DE102017102668A1

DE102017102668A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Temperatur eines Batteriesystems

Info

Publication number: DE102017102668A1
Application number: DE102017102668.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Schwichtenhövel; Florian Kaumanns; Steffen Frei
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16
Also published as: KR20180092863A; JP2018129302A; CN108414941B; CN108414941A; US10700391B2; US20180233786A1; KR101992047B1; JP6476326B2

Abstract

Vorrichtung zum Überwachen eines Batteriesystems (102) und Verfahren mit den Schritten Bestimmen von Information über einen Vergleichsverlauf für eine inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle (104, 106, ..., 108) des Batteriesystems (102), Bestimmen von Information über eine Abweichung des Vergleichsverlaufs von einem Referenzverlauf, und Bestimmen einer Temperatur der Batteriezelle (104, 106, ..., 108) abhängig von der Information über die Abweichung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Temperatur eines Batteriesystems, insbesondere mit mehreren Batteriezellen, bei einem Entladevorgang oder einem Ladevorgang.
Bei einem Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen sind die Batteriezellen über Koppelschichten thermisch miteinander verbunden. Bei den im Folgenden beschriebenen Batteriezellen handelt es sich um sekundäre Batteriezellen, d.h. Akkumulatorzellen. Für den sicheren Betrieb derartiger Batteriesysteme wird die Temperatur der einzelnen Batteriezellen überwacht. Dazu ist es wünschenswert die Temperatur der einzelnen Batteriezellen möglichst genau zu ermitteln. Aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverteilung kann die Temperatur einzelner Batteriezellen im Batteriesystem mittels eines einzigen Temperatursensors nicht zuverlässig für alle Batteriezellen erfasst werden. Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung tritt nicht nur auf Modul- sondern auch auf Zellebene auf. Daher ist es mit konventionellen Methoden nicht möglich, die tatsächliche Kerntemperatur der Batteriezelle zu ermitteln.
EP 3 015 835 A1 offenbart ein Verfahren zur Abschätzung der Temperatur einer Batteriezelle, wobei durch ein Referenzmodell der Batteriezelle der Zusammenhang zwischen dem inneren Widerstand, dem Ladezustand, der Alterung und der Temperatur der Batteriezelle hergestellt wird. Durch die Ermittlung des tatsächlichen inneren Widerstands, durch die Schätzung des tatsächlichen Ladezustands und durch die Schätzung der Alterung der Batteriezelle wird die Temperatur der Batteriezelle bestimmt.
DE 10 2011 116 779 A1 beschreibt ein Verfahren zur sensorlosen Abschätzung der Kerntemperatur einer Batteriezelle, wobei über die Ermittlung eines inneren Widerstandes der Batteriezelle und über einen Funktion der Wärmeenergieübertragung der Batteriezelle eine Kerntemperatur der Batteriezelle abgeschätzt wird.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein demgegenüber verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung des Batteriesystems anzugeben.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich des Verfahrens wird dieses Problem gelöst, durch Bestimmen von Information über einen Vergleichsverlauf für eine inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle des Batteriesystems, Bestimmen von Information über eine Abweichung des Vergleichsverlaufs von einem Referenzverlauf, und Bestimmen einer Temperatur der Batteriezelle abhängig von der Information über die Abweichung. Die Abschätzung eines Temperaturverlaufs im Batteriesystem erfolgt damit derart, dass die Temperatur der Batteriezelle über eine Analyse der inkrementellen Kapazität der Batteriezellen bezüglich eines Referenzverlaufs im Lade- oder Entladevorgang abgeschätzt wird.
Die inkrementelle Kapazität ist eine veränderliche Größe, welche sich aus der Ableitung der eingetragenen oder entnommenen Ladung Q einer Akkumulatorzelle nach ihrer Zellspannung V berechnet. Sie ist damit definiert als: $ICA = dQ / dV$
Diese Größe weist über die Zellspannung aufgetragen charakteristische Verläufe und Extremwerte auf, welche auf elektrochemische Vorgänge in der Akkumulatorzelle zurückzuführen sind. Aus diesen lassen sich robuste Indikatoren zur Ermittlung von Zelleigenschaften bestimmen. Dieses Verfahren wird als Inkrementelle Kapazitäts-Analyse (kurz: ICA-Analyse) bezeichnet.
Vorzugsweise umfasst das Bestimmen der Temperatur das Zuordnen der Information über die Abweichung zu einem vorgegebenen Temperaturwert. Dies ermöglicht eine einfache Abschätzung der Temperatur mittels Abbildung einer bestimmten Abweichung auf einen eindeutigen vorgegebenen Kalibrierdatenwert. Der vorgegebene Kalibrierdatenwert gibt beispielsweise den Unterschied zwischen der Temperatur der Batteriezelle und einer an der Referenz-Batteriezelle gemessenen Temperatur an. Die Referenz-Batteriezelle ist beispielsweise eine andere Batteriezelle desselben Batteriesystems, deren Temperatur mittels Temperatursensor gemessen wird. In diesem Fall wird die Temperatur der Batteriezelle durch Korrektur der gemessenen Temperatur bestimmt. Es kann auch sinnvoll sein, vor Inbetriebnahme eine Kalibrierung für eine Einzelzelle durchzuführen und den Unterschied der inkrementellen Kapazität zu diesem Referenzverlauf zu betrachten. Dadurch werden Fertigungstoleranzen und ungleiche initiale Verläufe der inkrementellen Kapazität ausgeglichen. Der vorgegebene Kalibrierdatenwert kann auch eine absolute Temperatur der Batteriezelle bei der Abweichung angeben. Diese absoluten Temperaturwerte werden beispielsweise in Prüfstandversuchen zuvor für eine baugleiche Batteriezelle ermittelt. In diesem Fall wird die Temperatur der Batteriezelle durch den Kalibrierdatenwert bestimmt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Erfassen von Information über einen Spannungsverlauf an einer Batteriezelle, das Bestimmen von Information über eine zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs, und das Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs. Dies ist eine erste Möglichkeit zur Bestimmung des Verlaufs der inkrementellen Kapazität.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Erfassen von Information über einen Stromverlauf an einer Batteriezelle, das Bestimmen von Information über eine Ladung in der Batteriezelle durch zeitliche Integration des Stromverlaufs, und das Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung. Dies ist eine zweite Möglichkeit zur Bestimmung des Verlaufs der inkrementellen Kapazität.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Erfassen von Information über einen Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle, Bestimmen von Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs, und Bestimmen der Information über den Referenzverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs, wobei das Erfassen von Information über den Spannungsverlauf an der Batteriezelle und das Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems erfolgt. Dadurch wird der Referenzverlauf während der Überwachung des Batteriesystems ermittelt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Erfassen von Information über einen Referenz-Stromverlauf an einer Referenz-Batteriezelle, das Bestimmen von Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs, und das Bestimmen der Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung, wobei das Erfassen von Information über den Stromverlauf an der Batteriezelle und das Erfassen von Information über den Referenz-Stromverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems erfolgt.
Vorzugsweise wird eine Temperatur der Referenz-Batteriezelle während dem Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest einmal erfasst und die Temperatur der Batteriezelle abhängig von der Temperatur der Referenz-Batteriezelle und dem vorgegebenen Temperaturwert bestimmt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Messen der Temperatur an einer Batteriezelle, und das Bestimmen einer Mehrzahl von Temperaturen für eine Mehrzahl Batteriezellen des Batteriesystems. Die Überwachung bzw. Abschätzung des Temperaturverlaufs im Batteriesystem erfolgt damit derart, dass über den Temperatursensor die Temperatur einer Batteriezelle, insbesondere einer einzigen Batteriezelle, gemessen wird, und basierend darauf die Temperaturen der restlichen Batteriezellen des Batteriesystems über eine Analyse der inkrementellen Kapazität der einzelnen Batteriezellen im Lade- oder Entladevorgang abgeschätzt werden.
Vorzugsweise ist die Information über den Referenzverlauf ein insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf. Prüfstandversuche können zur Ermittlung des vorgegebenen Referenzverlaufs verwendet werden. Ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Referenz-Batteriezelle kann dann entfallen.
Bezüglich der Vorrichtung wird dieses Problem gelöst, durch eine Recheneinrichtung, ausgebildet zum Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf für eine inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle des Batteriesystems, zum Bestimmen von Information über die Abweichung des Vergleichsverlaufs von einem Referenzverlauf, und zum Bestimmen einer Temperatur der Batteriezelle abhängig von der Information über die Abweichung.
Vorzugsweise ist ein Speicher zum Speichern von vorgegebenen Temperaturwerten vorgesehen, wobei das Bestimmen der Temperatur das Zuordnen der Information über die Abweichung zu einem der vorgegebenen Temperaturwerte umfasst.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung, ausgebildet zum Erfassen von Information über einen Spannungsverlauf an einer Batteriezelle, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs, und zum Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung, ausgebildet zum Erfassen von Information über einen Stromverlauf an einer Batteriezelle, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine Ladung in der Batteriezelle durch zeitliche Integration des Stromverlaufs, und zum Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet, Information über einen Referenz-Spannungsverlauf an einer Referenz-Batteriezelle zu erfassen, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs, und die Information über den Referenzverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs zu bestimmen, wobei das Erfassen von Information über den Spannungsverlauf an der Batteriezelle und das Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems erfolgt.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet zum Erfassen von Information über einen Referenz-Stromverlauf an einer Referenz-Batteriezelle, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs, und zum Bestimmen der Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung, wobei das Erfassen von Information über den Stromverlauf an der Batteriezelle und das Erfassen von Information über den Referenz-Stromverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems erfolgt.
Vorzugsweise ist ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Referenz-Batteriezelle vorgesehen, wobei eine Temperatur-Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, die Temperatur während dem Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle zumindest einmal zu erfassen, und wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Temperatur der Batteriezelle abhängig von der Temperatur der Referenz-Batteriezelle und dem vorgegebenen Temperaturwert zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Temperatur-Erfassungseinrichtung ausgebildet, die Temperatur an einer Batteriezelle zu messen, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist eine Mehrzahl von Temperaturen für eine Mehrzahl Batteriezellen des Batteriesystems zu bestimmen.
Die Überwachung bzw. Abschätzung des Temperaturverlaufs im Batteriesystem erfolgt damit derart, dass über den Temperatursensor die Temperatur einer Batteriezelle, insbesondere einer einzigen Batteriezelle, gemessen wird, und basierend darauf die Temperaturen der restlichen Batteriezellen des Batteriesystems über eine Analyse der inkrementellen Kapazität der einzelnen Batteriezellen im Lade- oder Entladevorgang abgeschätzt werden.
Vorzugsweise ist ein weiterer Speicher zum Speichern der Information über den Referenzverlauf als insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf vorgesehen. Prüfstandversuche können zur Ermittlung des vorgegebenen Referenzverlaufs verwendet werden. Der Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Referenz-Batteriezelle kann dann entfallen. Eine weitere Möglichkeit ist die Analyse der Abweichung der inkrementellen Kapazität im Vergleich zu einem Kalibrierverlauf für jede Einzelzelle. Dann ist keine Zuordnung von ICA Information zu absoluten Temperaturwerten oder -differenzen, sondern eine Zuordnung von relativen ICA-Informationen zu relativen oder absoluten Temperaturwerden oder -differenzen vorgesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Beschreibung, und aus der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch einen Teil eines Batteriesystems,
2 schematisch ein Batteriesystem mit 9 Batteriezellen und eine räumliche Temperaturverteilung im Batteriesystem in einer Längsrichtung des Batteriesystems,
3 schematisch einen Verlauf von zwei Ableitungen von Ladungen zweier verschiedener Batteriezellen nach der Spannung aufgetragen über der Spannung,
4 schematisch Teile eines Verfahrens zur Überwachung eines Batteriesystems.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder funktional gleiche Bauteile.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 100 zur Überwachung eines Batteriesystems 102 mit mindestens zwei Batteriezellen 104, 106, ..., 108, die in Serie geschaltet sind. Mehrere dieser Serienschaltungen können auch parallel geschaltet sein. Die Batteriezellen 104, 106, ..., 108 sind mit einem momentenen Strom I zu laden, oder zu entladen. Batteriezelle 104 wird im Folgenden auch als Referenz-Batteriezelle 104 bezeichnet. Die Referenz-Batteriezelle 104 kann auch eine andere der Batteriezellen 104, 106, ..., 108 sein.
Eine Temperatur-Erfassungseinrichtung 110 und eine Erfassungseinrichtung 112 sind mit einer Recheneinrichtung 114 über Datenleitungen verbunden. Die Temperatur-Erfassungseinrichtung 110 erfasst eine Temperatur an der Referenz-Batteriezelle 104. Dazu ist an der Referenz-Batteriezelle 104 ein Temperatursensor 116 angeordnet. Die Verbindung zwischen Temperatursensor 106 und Temperatur-Erfassungseinrichtung 110 ist in 1 strich-punktiert dargestellt.
Die Erfassungseinrichtung 112 ist ausgebildet während des Ladens oder Entladens Information über Spannungen V1, ..., Vn an den Batteriezellen 104, 106, ..., 108 zu erfassen. Dazu dienen beispielsweise entsprechende, parallel zu den Batteriezellen 104, 106, ..., 108 geschaltete Messschaltungen 1121, 1122, ..., 112n, die mit der Erfassungseinrichtung 112 verbunden sind. Die elektrischen Verbindungen dazu sind in 1 als gestrichelte Linien dargestellt.
Die Erfassungseinrichtung 112 ist dazu ausgebildet Information über Spannungsverläufe an den Batteriezellen 106, ..., 108 zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 112 ist zudem dazu ausgebildet Information über einen Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle 104 zu erfassen. Das Erfassen von Information über den Spannungsverlauf an den Batteriezellen 106, ..., 108 und das Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle 104 erfolgt zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems 102. Die Erfassungseinrichtung 112 kann ausgebildet sein zum Erfassen von Information über einen Referenz-Stromverlauf an einer Referenz-Batteriezelle 104. Dazu ist die Erfassungseinrichtung 112 ausgebildet den Strom I zu messen, der zu mindestens einer der Batteriezellen 104 106, ..., 108 fließt.
Die Recheneinrichtung 114 ist ausgebildet, Information über eine zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs, und Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs zu bestimmen. Zudem ist die Recheneinrichtung 114 ausgebildet, Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs zu bestimmen. Dies wird im Folgenden beschrieben.
Die Recheneinrichtung 114 ist ausgebildet, Information über einen Vergleichsverlauf einer Ableitung einer Ladung in der Batteriezelle 106, ..., 108 nach der Spannung abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs zu bestimmen. Zudem ist die Recheneinrichtung 114 ausgebildet, Information über einen Referenzverlauf zu bestimmen. Dies wird ebenfalls im Folgenden beschrieben.
Die Recheneinrichtung 114 kann ausgebildet sein zum Bestimmen von Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs, und zum Bestimmen der Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung. Das Erfassen von Information über den Stromverlauf an der Batteriezelle 106, ..., 108 und das Erfassen von Information über den Referenz-Stromverlauf an der Referenz-Batteriezelle 104 erfolgt vorzugsweise zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems 102.
Die Recheneinrichtung 114 ist ausgebildet, wie im Folgenden beschrieben, Information über eine Abweichung des Vergleichsverlaufs von dem Referenzverlauf zu bestimmen.
Die Recheneinrichtung 114 ist zudem ausgebildet die Temperatur der Batteriezelle 106, ..., 108 abhängig von der Information über die Abweichung zu bestimmen.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen Speicher zum Speichern von vorgegebenen Temperaturwerten. Die vorgegebenen Temperaturwerte sind beispielsweise Korrekturwerte für die an der Referenz-Batteriezelle 104 gemessene Temperatur. Die Recheneinrichtung 114 ordnet der Information über die Abweichung einem der vorgegebenen Temperaturwerte zu und korrigiert die gemessene Temperatur zur Bestimmung der Temperatur der Batteriezelle 106, ..., 108 beispielsweise mittels des Korrekturwerts.
Der Temperatursensor 116 misst die Temperatur der Referenz-Batteriezelle 104 beispielsweise kontinuierlich, wobei die Temperatur-Erfassungseinrichtung 110, die Temperatur während des Erfassens von Information über den Referenz-Spannungsverlauf zumindest einmal erfasst.
Vorzugsweise ist die Temperatur-Erfassungseinrichtung 110 ausgebildet, die Temperatur an einer einzigen Batteriezelle zu messen 104. Die Recheneinrichtung 114 ist in diesem Fall ausgebildet eine Mehrzahl von Temperaturen für eine Mehrzahl Batteriezellen 106, ..., 108 des Batteriesystems 102 zu bestimmen. Die Überwachung bzw. Abschätzung des Temperaturverlaufs im Batteriesystem 102 erfolgt damit derart, dass über den Temperatursensor 116 die Temperatur einer Referenz-Batteriezelle 104 gemessen wird, und basierend darauf die Temperaturen der restlichen Batteriezellen 106, ..., 108 des Batteriesystems 102 über eine Analyse der Spannungsverläufe der einzelnen Batteriezellen im Lade- oder Entladevorgang abgeschätzt werden.
Eine räumliche Temperaturverteilung 200 ist in Fig. 2 für ein Batteriesystem 102 dargestellt, das sich räumlich in einer Längsrichtung x mit 9 Zellen 104, 106, ..., 108 erstreckt. Die räumliche Anordnung der Batteriezellen in Längsrichtung x und in Querrichtung y ist im oberen Teil der 2 dargestellt. Im unteren Teil der 2 ist die Temperaturverteilung 200 über der Längsrichtung x aufgetragen. Die Temperaturverteilung 200 beginnt bei einer Temperatur T1 der Referenz-Batteriezelle 104, die durch den Temperatursensor 116 erfasst wird. Die Temperatur steigt mit zunehmender Annäherung an die Mitte des Batteriesystems 102 bis zu einer Maximaltemperatur T5 und fällt dann mit zunehmender Entfernung von der Mitte des Batteriesystems 102 bis zu einer Temperatur T9 ab. Der Temperaturverlauf 200 ist für ein Batteriemodul 102, welches aus einer rein seriellen Verschaltung von Einzelzellen aufgebaut ist dargestellt. Dabei sind die Batteriezellen 104, 106, ..., 108 im oberen Teil von 2 mit 1 bis 9 nummeriert. Zwischen den Batteriezellen 1 bis 9 sind jeweils Zwischenschichten 202 angeordnet. Diese bewirken eine thermische Kopplung, mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Unter der Annahme idealer Randbedingung bezüglich der Wärmeabfuhr ergibt sich der Temperaturverlauf T. Demzufolge weisen die zwei Batteriezellen 104, 108 am Rand die niedrigsten, und die Batteriezellen in mittlerer Position die größten Temperaturen auf. Der Temperatursensor ist zur Messung der Temperatur T1 an der Batteriezelle 104 angeordnet. Eine Einbauposition des Temperatursensors 116 ist variabel und kann durch entsprechende Kalibrierung ausgeglichen werden.
3 stellt schematisch einen Verlauf von zwei Ableitungen dQ/dV von Ladungen Q zweier verschiedener Batteriezellen nach der Spannung V aufgetragen über der Spannung V der jeweiligen Batteriezelle dar. Diese Ableitungen dQ/dV werden im Folgenden als ICA-Kurven bezeichnet.
ICA-Kurven basieren auf der inkrementellen Kapazitätsanalyse, ICA. Mit der inkrementellen Kapazitätsanalyse wird die inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, während eines Lade- oder Entladevorgangs dargestellt. Eine ICA-Kurve lässt sich abhängig von der Ableitung der Spannungskurve wie folgt bestimmen: $dQ / dV = I {(dV / dt)}^{- 1} .$
Abhängig vom Alterungszustand der Batteriezelle, der Zelltemperatur, sowie der Zellchemie weist die ICA-Kurve charakteristische Extremstellen auf, die im Folgenden auch als Maximalwerte bezeichnet werden. Bei Lade- oder Entladevorgängen mit momentanem Strom I ist dieser auch bekannt, oder kann erfasst werden. Sofern die momentane Spannung V bekannt ist, lässt sich die ICA-Kurve abhängig von der Ableitung der Spannungskurve bei momentanem Strom I während des Lade- oder Entladevorgangs mit Differentiations-Operationen, beispielsweise statistische Zählverfahren, ermitteln. Die Ableitung dQ/dV der Ladung Q einer Batteriezelle nach der Spannung V wird somit ohne Integration des Stroms zur Ermittlung der Ladung bestimmt.
In 3 entspricht Kurve 302 dem Verlauf der ICA-Kurve einer Batteriezelle am Rand des Batteriemoduls 102 und Kurve 304 dem Verlauf der ICA-Kurve einer Batteriezelle in mittlerer Einbaulage im Batteriesystem 102. Dargestellt ist eine typische ICA-Kurve, d.h. ein typischer Verlauf der Ableitung dQ/dV, mit einem ersten Extremwert E1 und einem zweiten Extremwert E2. Der erste Extremwert E1 tritt bei höherer Spannung der Batteriezelle auf als der zweite Extremwert E2. Für eine spezifische Zellchemie konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sich der erste Extremwert E1 mit zunehmender Temperatur der Batteriezelle zurückbildet. Betrachtet man die Kurve 302 als Referenzverlauf und Kurve 304 als Vergleichsverlauf, entstehen temperaturabhängig verschiedene Abweichungen des Vergleichsverlaufs vom Referenzverlauf. Mit diesem Wissen und Kenntnis über den genauen Temperatureinfluss auf die Rückbildung des ersten Extremwerts E1, reicht die Temperaturmessung an einer beliebigen Batteriezelle des Batteriesystems 102 aus, um mittels einer Analyse der ICA-Kurven die Temperatur an den übrigen Batteriezellen zu schätzen. Dabei muss nicht die gesamte ICA-Kurve bekannt sein, sondern nur der Bereich des ersten Extremwerts E1. Somit sind partielle Lade- oder Entladeevents zur Schätzung der Temperatur gegebenenfalls ausreichend. Vorzugsweise werden weitere Einflussfaktoren auf die Ausprägung des ersten Extremwerts E1, wie beispielsweise die momentane Stromstärke I oder der Alterungszustand der Batteriezelle kompensiert. Ausprägung des ersten Extremwerts E1 bedeutet dabei neben seinem dQ/dV-Wert auch die Form beziehungsweise Gestalt der ICA-Kurve in der Umgebung des ersten Extremwerts E1. Als Maß für die Abweichung können eine Lage der Extremwerte zueinander und/oder die unterschiedliche Form der Extremwerte dienen. Alternativ kann auch die durch die zwischen den beiden verglichenen ICA-Kurven eingeschlossene Fläche in einem definierten Spannungsintervall dienen, die beispielsweise durch Integration ermittelbar ist.
In 3 sind vorgegebene Spannungsintervalle VI, VI1, VI2 dargestellt in denen die ICA-Kurve beide Extremwerte E1, E2 bzw. nur den ersten Extremwert E1 oder nur den zweiten Extremwert E2 umfassen. Die vorgegebenen Spannungsintervalle VI, VI1, VI2 sind kürzer als ein Spannungsbereich zwischen einer ersten Spannung VoDCH bei vollständig entladener Batteriezelle und einer zweiten Spannung VoCH bei vollständig geladener Batteriezelle.
Ein Verfahren zum Überwachen des Batteriesystems 102 wird anhand von 4 beschrieben. Das Verfahren läuft vorzugsweise während des Lade- oder Entladevorgangs bei Spannungen zwischen der ersten Spannung VoDCH und der zweiten Spannung VoCH ab. Vorzugsweise werden nur Spannungen in einem der Spannungsintervalle VI, VI1, VI2 überwacht.
Nach dem Start wird in einem Schritt 402 Information über den Spannungsverlauf V2, ..., Vn an den Batteriezellen 106, ... 108 erfasst. Optional wird ein Referenz-Spannungsverlauf V1 an der Referenz-Batteriezelle 104 erfasst. Das Erfassen von Information über den Spannungsverlauf V2, ..., Vn an der Batteriezelle 106, ..., 108 und das Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf V1 an der Referenz-Batteriezelle 104 erfolgt zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems. Zusätzlich wird Information über einen Stromverlauf an den Batteriezellen 106, 108 erfasst. Zudem kann vorgesehen sein, Information über den Referenz-Stromverlauf an einer Referenz-Batteriezelle 104 zu erfassen.
Anschließend wird in einem Schritt 404 Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs V1, V2, ..., Vn bestimmt. Alternativ dazu wird Information über die zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs V1 bestimmt. Es kann auch vorgesehen sein Information über die Ladung in der Batteriezelle 106, 108 durch zeitliche Integration des Stromverlaufs zu bestimmen. Zudem kann vorgesehen sein, Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs zu bestimmen.
Anschließend wird in einem Schritt 406 Information über den Vergleichsverlauf bestimmt. Optional wird Information über den Referenzverlauf bestimmt. Der Vergleichsverlauf wird beispielsweise abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs V1, V2, ..., Vn bestimmt.
Gegebenenfalls wird die Information über den Vergleichsverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung bestimmt.
Zudem kann vorgesehen sein, Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung zu bestimmen.
Das Erfassen von Information über den Stromverlauf an der Batteriezelle 106, ..., 108 und das Erfassen von Information über den Referenz-Stromverlauf an der Referenz-Batteriezelle 104 erfolgt vorzugsweise zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems 102.
Anschließend wird in einem Schritt 408 Information über die Abweichung des Vergleichsverlaufs von dem Referenzverlauf der Referenzableitung der Referenzladung in der Referenz-Batteriezelle nach der Spannung bestimmt. Dazu wird die Information über den Referenzverlauf als insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf oder die alternativ bestimmte Information über den Referenzverlauf verwendet.
Anschließend wird in einem Schritt 410 die Temperatur der Batteriezelle 104, 106, ..., 108 abhängig von der Information über die Abweichung bestimmt. Dazu wird die Information über die Abweichung einem vorgegebenen Temperaturwert zugeordnet. Anschließend wird der Schritt 402 ausgeführt.
Es kann vorgesehen sein, die Temperatur an der Referenz-Batteriezelle 104 zu messen. In diesem Fall ist der vorgegebene Temperaturwert ein Korrekturwert für die gemessene Temperatur. Wenn die Temperatur nicht gemessen wird, ist der vorgegebene Temperaturwert eine absolute Temperatur der Batteriezelle.
Falls eine Temperaturmessung vorgesehen ist, erfolgt diese beispielsweise während dem Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle 104 zumindest einmal. Das Verfahren kann das Messen der Temperatur an der Referenz-Batteriezelle 104, und Bestimmen einer Mehrzahl von Temperaturen für eine Mehrzahl Batteriezellen 106, ..., 108 des Batteriesystems 102 vorsehen.
Alternativ zur Messung der Temperatur, entfällt der Temperatursensor 116, wenn im Vorlauf durch Prüfstandsversuche ausreichende Kalibrierdaten gewonnen werden. Dann erfolgt eine eindeutige Abbildung zwischen der absoluten oder relativen Abweichung und Temperatur mittels der Kalibrierdaten. Die Kalibrierdaten umfassen beispielsweise Information über den Referenzverlauf als insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf.
Die Vorrichtung 100 umfasst in diesem Fall einen weiterer Speicher zum Speichern der Information über den Referenzverlauf als insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf.
Die Überwachung bzw. Abschätzung des Temperaturverlaufs im Batteriesystem erfolgt damit derart, dass über den Temperatursensor die Temperatur einer Batteriezelle, insbesondere einer einzigen Batteriezelle, gemessen wird, und basierend darauf die Temperaturen der restlichen Batteriezellen des Batteriesystems über eine Analyse der inkrementellen Kapazität der einzelnen Batteriezellen im Lade- oder Entladevorgang abgeschätzt werden.
Allgemein ist das Verfahren im Hinblick auf eine andere Zellchemie nicht allein auf die Betrachtung der Extrempunkte E1 oder E2 beschränkt. Dieselbe Vorgehensweise ist für die Schätzung der Zelltemperatur anhand von Veränderung in der ICA-Kurve relativ zu einer Referenzkurve möglich, die unter definierten Bedingungen für eine Batteriezelle aufgenommen wird.
In beiden Ausführungsformen kann die Recheneinrichtung 114 ausgebildet sein, die Abweichung nur in dem vorgegebenen Spannungsintervall VI, VI1, VI2 zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3015835 A1 [0003]
DE 102011116779 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystems (102) gekennzeichnet durch Bestimmen (406) von Information über einen Vergleichsverlauf für eine inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle (104, 106, ..., 108) des Batteriesystems (102), Bestimmen (408) von Information über eine Abweichung des Vergleichsverlaufs von einem Referenzverlauf, und Bestimmen (410) einer Temperatur der Batteriezelle (104, 106, ..., 108) abhängig von der Information über die Abweichung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Temperatur das Zuordnen der Information über die Abweichung zu einem vorgegebenen Temperaturwert umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erfassen (402) von Information über einen Spannungsverlauf (V1, V2, ..., Vn) an einer Batteriezelle (104, 106, ..., 108), Bestimmen (404) von Information über eine zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs (V1, V2, ..., Vn), Bestimmen (406) von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs (V1, V2, ..., Vn).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Erfassen (402) von Information über einen Stromverlauf (I) an einer Batteriezelle (104, 106, 108), Bestimmen von Information über eine Ladung in der Batteriezelle (104, 106, 108) durch zeitliche Integration des Stromverlaufs (I), Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erfassen (402) von Information über einen Referenz-Spannungsverlauf (V1) an einer Referenz-Batteriezelle (104), Bestimmen (404) von Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs (V1), und Bestimmen (406) der Information über den Referenzverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs (V1), wobei das Erfassen (402) von Information über den Spannungsverlauf (V2, ..., Vn) an der Batteriezelle (106, ..., 108) und das Erfassen (402) von Information über den Referenz-Spannungsverlauf (V1) an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems (102) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Erfassen (402) von Information über einen Referenz-Stromverlauf (I) an einer Referenz-Batteriezelle (104), Bestimmen (404) von Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs (I), und Bestimmen (406) der Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung, wobei das Erfassen (402) von Information über den Stromverlauf (I) an der Batteriezelle (106, ..., 108) und das Erfassen (402) von Information über den Referenz-Stromverlauf (I) an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems (102) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der Referenz-Batteriezelle (104) während dem Erfassen (402) von Information über den Referenz-Spannungsverlauf (V1) an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest einmal erfasst, und die Temperatur der Batteriezelle (108) abhängig von der Temperatur der Referenz-Batteriezelle (104) und dem vorgegebenen Temperaturwert nach Anspruch 2 bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Information über den Referenzverlauf ein insbesondere zellspezifischer statisch vorgegebener Verlauf ist.
Vorrichtung zum Überwachen eines Batteriesystems (102) gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (114), ausgebildet zum Bestimmen von Information über einen Vergleichsverlauf für eine inkrementelle Kapazität einer Batteriezelle (104, 106, ..., 108) des Batteriesystems (102), zum Bestimmen von Information über eine Abweichung des Vergleichsverlaufs von einem Referenzverlauf, und zum Bestimmen einer Temperatur der Batteriezelle (108) abhängig von der Information über die Abweichung.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Speicher zum Speichern von vorgegebenen Temperaturwerten, wobei das Bestimmen der Temperatur das Zuordnen der Information über die Abweichung zu einem vorgegebenen Temperaturwert umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung (112), ausgebildet zum Erfassen von Information über einen Spannungsverlauf (V2, ..., Vn) an einer Batteriezelle (106, ..., 108), wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs (V2, ..., Vn), und zum Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs (V1, V2, ..., Vn).
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung (112), ausgebildet zum Erfassen (402) von Information über einen Stromverlauf (I) an einer Batteriezelle (104, 106, 108), wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine Ladung in der Batteriezelle (104, 106, 108) durch zeitliche Integration des Stromverlaufs (I), und zum Bestimmen von Information über den Vergleichsverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (112) ausgebildet ist Information über einen Referenz-Spannungsverlauf (V1) an einer Referenz-Batteriezelle (104) zu erfassen, wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist Information über eine zeitliche Referenz-Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs (V1), und die Information über den Referenzverlauf abhängig von der Information über die zeitliche Ableitung des Referenz-Spannungsverlaufs (V1) zu bestimmen, wobei das Erfassen von Information über den Spannungsverlauf (V2, ..., Vn) an der Batteriezelle (108) und das Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf (V1) an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems (102) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (112) ausgebildet zum Erfassen von Information über einen Referenz-Stromverlauf (I) an einer Referenz-Batteriezelle (104), wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist zum Bestimmen von Information über eine Ladung durch zeitliche Integration des Referenz-Stromverlaufs (I), und zum Bestimmen der Information über den Referenzverlauf abhängig von einer Ableitung der Ladung nach der Spannung, wobei das Erfassen von Information über den Stromverlauf (I) an der Batteriezelle (106, ..., 108) und das Erfassen von Information über den Referenz-Stromverlauf (I) an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest teilweise zeitlich überlappend mit einem Ladevorgang oder Entladevorgang des Batteriesystems (102) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (116) zum Erfassen einer Temperatur der Referenz-Batteriezelle (104) vorgesehen ist, wobei eine Temperatur-Erfassungseinrichtung (110) ausgebildet ist, die Temperatur während dem Erfassen von Information über den Referenz-Spannungsverlauf an der Referenz-Batteriezelle (104) zumindest einmal zu erfassen, und wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist, die Temperatur der Batteriezelle (106, ..., 108) abhängig von der Temperatur der Referenz-Batteriezelle (104) und dem vorgegebenen Temperaturwert nach Anspruch 10 zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Erfassungseinrichtung (110) ausgebildet ist, die Temperatur an einer Batteriezelle zu messen (104), wobei die Recheneinrichtung (114) ausgebildet ist eine Mehrzahl von Temperaturen für eine Mehrzahl Batteriezellen (104, 106, ..., 108) des Batteriesystems zu bestimmen.