DE102014223263A1

DE102014223263A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Batteriezelle sowie Batteriemodul, Batterie, Batteriesystem, Fahrzeug, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102014223263A1
Application number: DE102014223263.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Friedrich; Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (310) zur Kühlung einer Batteriezelle (100₁, 100₂), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (316) zum Empfangen (420) von Messwerten der Batteriezelle (100₁, 100₂); eine Einrichtung (312) zum Bestimmen (430) eines Temperaturwerts der Batteriezelle (100₁, 100₂) aus den empfangenen Messwerten; eine Einrichtung (312) zum Vergleichen (440) des bestimmten Temperaturwerts mit einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert für die Batteriezelle (100₁, 100₂); und eine Einrichtung (312) zum Einstellen (460), wenn der bestimmte Temperaturwert den vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt, eines bestimmten Stromwerts für die Batteriezelle (100₁, 100₂) oder eine andere Batteriezelle (100₂, 100₁), die benachbart zu der Batteriezelle (100₁, 100₂) angeordnet ist, derart, dass ein Strom (I₁, I₂) durch die Batteriezelle (100₁, 100₂) in Höhe des bestimmten Stromwerts eine Senkung der Temperatur der Batteriezelle (100₁, 100₂) oder der anderen Batteriezelle (100₂, 100₁) bewirkt, ein Batteriemodul (200), eine Batterie, ein Batteriesystem (10), ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Stand der Technik
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES) vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
Die Batteriesysteme müssen sehr hohe Anforderungen bezüglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade / Entlade-Wirkungsgrads, der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und des tolerierbaren Kapazitätsverlusts, zum Beispiel, durch häufige Teilentladung erfüllen. Somit kommen Hochleistungs- bzw. Hochenergiebatteriezellen in speziellen Ausführungen und Bauformen zum Einsatz. Beispielsweise können die Batteriezellen ein prismatisches Gehäuse, das Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Edelstahl umfasst, umfassen.
Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Aufgrund ihres Zelleninnenwiderstands und der stattfindenden elektrochemischen Prozesse erwärmen sich die Batteriezellen während des Ladens und Entladens. Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und / oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom zu erhöhen. Dabei können die Batteriezellen zu Batterieeinheiten bzw. Batteriemodulen zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden. Bei einem Hochvoltbatteriesystem kann die Gesamtspannung somit beispielsweise 450 V betragen.
Der für den Betrieb der Batteriezellen zulässige Temperaturbereich liegt typischer Weise zwischen +5 °C und +40 °C. Im unteren Bereich der Betriebstemperatur kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen von unter ca. 0 °C steigt der Innenwiderstand der Batteriezellen stark an, und die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad der Batteriezellen nehmen mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich ab. Dabei kann auch eine irreversible Schädigung der Batteriezellen auftreten. Auch wenn die Betriebstemperatur überschritten wird, kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen über ca. 40 °C wird die Lebensdauer der Batteriezellen reduziert, unabhängig davon ob die Wärmeenergie in den Batteriezellen freigesetzt oder von extern zugeführt wird. Dadurch kann ebenfalls eine irreversible Schädigung der Batteriezellen auftreten. Die Schädigung kann zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen oder einer selbsterhaltenden exothermen Reaktion (thermisches Durchgehen, thermal runaway) der Batteriezellen, die beispielsweise zu einem Zellbrand oder einer Zellexplosion führen kann und somit eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt, führen.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriemoduls bzw. Batteriesystems zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, die Batteriezellen innerhalb der vorgegebenen Spezifikation zu betreiben. Dazu werden die Batteriezellen üblicherweise mittels einer zentralen Steuerungseinrichtung bzw. Regelungseinrichtung wie eines Batteriemanagementsystems (battery management system, BMS) bezüglich Temperatur, Spannung, Strom, daraus resultierender Kapazität und / oder resultierendem Innenwiderstand überwacht, um eine kritische oder gefährliche Situation rechtzeitig erkennen bzw. vermeiden zu können. Dadurch kann das Batteriemodul bzw. Batteriesystem beispielsweise in einem Fehlerfall vollständig abgeschaltet werden.
M. Shadman Rad, D. L. Danilov, M. Baghalba, M. Kazemeini, P. H. L. Notten, „Adaptive thermal modeling of Li-ion batteries", Electrochimica Acta 102 (2013), Seiten 183–195 offenbart eine adaptive thermische Modellierung von Lithium- Ionen-Batterien anhand einer Kleinzelle in radialer Bauform mit einer Nennkapazität von 7,5 Ah.
Aus WO 2012/019062 A2 ist weiterhin eine aufladbare Batterie mit Batteriezellen und einem Strombegrenzer wie einen temperaturabhängigen Widerstand oder eine Sicherung zum Begrenzen bzw. Unterbrechen eines durch die Batteriezellen fließenden Stroms, wenn der Strom einen vorbestimmten Strom übersteigt und / oder eine Temperatur eine der Batteriezellen eine vorbestimmte Temperatur übersteigt, bekannt.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) weiter zu erhöhen, ist es jedoch erforderlich, die Kühlung von Batteriezellen weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass ein Überhitzen einer Batteriezelle verhindert oder zumindest verlangsamt werden kann. Dabei kann eine endotherme Reaktion aufgrund eines entropischen Wärmeverbrauchs (entropic heat consumption) in der Batteriezelle und / oder einer anderen, benachbart angeordneten Batteriezelle bzw. einer Vielzahl von benachbart angeordneten Batteriezellen eingesetzt werden, um Wärme aufzunehmen und zu speichern und die Batteriezelle somit zu kühlen. Dadurch kann ein Überschreiten des zulässigen Temperaturbereichs vermieden oder zumindest verzögert werden. Somit kann die Gefahr eines thermischen Durchgehens reduziert werden. Dadurch kann die Sicherheit der Batteriezelle sowohl während ihres Betriebs beispielsweise beim Laden und / oder Entladen als auch bei Nichtbetrieb (Ruhe) beispielsweise bei Herstellung, Lagerung und / oder Transport erhöht werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Vorverarbeiten beispielsweise Filtern der empfangenen Messwerte umfassen. Dadurch kann ein Störsignal, das in den Messwerten enthalten sein kann, entfernt werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit der Kühlung verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Unterbrechen, vor dem Einstellen des bestimmten Stromwerts, des Stroms durch die Batteriezelle umfassen. Dadurch kann der Stromwert unabhängig vom Strom, der zuvor durch die Batteriezelle geflossen ist, in Höhe und Richtung bestimmt und eingestellt werden. Somit kann ein Kühlungseffekt erreicht werden.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Auswählen, vor dem Einstellen des bestimmten Stromwerts, der Batteriezelle oder der anderen Batteriezelle aus einer Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Dadurch kann eine Batteriezelle oder eine Vielzahl von Batteriezellen mit einem Ladezustand, der die Aufnahme der größten Wärmemenge erlaubt, ausgewählt werden. Somit können eine Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen der Vielzahl von Batteriezellen besser gekühlt werden.
Zweckmäßiger Weise kann ein empfangener Messwerte einen Temperaturmesswert bzw. können die empfangenen Messwerte Temperaturmesswerte umfassen. Dadurch die Temperatur der Batteriezelle direkt beispielsweise mittels eines Temperatursensors, der lokal an oder in der Batteriezelle angeordnet ist, bestimmt werden. Somit kann die Bestimmung vereinfacht werden.
Zweckmäßiger Weise können die empfangenen Messwerte Spannungsmesswerte und Strommesswerte umfassen. Aus den Spannungsmesswerten und Strommesswerten kann die Temperatur der Batteriezelle berechnet werden. Somit können die Spannungsmesswerte und Strommesswerte, die beispielsweise für andere Zwecke ermittelt werden, für die Bestimmung der Temperatur herangezogen werden. In einer solchen Realisierung kann auf einen Temperatursensor, der der Batteriezelle zugeordnet ist, verzichtet werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Einstellen des bestimmten Stromwerts ein Aufprägen des bestimmten Stromwerts auf den Strom umfassen. Dadurch kann der Stromwert in Höhe und Richtung frei bestimmt und eingestellt werden. Somit kann der Stromwert beispielsweise unter Berücksichtigung eines Stromfaktor und / oder eines Ladezustands (state of charge, SoC) derart eingestellt werden, dass die Wirkung der endothermen Reaktion aufgrund eines entropischen Wärmeverbrauchs maximiert werden kann. Somit kann die Batteriezelle besser gekühlt werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Einstellen des bestimmten Stromwerts ein Reduzieren bzw. Begrenzen des Stroms, d. h. Betriebsstrom beispielsweise Ladestroms oder Entladestroms, auf den bestimmten Stromwert umfassen.
Zweckmäßiger Weise kann der eingestellte Stromwert ein Entladen der Batteriezelle oder der anderen Batteriezelle bewirken. Dadurch kann der Ladezustand der Batteriezelle verringert werden. Dazu können beispielsweise Widerstände, Halbleiter oder Batteriezellen als Stromsenken verwendet werden. Durch Entladen einer benachbarten Batteriezelle bei gleichzeitigem Aufladen einer weiteren benachbarten Batteriezelle können Verluste minimiert und / oder die Wirkung der endothermen Reaktion maximiert werden.
Zweckmäßiger Weise kann der eingestellte Stromwert ein getakteter Stromwert oder ein pulsweitenmodulierter (puls width modulated, PVM) Stromwert sein. In dieser Ausführungsform kann der eingestellte Strom getaktet eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden.
Zweckmäßiger Weise kann der eingestellte Stromwert einem Stromfaktor der Batteriezelle oder der anderen Batteriezelle im Bereich von 0,1C bis 0,5C beispielsweise 0,2C entsprechen. Dadurch kann die endotherme Reaktion besser ausgenutzt werden.
Zweckmäßiger Weise kann ein Ladezustand (state of charge, SoC) der Batteriezelle oder der anderen Batteriezelle im Bereich von 0 % bis 50 % beispielsweise 25 % betragen. Dadurch kann die endotherme Reaktion besser ausgenutzt werden. Andere Werte für den Entladestrom und / oder SoC der Batteriezelle können zweckmäßig für eine Realisierung der Methode sein.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriemodul bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder das zuvor beschriebene Batteriemodul umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, das zuvor beschriebene Batteriemodul oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriemodul, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren Vorverarbeiten beispielsweise Filtern der empfangenen Messwerte umfassen. Dadurch kann ein Störsignal, das in den Messwerten enthalten sein kann, entfernt werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit der Kühlung verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin, vor dem Einstellen des bestimmten Stromwerts, Unterbrechen des Stroms durch die Batteriezelle umfassen. Dadurch kann der Stromwert unabhängig vom Strom, der zuvor durch die Batteriezelle geflossen ist, in Höhe und Richtung bestimmt und eingestellt werden. Somit kann die Batteriezelle besser gekühlt werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin, vor dem Einstellen des bestimmten Stromwerts, Auswählen der Batteriezelle oder der anderen Batteriezelle aus einer Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Dadurch kann eine Batteriezelle oder eine Vielzahl von Batteriezellen mit einem Ladezustand, der die Aufnahme der größten Wärmemenge erlaubt, ausgewählt werden. Somit kann die Batteriezelle besser gekühlt werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogramm bereit, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogrammprodukt bereit, das das zuvor beschriebene Computerprogramm umfasst.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrensschritte nicht zwangsläufig in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (Interleaving).
Weiterhin ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen Computer-basierten Instanzen, zum Beispiel Client-Server- Instanzen, zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Modul seinerseits unterschiedliche Sub-Module umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriesystems 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ und einer Vorrichtung 310 zur Kühlung der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens 40 zur Kühlung von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
3 zeigt beispielhafte Temperaturverläufe 512, ... 536 einer Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ in Abhängigkeit von einer aus der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ entnommenen Ladungsmenge Q.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriesystems 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ und einer Vorrichtung 310 zur Kühlung der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ ist in einem Batteriemodul 200 angeordnet, wobei die Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ in dem Batteriemodul 200 räumlich beieinander bzw. nebeneinander angeordnet sind, sodass sie miteinander thermisch verbunden sind. Die Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ umfassen jeweils elektrische Anschlüsse 110 ₁, 110 ₂, 120 ₁, 120 ₂ zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ mit einem Verbraucher bzw. einer Ladevorrichtung (nicht in 1 gezeigt). Die Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ können beispielsweise seriell oder parallel miteinander elektrisch verbunden sein.
Die Vorrichtung 310 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 312, die beispielsweise als Prozessor, Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein kann, zum programmgesteuerten Verarbeiten von Messwerten, Bestimmen von Temperaturwerten und Stromwerten der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂, eine Speichereinrichtung 314, die mit der Verarbeitungseinrichtung 312 verbunden ist und beispielsweise als Speicher wie nichtflüchtiger Speicher und / oder flüchtiger Speicher ausgebildet sein kann, zum Speichern von Befehlen und / oder Daten wie Messwerten, Schwellenwerten und / oder Stellwerten, und eine Verbindungseinrichtung 316, die mit der Verarbeitungseinrichtung 312 verbunden ist und beispielsweise als Schnittstelle ausgebildet sein kann, zum Übertragen von Daten. Die Vorrichtung 310 kann in dem Batteriemodul 200 integriert sein. Die Vorrichtung 310 kann durch ein Batteriemanagementsystem verwirklicht werden. Alternativ kann die Vorrichtung 310 durch einen entfernten Computer bzw. Rechner beispielsweise einen zentralen Server verwirklicht werden. Dabei können die Daten beispielsweise über das Internet oder drahtlos übertragen werden.
Die Vorrichtung 310 kann weiterhin Temperaturmesseinrichtungen 320 ₁, 320 ₂ wie Temperatursensoren, die jeweils mit den Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ thermisch verbunden sind und über Verbindungen wie Verbindungsleitungen 325 ₁, 325 ₂ mit der Verbindungseinrichtung 316 elektrisch verbunden sind, zum Erfassen bzw. Messen einer Temperatur einer der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ umfassen.
Die Vorrichtung 310 kann weiterhin eine Spannungsmesseinrichtung, die mit der Verbindungseinrichtung 316 elektrisch verbunden ist, zum Erfassen bzw. Messen einer Spannung einer der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂, die zwischen den elektrischen Anschlüsse 110 ₁, 110 ₂, 120 ₁, 120 ₂, und / oder eine Strommesseinrichtung, die mit der Verbindungseinrichtung 314 elektrisch verbunden ist, zum Erfassen bzw. Messen eines Stroms I₁, I₂ durch eine der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ umfassen.
Die Vorrichtung 310 kann weiterhin Stelleinrichtungen 330 ₁, 330 ₂, die über Verbindungen wie Verbindungsleitungen 335 ₁, 335 ₂ mit der Verbindungseinrichtung 316 elektrisch verbunden sind, zum Einstellen des bestimmten Stromwerts umfassen. Die Stelleinrichtungen 330 ₁, 330 ₂ können beispielsweise jeweils zwischen einem Zellterminal (nicht in 1 gezeigt) und einem der Anschlüsse 120 ₁, 120 ₂ angeordnet sein und / oder eine Schalteinrichtung oder eine Verbrauchseinrichtung, die beispielsweise als Widerstand wie Leitungswiderstand oder steuerbares Halbleiterbauelement wie Leitungstransistor ausgebildet sein kann, umfassen. Die Verbrauchseinrichtung kann beispielsweise zwischen dem Zellterminal und dem Anschluss 120 ₁, 120 ₂ seriell verbunden sein oder als Stromsenke gegen Masse geschaltet sein.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 310 wird im Folgenden mit Bezug auf die 2 ausführlich beschrieben.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens 40 zur Kühlung von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Das Verfahren, das beispielsweise in der Vorrichtung 310 und / oder als Computer-implementiertes Verfahren ausgeführt werden kann, beginnt mit Schritt 410. In Schritt 410 werden beispielsweise Befehle, die in der Speichereinrichtung 314 gespeichert sind, in die Verarbeitungseinrichtung 312 übertragen.
In Schritt 420 wird ein Messwert wie ein Temperaturmesswert bzw. werden Messwerte wie ein Spannungsmesswert und ein Strommesswert einer Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ bzw. der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ erfasst und an die Verarbeitungseinrichtung 312 übertragen. Der übertragene Messwert wird bzw. die übertragenen Messwerte werden von der Verarbeitungseinrichtung 312 empfangen. Die Verarbeitungseinrichtung 312 kann den übertragenen Messwert bzw. die übertragenen Messwerte vorverarbeiten beispielsweise filtern.
In Schritt 430 bestimmt die Verarbeitungseinrichtung 312 aus dem übertragenen, empfangenen bzw. vorverarbeiteten Messwert bzw. den übertragenen, empfangenen bzw. vorverarbeiteten Messwerten einen Temperaturwert der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂.
In Schritt 440 vergleicht die Verarbeitungseinrichtung 312 den bestimmten Temperaturwert mit einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert für die Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂. Der vorbestimmte Temperaturschwellenwert kann beispielsweise aus Daten durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie ermittelt worden sein. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle aktualisiert werden.
Wenn der bestimmte Temperaturwert den vorbestimmten Temperaturschwellenwert nicht übersteigt 440.2, verzweigt das Verfahren 40 nach Schritt 470 und wird dann dort fortgesetzt.
Wenn der bestimmte Temperaturwert den vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt 440.1, wird das Verfahren in Schritt 450 fortgesetzt.
In Schritt 450 kann die Verarbeitungseinrichtung 312 den aktuellen Strom I₁, I₂ durch die Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ unterbrechen. Die Verarbeitungseinrichtung 312 kann, beispielsweise weiterhin oder alternativ, die Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder die andere Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁ aus einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ auswählen. Die Auswahl kann beispielsweise die Ladezustände der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ berücksichtigen.
In Schritt 460 stellt die Verarbeitungseinrichtung 312 einen bestimmten Stromwert für die Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder eine andere Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁, die benachbart zu der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ angeordnet ist, bzw. die ausgewählte Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ derart ein, dass der Strom I₁, I₂ durch diese Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ in Höhe des bestimmten Stromwerts eine Senkung der Temperatur der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder der anderen Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁, und wegen der thermischen Verbindung somit auch in der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂, bewirkt. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung 312 den Strom I₁, I₂ auf den bestimmten Stromwert reduzieren. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung 312 den bestimmten Stromwert auf den Strom I₁, I₂ aufprägen. Dabei kann der eingestellte Stromwert ein Laden der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder der anderen Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁ bewirken. Alternativ kann der eingestellte Stromwert ein Entladen der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder der anderen Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁ bewirken. Die Verarbeitungseinrichtung 312 kann den Stromwert als einen getakteten Stromwert oder einen kontinuierlichen Stromwert oder einen pulsweitenmodulierten Stromwert einstellen.
Die Verarbeitungseinrichtung 312 kann den Stromwert gemäß einem Stromfaktor der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ oder der anderen Batteriezelle 100 ₂, 100 ₁ einstellen. Bei einem Stromfaktor (C-rate) von 1C wird eine Batteriezelle innerhalb von 1 Stunde (60 Minuten) geladen bzw. entladen, d. h. beispielsweise bei einer Batteriezelle mit einer Kapazität von 1 Ah fließt für 1 Stunde ein Strom von 1 A. Bei 0,1C wird die Batteriezelle innerhalb von 10 Stunden (600 Minuten) geladen bzw. entladen, d. h. bei der Kapazität von 1 Ah fließt für 10 Stunden ein Strom von 0,1 A.
Bei 0,2C wird die Batteriezelle innerhalb von 5 Stunden (300 Minuten) geladen bzw. entladen, d. h. bei der Kapazität von 1 Ah fließt für 5 Stunden ein Strom von 0,2 A.
Bei 0,5C wird die Batteriezelle innerhalb von 2 Stunden (120 Minuten) geladen bzw. entladen, d. h. bei der Kapazität von 1 Ah fließt für 2 Stunden ein Strom von 0,5 A.
Bei 2C wird die Batteriezelle innerhalb von 0,5 Stunden (30 Minuten) geladen bzw. entladen, d. h. bei der Kapazität von 1 Ah fließt für 0,5 Stunden ein Strom von 2 A.
Das Verfahren endet mit Schritt 470.
3 zeigt beispielhafte Temperaturverläufe 512, ... 536 einer Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ in Abhängigkeit von einer aus der Batteriezelle 100 ₁, 100 ₂ entnommenen Ladungsmenge Q bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C.
Für einen Stromfaktor von 0,2C ergeben sich die Temperaturverläufe 512, ... 516. Dabei beruht der Temperaturverlauf 512 auf Messungen an einer realen Kleinzelle in radialer Bauform mit einer Nennkapazität von 7,5 Ah, während der Temperaturverlauf 516 auf einer thermischen Modellierung von Lithium-Ionen- Batterien unter Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs beruht. Aus den nahezu deckungsgleichen Temperaturverläufen 512, 516 ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung der Modellierung mit der Messung. Zum Vergleich zeigt Temperaturverlauf 514 eine thermische Modellierung ohne Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung (entropic heat generation) bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs, die sich von der Messung erheblich unterscheidet.
Für einen Stromfaktor von 1C ergeben sich die Temperaturverläufe 522, ... 526. Dabei beruht der Temperaturverlauf 522 wiederum auf Messungen an der realen Kleinzelle, während der Temperaturverlauf 526 auf der entsprechenden thermischen Modellierung unter Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs beruht. Aus den weitgehend deckungsgleichen Temperaturverläufen 522, 526 ergibt sich eine gute Übereinstimmung der Modellierung mit der Messung. Zum Vergleich zeigt Temperaturverlauf 524 eine thermische Modellierung ohne Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs, die sich von der Messung ganz erheblich unterscheidet.
Für einen Stromfaktor von 2C ergeben sich die Temperaturverläufe 532, ... 536. Dabei beruht der Temperaturverlauf 532 wiederum auf Messungen an der realen Kleinzelle, während der Temperaturverlauf 536 auf der entsprechenden thermischen Modellierung unter Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs beruht. Aus den nahezu deckungsgleichen Temperaturverläufen 522, 526 ergibt sich wiederum eine sehr gute Übereinstimmung der Modellierung mit der Messung. Zum Vergleich zeigt Temperaturverlauf 534 eine thermische Modellierung ohne Berücksichtigung der entropischen Wärmeerzeugung bzw. des entropischen Wärmeverbrauchs, die sich von der Messung wiederum ganz erheblich unterscheidet.
Der entropische Wärmeverbrauch, der anstelle der entropischen Wärmeerzeugung auftreten kann, wirkt der Überspannungwärmeerzeugung (overpotential heat generation) entgegen und kann die Temperatur der Batteriezelle aufgrund der endothermen Reaktion senken. Diese Wirkung ist bei dem Stromfaktor 0,2C deutlich größer als bei den Stromfaktoren 1C und 2C.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste“, „zweite“ usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/019062 A2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Shadman Rad, D. L. Danilov, M. Baghalba, M. Kazemeini, P. H. L. Notten, „Adaptive thermal modeling of Li-ion batteries“, Electrochimica Acta 102 (2013), Seiten 183–195 [0006]

Claims

Vorrichtung (310) zur Kühlung einer Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂), gekennzeichnet durch: – eine Einrichtung (316) zum Empfangen (420) von Messwerten der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); – eine Einrichtung (312) zum Bestimmen (430) eines Temperaturwerts der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) aus den empfangenen Messwerten; – eine Einrichtung (312) zum Vergleichen (440) des bestimmten Temperaturwerts mit einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert für die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); und – eine Einrichtung (312) zum Einstellen (460), wenn der bestimmte Temperaturwert den vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt, eines bestimmten Stromwerts für die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder eine andere Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁), die benachbart zu der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) angeordnet ist, derart, dass ein Strom (I₁, I₂) durch die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) in Höhe des bestimmten Stromwerts eine Senkung der Temperatur der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt.
Die Vorrichtung (310) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: – eine Einrichtung (312) zum Vorverarbeiten oder Filtern der empfangenen Messwerte; – eine Einrichtung (312) zum Unterbrechen (450), vor dem Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts, des Stroms (I₁, I₂) durch die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); oder – eine Einrichtung (312) zum Auswählen, vor dem Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts, der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) aus einer Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, 100 ₂).
Die Vorrichtung (310) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – die empfangenen Messwerte Temperaturmesswerte umfassen; – die empfangenen Messwerte Spannungsmesswerte und Strommesswerte umfassen; – das Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts ein Reduzieren des Stroms (I₁, I₂) auf den bestimmten Stromwert umfasst; – das Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts ein Aufprägen des bestimmten Stromwerts auf den Strom (I₁, I₂) umfasst; – der eingestellte Stromwert ein Laden der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt; – der eingestellte Stromwert ein Entladen der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt; oder – der eingestellte Stromwert ein getakteter Stromwert oder ein kontinuierlicher Stromwert oder ein pulsweitenmodulierter Stromwert ist.
Batteriemodul (200), umfassend: – die Vorrichtung (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Batterie, umfassend: – die Vorrichtung (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder - das Batteriemodul (200) nach Anspruch 4.
Batteriesystem (10), umfassend: – die Vorrichtung (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – das Batteriemodul (200) nach Anspruch 4, oder – die Batterie nach Anspruch 5.
Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, verbunden mit dem Fahrzeug, – das Batteriemodul (200) nach Anspruch 4, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie nach Anspruch 5, verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem (10) nach Anspruch 6, verbunden mit dem Fahrzeug.
Verfahren zur Kühlung einer Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂), gekennzeichnet durch: – Empfangen (420) von Messwerten der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); - Bestimmen (430) eines Temperaturwerts der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) aus den empfangenen Messwerten; – Vergleichen (440) des bestimmten Temperaturwerts mit einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert für die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); und – wenn der bestimmte Temperaturwert den vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt, Einstellen (460) eines bestimmten Stromwerts für die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder eine andere Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁), die benachbart zu der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) angeordnet ist, derart, dass ein Strom (I₁, I₂) durch die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) in Höhe des bestimmten Stromwerts eine Senkung der Temperatur der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt.
Das Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: – Vorverarbeiten oder Filtern der empfangenen Messwerte; – vor dem Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts, Unterbrechen (450) des Stroms (I₁, I₂) durch die Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂); oder – vor dem Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts, Auswählen der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) aus einer Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, 100 ₂).
Das Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei: – die empfangenen Messwerte Temperaturmesswerte umfassen; – die empfangenen Messwerte Spannungsmesswerte und Strommesswerte umfassen; – das Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts ein Reduzieren des Stroms (I₁, I₂) auf den bestimmten Stromwert umfasst; – das Einstellen (460) des bestimmten Stromwerts ein Aufprägen des bestimmten Stromwerts auf den Strom (I₁, I₂) umfasst; – der eingestellte Stromwert ein Laden der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt; – der eingestellte Stromwert ein Entladen der Batteriezelle (100 ₁, 100 ₂) oder der anderen Batteriezelle (100 ₂, 100 ₁) bewirkt; oder – der eingestellte Stromwert ein getakteter Stromwert oder ein kontiunuierlicher Stromwert oder ein pulsweitenmodulierter Stromwert ist.
Computerprogramm, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung des Verfahrens (40) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
Computerprogrammprodukt, das das Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst.