DE102013214448A1

DE102013214448A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen

Info

Publication number: DE102013214448A1
Application number: DE102013214448.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Boehme; Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-01-29
Also published as: CN104344909A; US20150030898A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß erfolgen dabei eine Ermittlung einer elektrischen Kenngröße einer elektrischen Reihenschaltung thermisch mit jeweils einer Speicherzelle gekoppelter PTC-Elemente und eine Erkennung einer Temperaturerhöhung einer der Vielzahl elektrischer Speicherzellen, wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße einen vordefinierten Schwellenwert erreicht.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen. Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine zusätzliche Absicherung gegenüber einem als "thermal runaway" ("thermisches Ausbrechen") einer Batteriezelle bezeichneten Phänomens zu erkennen.
Batterien erwärmen sich bei der Energieabgabe sowie bei der Energieaufnahme. Die optimale Betriebstemperatur derartiger Batteriesysteme beträgt ca. +5 °C bis +35 °C. Ab einer Betriebstemperatur von ca. +40 °C verringert sich die Batterie-Lebensdauer. Die Erfüllung der Lebensdaueranforderung von ca. 8–10 Jahren ist deshalb nur mit einer hinreichenden thermischen Konditionierung der Batterie mit einem aktiven Thermomanagementsystem realisierbar, bei der die Zellen in allen Betriebszuständen in einem thermisch unkritischen Zustand von unter +40 °C gehalten werden. Des Weiteren darf zur Erreichung eines Alterungsgleichlaufs der Batteriezellen der Temperaturgradient von Zelle zu Zelle lediglich ca. 5 K betragen.
Um mitunter gefährliche Schäden am Fahrzeug, wie z.B. einen Fahrzeugbrand, zu vermeiden, muss unter allen Umständen ein "Thermal Runaway" der Batterie als Folge einer Havarie, d.h. eines Störungsfalls, durch die rasche Temperaturanstiegserkennung und Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen vermieden werden.
Deshalb sind Temperatursensoren zur Messung der Zelltemperaturen und Steuerung des leistungsfähigen Thermomanagementsystems für den sicheren und alterungsverzögernden Betrieb von Li-Ionen bzw. Li-Polymer-Batterien wichtige und unverzichtbare Systemkomponenten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Realisierung eines kostengünstigen und rasch ansprechenden Temperatursensierungskonzepts insbesondere für luftgekühlte Li-Ionen bzw. Li-Polymer-Batteriesysteme bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen gestillt. Die Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen kann dabei beispielsweise aus Lithium-Ionen (Li-Ionen) und/oder Lithium-Polymer-Zellen aufgebaut sein. Solche Zellen kommen beispielsweise als Traktionsbatterien, d.h., zum Antreiben elektrisch antreibbarer Fahrzeuge, zum Einsatz. Vorteilhafterweise brauchen die elektrochemischen Speicherzellen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht thermisch miteinander gekoppelt zu sein. Mit anderen Worten kann eine Temperaturerhöhung einer einzigen elektrochemischen Speicherzelle im Verbund erkannt werden, ohne dass für diese eine separate Auswerteeinrichtung erforderlich wäre. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren den Schritt eines Ermittelns einer elektrischen Kenngröße einer elektrischen Reihenschaltung thermisch mit jeweils einer Speicherzelle gekoppelter PTC-Elemente. Mit anderen Worten wird mittels einer Messung eines Stroms, einer Spannung oder eines Widerstandes einer Reihenschaltung von PTC-Elementen begonnen. Dies kann dauerhaft während des laufenden Betriebes, einmal oder in vordefinierten Abständen (zeit- und/oder ereignisgesteuert) erfolgen. Anschließend erfolgt ein Erkennen einer Temperaturerhöhung einer der Vielzahl elektrischer Speicherzellen, wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße der PTC-Elemente einen vordefinierten Schwellenwert erreicht. Mit anderen Worten wird die elektrische Kenngröße ausgewertet und dabei beispielsweise ein elektrischer Widerstand, ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung (auch Kombinationen dieser Kenngrößen sind möglich) ermittelt und mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen. Sofern der Schwellenwert erreicht ist, wird eine kritische Temperaturerhöhung zumindest einer der Vielzahl elektrischer Speicherzellen erkannt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei bei einfachem Aufbau und unproblematischem Betrieb eine Erhöhung der Sicherheit bei der Energieentnahme oder Energiezufuhr eines elektrischen Energiespeichers sowie eine Sicherstellung einer langen Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Schwellenwert kann als Absolutwert (Einzahlgröße) und/oder als eine Änderung der elektrischen Kenngröße pro Zeiteinheit gewählt werden. Bei der Verwendung der Option „Kenngrößenänderung pro Zeiteinheit“ können verschiedene Schwellenwerte für unterschiedliche absolute Kennwertbereiche festgelegt werden. Während eine Einzahlkennzeichnung eine besonders einfache Bestimmung eines kritischen Temperaturwertes innerhalb der Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen ermöglicht, ist durch eine Änderung der elektrischen Kenngröße pro Zeiteinheit eine weitergehende (dynamische) Überprüfung der Vorgänge innerhalb der elektrochemischen Speicherzellen möglich.
Dabei kann auch die elektrische Kenngröße hinsichtlich ihrer Änderung über der Zeit ermittelt werden. Eine direkte Messung einer Kenngrößenänderung bietet den Vorteil, dass zum Vergleich mit einem Schwellenwert gemäß der Option „Kenngrößenänderung pro Zeiteinheit“ eine Speicherung zu einem zurückliegenden Zeitpunkt ermittelter Werte nicht erfolgen muss und eine schnellere Auswertung und Reaktion auf die Temperaturveränderung möglich ist.
Bevorzugt ist der Schwellenwert als Widerstand vordefiniert und dabei so gewählt, dass bei einer gemeinsamen vordefinierten Temperatur aller elektrochemischer Speicherzellen (bzw. der an ihnen angeordneten PTC-Elemente) der ermittelte Widerstand deutlich niedriger ist als der vordefinierte Schwellenwert. Beispielsweise kann der Schwellenwert um eine, zwei, drei oder vier Zehnerpotenzen höher sein als der elektrische Widerstand der Reihenschaltung bei der vordefinierten Temperatur. Die vordefinierte Temperatur kann dabei beispielsweise als Nenntemperatur der PCT-Elemente festgelegt sein. Mit anderen Worten ändert sich das Verhalten des elektrischen Widerstandes über der Temperatur ab der Nenntemperatur drastisch, wodurch das geänderte Verhalten zumindest einer Zelle der Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen messtechnisch einfach ermittelt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei eine elektrische Reihenschaltung einer Vielzahl von PTC-Elementen. Die PTC-Elemente können dabei auf die Anwendung in einer bestimmten Art elektrochemischer Speicherzellen angepasst sein, indem die Nenntemperatur der PTC-Elemente in einem für die Speicherzellen kritischen Temperaturbereich liegt. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer elektrischen Kenngröße der elektrischen Reihenschaltung von PTC-Elementen. Wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt, kann die elektrische Kenngröße zum Beispiel ein Strom, eine Spannung, ein Widerstand oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Größen sein. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine elektrische Kenngröße der elektrischen Reihenschaltung der PTC-Elemente zu ermitteln. Dies kann beispielsweise durch zwei elektrische Anschlüsse ("Messabgriffe") beiderseits der Reihenschaltung gewährleistet werden, welche mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden sind. Weiter ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Temperaturerhöhung in der Reihenschaltung zu erkennen, wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße der PCT-Elemente einen vordefinierten Schwellenwert erreicht. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau mit geringem Verkabelungsaufwand und lediglich einer Auswerteeinheit für eine Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen bereitgestellt.
Bevorzugt sind die PTC-Elemente eingerichtet, jeweils mit einer elektrochemischen Speicherzelle einer zweiten Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen thermisch gekoppelt zu werden. Mit einer thermischen Kopplung sei eine solche Anordnung beschrieben, bei welcher die Temperatur der PTC-Elemente in messtechnisch sinnvoller Weise mit einer Temperatur einer jeweiligen elektrochemischen Speicherzelle korreliert. Hierzu können die PTC-Elemente insbesondere auf den sogenannten "cap-plates" (deutsch: „Polplatten“ oder „Polanschlüsse“) der elektrochemischen Speicherzelle platziert werden. Eine solche Anordnung bietet erheblichen Freiraum bei der Konstruktion elektrochemischer Speicher.
Bevorzugt können die PTC-Elemente eine Nenntemperatur im Bereich zwischen 50 und 80°C, bevorzugt zwischen 60 und 70°C, aufweisen. Diese Temperaturbereiche haben sich als vorteilhaft für die Anwendung auf elektrochemische Speicherzellen herausgestellt, um deren Lebensdauer zu verlängern.
Weiter bevorzugt ist die Auswerteeinheit eingerichtet, Messsignale von anderen Sensoranordnungen zu erhalten und anhand dieser eine Plausibilisierung der Temperaturerhöhung vorzunehmen. Mit anderen Worten können weitere Sensoranordnungen an die Auswerteeinheit angeschlossen werden oder angeschlossen sein, mittels welcher Kenngrößen zur Ermittlung des Betriebszustandes der elektrochemischen Speicherzellen, insbesondere ihrer Temperatur, ermittelt werden können. Dies bietet den Vorteil einer bestmöglichen Absicherung des Betriebs eines elektrochemischen Speichers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemischer Speicher, umfassend eine Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen und eine Vorrichtung, wie sie als zweitgenannter Erfindungsaspekt vorstehend diskutiert worden ist, vorgeschlagen. Die Merkmale, die Funktionen sowie die Vorteile ergeben sich analog den vorstehenden Ausführungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein Widerstands-Temperatur-Diagramm eines typischen PTC-Elementes;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Speichers mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt den Verlauf eines Widerstands eines PTC-Elementes, wie es erfindungsgemäß Verwendung finden kann, über der Temperatur. In 1 sind die Abszisse linear und die Ordinate logarithmisch dargestellt. Zwischen einer Temperatur von 0°C bis zu einer Ansprechtemperatur T_A verläuft der Widerstand im Wesentlichen linear und leicht abfallend. Zwischen der Ansprechtemperatur T_A und einer Nenntemperatur T_N steigt der Widerstand über der Temperatur im Wesentlichen linear an. Ab der Nenntemperatur T_N verändert sich das Verhalten des Widerstandes über der Temperatur drastisch. Zwischen der Nenntemperatur T_N und der Endtemperatur T_E steigt der Widerstand näherungsweise exponentiell.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Arten von Thermistoren, d.h. temperaturabhängige Widerstände, z.B. NTC-, PTC-Widerstände, Thermoelemente, TRD (Resistance Temperature Devices), usw. Dabei können PTC-Widerstände oder Kaltleiter aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, so u.a. auch aus einer Mischung von (im Wesentlichen) Bariumcarbonat und Titan(IV)-Oxid. Derartige PTC's haben in ihrem Arbeitsbereich zwischen ihrer Nenntemperatur T_N und ihrer Endtemperatur T_E eine näherungsweise exponentielle, stark nichtlineare Temperatur-Widerstands-Kennlinie entsprechend 1. Der Ansprechpunkt des nichtlinearen Kennlinienverlaufs ist die Nenntemperatur T_N. Sie entspricht der ferroelektrischen Curie-Temperatur des Kaltleiters. Ab ihr beginnt ein schlagartiges Umschalten, eine Art Schwellenwertverhalten, zwischen nieder- und hochohmigen Widerstandswerten. D.h., derartige Kaltleiter sind bei einem Betrieb mit einem Strom, bei dem keine Eigenerwärmung auftritt, zur Übertemperatur-Erkennung und -Kontrolle geeignet. Die Temperaturabhängigkeit ihres Widerstandes im Arbeitsbereich wird durch folgende Formel beschrieben: R(T) = R_N·e^b(T-TN)
Die einzelnen Formelzeichen stehen dabei für folgende Größen:

R(T): = Widerstand in Ω bei der Temperatur T
e: = natürliche Exponentialfunktion (Eulersche Zahl = 2,71828 ...)
T: = Betriebstemperatur
T_N: = Nenntemperatur
T_E: = Endtemperatur
R_A: = Minimal-Widerstand in Ω bei der Temperatur T_A, im Beispiel 10 Ω
R_N: = Nennwiderstand in Ω bei Nenntemperatur T_N, im Beispiel 100 Ω
R_E: = Widerstand in Ω bei der Temperatur T_E, im Beispiel 100 Ω
b: = positiver Temperaturkoeffizient in 1/K

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung, umfassend einen elektrochemischen Speicher 1 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der elektrochemische Speicher 1 besteht aus einer Vielzahl (im Beispiel 13) elektrochemischer Speicherzellen 2, welche durch eine Montagebrücke 8 zusammengefasst sind. Die elektrochemischen Speicherzellen 2 werden durch eine Reihenschaltung aus 13 PTC-Elementen 3 miteinander verbunden, welche wiederum über einen elektrischen Leiter 9 zusammengeschaltet sind. Beiderseits der Reihenschaltung der PTC-Elemente 3 sind elektrische Anschlüsse 4, 5 einer Auswerteeinheit 6 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 6 ist eingerichtet, ein logisches "1" an eine nachfolgende Steuerungseinheit 7 auszugeben, sobald eine elektrische Kenngröße der Reihenschaltung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Funktion ist eine Hysterese-Funktion für die Ausgabe des logischen "1" vorgesehen, um ausschließlich konsolidierte Messwerte weiterzugeben.
Wegen der starken Widerstandsänderung der beschriebenen PTC-Elemente 3 im Arbeitsbereich genügt eine Reihenschaltung mehrerer PTC-Elemente 3 zur Kontrolle der Temperatur von Li-Ionen- bzw. Li-Polymer-Batteriemodule mit z.B. bis zu 13 Zellen mittels einer einzigen Auswerteeinheit 6. Die Nenntemperatur T_N des zu wählenden PTC-Elements 3 sollte etwa bei 50°C bis 80°C, bevorzugt bei 60°C bis 70°C liegen. Die einzelnen PTC-Elemente 3 der Reihenschaltung werden zur möglichst direkten Messung auf den Cap-Plates platziert. Es genügt ein Anschluss mit zwei Anschlüssen 4, 5 und es bedarf nur einer einzigen Auswerteeinheit 6, z.B. eines Komparators mit Hysterese, für die PTC-Reihenschaltung.
Wenn die Temperatur irgendeiner der 13 Speicherzellen 2 sich stark und/oder der Temperaturgradient einer Speicherzellen 2 einen bestimmten Wert übersteigt, wird dies sofort erkannt und eine Steuerungseinheit 7 kann zeitnah darauf reagieren.
3 zeigt zwei Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird eine elektrische Kenngröße einer elektrischen Reihenschaltung thermisch mit jeweils einer Speicherzelle 2 gekoppelter PTC-Elemente 3 ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit 6 (siehe 2) durchgeführt werden. Anschließend wird in Schritt 200 eine Temperaturerhöhung einer der Vielzahl elektrischer Speicherzellen 2 erkannt, wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße einen vordefinierten Schwellenwert erreicht.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Sicherheit der Insassen von mit Lithium-Ionen-Batterien und von Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugen signifikant erhöht. Kern und Vorteile der Erfindung sind dabei, dass jede einzelne, thermisch entkoppelte Zelle mittels einer einzigen elektrischen Anordnung mit zwei Anschlüssen überwacht wird.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen (2), umfassend die Schritte – Ermitteln (100) einer elektrischen Kenngröße einer elektrischen Reihenschaltung thermisch mit jeweils einer Speicherzelle gekoppelter PTC-Elemente (3), und – Erkennen (200) einer Temperaturerhöhung in einer der elektrischen Speicherzellen (2), wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße einen vordefinierten Schwellenwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert ein Absolutwert der elektrischen Kenngröße ist oder eine Änderung der elektrischen Kenngröße pro Zeiteinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei – die elektrische Kenngröße eine Spannung oder ein Strom oder ein Widerstand ist, und/oder – der Schwellenwert eine Spannung oder ein Strom oder ein Widerstand oder jeweils deren Änderung pro Zeiteinheit ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schwellenwert ein Widerstand ist und so gewählt ist, dass bei einer gemeinsamen vordefinierten Temperatur (T_N) aller elektrochemischen Speicherzellen (2) der ermittelte Widerstand um eine, bevorzugt zwei, insbesondere bevorzugt drei, Zehnerpotenzen niedriger ist als der Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 4 wobei die vordefinierte Temperatur (T_N) im Wesentlichen der Nenntemperatur der PTC-Elemente (3) entspricht.
Vorrichtung zur Erkennung einer Temperaturerhöhung in einer Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen (2), umfassend: – eine elektrische Reihenschaltung einer ersten Vielzahl von PTC-Elementen (2), und – eine Auswerteeinheit (6) zur Ermittlung einer elektrischen Kenngröße der elektrischen Reihenschaltung von PTC-Elementen (3), wobei die Auswerteeinheit (6) eingerichtet ist, – eine elektrische Kenngröße der elektrischen Reihenschaltung der PTC-Elemente (2) zu ermitteln, und – eine Temperaturerhöhung zu erkennen, wenn ein Auswerteergebnis der elektrischen Kenngröße der PTC-Elemente (3) einen vordefinierten Schwellenwert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die PTC-Elemente (3) eingerichtet sind, jeweils mit einer elektrochemischen Speicherzelle (2) einer zweiten Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen (2) thermisch gekoppelt, insbesondere auf Cap-Plates der elektrochemischen Speicherzellen (2) platziert, zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die PTC-Elemente (3) eine Nenntemperatur (T_N) im Bereich zwischen 50 und 80, bevorzugt 60 bis 70, Grad Celsius aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Auswerteeinheit (6) weiter eingerichtet ist, Messsignale von anderen Sensoranordnungen zu erhalten und anhand dieser eine Plausibilisierung der Temperaturerhöhung vorzunehmen.
Elektrochemischer Speicher (1) umfassend – eine Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen (2), und – eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9.