-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einem Element eines elektrochemischen Energiespeichers, auf einen elektrochemischen Energiespeicher, auf ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Messpunktes in einem elektrochemischen Energiespeicher sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
-
In Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen wird zunehmend eine Sensorik zur Feststellung einer Überhitzung der Batterie oder des Akkumulators, allgemein eines elektrochemischen Energiespeichers, erforderlich, da aus diesem Energiespeicher eine große Energiemenge entnommen wird und ein Ausfall dieses Energiespeichers für den Betrieb des Elektrofahrzeugs bzw. Hybridfahrzeugs fatale Folgen hätte. Eine herkömmliche Temperaturmessung in einer Batterie erfolgt dabei größtenteils über elektrische/elektronische Thermoelemente (wie z. B. Typ-K, NTC). Die Temperaturmessung wird meist modulweise (oft mehrere Messpunkte pro Modul) durchgeführt. Ziel ist es, die Temperaturen der beispielsweise verwendeten Lithium-Sekundärzellen in der Batterie kontinuierlich zu überwachen, um den Zustand der Zellen zu detektieren und gegebenenfalls „Hotspots“ in der Batterie zu detektieren, um darauf reagieren zu können (beispielsweise durch eine Reduktion des Batteriestromes, Regelung der Kühlung, Notabschaltung, ...). Es werden viele Messpunkte benötigt, um zuverlässig „Hotspots" detektieren zu können. Außerdem erhöht sich die Sicherheit des Batteriepacks mit jeder zusätzlichen Temperaturmessung.
-
Im Grenzfall, wenn eine Zelle eine bestimmte Temperaturgrenze überschritten hat, dann droht die Zelle in einen instabilen Zustand zu geraten, in dem der sogenannte „thermal runaway" das gesamte Bateriepack in einer Kettenreaktion zerstören kann. Daher ist ein genaues Monitoring der Zelltemperaturen unabdingbar. Die herkömmlichen Thermoelemente und die Elektronik zur Auswertung müssen galvanisch isoliert ausgeführt werden (Sicherheit, Bauteilschutz, ...).
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einem Element eines elektrochemischen Energiespeichers, weiterhin ein elektrochemischer Energiespeicher, ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Messpunktes in einem elektrochemischen Energiespeicher sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einem Element eines elektrochemischen Energiespeichers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Befestigen zumindest eines Lichtleiters an zumindest einem Messpunkt zumindest eines Energiespeicherelementes des elektrochemischen Energiespeichers, wobei im Schritt des Befestigens der Lichtleiter thermisch leitend an dem Messpunkt befestigt wird; und
- – Verbinden des zumindest einen Lichtleiters mit zumindest einer Auswertungseinheit, die ausgebildet ist, um zumindest eine Temperatur an dem zumindest einen Messpunkt durch Auswertung eines in dem Lichtleiter geleiteten Lichts zu bestimmen, um hierdurch eine Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einem Element eines elektrochemischen Energiespeichers herzustellen.
-
Unter einem Element oder Energiespeicherelement eines elektrochemischen Energiespeichers kann beispielsweise ein Modul oder eine Teileinheit des elektrochemischen Energiespeichers verstanden werden. Dabei kann das Energiespeicherelement ausgebildet sein, um als kleinere Einheit oder als kleinste Einheit des Energiespeichers chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Unter einem Lichtleiter kann langes fadenförmiges Element verstanden werden, welches Licht in seinem Inneren oder Kern von einem Ende zu einem anderen Ende (und zurück) leiten kann, wobei das Licht auch durch Krümmungen des Lichtleiters geführt werden kann. Unter einem Messpunkt kann beispielsweise eine Oberfläche verstanden werden, deren Temperatur zu erfassen ist. Unter einer thermisch leitenden Befestigung kann beispielsweise ein Verkleben des Lichtleiters an dem Messpunkt mit einem thermisch leitenden Klebematerial, ein mechanisches Fixieren des Lichtleiters (beispielsweise unter Verwendung eines bestimmten Anpressdrucks) an dem Messpunkt, beispielsweise mit einer Klemme oder einer Schraube, oder ein Anschweißen des Lichtleiters an dem Messpunkt verstanden werden. Unter einem Verbinden des Lichtleiters mit einer Auswertungseinheit kann ein Koppeln des Lichtleiters mit einer Eingangs-/Ausgangsschnittstelle der Auswertungseinheit verstanden werden, sodass von der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle der Auswertungseinheit Licht in den Lichtleiter eingekoppelt und/oder aus dem Lichtleiter ausgekoppelt werden kann.
-
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine besonders robuste und wenig störungsanfällige Erfassung einer Temperatur zumindest eines Elementes des elektrochemischen Energiespeichers durch die Verwendung einer optischen Temperaturmessung mit einem Lichtleiter möglich wird. In diesem Fall wird ausgenutzt, dass durch eine Veränderung der Temperatur am Messpunkt die Lichtübertragungseigenschaft oder die Lichtweiterleitungseigenschaft des Lichtleiters am Messpunkt beeinflusst, sodass durch die Auswertung eines aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichts (welches beispielsweise zuvor in den Lichtleiter eingekoppelt wurde, ein Rückschluss auf die Veränderung der Temperatur am Messpunkt gezogen werden kann.
-
Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung eines Lichtleiters elektromagnetische Störungseinflüsse auf ein Messsignal, welches beispielsweise über eine Kupferleitung übertragen wird, vermieden werden können. Vielmehr wird nun ein optisches Lichtsignal (genauer die spektralen Streuungen bzw. Reflexionen eines in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtsignals) analysiert, um die Temperatur am Messpunkt zu bestimmen, wobei dieses Lichtsignal nicht durch die elektromagnetischen Einflüsse gestört wird. Weiterhin bietet der hier vorgestellten Ansatz den Vorteil, dass das Verlegen des Lichtleiters im elektrochemischen Energiespeicher und die Anbindung an die Energiespeicherelemente technisch sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden können, ohne einen großen Verkabelungsaufwand zu verursachen.
-
Günstig ist es, wenn im Schritt des Befestigens als Lichtleiter eine fiberoptische Faser oder ein fiberoptischer Lichtleiter an dem zumindest einen Messpunkt befestigt wird. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Verwendung eines fiberoptischen Lichtleiters sehr kostengünstig und einfach zu handhaben ist, da derartige Lichtleiter im Markt kostengünstig verfügbar sind. Unter einem solchen fiberoptischen Lichtleiter kann beispielsweise ein Multimoden-Glasfaser-Element, ein Einmoden-Glasfaser-Element, ein Lichtleiter-Element aus einem für das verwendete Licht transparenten Kunststoff oder ein anderes Element verwendet werden, welches beispielsweise in optischen Nachrichtentechnik Verwendung findet.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Befestigens der Lichtleiter an mehreren Messpunkten zumindest eines Energiespeichers befestigt wird. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Verkabelungsaufwand reduziert werden kann, um eine Temperatur an vielen unterschiedlichen Messpunkten erfassen zu können. In diesem Fall wird ausgenutzt, dass die Veränderung von Lichtleitungseigenschaften an unterschiedlichen Stellen in Lichtleiter eindeutig identifiziert werden kann, sodass auch bei einer gleichzeitigen Temperaturänderung an mehreren Messpunkten diese Temperaturänderung beziehungsweise sogar ein Wert dieser Temperaturänderung eindeutig identifiziert werden kann.
-
Um eine besonders einfache und flexible Möglichkeit zur Messung der Temperaturen an unterschiedlichen Stellen besonders unterschiedlichen Energiespeicherelementen des elektrochemischen Energiespeichers zu ermöglichen, kann gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Befestigens der Lichtleiter derart befestigt werden, dass mehrere Messpunkte seriell miteinander verbunden sind und/oder es kann der Lichtleiter derart befestigt werden, dass mehrere der Messpunkte parallel miteinander verbunden sind.
-
Besonders schnell kann eine Überhitzung oder ein Temperaturanstieg in dem elektrochemischen Energiespeicher erkannt werden, wenn im Schritt des Befestigens der Lichtleiter an zumindest einem Messpunkt befestigt wird, der auf einer Elektrode des Energiespeichers angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch im Schritt des Befestigens der Lichtleiter zumindest an einem Messpunkt befestigt werden, der auf einer von der Elektrode isolierten Gehäusewand angeordnet ist. Eine derartige Anordnung oder Befestigung des Lichtleiters an einer von der Elektrode isolierten Gehäusewand bietet den Vorteil, dass eine Temperatur sehr nahe an einem Innenbereich des Energiespeicherelements erfasst werden kann, ohne dass eine Wärme zunächst über die Elektroden geleitet werden braucht, um an dem Messpunkt der Elektrode auf den Lichtleiter übertragen zu werden.
-
Um nun eine möglichst umfassende Temperaturüberwachung über große Teilbereiche des elektrochemischen Energiespeichers durchführen zu können, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Befestigens der Lichtleiter an Messpunkten befestigt werden, die an unterschiedlichen Energiespeicherelementen des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet sind.
-
Ferner ist es günstig, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Befestigens der Lichtleiter an einem Messpunkt auf einem Verbindungselement zwischen zwei Elektroden von zwei unterschiedlichen Speicherelementen des elektrochemischen Energiespeichers befestigt wird. Insbesondere kann ein solches Verbindungselement Teil einer Serienschaltung von unterschiedlichen Speicherelementen sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Temperaturanstieg an einem solchen Verbindungselement einen Rückschluss auf einen starken Temperaturanstieg in einem der beiden am Verbindungselement angeschlossenen Energiespeicherelemente in der Serienschaltung ermöglicht, sodass auch durch die Verwendung eines an dem Messpunkt an dem Verbindungselement angeordneten oder befestigen Lichtleiters die Überwachung von mehreren Energiespeicherelementen technisch sehr einfach ist und ein Verkabelungsaufwand gering gehalten werden kann.
-
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Befestigens der Lichtleiter an einem Messpunkt an einem Schalter zur Trennung zumindest eines Anschusspols eines Energiespeicherelementes von einem externen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers befestigt werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet ebenfalls den Vorteil, durch die Überwachung eines Temperaturverhaltens an einem externen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers einen Rückschluss auf die thermische Belastung bzw. Überlastung von einzelnen oder mehreren Energiespeicherelementen des elektrochemischen Energiespeichers zu ermöglichen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können im Schritt des Befestigens mehrere voneinander getrennte Lichtleiter zwischen je unterschiedlichen Messpunkten befestigt werden, wobei im Schritt des Verbindens jeder der Lichtleiter mit einer separaten Auswertungseinheit verbunden wird, die ausgebildet ist, um zumindest eine Temperatur an einem mit dem betreffenden Lichtleiter verbundenen Messpunkt durch Auswertung eines in dem mit der betreffenden Auswertungseinheit verbundenen Lichtleiter geleiteten Lichts zu bestimmen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung von mehreren getrennten Lichtleitern, die mit beispielsweise je einer anderen Auswertungseinheit verbunden sind, eine Redundanz erreicht werden kann, die eine Ausfallsicherheit dieses Temperaturüberwachungssystems erhöht.
-
Besonders vorteilhaft können die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes realisiert werden durch einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der mit elektrochemische Energiespeicher zumindest folgende Merkmale aufweist:
- – zumindest einem Energiespeicherelement, insbesondere wobei das Energiespeicherelement ein elektrochemisches Energiespeicherelement ist;
- – zumindest einem Lichtleiter, der an zumindest einem Messpunkt des zumindest einen elektrochemischen Energiespeicherelementes des elektrochemischen Energiespeichers thermisch leitend befestigt ist; und
- – zumindest einer Auswertungseinheit, die ausgebildet ist, um zumindest eine Temperatur an dem zumindest einen Messpunkt durch Auswertung eines in dem Lichtleiter geleiteten Lichts zu bestimmen.
-
Um die hier angeführten Vorteile auch realisieren zu können, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Messpunktes in einer hier vorgestellten Variante des elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen sein, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Einkoppeln von Eingangslicht in den Lichtleiter;
- – Erfassen von Ausgangslicht, das ansprechend auf das eingekoppelte Eingangslicht aus dem Lichtleiter ausgestrahlt wird; und
- – Analysieren des Ausgangslichts, um eine Temperatur an dem zumindest einen Messpunkt zu bestimmen.
-
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Varianten eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
-
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
-
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem elektrochemischen Energiespeicher sowie einer Temperaturmessvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein Schaltbild eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist;
-
3 ein Schaltbild eines weiteren elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist;
-
4 ein Schaltbild eines weiteren elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist;
-
5 ein Schaltbild eines weiteren elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist;
-
6 ein Schaltbild eines weiteren elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist;
-
7 eine perspektivische Darstellung eines Energiespeicherelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Anbindungsmöglichkeiten für einen Lichtleiter;
-
8 eine perspektivische Ansicht von mehreren Energiespeicherelementen eines Energiespeicherzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit an den Energiespeicherelementen befestigtem Lichtleiter;
-
9 eine perspektivische Ansicht von mehreren Energiespeicherelementen eines Energiespeicherzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit an den Energiespeicherelementen befestigtem Lichtleiter;
-
10 eine perspektivische Darstellung eines Energiespeicherelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Anbindungsmöglichkeiten für einen Lichtleiter;
-
11 eine perspektivische Darstellung eines Energiespeicherelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Anbindungsmöglichkeiten für einen Lichtleiter;
-
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
-
13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung:
-
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, in welcher eine Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Das Fahrzeug 100 weist einen Fahrzeugmotor 120 auf, der ausgebildet ist, um das Fahrzeug während der Fahrt anzutreiben. Bei einem Elektrofahrzeug ist der Motor 120 als Elektromotor ausgestaltet und als einziger Motor zum Antrieb des Fahrzeugs 100 ausgelegt. Bei einem Hybridfahrzeug kann ein in 1 nicht dargestellter weiterer Motor (beispielsweise ein Verbrennungsmotor) vorgesehen sein, der in bestimmten Fahrtsituationen den Antrieb des Fahrzeugs 100 übernimmt. Um den (Elektro-)Motor 120 mit elektrischer Energie zu versorgen, ist ein elektrochemischer Energiespeicher 130 vorgesehen, der beispielsweise als Batterie oder als Akkumulator ausgebildet ist. Von dem Energiespeicher 130 kann nun elektrische Energie an den Elektromotor 120 abgegeben werden, wobei eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 140 vorgesehen ist, um die Menge der vom Energiespeicher 130 an den Elektromotor 120 übertragenen Energie zu regulieren. Beispielsweise kann diese Steuerung-/Regelungseinheit 140 mit einem (Gas) Pedal gekoppelt sein, welches der Fahrer des Fahrzeugs 100 betätigen kann, um den Motor 120 zu steuern. Wird nun elektrische Energie von dem Energiespeicher 130 abgegeben, führt dies durch die Wandlung von in chemischer Form gespeicherte Energie im Energiespeicher 130 in elektrische Energie zu einer Erwärmung im Inneren des Energiespeichers 130. Meist ist der Energiespeicher 130 in einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen 150 aufgebaut, welche beispielsweise durch eine Parallelschaltung und/oder eine Serienschaltung miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind, um eine vom Elektromotor 120 benötigte Spannung bzw. einen vom Elektromotor 120 benötigten Strom zur Verfügung zu stellen. Durch die Energiewandlung und Abgabe von elektrischer Energie erhitzen sich nun die einzelnen Energiespeicherzellen 150 (teilweise auch unterschiedlich stark). Um nun eine Überhitzung von einigen, mehreren oder allen Energiespeicherzellen 150 zu verhindern und somit einen Ausfall des Energiespeichers 130 zu vermieden, wird nun die Temperatur von einzelnen, mehreren oder allen Energiespeicherzellen 150 durch die Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 überwacht. Wird dann beispielsweise durch die Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 oder eine (Teil-)Einheit dieser Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 erkannt, dass eine oder mehrere der der Energiespeicherzellen 150 zu stark erhitzt sind und ein Ausfall der betreffend Energiespeicherzelle 150 droht, kann beispielsweise ebenfalls über die Steuerungs-/Regelungseinheit 140 eine Reduktion der Energieentnahme aus dem Energiespeicher 130 angesteuert werden, damit die betreffenden Energiespeicherzellen 150 beispielsweise wieder abkühlen können und somit eine Beschädigung der Energiespeicherzellen 150 vermieden wird.
-
2 zeigt ein Schaltbild eines elektrochemischen Energiespeichers 130 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem eine Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist. Der elektrochemische Energiespeicher 130 umfasst dabei eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 150, die Serienschaltung miteinander elektrisch leitfähig verschaltet sind, um eine möglichst hohe Ausgangsspannung zwischen einem ersten Anschlusspunkt 205 und einem zweiten Anschlusspunkt 210 zu realisieren. Um nun die Temperatur oder eine Temperaturveränderung der einzelnen Energiespeicherelemente 150 zu erfassen, genauer eine Temperatur oder eine Temperaturveränderung an einem Verbindungselement zwischen zwei Polen von zwei unterschiedlichen Energiespeicherelementen 150 zu erfassen, ist nun ein Lichtleiter 215 derart zwischen den Energiespeicherelementen 150 angeordnet, dass er an unterschiedlichen Verbindungselementen 220 zwischen den Polen von zwei verschiedenen Energiespeicherelementen 150 thermisch leitend befestigt ist und somit einen Temperaturmesspunkt 225 bildet (der auch einfach als Messpunkt T bezeichnet werden kann). Der Lichtleiter 215 kann dabei gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Messpunkte 225 seriell miteinander verbinden, wobei der Lichtleiter 215 von einem Ende 230 mit einer Teilauswertungseinheit 235 verbunden ist. Diese Teilauswertungseinheit 235 kann beispielsweise Temperatur oder Temperaturveränderung der Verbindungselemente 220 zwischen den Energiespeicherzellen 150 eines ersten Energiespeichermoduls 237 des elektrochemischen Energiespeichers 130 überwachen. Um ein möglichst optimales Messergebnis zu erhalten, kann dabei der Lichtleiter der 215 derart angeordnet sein, dass er lediglich die Temperatur von Verbindungselementen 220 von einem Teil der im Energiespeicher 130 angeordneten Energiespeicherelemente 150 erfasst. Hierdurch kann der Lichtleiter 215 in seiner Länge begrenzt werden, sodass eine Erkennung der Temperatur(-änderung) an den jeweils betreffenden Messpunkten 225 noch zuverlässig erkannt und räumlich präzise aufgelöst werden kann. Eine solche Anordnung von Lichtleitern 215, die eine Temperatur von Verbindungselementen 220 eines Teils der im Energiespeicher 130 enthaltenen Energiespeicherelemente 150 überwachen, kann für unterschiedliche andere Energiespeichermodule 237 wiederholt aufgebaut sein.
-
Um nun die Temperatur oder eine Änderung der Temperatur eines Verbindungselements 220 bzw. an einem der Messpunkte 225 zu erfassen, kann von der Teilauswertungseinheit 235 Licht am Ende 230 des Lichtleiters 215 eingestrahlt werden und hierauf ansprechende ein aus dem Lichtleiter 215 reflektiertes Licht analysiert werden. Durch die Änderung der Temperatur an den Messpunkten 225 wird sich dort auch die Temperatur des Lichtleiters 215 und damit die optische Eigenschaft des Lichtleiters 215 an dieser Position des Messpunktes 225 verändern. Hierbei werden auch die (spektralen) Reflexionseigenschaften des Lichtleiters 215 verändert. Somit wird das an unterschiedlichen Messpunkten 225 reflektierte Licht, beispielsweise durch Auswertung der spektralen Eigenschaften, insbesondere in Verbindung mit einer erfassten Laufzeit, einen Hinweis auf die Temperatur an den unterschiedlichen Messpunkten 225 des Lichtleiters 215 liefern. Durch die Verwendung eines Lichtleiters 215 für eine derartige Temperaturmessung kann nun ein technisch sehr einfaches Messsystem oder eine Messvorrichtung 110 realisiert werden, die gegenüber elektromagnetischen Störungen wenig anfällig ist. Zugleich bietet die Verwendung eines Lichtleiters, der beispielsweise ein fiberoptischer Leiter ist, eine sehr kostengünstige Möglichkeit, die Temperatur an einer Vielzahl von Messpunkten 225 erfassen zu können.
-
Wird nun beispielsweise in einem oder mehreren der unterschiedlichen Teilauswertungseinheiten 235 erkannt, dass die Temperatur an einem oder mehreren der Messpunkte 225 zu hoch ist und dass eine Überhitzung bzw. Zerstörung von entsprechenden Energiespeicherzellen 150 droht, kann beispielsweise über einen Kommunikationsbus 240 ein entsprechendes Warnungssignal an eine zentrale Auswertungseinheit 250 übersandt werden, die ein entsprechendes Steuersignal 260 ausgibt, um beispielsweise die Regelung- und/oder Steuerungseinheit 140 anzusteuern, um eine reduzierte Energieentnahme aus dem Energiespeicher 130 zu bewirken.
-
Denkbar ist auch, dass ein an der zentralen Auswertungseinheit 250 angeschlossener oder verbundener Lichtleiter 215 zu verschiedenen Messpunkten 225 im Bereich von Anschlussschaltern 270 verlegt ist, nun wobei durch diese Anschlussschalter 270 eine Trennung der einzelnen Energiespeicherelemente 150 von externen Anschlusskontakten 275 des Energiespeichers 130 möglich ist. Auf diese Weise kann auch eine Überwachung der Temperatur an Schaltelementen 270 und/oder Sicherungen 280 gewährleistet werden, sodass diese zur sicheren Abschaltung der Energieübertragung von dem Energiespeicher 130 vorgesehenen Elemente nicht durch zu starke thermische Belastung beeinträchtigt oder zerstört werden. Für diese Überwachung der Temperatur an den Schaltelementen 270 und/oder Sicherungen 280 kann dabei wieder der Lichtleiter 215 an den Messepunkten 225 im Bereich dieser Schaltelemente 270 und/oder Sicherungen 280 thermisch leitend angebracht sein, sodass eine Temperaturveränderung an diesen Messepunkten 225 im Bereich der Schalter 270 und/oder Sicherungen 280 eine Veränderung der optischen Eigenschaften des Lichtleiters 215 verursacht, welche von der zentralen Auswertungseinheit 250 durch die Einspeisung von Licht in diesen Lichtleiter 215 und einer nachfolgenden Analyse des aus dem Lichtleiter 215 reflektierten oder ausgegebenen Lichts erkannt werden kann.
-
Gemäß einem weiteren in der 3 dargestellten Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung können auch zwei Lichtleiter 215 verwendet werden, um in je einer Serienschaltung sehr viele der Verbindungselemente 220 zwischen Energiespeicherelementen 150 von mehreren Energiespeichermodulen 237 des elektrochemischen Energiespeichers 130 auf eine Temperaturveränderung hin zu überwachen. Hierzu kann dieser Lichtleiter 215 mäanderförmig durch die Anordnung der Energiespeicherelemente 150 der unterschiedlichen Energiespeichermodule 237 geführt werden, wobei der Lichtleiter 215 in Messepunkten 225 an Verbindungselementen 220 befestigt ist, die je zwei unterschiedliche Energiespeicherelemente 150 miteinander elektrisch verbinden. Eine Temperaturveränderung im Bereich der Schaltelemente 270 und/oder Sicherungen 280 kann dabei wieder durch einen separaten (oder zwei separate) Lichtleiter 215 entsprechende Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 überwacht werden. Eine solche Anordnung zur Temperaturüberwachung der Verbindungselemente 220 von mehreren Energiespeichermodulen 237 bietet den Vorteil, dass zum einen weniger Lichtleiter 215 benötigt werden und zum anderen auch die Teilauswertungseinheiten 235 weitgehend entfallen, können, wodurch sich der technische Aufwand für eine solche Lösung reduziert. Dies führt zu reduzierten Herstellungskosten und somit zu einer preisgünstigeren Temperaturüberwachungseinheit 110.
-
4 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Temperaturüberwachungseinheit 110, die in einem Energiespeicher 130 mit vielen Energiespeicherelementen 150 eingebettet ist. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird nun ein einziger Lichtleiter 215 verwendet, um eine Temperaturveränderung der unterschiedlichen Verbindungselemente 220 zwischen Polen der Energiespeicherelemente 150 zu überwachen. Dabei verbindet dieser einzige Lichtleiter 215 alle Verbindungselemente 220, wobei an jedem Verbindungselement 220 ein Messpunkt 225 angeordnet ist, an dem der Lichtleiter 215 an dem betreffenden Verbindungselement 220 befestigt ist. Hierdurch lässt sich nochmals der Aufwand für die Herstellung einer solchen Temperaturüberwachungsvorrichtung 110 reduzieren, insbesondere da nun lediglich eine Schnittstelle zum Einkoppeln oder Auskoppeln von Licht in den Lichtleiter 215 vorzusehen ist. Eine Temperaturveränderung an Schaltelementen 270 und/oder Sicherungen 280 kann ebenfalls wieder über (je einen separaten) Lichtleiter 215 erfolgen, wie dies auch in den Blockschaltbildern aus den 2 und 3 dargestellt ist. Hierbei ist anzumerken, dass für die Temperaturüberwachung der Schaltelemente 270 und/oder Sicherungen 280 je eines Anschlusspoles 275 des elektrochemischen Energiespeichers 130 je ein eigener Lichtleiter 215 verwendet wird. Dies ermöglicht eine genaue und präzise Überwachung der thermischen am meisten beanspruchten Elemente des elektrochemischen Energiespeichers 130 mit je einem eigenen Lichtleiter 215.
-
Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem gemäß dem Blockschaltbild aus 6 in einem Energiespeicher 130 eine Temperaturüberwachungsvorrichtung enthalten ist, für die unterschiedliche Verbindungselemente 220 mit Temperatursensoren wie beispielsweise Thermoelementen bestückt sind, die mit je zwei Leitungen an einer Teilauswertungseinheit 235 angeschlossen sind, ermöglicht der hier vorgeschlagenen Ansatz die Verwendung eines kostengünstigen und einfach zu verbauenden Lichtleiters 215. Diese Lichtleiter 215 können eine Vielzahl von thermischen Messstellen mit den (Temperatur-)Messepunkten 225 an den Verbindungselementen 220 miteinander verbinden, wobei an diesen Messepunkten 225 keine Sensoren anzubringen sind, sondern lediglich eine thermisch leitfähige Verbindung desjenigen Elements, dessen Temperatur gemessen werden soll, mit dem Lichtleiter 215 vorzusehen ist.
-
Um eine möglichst gute Temperaturmessung zu realisieren, ist die Wahl des Messpunkts 225 von besonderem Interesse, wie dies mit Bezug zur perspektivischen Ansicht eines Energiespeicherelementes 150 aus 7 näher erläutert wird. Neben den zuvor genannten Messepunkten 225, die an einem Verbindungselement 320 zwischen Polen 710 von zwei unterschiedlichen Energiespeicherelementen 150 angeordnet sind, kommen prinzipiell noch andere Möglichkeiten für die Wahl von Messepunkten 225, d. h. für die Wahl von Befestigungspunkten des Lichtleiters 215 an Positionen auf oder an einem Energiespeicherelement 150 in Betracht. Beispielsweise kann ein Lichtleiter an einem Messpunkt 225 an einem Terminal, Pol oder Anschluss des Energiespeicherelements 150 befestigt werden, wobei in diesem Fall die elektrisch isolierende Eigenschaft des Lichtleiters 215 vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Denkbar ist auch, einen Messpunkt 225 am Gehäuse 720 eines Energiespeicherelements 150 zu wählen, um möglichst auch Temperaturveränderungen im Inneren der Zelle (bzw. des Energiespeicherelementes 150) unter Vermeidung von langen Wärmeübertragungswegen erfassen zu können.
-
8 zeigt eine perspektivische Ansicht von mehreren Energiespeicherelementen 150 eines Energiespeicherzellenmoduls 237, wobei der Lichtleiter 215 mäanderförmig zwischen den Polen 710 der einzelnen Energiespeicherelemente 150 gewunden ist. Hierbei kommt ebenfalls die besonders günstige Eigenschaft des Lichtleiters 215 zum Tragen, da er elektrisch nicht leitend ist und somit keinen Kurzschluss zwischen den Polen 710 der Energiespeicherelemente 150 verursacht.
-
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Energiespeicherzellenmoduls 237 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist nun der Lichtleiter 215 entlang dem Gehäuse der Energiespeicherzellen 150 gewunden. Diese Anordnung des Lichtleiters 215 bietet den Vorteil, dass durch die große Berührungsfläche zwischen dem Lichtleiter 215 und dem Gehäuse 720 der Energiespeicherelemente 150 eine große Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung steht, sodass eine gute Erfassung von einer Temperaturveränderung einer der Zellen 150 möglich wird. Allerdings kann durch die gewundene und flächige Anordnung oder Befestigung des Lichtleiters 215 am Gehäuse 720 der Energiespeicherelemente 150 möglicherweise keine genaue Lokalisierung oder Eingrenzung einer Überhitzung auf eine bestimmte Energiespeicherzelle oder ein bestimmtes Energiespeicherelement 150 erfolgen. In einigen Situationen ist eine derartige genaue Lokalisierung einer möglichen Überhitzung jedoch auch nicht erforderlich, sondern es soll insgesamt der Ausfall des gesamten Energiespeichers 130 vermieden werden, wobei bereits eine Erkennung eines starken Temperaturanstiegs in einem Energiespeicherelementemodul 237 bereits einen deutlichen Hinweis auf den möglicherweise bevorstehenden Ausfall des gesamten Energiespeichers 130 liefert.
-
10 zeigt eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeicherelementes 150. Dieses in 9 dargestellte Energiespeicher mit 150 ist nun als pouch- oder Coffee-bag-Element ausgestaltet. Entsprechend dem in 7 dargestellten Energiespeicherelement 150 können nun ebenfalls Messpunkte 225 an je einem Pol 710 des Energiespeicherelements 150 und/oder an einem Gehäuse 720 des Energiespeicherelements 150 vorgesehen sein.
-
Die Form der Energiespeicherelemente 150 ist jedoch nicht auf eine im Wesentlichen quaderförmige anordnet begrenzt. Beispielsweise kann entsprechend der perspektivischen Ansicht aus 11 eine Energiespeicherzelle 150 auch zylindrisch ausgestaltet sein, wobei dann ein Messpunkt 225 an einem Pol 710 vorgesehen ist und/oder ein Messpunkt 225 an einem Gehäuse 720 der Energiespeicherzelle 150 vorgesehen ist. Bei der Wahl eines Messpunkts 225 am Pol 710 kann ebenfalls wird ausgenutzt werden, dass der Lichtleiter elektrisch isolierend ist und somit kein Kurzschluss am Pol 710 des Energiespeicherelements 150 zu befürchten ist.
-
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 1200 zur Herstellung einer Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einer elektrochemischen Energiespeichers. Das Verfahren 1200 umfasst einen Schritt 1210 des Befestigens zumindest eines Lichtleiters an zumindest einem Messpunkt zumindest eines elektrochemischen Energiespeicherelementes des elektrochemischen Energiespeichers, wobei im Schritt des Befestigens der Lichtleiter thermisch leitend an dem Messpunkt befestigt wird. Weiterhin umfasst das Verfahren 1200 einen Schritt 1220 des Verbindens des zumindest einen Lichtleiters mit zumindest einer Auswertungseinheit, die ausgebildet ist, um zumindest eine Temperatur an dem zumindest einen Messpunkt durch Auswertung eines in dem Lichtleiter geleiteten Lichts zu bestimmen und hierdurch eine Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur von zumindest einer elektrochemischen Energiespeichers herzustellen.
-
13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 1300 zur Erfassung einer Temperatur eines Messpunktes in einem elektrochemischen Energiespeicher gemäß einer vorstehend vorgestellten Variante. Das Verfahren 1300 umfasst einen Schritt 1310 des Einkoppelns von Eingangslicht in den Lichtleiter. Weiterhin umfasst das Verfahren 1300 einen Schritt 1320 des Erfassens von Ausgangslicht, das ansprechend auf das eingekoppelte Eingangslicht aus dem Lichtleiter ausgestrahlt wird und einen Schritt 1330 des Analysierens des Ausgangslichts, um Temperatur an dem zumindest einen Messpunkt zu bestimmen.
-
Zusammenfassend ist anzumerken, dass faseroptische Temperaturmessung bereits ausgereift ist und beispielsweise zur thermischen Überwachung von Energiekabeln eingesetzt werden kann. Auch kann eine thermische Überwachung von chemischen Prozessen erfolgen. Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann eine thermische Überwachung der Batterie durch ein neues Verfahren durchgeführt werden, bei dem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein fiberoptischer Leiter durch die Batterie oder allgemein den Energiespeicher geführt und optoelektronisch ausgewertet werden kann. Hierdurch kann eine Anzahl der Messleitungen reduziert werden. Theoretisch würde ein fiberoptischer Leiter ausreichen, um beispielsweise die Gesamtbatterie zu überwachen; allerdings sollten auch Vorgaben wie Redundanz und die Notwendigkeit, den Fehlerort bestimmen zu können beachtet werden, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Messpunkte führen kann.
-
Weiterhin lässt sich als Vorteil anführen, dass eine flexible Verlegung der fasseroptischen Leitung in der Batterie oder dem Energiespeicher einfach und kostengünstig erfolgen kann. Auch können faseroptische Leiter an der Oberfläche einzelner Zellen (d. h. an einem besten Messpunkt für Temperaturmessung an der Zelle), am Zellverbinder oder an anderen elektrischen Verbindungselementen wie Modulverbindern oder Stromschienen geführt werden, wodurch eine galvanische Trennung durch die fiberoptische Faser zu jeder Zeit erhalten bleibt.
-
Gemäß besonders vorteilhafter Ausführungsbeispiele sind beliebige Konfigurationen bei der Verbindung der Messpunkte darstellbar:
- – ein serieller Kreis;
- – mehrere serielle Abschnitte, die durch mehrere Auswertungseinheiten ausgewertet werden;
- – mehrere parallele Abschnitte, die z. B. jeweils nur an eine Messstelle geführt sind,
-
Zur Aufrechterhaltung der Sicherheit des Systems ist eine galvanische Trennung jederzeit möglich oder gewährleistet. Auch sind keine EMV-Probleme zu erwarten, da keine externen Einkopplungen durch die optische Signalführung möglich sind.
-
Somit wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz in einem Ausführungsbeispiel ein fiberoptischer Leiter beschrieben, der zur Temperaturmessung durch die Batterie als Energiespeicher geführt wird. Der Leiter kann flexibel verlegt werden und über die Zellverbinder und Leitungen geführt werden. So kann die Batterie thermisch überwacht werden.
-
Prinzipiell ist der hier vorgestellten Ansatz in allen Batterien oder elektrochemischen Energiespeichern einsetzbar, insbesondere in Traktionsbatterien für:
- – EV- und HEV-Batterien (EV-Electric Vehicle = Elektrofahrzeug, HEV = Hybrid-Electric Vehicle = Hybridelektrofahrzeug)
- – Stationärbatterien in Energieversorgungsnetzen
- – Schiffsbatterien
- – 14V Starterbatterien
-
Es erfolgt somit beispielsweise eine Temperaturmessung in Batterien, insbesondere Traktionsbatterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuganwendungen, mittels faseroptischer Temperaturmessung.
-
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
-
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
-
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
