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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke eines elektrischen Stroms in einem Bauteil sowie eine Batterie, welche die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Batterie umfasst.
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Stand der Technik
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Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
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Diese hohen Anforderungen sind dadurch bedingt, dass die Batterie eine sehr kostenintensive Komponente der jeweiligen Anlage ist und zudem oftmals eine systemrelevante Komponente ist, deren Betriebsbeeinträchtigung zum Ausfall des gesamten Systems führen kann. So kann zum Beispiel der Ausfall einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug zu einem unbeabsichtigten Stillstand des Fahrzeugs oder sogar zu sicherheitsrelevanten Problemen führen. Funktionsstörungen von Batterien in Windkraftanlagen können zu Havarien der gesamten Windkraftanlage führen, wenn die Batterien nicht bei zu starken Windverhältnissen eine Rotorblattverstellung bewirken können.
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Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
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Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.
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Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien sind oftmals mit einer Einrichtung zur Überwachung der klimatischen Bedingungen im Batteriegehäuse und/oder in der Umgebung des Batteriegehäuses versehen. Eine solche Einrichtung kann zum Beispiel aus einem Temperatursensor gebildet sein oder solchen umfassen, wobei das Ausgangssignal des Temperatursensors als Ist-Wert innerhalb einer Regelstrecke zur Regelung der Temperatur der Batterie verwendet wird.
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Als weitere Überwachungseinrichtungen der Batterie sind Stromsensoren bekannt zur Erfassung des elektrischen Stroms in Bauteilen oder Segmenten der Batterie.
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Derartige Stromsensoren verfügen oftmals lediglich über einen limitierten Messbereich und/oder über eine limitierte Auflösung. Je genauer die Auflösung der Messergebnisse der zu messenden Stromstärke, desto kleiner ist in der Regel der Messbereich des Stromsensors. Daraus entstehen oftmals Unsicherheiten hinsichtlich der Kenntnis über die Höhe der tatsächlich fließenden Ströme.
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Batteriesysteme sind für gewöhnlich mit sicherheitsrelevanten Bauteilen wie zum Beispiel Schützen und Sicherungen ausgestattet, deren Lebensdauer stark von der Höhe des Stromes abhängig ist, mit dem sie belastet werden. Kurzschlussströme, die gegebenenfalls auch nur sehr kurzzeitig auftreten können, können so hoch sein, dass sie von üblicherweise eingesetzten Stromsensoren nicht mehr gemessen werden können.
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Um die volle Funktionalität der Sicherheitsbauteile gewährleisten zu können, ist daher stets davon auszugehen, dass eine maximal mögliche Stromstärke in den stromdurchflossenen Bauteilen vorlag. Die stromdurchflossenen Bauteile müssen demzufolge oftmals ausgetauscht werden, obwohl sie tatsächlich noch nicht ihr Lebensende erreicht haben.
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Dies führt zu hohen Gewährleistungskosten sowie zur Einschränkung der Verfügbarkeit durch den Nutzer. Sollen die Bauteile derart ausgestaltet sein, dass sie selbst bei anzunehmender maximaler Stromstärke nicht ausgetauscht werden müssen, sind sie sehr kostspielig auszulegen.
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Eine weitere Möglichkeit der Vermeidung des Austausches der Bauteile besteht in einer zuverlässigen und ausreichend genauen Messung der auftretenden Ströme, wobei hierbei weitere Stromsensoren, wie zum Beispiel Doppelsensoren, mit erweitertem Messbereich einzusetzen sind, deren Integration jedoch mit einem hohen Prozessaufwand sowie hohem Kostenaufwand verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung der Stromstärke eines elektrischen Stroms in einem Bauteil, insbesondere in einem mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle gekoppelten Leiter zur Verfügung gestellt, wobei der Betrag einer Temperaturerhöhung zumindest eines Abschnitts des Bauteils gemessen wird und auf Basis des Betrages der Temperaturerhöhung die Stromstärke des elektrischen Stroms ermittelt wird, der das Bauteil durchfließt oder durchflossen hat. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren dabei in einer Batterie, insbesondere in einer Lithium-Ionen-Batterie, einzusetzen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Ermittlung von Kurzschlussströmen anhand der Temperaturentwicklung der stromdurchflossenen Bauteile beziehungsweise von Abschnitten dieser Bauteile ermöglicht eine genaue Klassifizierung der Bauteile hinsichtlich ihrer Lebensdauer und somit eine präzise Auslegung, verbunden mit einer Reduzierung der Austauschhäufigkeit und des Einsatzes neuer Stromsensoren, sowie verbunden mit einer Verringerung des Auswahl- und Qualifizierungsaufwandes für diese neuen Sensoren.
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Bei Verwendung von sowieso an Batterien eingesetzten Temperatursensoren ist die Anordnung weiterer kostenintensiver Stromsensoren überflüssig, so dass sich die Material-, Fertigungs-, Montage- und Anschlusskosten verringern lassen. Daneben bestehen ein geringerer Volumenbedarf und ein geringeres Gewicht, wenn die Funktion der Stromsensoren von den Temperatursensoren übernommen wird.
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In einer ersten Alternative kann die Ermittlung der Stromstärke anhand einer Schätzung, basierend auf dem Betrag der Temperaturerhöhung, vorgenommen werden.
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Alternativ dazu kann die Ermittlung der Stromstärke auch anhand einer Berechnung, in der der Betrag der Temperaturerhöhung verrechnet wird, vorgenommen werden. Dabei erfolgt die Messung des Betrages der Temperaturerhöhung vorzugsweise über eine bestimmte Zeitdauer, das heißt zwischen zwei bestimmten Messpunkten.
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Die Temperatur einer Batteriekomponente lässt sich dabei aus einer gewöhnlichen Differentialgleichung in der Zeit berechnen. Die Veränderung der Temperatur ist proportional zur Summe aus Wärmeproduktion und Zu- und Abflüssen von Wärme. Die Wärmeproduktion wiederum ist proportional zum Quadrat des Stromes, der das Bauteil durchfließt.
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Aus der Temperaturveränderung zwischen zwei Messzeitpunkten lässt sich daher der Betrag des geflossenen Stromes ermitteln.
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Die bevorzugte Stromstärkenermittlung aus der Auswertung des Temperaturanstieges basiert auf folgenden Formeln: m·Cp· dT / dt = Q . + kA·(T∞ – T) (1) Q . = Ri·I2 (2) dabei sind:
- T[K]
- die gemessene Temperatur des stromdurchflossenen Bauteils,
- I[A]
- die zu ermittelnde Stromstärke,
- m[kg]
- die Masse des stromdurchflossenen Bauteils,
- cp[J/kg/K]
- die spezifische Wärmekapazität des stromdurchflossenen Bauteils,
- kA[W/K]
- der Wärmeübergangskoeffizient des Bauteils an die Umgebung,
- T∝[K]
- die Umgebungstemperatur,
- Ri[Ω]
- der Innenwiderstand des stromdurchflossenen Bauteils,
- Q .
- die Wärmeproduktion im stromdurchflossenen Bauteil,
- t [s]
- die Zeit.
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Die Formeln (1) und (2) gelten unter der Annahme, dass die durch Q . = Ri·I2 modellierte Wärmeproduktion so dominant ist, dass andere Anteile vernachlässigt werden können und andere Wärmeflussanteile als der an die Umgebung vernachlässigt werden können.
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Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in regelmäßigen Zeitabständen und/oder bei Gefahr des Auftretens eines überhöhten Stroms, wie z. B. eines Kurzschlussstromes, und somit kurz vor dem Auftreten des überhöhten Stromes eine Temperatur T0 und dann bis zu dessen Normalisierung mit einer Abtastrate von Δt weitere Temperaturwerte Tj = 1 ... n (n ∊ N) gemessen.
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Der Temperaturwert, bei dem die Normalisierung angenommen wird, ist vorher zu definieren. Dieser Temperaturwert kann z. B. die Temperatur des Bauteils bzw. dessen Abschnittes im Normalbetrieb daran angeschlossener Batteriezellen sein.
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In jedem Schritt j gilt die folgende Gleichung:
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Bei Messung mit ausreichend kleiner Abtastrate (wie z. B. Δt ≤ 5 s) bzw. in ausreichend kleinen Zeitabschnitten, in denen sich das Vorzeichen des Stromes nicht ändert, gilt dann der folgende mathematische Zusammenhang, aus dem die Stromstärke berechnet werden kann:
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zusätzlich zur Temperaturmessung eine Messung der elektrischen Stromstärke in dem Bauteilabschnitt, in dem der Betrag der Temperaturerhöhung gemessen wird, wobei der gemessene Stromstärkenwert mit dem über die Temperaturmessung ermittelten Stromstärkenwert verglichen wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Temperaturmessung an einer Shunt-Anbringung, das heißt an einem niederohmigen elektrischen Widerstand, der zur Messung des elektrischen Stromes verwendet wird. Weitere Stellen der Messung der Temperatur sind an einem Übergang vom Material des Shunts zur Stromschiene, die die Stromleitungen einzelner Batteriezellen mit den Terminals der Batterie verbindet, und/oder an einem Zellterminal. Insgesamt empfiehlt es sich, die Temperaturmessung an einer solchen Stelle an der Batterie beziehungsweise an einem solchen Bauteil vorzunehmen, an der ein in Bezug zu weiteren stromdurchflossenen Stellen oder Bauteilen ein höherer Widerstand vorhanden ist, so dass bei Stromfluss hier eine relativ starke Temperaturerhöhung zu verzeichnen ist, die mit geeigneten Temperatursensoren gemessen werden kann. Vorzugsweise sollte die Temperaturmessung an material-homogenen Bauteilen oder Stellen der Batterie vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke eines elektrischen Stromes in einem Bauteil, insbesondere in einem mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle gekoppelten Leiter, zur Verfügung gestellt, welche eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung des Betrages einer Temperaturerhöhung zumindest eines Abschnitts des Bauteils aufweist, und eine Stromstärkenermittlungseinrichtung aufweist zur auf Basis des Betrages der Temperaturerhöhung erfolgenden Ermittlung der Stromstärke des elektrischen Stromes, der das Bauteil durchfließt oder durchflossen hat. Die Temperaturmesseinrichtung kann dabei ein normaler Temperatursensor sein, der zur Überwachung der klimatischen Bedingungen in oder an der Batterie angeordnet ist. Ein solcher Temperatursensor macht bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Stromstärke die Anordnung eines Stromsensors überflüssig. Somit entstehen bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine wesentlichen Zusatzkosten. In einer alternativen Ausgestaltung kann der genutzte Temperatursensor auch ein extra angeordneter Sensor sein, der insbesondere zur Ermittlung der Temperatur des betreffenden Bauteils beziehungsweise dessen Abschnittes angeordnet ist.
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Selbst ein extra angeordneter Temperatursensor führt zu geringeren Material-, Fertigungs- sowie Montagekosten als die Anordnung eines Stromsensors, der ein sehr großes Messspektrum sowie dabei eine ausreichende Messgenauigkeit aufweisen müsste, um auftretende Kurzschlussströme genau messen zu können.
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In dem Falle, in dem jedoch ein Stromsensor bereits in oder an der Batterie angeordnet ist, lässt sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke eine Plausibilisierung des mit dem Stromsensor ermittelten Messwertes durchführen. In dieser Ausgestaltung ist der Einsatz eines weiteren redundanten und kostenintensiven Stromsensors nicht nötig.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke sollte eine Berechnungseinheit umfassen, mit der die Stromstärke anhand der Formel
berechnet werden kann. Diese Berechnungseinheit kann auch ein Bestandteil eines Batterie-Management-Systems sein, oder Teil einer Steuerungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung angeordnet ist.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen eines mittels Strommessung ermittelten Wertes und des über die Temperaturmessung ermittelten Wertes aufweisen, um den mittels Strommessung ermittelten Wert zu plausibilisieren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, welche eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Ermittlung der Stromstärke umfasst. Dabei ist das Bauteil, dessen Temperatur erfindungsgemäß gemessen wird, vorzugsweise ein Bestandteil der Batterie.
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Die Erfindung ergänzend wird außerdem ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist und eine erfindungsgemäße Batterie umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Bei diesem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann das Bauteil, in dem die Temperaturerhöhung gemessen wird, auch ein außerhalb der Batterie und mit dieser elektrisch verbundenes Bauteil des Kraftfahrzeuges sein. Das Kraftfahrzeug kann weiterhin eine Steuerungseinrichtung umfassen, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
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Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand des in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die einzige Figur zeigt dabei ein Bauteil 2, durch welches ein elektrischer Strom 1 fließt.
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Dieses Bauteil kann insbesondere ein in einer Batterie, wie zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie, angeordnetes Bauteil sein, oder auch ein Bauteil, welches elektrisch mit einer solchen Batterie verbunden ist. An dem Bauteil angeordnet ist ein Temperatursensor 3. Im Falle des Auftretens eines überhöhten Stroms 1, wie zum Beispiel eines Kurzschlussstroms, ist auf Grund des Widerstandes des Bauteils 2 eine Temperaturerhöhung dieses Bauteils 2 zu verzeichnen. Mit dem Temperatursensor 3 wird das Maß der Temperaturerhöhung gemessen. Eine Auswertung des Betrages der Temperaturerhöhung über die beschriebene Berechnung oder, alternativ, mittels einer Abschätzung, führt zu Aussagen hinsichtlich der Höhe des durch das Bauteil 2 geflossenen oder fließenden Stromes 1.
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Der Temperatursensor 3 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass er auch zur Erfassung der Temperatur im Normalbetrieb des Bauteils 2 sowie daran angeschlossener Batteriezellen dienen kann.
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Somit wird mit einfachen technischen Mitteln eine zuverlässige und ausreichend genaue Ermittlung der Stromstärke des elektrischen Stroms 1 zur Verfügung gestellt, so dass verlässliche Aussagen hinsichtlich der Erreichung des Lebensdauerendes des Bauteils 2 und/oder daran elektrisch angeschlossener weiterer Komponenten getroffen werden können.
