, indem der durch die Reihenschaltung fließende Strom gemessen wird. Dadurch wird erreicht, dass nicht für einzelne Batterien innerhalb der Reihenschaltung Strommessungen durchgeführt werden müssen.
Die Erfindung stellt außerdem eine Batteriemanagementeinheit zur Verfügung, die Folgendes umfasst: einen Spannungssensor, einen Stromsensor und eine Überwachungseinheit, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Des Weiteren stellt die Erfindung eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit oder einer erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie, und
2 einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der Temperatur einer Batteriezelle und dem Innenwiderstand der Batteriezelle.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie gezeigt. Die erfindungsgemäße Batterie 10 umfasst mehrere Batteriezellen 12a bis 12f, die in Reihe geschaltet sind. Bei den Batteriezellen 12a bis 12f kann es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Batteriezellen handeln. Die an der Batteriezelle 12c anliegende Spannung DU wird mithilfe eines Spannungsmessgeräts 14 gemessen. Der durch die Batteriezelle 12c fließende Strom I wird in diesem Fall gemessen, indem der durch die Reihenschaltung fließende Strom mithilfe eines Strommessgeräts 16 gemessen wird. Der Innenwiderstand R_i der Batteriezelle kann dann gemäß der Gleichung R_i = ΔU/I ermittelt werden.
Die Batterie 10 kann weitere Mittel umfassen, die unabhängig von der Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezelle 12c die Temperatur der Batteriezelle 12c ermitteln. Beispielsweise kann die Batterie 10 einen Temperatursensor 18 umfassen, der mit der Batteriezelle 12c in thermischem Kontakt steht. Durch gleichzeitige Anwendung verschiedener Verfahren zur Überwachung der Temperatur der Batteriezelle 12c kann eine Redundanz erreicht werden, die es erlaubt, eine überhöhte Temperatur der Batteriezelle 12c auch dann festzustellen, wenn eines der Verfahren versagt.
In 2 ist beispielhaft ein Zusammenhang zwischen der Temperatur ϑ einer Batteriezelle und dem Innenwiderstand R_i der Batteriezelle gezeigt. Bei der Batteriezelle kann es sich beispielsweise um die Batteriezelle 12c der Batterie 10 in 1 handeln. Insbesondere kann es sich um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle handeln. Der Innenwiderstand einer Lithium-Ionen-Batteriezelle fällt typischerweise exponentiell mit der Temperatur ab. Aufgrund dessen ist der Innenwiderstand der Batteriezelle ein guter Indikator für eine überhöhte Temperatur der Batteriezelle. In 2 sind beispielhaft ein Temperaturwert ϑ_n der Batteriezelle sowie der zugehörige Innenwiderstand R_i (ϑ_n) eingezeichnet. Des Weiteren sind eine typische Temperaturgrenze von 60 °C sowie der zugehörige Innenwiderstand R_i (60 °C) eingezeichnet. Sinkt der Innenwiderstand unter den Wert R_i (60 °C), so kann darauf geschlossen werden, dass die Temperatur über die Temperaturgrenze 60 °C gestiegen ist. Allgemein kann also aus dem Unterschreiten einer Widerstandsgrenze R_i (ϑ_max) auf das Überschreiten einer Temperaturgrenze ϑ_max geschlossen werden, und dementsprechend kann eine sicherheitsrelevante Maßnahme zum Schutz der Batterie, beispielsweise eine Beendigung eines Ladevorgangs, eingeleitet werden.
Der in 2 dargestellte Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Temperatur der Batteriezelle kann jedoch auch genutzt werden, indem der für eine Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand mit dem für andere Batteriezellen ermittelten Innenwiderstand verglichen wird. Weist eine der Batteriezellen einen deutlich niedrigeren Innenwiderstand auf als die anderen Batteriezellen, so deutet dies gemäß dem Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Temperatur auf eine erhöhte Temperatur dieser Batteriezelle hin. Dementsprechend kann eine sicherheitsrelevante Maßnahme zum Schutz der Batterie, beispielsweise eine Beendigung eines Ladevorgangs, eingeleitet werden, wenn der für eine Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand sehr viel geringer, beispielsweise um einen vorbestimmten Faktor geringer ist als der für eine oder mehrere andere Batteriezellen ermittelte Innenwiderstand.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer Batteriezelle (12c), umfassend folgende Schritte: Messen einer an der Batteriezelle (12c) anliegenden Spannung; und Messen eines durch die Batteriezelle (12c) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: Ermitteln eines Innenwiderstands (R_i) der Batteriezelle (12c) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom; und Überwachen der Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstands (R_i).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine die Batteriezelle (12c) umfassende Batterie (10) in einen sicheren Zustand überführt wird, wenn das Überwachen der Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) auf Grundlage des ermittelten Innenwiderstandes (R_i) ergibt, dass die Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) überhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Batterie (10) in einen sicheren Zustand überführt wird, wenn der ermittelte Innenwiderstand (R_i) geringer ist als ein einer vorbestimmten Temperatur entsprechender Innenwiderstand.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Temperatur 60 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Batterie (10) eine Vielzahl von Batteriezellen (12a, ..., 12f) umfasst, wobei der Innenwiderstand mindestens zweier Batteriezellen ermittelt wird und wobei die Batterie (10) in einen sicheren Zustand überführt wird, wenn der für eine erste Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand sehr viel geringer ist als der für eine zweite Batteriezelle ermittelte Innenwiderstand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Batterie (10) in einen sicheren Zustand überführt wird, indem ein Ladevorgang beendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren gleichzeitig mit anderen Verfahren zur Überwachung der Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren und die anderen Verfahren redundante Werte für die Temperatur (ϑ) der Batteriezelle (12c) ermitteln.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine die Batteriezelle (12c) umfassende Batterie (10) eine Vielzahl von Batteriezellen (12a, ..., 12f) in einer Reihenschaltung umfasst und wobei der durch die Batteriezelle (12c) fließende Strom gemessen wird, indem der durch die Reihenschaltung fließende Strom gemessen wird.
Batteriemanagementeinheit, umfassend einen Spannungssensor (14); einen Stromsensor (16); und eine Überwachungseinheit, die dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Batterie (10) mit einer Batteriemanagementeinheit nach Anspruch 10.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisches Kraftfahrzeug, umfassend eine Batteriemanagementeinheit nach Anspruch 10 oder eine Batterie (10) nach Anspruch 11.