DE102017202358A1

DE102017202358A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines elektrochemischen energiespeichers

Info

Publication number: DE102017202358A1
Application number: DE102017202358.9A
Authority: DE
Inventors: Roland Hartung
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten eines elektrochemischen Energiespeichers. Dabei wird ein Innenwiderstand des Energiespeichers gemessen und ein elektrischer Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers zyklisch gemessen, wobei die entsprechenden Messwerte in einem ersten zeitlichen Abstand zueinander erfasst werden. Zudem wird eine Verlustleistung innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters auf Basis des gemessenen Innenwiderstands und der innerhalb des Zeitfensters geflossenen elektrischen Lade- und/oder Entladeströme bestimmt. Darüber hinaus wird eine Außentemperatur auf einer Außenseite des Energiespeichers gemessen und eine leistungsbedingte Temperaturerhöhung des Energiespeichers im Zeitfenster auf Basis der Verlustleistung und der Wärmekapazität sowie eine Innentemperatur des Energiespeichers auf Grundlage der Außentemperatur und der leistungsbedingten Temperaturerhöhung ermittelt. Die Ausgangsleistung des Energiespeichers wird in Abhängigkeit von der bestimmten Innentemperatur geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten eines elektrochemischen Energiespeichers.
Im Hinblick auf Vorteile von elektrisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren und dem potentiellen Markt für solche Elektro- bzw. Hybridfahrzeuge wird viel Aufwand betrieben, die entsprechenden Technologien sowie eine entsprechende Infrastruktur weiterzuentwickeln bzw. aufzubauen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Batterietechnik, da eine zuverlässige und effiziente Speicherung von elektrischer Energie sowie deren Bezug aus entsprechenden Energiespeichern die Grundlage für einen Erfolg der sog. Elektromobilität ist.
Beim Zuführen bzw. Entnehmen von elektrischer Energie aus diesen Energiespeichern tritt im Allgemeinen eine Verlustleistung an einem Innenwiderstand der Energiespeicher auf. Die damit verbundene Temperaturerhöhung beeinträchtigt den Betrieb der Energiespeicher bzw. kann sogar zur Beschädigung der Energiespeicher führen. Daher sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, die Betriebstemperatur eines Energiespeichers zu erfassen, etwa mittels am Energiespeicher angebrachter Temperatursensoren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Temperaturüberwachung eines elektrochemischen Energiespeichers zu verbessern.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: (i) Messen eines Innenwiderstands des Energiespeichers; (ii) zyklisches Messen eines elektrischen Lade- und/oder Entladestroms des Energiespeichers, wobei die entsprechenden Messwerte in einem ersten zeitlichen Abstand zueinander erfasst werden; (iii) Bestimmen einer Verlustleistung innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters auf Basis des gemessenen Innenwiderstands und der innerhalb des Zeitfensters geflossenen elektrischen Lade- und/oder Entladeströme; (iv) Messen einer Außentemperatur des Energiespeichers; (v) Bestimmen einer leistungsbedingten Temperaturerhöhung des Energiespeichers im Zeitfenster auf Basis der Verlustleistung, der Wärmekapazität und einer Innentemperatur des Energiespeichers auf Grundlage der Außentemperatur und der leistungsbedingten Temperaturerhöhung; und (vi) Regeln der Ausgangsleistung des Energiespeichers in Abhängigkeit von der bestimmten Innentemperatur.
Durch die Berücksichtigung einer über die im Betrieb auftretende Verlustleistung des Energiespeichers bestimmte Temperaturerhöhung zusätzlich zu einer außerhalb, insbesondere auf bzw. an einer Oberfläche, des Energiespeichers gemessenen Temperatur kann die Innentemperatur des Energiespeichers sehr genau bestimmt werden, so dass Fehlergrenzen bzw. die Messungenauigkeit bezüglich der bestimmten Innentemperatur reduziert werden können, vorzugsweise auf unter 15 %, bevorzugt unter 10 %, besonders bevorzugt unter 5 %.
Dieses Verfahren ist geeignet, gegenüber einer ausschließlichen Temperaturmessung außerhalb des Energiespeichers den Vorteil zu liefern, dass auch schnelle Änderungen der Innentemperatur des Energiespeichers im Wesentlichen in Echtzeit erfasst werden können. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen allein ein Temperatursensor außerhalb des Energiespeichers, etwa auf der Oberfläche des Energiespeichers, zum Einsatz kommt, kann dagegen die Innentemperatur in der Regel nicht zuverlässig, insbesondere nicht zeitnah, gemessen werden, da sich die Wärmemenge eines kurzen, insbesondere lokalisierten, Temperaturimpulses im Inneren des Energiespeichers beim Ausbreiten bis zum Temperatursensor auf ein zunehmend größeres Volumen verteilt, so dass eine vom Temperatursensor gemessene Impulsantwort gegenüber dem kurzen Temperaturimpuls zum einen zeitlich verzögert und zum anderen gedämpft ist. In anderen Worten „verschmiert“ der kurze Temperaturimpuls auf dem Weg zum Temperatursensor.
Das Zeitfenster, innerhalb dessen erfindungsgemäß die Verlustleistung am Innenwiderstand des Energiespeichers mehrfach gemessen wird, entspricht vorzugsweise der thermischen Laufzeit eines Temperaturimpulses im Inneren des Energiespeichers bis zu einer Außenseite des Energiespeichers, insbesondere einem auf der Oberfläche des Energiespeichers angeordneten Temperatursensor. Unter Verwendung der Wärmekapazität des Energiespeichers kann über die Verlustleistungen in dem Zeitfenster daher die im Inneren des Energiespeichers, jeweils durch die erzeugten Wärmemengen verursachten Temperaturerhöhung bestimmt werden, welche aufgrund der thermischen Laufzeit noch nicht am Ort des Temperatursensors angekommen sein kann.
Somit kann eine Änderung, insbesondere eine Erhöhung, der Innentemperatur des Energiespeichers bestimmt werden, bevor dies bei der ausschließlichen Temperaturmessung auf oder an einer Außenseite des Energiespeichers möglich wäre. Entsprechend kann die Leistungsabgabe des Energiespeichers in Abhängigkeit von der bestimmten Innentemperatur dynamisch angepasst, insbesondere vermindert, werden, um das Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur im Inneren des Energiespeichers zu vermeiden. Bevorzugt liegt diese Maximaltemperatur bei ca. 80°C. Die Abregelung der Leistungsabgabe wird auch „Derating“ genannt.
Eine solche frühzeitige Innentemperaturbestimmung ist besonders vorteilhaft beim Betrieb des Energiespeichers in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, da hier kurzfristig hohe Lade- und/oder Entladeströme des Energiespeichers, etwa durch hohen Leistungsabruf bei Überholmanövern oder durch Rekuperation bei Bremsmanövern, auftreten können.
Zum einen können durch die temperaturabhängige Leistungsabgabe kurzzeitige Überschreitungen der zulässigen Maximaltemperatur vermieden werden, wodurch das Risiko von Schädigungen des Energiespeichers, unter Umständen mit Brandfolge, verringert werden kann. Zusätzlich kann der Temperaturbereich, innerhalb dessen der Energiespeicher zuverlässig betrieben werden kann, erhöht werden, da auf eine Temperaturerhöhung im Inneren des Energiespeichers schneller reagiert werden kann. Entsprechend erhöht der erfindungsgemäße Betrieb eines Energiespeichers eine Sicherheit und eine Lebensdauer des Energiespeichers gegenüber Verfahren, welche sich ausschließlich auf eine Messung einer Temperatur außerhalb des Energiespeichers stützen.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine präzisere Temperaturbestimmung im Inneren des Energiespeichers.
In einer bevorzugten Ausführung wird auch der Innenwiderstand zyklisch gemessen. Vorzugsweise werden die entsprechenden Messwerte in einem zweiten zeitlichen Abstand zueinander erfasst. Dabei wird die Verlustleistung innerhalb des Zeitfensters bevorzugt auf Basis des zuletzt gemessenen Innenwiderstands bestimmt. Bevorzugt ist der zweite zeitliche Abstand größer als der erste zeitliche Abstand.
Da der Innenwiderstand im Allgemeinen von der Temperatur im Inneren des Energiespeichers abhängt und sich Kennfelder oder Kennlinien für den Innenwiderstand über die Lebensdauer des Energiespeichers (State of Health, SOH) ändern, kann eine zyklische Messung eine präzisere Bestimmung der Innentemperatur erlauben. Da eine Messung des Innenwiderstands in der Regel Energie aus dem Energiespeicher benötigt, kann durch die Verlängerung des durch den zweiten zeitlichen Abstand definierten Zeitraums gegenüber dem durch den ersten zeitlichen Abstand definierten Zeitraum die Belastung des Energiespeichers entsprechend reduziert werden.
Der zu messende Innenwiderstand des Energiespeichers kann neben der Innentemperatur und dem Alter des Energiespeichers (State of Health, SOH) auch von weiteren Faktoren, insbesondere von einem Ladezustand des Energiespeichers (State of Charge, SOC), einem Fertigungsvorgang des Energiespeichers (Exemplarstreuung) und/oder einem vorrangehenden Nutzungsverlauf, d.h. der Vorgeschichte des Energiespeichers abhängen. Vorzugsweise wird der zweite zeitliche Abstand in Abhängigkeit eines oder mehrerer dieser Faktoren gewählt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung liegt der erste zeitliche Abstand in einem Bereich zwischen 2 und 20 Millisekunden, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 15 Millisekunden, besonders bevorzugt bei 8 bis 12 Millisekunden. Dadurch kann die Verlustleistung am Innenwiderstand des Energiespeichers zeitlich hochaufgelöst bestimmt werden. Insbesondere können entsprechend auch kurzfristige bzw. schnelle Änderungen der Innentemperatur des Energiespeichers erfasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung liegt der zweite zeitliche Abstand in einem Bereich zwischen 2 und 20 Sekunden, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 15 Sekunden, insbesondere bei 8 bis 12 Sekunden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Innenwiderstand einerseits innerhalb des durch den zweiten zeitlichen Abstand definierten Zeitraums im Wesentlichen konstant bleibt, andererseits an langsamere, längerfristige Änderungen der Betriebstemperatur des Energiespeichers angepasst wird. Somit kann die Verlustleistung zu jedem Zeitpunkt genau, insbesondere mit einer Messungsgenauigkeit kleiner als 10 %, vorzugsweise kleiner als 5 %, besonders bevorzugt kleiner als 2,5 %, bestimmt werden.
Die Genauigkeit der Strom- und/oder Spannungsmessungen zum Erfassen der Messwerte von Innenwiderstand und/oder Lade- bzw. Entladestrom, welche die Basis für eine genaue Verlustleistungsbestimmung darstellen, wird vorzugsweise durch eine Bandende-Kalibrierung von zum Erfassen der Messwerte eingerichteter Sensoreinrichtungen erhöht. Bevorzugt wird dabei eine Anzahl von Stützstellen für Kennlinien in einer Speichervorrichtung der Sensoreinrichtungen gespeichert, so dass Messgenauigkeiten der Sensoreinrichtungen von besser als 2 %, bevorzugt besser als 1 %, insbesondere besser als 0,5 % erreichbar sind. Anhand gespeicherter Korrekturkennlinien ist durch die Bandende-Kalibrierung beispielsweise eine Messungenauigkeit der Sensoreinrichtungen aufgrund von Exemplarstreuung der Sensoreinrichtungen vermeid- oder zumindest reduzierbar. Die Genauigkeit der gespeicherten Korrekturkennlinien kann durch Multiplikation der gespeicherten Korrekturkennlinien mit einer Alterungseffekt-Korrekturkennlinie, die vorab durch Langzeitmessungen an einer Geräte-Stichprobe ermittelt wurde, und/oder durch Multiplikation mit einer Temperaturgangs-Kennlinie, die vorab durch Labormessungen an einer Geräte-Stichprobe ermittelt wurde, weiter erhöht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der erste zeitliche Abstand während einem Ladevorgang des Energiespeichers von dem ersten zeitlichen Abstand während einem Entladevorgang des Energiespeichers verschieden. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite zeitliche Abstand während eines Ladevorgangs des Energiespeichers von dem zweiten zeitlichen Abstand während eines Entladevorgangs des Energiespeichers verschieden. In anderen Worten ist der erste und/oder zweite zeitliche Abstand vorzugsweise dynamisch und hängt bevorzugt davon ab, ob der Energiespeicher Leistung aufnimmt oder abgibt.
Insbesondere wird der erste zeitliche Abstand und/oder der zweite zeitliche Abstand angepasst, etwa an eine gewünschte zeitliche Auflösung, mit der die Verlustleistung am Innenwiderstand des Energiespeichers bestimmt werden soll, und/oder an eine gewünschte Genauigkeit des Innenwiderstands, die während des durch den zweiten zeitlichen Abstand definierten Zeitraums gelten soll.
Dadurch kann die Innentemperatur des Energiespeichers über verschiedene Betriebszustände des Energiespeichers hinweg zuverlässig und präzise bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der erste und/oder der zweite zeitliche Abstand dynamisch in Abhängigkeit von einer zuvor bestimmten Innentemperatur des Energiespeichers und/oder von der Leistungsabgabe des Energiespeichers gewählt. Vorzugsweise wird der erste und/oder der zweite zeitliche Abstand iterativ ausgewählt, insbesondere an die Innentemperatur des Energiespeichers angepasst. Durch eine Anpassung der zeitlichen Abstände bzw. der vorgegebenen Zeitwerte kann die Innentemperatur genauer bestimmt und dadurch die Anpassung der zeitlichen Abstände bzw. der vorgegebenen Zeitwerte abermals angepasst werden.
Dadurch kann die zeitliche Auflösung der Verlustleistungsbestimmung und/oder die Genauigkeit der Innenwiderstandsmessung an den Betriebszustand des Energiespeichers angepasst werden, so dass die Bestimmung der Innentemperatur des Energiespeichers in jedem Betriebszustand mit im Wesentlichen gleicher Genauigkeit durchgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der Innenwiderstand des Energiespeichers mittels eines über einen Lastwiderstand fließenden Laststroms und eines dadurch bedingten Spannungsabfalls am Energiespeicher gemessen. Vorzugsweise wird der Lastwiderstand dabei für einen Lastzeitraum, insbesondere für 0,25 ms bis 5 ms, bevorzugt für 0,5 ms bis 2 ms, zugeschaltet. Vorzugsweise ist dieser Lastzeitraum kurz genug gewählt, um die Leistungsabgabe oder -aufnahme des Energiespeichers, etwa an andere Verbraucher, nicht oder zumindest nur unwesentlich zu beeinträchtigen. Dadurch kann der Innenwiderstand, insbesondere zyklisch, unkompliziert und zuverlässig bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Lastwiderstand mittels, insbesondere in Form, einer elektrischen Heizung ausgebildet, welche vorzugsweise von elektronischen Leistungsschaltern mit einer kurzen Schaltzeit, insbesondere kleiner als 100 ns, bevorzugt kleiner als 10 ns, besonders bevorzugt kleiner als 1 ns, zugeschaltet wird. Die elektrische Heizung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bietet den Vorteil hoher Impulsbelastbarkeit. Die dabei entstehende Abwärme von wenigen Watt als zeitlicher Mittelwert kann vernachlässigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Ausgangsleistung des Energiespeichers in der Weise geregelt, dass die Ausgangsleistung eine vorbestimmte Leistungsschwelle nicht überschreitet, wenn die Innentemperatur des Energiespeichers einen vorgegebenen kritischen Temperaturwert erreicht oder überschreitet. Vorzugsweise wird die Ausgangsleistung in diesem Fall abgeregelt, d.h. reduziert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch eine schnelle Temperaturerhöhung im Inneren des Energiespeichers, etwa bedingt durch eine plötzliche Erhöhung der Leistungsabgabe beispielsweise bei einem Überholmanöver oder durch eine plötzliche Erhöhung der Leistungsaufnahme beispielsweise bei Rekuperation an einem steilen Berg oder einer Vollbremsung, nicht zur einer Überschreitung der zulässigen Maximaltemperatur des Energiespeichers führt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, das die folgenden Schritte aufweist: (i) Erzeugen eines elektrischen Impulses im Inneren des Energiespeichers zu einem ersten Zeitpunkt; (ii) Messen einer thermischen Impulsantwort des Energiespeichers auf einer Außenseite des Energiespeichers zu einem zweiten Zeitpunkt; (iii) Bestimmen eines Werts für ein Zeitfenster aus einer Differenz zwischen dem zweiten und ersten Zeitpunkt; (iv) Bestimmen der Wärmekapazität des Energiespeichers durch ein kalorimetrisches Verfahren; und (v) Ablegen des Werts für das Zeitfenster und der Wärmekapazität in einer Speichereinrichtung.
Dabei wird der elektrische Impuls in Schritt (i) vorzugsweise durch Fließen eines Impulsstroms für einen Impulszeitraum realisiert. Bevorzugt beträgt die Stromstärke des Impulsstroms dabei 50 A bis 150 A, insbesondere 75 A bis 125 A. Bevorzugt beträgt der Impulszeitraum dabei 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 0,75 ms bis 1,5 ms. Der dabei im Inneren des Energiespeichers erzeugte kurze Temperaturimpuls, d.h. die erzeugte Wärme, breitet sich daraufhin in die äußeren Bereiche des Energiespeichers aus, wo er, etwa von einer ersten Sensoreinrichtung, auf der Außenseite des Energiespeichers detektiert wird. Dabei entspricht der zweite Zeitpunkt vorzugsweise dem Zeitpunkt, an dem auf der Außenseite des Energiespeichers eine maximale Temperaturerhöhung detektiert bzw. gemessen wird, welche durch den erzeugten Temperaturimpuls verursacht wurde. In anderen Worten entspricht der zweite Zeitpunkt vorzugsweise dem Zeitpunkt, an dem das Maximum des auf dem Weg zur Außenseite des Energiespeichers verschmierten Temperaturimpulses die Außenseite des Energiespeichers, insbesondere die erste Sensoreinrichtung, erreicht.
In einer bevorzugten Ausführung wird dabei in Schritt (i) eine Zeitmessung gestartet und in Schritt (ii), wenn die maximale Temperaturerhöhung gemessen wird, beendet. Beginn und Ende der Zeitmessung entsprechen dabei dem ersten bzw. zweiten Zeitpunkt, und die durch die Zeitmessung bestimmte Zeit entspricht dabei der in Schritt (iii) zu bestimmenden Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Zeitpunkt, d.h. der thermischen Laufzeit des erzeugten Temperaturimpulses.
Dadurch kann das Zeitfenster einfach und zuverlässig festgelegt werden. Da das Zeitfenster der thermischen Laufzeit entspricht, kann darüber hinaus erreicht werden, dass innerhalb des Zeitfensters auftretende, durch die innerhalb des Zeitfensters bestimmten Verlustleistungen bedingten Temperaturerhöhungen zu einem Zeitpunkt am Ende des Zeitfensters, zu dem die Außentemperatur ermittelt wird, eine Außenseite des Energiespeichers noch nicht erreicht haben und daher nicht in die zu dem Zeitpunkt am Ende des Zeitfensters ermittelte Außentemperatur mit eingehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Wärmekapazität des Energiespeichers in einem Bombenkalorienmeter oder einer einem Bombenkalorienmeter zumindest ähnlichen, d.h. insbesondere auf dem gleichen Prinzip basierenden, Vorrichtung ermittelt. Dadurch kann leicht und präzise bestimmt werden, welche Wärmemenge ein elektrischer Impuls, d.h. über einen Impulszeitraum fließender Impulsstrom, im Inneren des Energiespeichers erzeugt, d.h. welche Temperaturerhöhung ein elektrischer Impuls bewirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Verfahren des Weiteren den folgenden Schritt auf: (vi) Ablegen eines Werts für den zweiten zeitlichen Abstand in der Speichereinrichtung, wobei der Wert für den zweiten zeitlichen Abstand derart gewählt wird, dass ein über ein dem zweiten zeitlichen Abstand entsprechendes Zeitfenster im Betrieb des Energiespeichers fließender Maximalstrom eine maximal zehnprozentige, bevorzugt fünfprozentige, insbesondere zweieinhalbprozentige Änderung des Innenwiderstands bewirkt. Vorzugsweise wird die Änderung des Innenwiderstands bei dem fließenden Maximalstrom dabei durch eine oder mehrere Messreihen, bei denen bevorzugt ein durch einen über einen Lastwiderstand fließenden Laststrom bedingter Spannungsabfall am Energiespeicher gemessen wird, experimentell bestimmt.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Innenwiderstand des Energiespeichers entsprechend des zweiten zeitlichen Abstands häufig genug neu bestimmt wird, um eine Verfälschung der basierend auf dem Innenwiderstand bestimmten Verlustleistungen innerhalb des Zeitfensters zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird eine erste, auf einer Außenseite des Energiespeichers angeordnete Sensoreinrichtung zum Messen einer Außentemperatur derart kalibriert, dass bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Energiespeichers die Messungenauigkeit der ersten Sensoreinrichtung im Wesentlichen minimal wird. Bevorzugt liegt die vorgegebene Betriebstemperatur dabei in einem Bereich einer mittleren Betriebstemperatur des Energiespeichers. Alternativ dazu liegt die vorgegebene Temperatur in einem Bereich unterhalb einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des Energiespeichers. Dadurch ist die Innentemperatur des Energiespeichers insbesondere in einem kritischen Bereich vor Erreichen der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Energiespeichers genau bestimmbar, so dass etwa eine Reduzierung der Leistungsabgabe zuverlässig, insbesondere vor einer Überhitzung des Energiespeichers, durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise liegt die vorgegebene Betriebstemperatur dabei in einem Bereich von 20 bis 70 °C, bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 65 °C, insbesondere bei im Wesentlichen 60 °C. Vorzugsweise ist die Messungenauigkeit der ersten Sensoreinrichtung dabei kleiner als 1 °C, bevorzugt kleiner als 0,5 °C, insbesondere kleiner als 0,25 °C. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Innentemperatur des Energiespeichers genau, vorzugsweise genauer als 10 %, bevorzugt genauer als 5 %, insbesondere genauer als 2,5 %, bestimmt werden kann.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auszuführen. Dabei weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Speichereinrichtung auf, welche zur Speicherung eines Werts für ein Zeitfenster, einen ersten zeitlichen Abstand, einen zweiten zeitlichen Abstand, einen Innenwiderstand des Energiespeichers, innerhalb des Zeitfensters geflossene Lade- und/oder Entladeströme des Energiespeichers und/oder eine Wärmekapazität des Energiespeichers eingerichtet ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung vorzugsweise eine erste Sensoreinrichtung auf, welche zum Messen einer Außentemperatur des Energiespeichers eingerichtet ist. Die erste Sensoreinrichtung ist dabei bevorzugt an oder auf einer Außenseite des Energiespeichers angeordnet. Bevorzugt weist die erste Sensoreinrichtung dabei einen doppelt ausgelegten Temperatursensor auf, welcher zwischen zwei Energiespeicherzellen des Energiespeichers angeordnet und eingerichtet ist, Temperaturimpulse aus den zwei Energiespeicherzellen zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführung weist die erste Sensoreinrichtung ein plattenförmiges Gehäuse, insbesondere aus einem thermisch und elektrisch isolierenden Material, etwa Hartfasern, mit einem im Wesentlichen zentral in einer Plattenebene angeordneten Durchgriff auf, welches sandwichartig zwischen zwei Energiespeicherzellen des Energiespeichers angeordnet werden kann. Der Durchgriff ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein thermisch leitendes Kontaktmodul, welches sowohl mit der darüberliegenden Energiespeicherzelle als auch mit der darunterliegenden Energiespeicherzelle in thermischen Kontakt steht, formschlüssig aufzunehmen. Das Kontaktmodul ist etwa aus Aluminium gefertigt und weist vorzugsweise eine Ausnehmung auf, in welcher der etwa als NTC-Widerstand ausgebildete Temperatursensor angeordnet werden kann. Das Kontaktmodul ist insbesondere dazu eingerichtet, aus einer Ausdehnung der Energiespeicherzellen im Betrieb des Energiespeichers resultierende Druckkräfte abzustützen und den in der Ausnehmung aufgenommenen Temperatursensor zu schützen.
Durch diese Anordnung können die thermischen Impulsantworten der beiden Energiespeicherzellen auf einen elektrischen Impuls im Inneren des Energiespeichers im Wesentlichen gleichzeitig bei dem Temperatursensor eintreffen. Dies kann bei der Bestimmung der Innentemperatur des Energiespeichers berücksichtigt werden.
Um den Temperatursensor von den beiden benachbarten Energiespeicherzellen elektrisch zu isolieren, insbesondere falls die benachbarten Energiespeicherzellen Metallgehäuse aufweisen, welche auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegen, kann zusätzlich jeweils eine Isolationsfolie zwischen dem Gehäuse und einer der Energiespeicherzellen angeordnet werden. Dadurch können elektrische Kurzschlüsse vermieden werden. Um ein symmetrisches Ankommen von thermischen Impulsantworten aus beiden Zellen am Temperatursensor zu ermöglichen, werden bevorzugt zwei gleichartige Isolationsfolien auf beiden Seiten des Kontaktmoduls angeordnet.
Es kann zudem von Vorteil sein, wenn zwischen dem Temperatursensor und dem Kontaktmodul keine elektrisch leitende Verbindung besteht.
Zudem weist die Vorrichtung vorzugsweise eine zweite Sensoreinrichtung auf, welche zum, insbesondere zyklischen, Messen eines Innenwiderstands des Energiespeichers und/oder von Lade- und/oder Entladeströmen des Energiespeichers eingerichtet ist. Bevorzugt weist die Vorrichtung außerdem eine Steuereinheit auf, welche eingerichtet ist, eine Verlustleistung des Energiespeichers innerhalb des Zeitfensters, eine durch die Leistungsabgabe und/oder -aufnahme des Energiespeichers bedingte Temperaturerhöhung im Inneren des Energiespeichers und/oder eine Innentemperatur des Energiespeichers zu bestimmen und/oder eine Ausgangs- und/oder Eingangsleistung des Energiespeichers zu regeln.
In einer bevorzugten Ausführung weist die Vorrichtung einen Ringspeicher auf, welcher zur Speicherung der zyklisch erfassten Messwerte für den Lade- und/oder Entladestrom innerhalb des Zeitfensters eingerichtet ist. Insbesondere ist zumindest ein Teil der Speichereinrichtung der Vorrichtung als Ringspeicher ausgebildet, insbesondere der Teil der Speichereinrichtung, welcher zur Speicherung der zyklisch erfassten Messwerte für den Lade- und/oder Entladestrom eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Speichergröße des Ringspeichers dabei derart gewählt, dass die Datenmenge, welche bei der zyklischen Messung von Lade- und/oder Entladeströmen innerhalb des Zeitfensters anfällt, der Speichergröße des Ringspeichers zumindest im Wesentlichen entspricht, so dass der Ringspeicher effizient genutzt werden kann. Insbesondere weist der Ringspeicher eine Anzahl von Speicherplätzen auf, welche der Anzahl von innerhalb des Zeitfensters erfassten Messwerten entspricht, so dass zu Beginn des Zeitfensters der erste im Ringspeicher gespeicherte Wert für den Lade- und/oder Entladestrom des vorangehenden Zeitfensters überschrieben wird.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, das einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, und eine Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zum Betrieb des Energiespeichers aufweist.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für den dritten und vierten Aspekt der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltung sowie umgekehrt. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:

1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines Energiespeichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 die zeitlichen Zusammenhänge eines Verfahrens zum Betrieb eines Energiespeichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Bestimmung von Kennwerten eines Energiespeichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 die Bestimmung von Kennwerten eines Energiespeichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist ein Verfahren 100 zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, schematisch in einem Flussdiagramm dargestellt.
In Schritt S1 wird ein Innenwiderstand des Energiespeichers, etwa anhand eines Spannungsabfalls an dem Energiespeicher beim Fließen eines Laststroms über einen Lastwiderstand, gemessen. Der entsprechende Messwert wird zur späteren Verwendung in einer Speichereinrichtung gespeichert.
In Schritt S2 wird ein elektrischer Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers, d.h. ein während eines Lade- bzw. Entladevorgangs des Energiespeichers fließender Strom, gemessen. Auch dieser Messwert wird zur späteren Verwendung in einer Speichereinrichtung, insbesondere in einem Ringspeicher, gespeichert. Erfindungsgemäß soll der Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers zyklisch gemessen, d.h. entsprechenden Messwerte in einem ersten zeitlichen Abstand zueinander erfasst und in der Speichereinrichtung, insbesondere in dem Ringspeicher, gespeichert werden. Daher wird in Schritt S3 überprüft, ob seit Beginn des Verfahrens 100 ein vorbestimmtes Zeitfenster verstrichen ist. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt S4 überprüft, ob ein weiterer Messwert für den Innenwiderstand des Energiespeichers erfasst und in der Speichereinrichtung gespeichert werden soll.
Ein erneutes Messen des Innenwiderstands hängt davon ab, ob die letzte Messung des Innenwiderstands in einem zweiten zeitlichen Abstand durchgeführt wurde. In anderen Worten, es wird der Innenwiderstand erneut gemessen, wenn zwischen der letzten Messung und der Überprüfung in Schritt S4 ein Zeitraum liegt, der durch den zweiten zeitlichen Abstand definiert ist.
Soll der Innenwiderstand erneut gemessen werden, wird das Verfahren in Schritt S1 fortgesetzt. Soll der Innenwiderstand (noch) nicht erneut gemessen werden, wird das Verfahren dagegen in Schritt S2 fortgesetzt und der Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers erneut gemessen.
Durch die Prüfschritte S3 und S4 kann anhand einer entsprechenden Wahl des zweiten zeitlichen Abstands sichergestellt werden, dass der zuletzt erfasste Messewert für den Innenwiderstand aktuell bzw. präzise ist.
Vorzugsweise ist der Ringspeicher zu Beginn des Verfahrens 100 mit Nullen vorbefüllt. Die Schritte S1 bis S4 werden so lange wiederholt, bis das vorbestimmte Zeitfenster verstrichen ist. In diesem Fall wird das Verfahren 100 nach Schritt S3 mit Schritt S5 fortgesetzt, in dem Verlustleistungen innerhalb des vorbestimmten Zeitfensters auf Basis der innerhalb des Zeitfensters gemessenen Innenwiderstände und der innerhalb des Zeitfensters geflossenen elektrischen Lade- und/oder Entladeströme bestimmt werden.
Dabei sind die zyklische Messung des Innenwiderstands und die zyklische Messung des Lade- und/oder Entladestroms vorzugsweise mittels einer entsprechenden Software in zwei parallelen Prozessen durchführbar.
Die Verlustleistungen berechnen sich dabei aus dem Produkt der Innenwiderstände mit dem Quadrat derjenigen Lade- und/oder Entladeströme, welche nach der Messung des jeweiligen Innenwiderstands und vor einer erneuten, nachfolgenden Messung des Innenwiderstands erfasst wurden.
Die derart bestimmten Verlustleistungen werden zu einer gesamten Verlustleistung des Energiespeichers innerhalb des vorbestimmten Zeitfensters aufsummiert.
In Schritt S6 wird eine Außentemperatur des Energiespeichers, etwa mittels eines an oder auf einer Außenseite des Energiespeichers angeordneten Temperatursensors, gemessen.
In Schritt S7 kann anhand der ermittelten Verlustleistung innerhalb des vorbestimmten Zeitfensters und einer Wärmekapazität des Energiespeichers eine Temperaturerhöhung des Energiespeichers bestimmt werden. Da diese Temperaturerhöhung auf der Verlustleistung basiert, wird diese Temperaturerhöhung auch als „leistungsbedingte Temperaturerhöhung“ bezeichnet. Auf Basis dieser Temperaturerhöhung und der gemessenen Außentemperatur kann daraufhin eine Innentemperatur des Energiespeichers bestimmt werden.
Diese Innentemperatur wird in Schritt S8 dazu genutzt, eine Ausgangsleistung des Energiespeichers zu regeln. Erreicht oder überschreitet die Innentemperatur etwa einen vorgegebenen Temperaturschwellwert, kann die Ausgangsleistung des Energiespeichers beispielsweise derart gedrosselt werden, dass sich der Energiespeicher abkühlen kann oder sich zumindest nicht weiter erwärmt. Im Extremfall kann die Ausgangsleistung bzw. Leistungsabgabe des Energiespeichers auch vollständig abgeregelt bzw. auf Null reduziert, bzw. der Energiespeicher abgeschaltet werden. Der vorgegebene Temperaturschwellwert ist dabei vorzugsweise in Bezug auf eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Energiespeichers gewählt.
Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle der Speicherung der Lade- und/oder Entladeströme in der Speichereinrichtung in Schritt S2 auch direkt die jeweiligen Verlustleistungen aus dem Produkt des in Schritt S1 gemessenen Innenwiderstands und dem Quadrat des in Schritt S2 gemessenen Lade- und/oder Entladestroms bestimmt und in der Speichereinrichtung, insbesondere in dem Ringspeicher, gespeichert werden können. Entsprechend entfällt dadurch die Bestimmung der einzelnen Verlustleistungen in Schritt S5. Stattdessen kann in Schritt S5 die gesamte Verlustleistung direkt als Summe der in der Speichereinrichtung, insbesondere im Ringspeicher, gespeicherten Verlustleistungen ermittelt werden.
Ebenso ist es möglich, die leistungsbedingte Temperaturerhöhung des Energiespeichers im vorgegebenen Zeitfenster auf Basis der Verlustleistung und der Wärmekapazität direkt in Schritt S5 zu bestimmen. Entsprechend kann dies in Schritt S7 entfallen.
Der in 2 gezeigte Zeitstrahl illustriert das in 1 dargestellte Verfahren 100 zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers beispielhaft. Die oberhalb des Zeitstrahls angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf im Rahmen des Verfahrens 100 zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste Messwerte, wobei die entsprechenden Zeitpunkte unterhalb des Zeitstrahls angegeben sind. Ebenfalls unterhalb des Zeitstrahls sind zwischen den Messungen bzw. Zeitpunkten liegende Zeiträume angegeben.
Zu einem Zeitpunkt t₁ wird der Innenwiderstand R des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Innerhalb eines Zeitfensters τ_therm , welches einer thermischen Laufzeit eines Temperaturimpulses vom Inneren des Energiespeichers bis zu einer Außenseite des Energiespeichers entspricht, wird der Lade- und/oder Entladestrom I des Energiespeichers zyklisch gemessen. Die Zeitpunkte τ₁, τ₂, τ₃, τ₄, zu denen Messwerte I₁ , I₂ , I₃ , I₄ des Lade- und/oder Entladestroms I erfasst werden, sind dabei mit einem ersten zeitlichen Abstand Δτ₁ voneinander beabstandet.
Zu einem späteren Zeitpunkt, z.B. τ₃, wird der Innenwiderstand R des elektrochemischen Energiespeichers erneut ermittelt, da sich der Innenwiderstand R, etwa aufgrund einer geänderten Temperatur des Energiespeichers, in der Zwischenzeit geändert haben könnte. Die Zeitpunkte t₁, τ₃, zu denen die Messwerte R₁ , R₂ des Innenwiderstands R gemessen werden, sind dabei mit einem zweiten zeitlichen Abstand Δτ₂ voneinander beabstandet.
Durch Quadrierung und Multiplikation der Messwerte I₁ , I₂ , I₃ , I₄ für den Lade- und/oder Entladestrom I innerhalb der durch den zweiten zeitlichen Abstand Δτ₂ definierten Zeiträume mit dem jeweils zu Beginn der durch den zweiten zeitlichen Abstand Δτ₂ definierten Zeiträume gemessenen Innenwiderstand R kann die jeweilige Verlustleistung zu den Zeitpunkten τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ bestimmt werden: $P_{i} = R_{j} \cdot I_{i}^{2},$
wobei die Indizes i, j jeweils den Zeitpunkt nummerieren, an dem der Widerstand R bzw. der Lade- und/oder Entladestrom I gemessen wurde.
Die in den durch den ersten zeitlichen Abstand Δτ₁ definierten Zeiträumen jeweils im inneren des Energiespeichers deponierte thermische Energie lässt sich dabei leicht durch Multiplikation mit dem ersten zeitlichen Abstand Δτ₁ berechnen: $E_{i} = R_{j} \cdot I_{i}^{2} \cdot Δ τ_{1}$
Über die Summation aller im Zeitfenster τ_therm ermittelten Verlustleistungen P_i bzw. thermischen Energien E_i lässt sich über die Wärmekapazität C des Energiespeichers, die zu einem früheren Zeitpunkt t₀ vor Beginn des Verfahrens 100 bestimmt wurde, die im Energiespeicher bewirkte Temperaturerhöhung ΔT ermitteln. Zusammen mit einer am Ende des Zeitfensters τ_therm zu einem Zeitpunkt t₂ außerhalb des Energiespeichers, insbesondere an bzw. auf einer Seitenfläche des Energiespeichers, gemessenen Außentemperatur T_ex lässt sich so die zum Zeitpunkt t₂ im inneren des Energiespeichers herrschende Innentemperatur T_in bestimmen.
In 3 ist ein Verfahren 200 zur Bestimmung von Kennwerten eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, in einer bevorzugten Ausführung dargestellt. Dieses Verfahren 200 wird bevorzugt vor dem Verfahren 100 zum Betrieb des Energiespeichers ausgeführt.
In einem ersten Schritt V1 wird zu einem ersten Zeitpunkt im Inneren des Energiespeichers ein elektrischer Impuls, etwa mittels eines für eine Impulsdauer fließenden Impulsstromes, erzeugt. Die dadurch erzeugte Wärme im Inneren des Energiespeichers führt zu einer Temperaturerhöhung im Inneren des Energiespeichers, die sich im Folgenden bis in die Außenbereiche, insbesondere an die Außenseiten, des Energiespeichers ausbreitet. Diese Temperaturerhöhung und - ausbreitung wird auch als „thermische Impulsantwort“ bezeichnet.
In einem zweiten Schritt V2 wird die thermische Impulsantwort des Energiespeichers auf einer Außenseite des Energiespeichers zu einem zweiten Zeitpunkt gemessen. Dazu kann etwa ein entsprechender Temperatursensor an oder auf der Außenseite angeordnet sein. Der zweite Zeitpunkt entspricht dabei insbesondere genau dem Zeitpunkt, zu dem die thermische Impulsantwort ihren Maximalwert erreicht, der Temperatursensor also eine maximale Temperatur auf der Außenseite misst.
Aus einer Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Zeitpunkt wird in Schritt V3 ein Wert für ein Zeitfenster ermittelt. Das Zeitfenster entspricht dabei der thermischen Laufzeit des im Energiespeicher erzeugten Impulses. Wann immer im Inneren des Energiespeichers Wärme erzeugt wird, etwa als Verlustleistung an einem Innenwiderstand des Energiespeichers, benötigt die dabei im Energiespeicher deponierte Wärmemenge bzw. die entsprechende Temperaturerhöhung die thermische Laufzeit, um die Außenseite, insbesondere den Temperatursensor, zu erreichen.
In einem weiteren vierten Schritt V4 wird die Wärmekapazität des Energiespeichers durch ein kalorimetrisches Verfahren bestimmt. Dabei wird erfasst, welche Wärmemenge bzw. welche Temperaturerhöhung durch eine vorgegebene Verlustleistung im Energiespeicher deponiert bzw. erzeugt wird. Dieser Wert kann dazu eingesetzt werden, bei einer Bestimmung einer Verlustleistung im Rahmen des Verfahrens 100 zum Betrieb des Energiespeichers auch die dementsprechende Temperaturerhöhung im Inneren des Energiespeichers zu berechnen.
Die derart bestimmte Wärmekapazität und das derart bestimmte Zeitfenster werden in einem fünften Schritt V5 in einer Speichereinrichtung, bevorzugt des Energiespeichers, gespeichert, so dass während des Verfahrens 100 zum Betrieb des Energiespeichers auf die entsprechenden Werte zugegriffen werden kann.
Anhand von 4 sollen die thermischen Vorgänge im Inneren eines elektrochemischen Energiespeichers 1 bei der Ausführung eines Verfahrens 200 zur Bestimmung von Kennwert des Energiespeichers 1 schematisch erläutert werden.
Im Inneren des abgebildeten elektrochemischen Energiespeichers 1 wird zu einem ersten Zeitpunkt durch einen elektrischen Impuls ein als schwarzer Kreis dargestellter Temperaturimpuls P_T erzeugt, welcher sich, wie durch die Pfeile angedeutet, in alle Richtungen ausbreitet. Zu späteren Zeitpunkten τ₁, τ₂, τ₃ erstreckt sich die durch den elektrischen Impuls im Energiespeicher 1 deponierte Wärmemenge dabei über die durch die entsprechenden Kreise gekennzeichnete Fläche (bzw. das entsprechende Volumen). Schließlich erreicht die Wärmefront des Temperaturimpulses P_T eine Außenseite 2 des Energiespeichers 1, auf bzw. an der eine erste Sensoreinrichtung 3, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet ist. Die Zeitdauer, welche der Temperaturimpuls P_T zur Ausbreitung vom Inneren des Energiespeichers 1 bis zu Außenseite 2 damit zur ersten Sensoreinrichtung 3 benötigt, wird thermische Laufzeit τ_therm genannt. Anhand des Temperaturverlaufs einer mit der ersten Sensoreinrichtung 3 an oder auf der Außenseite 2 des Energiespeichers 1 gemessenen Außentemperatur T_ex kann die thermische Laufzeit τ_therm ermittelt werden. Dazu wird etwa die Differenz zwischen einem zweiten Zeitpunkt, zu dem die gemessene Außentemperatur ihr Maximum erreicht, und dem ersten Zeitpunkt berechnet, welche der thermischen Laufzeit τ_therm entspricht.
In 5 ist ein elektrochemischer Energiespeicher 1 mit Zu- bzw. Ableitungen 4 dargestellt. Zur Überwachung und/oder Steuerung des Energiespeichers 1 ist eine Vorrichtung 5 zum Betrieb des Energiespeichers 1 vorgesehen, welche eine Steuereinheit 6 mit einer Speichereinrichtung 7, einer ersten Sensoreinrichtung 3 und einer zweiten Sensoreinrichtung 8 aufweist.
Im Betrieb des Energiespeichers 1 fließt über die Zu- bzw. Ableitungen 4 ein Lade- und/oder Entladestrom I, welcher von der zweiten Sensoreinrichtung 8, welche insbesondere eine Strommesseinrichtung 8' aufweist, gemessen wird. Aufgrund des Innenwiderstands R des Energiespeichers 1 wird ein Teil der vom Energiespeicher 1 umgesetzten elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt, welche im Inneren des Energiespeichers 1 deponiert wird bzw. dort zu einer Temperaturerhöhung ΔT führt. Dieser Teil der elektrischen Leistung wird auch als Verlustleistung des Energiespeichers 1 bezeichnet.
Die Verlustleistung des Energiespeichers 1 kann unter Einbeziehung des Innenwiderstands R des Energiespeichers und des Lade- und/oder Entladestroms I von der Steuereinheit 6 zyklisch berechnet werden. Die dabei erfassten Messwerte werden in der Speichereinrichtung 7, insbesondere in einen Ringspeicher, gespeichert. Auf Basis einer Wärmekapazität C des Energiespeichers 1 und der gesamten Verlustleistung innerhalb eines Zeitfensters, welche aus den Messwerten in der Speichereinrichtung 7 bestimmt werden kann, kann die Steuereinheit 6 auch die Temperaturerhöhung ΔT im Inneren des Energiespeichers 1 ermitteln. Zusammen mit einer Außentemperatur T_ex außerhalb des Energiespeichers 1, welche von der ersten Sensoreinrichtung 3 an bzw. auf einer Außenseite 2 des Energiespeichers 1 gemessen wird, bestimmt die Steuereinheit 6 die Innentemperatur T_in des Energiespeichers 1. Zum Ermitteln des Innenwiderstands R des Energiespeichers 1 erfasst die Steuereinrichtung 6 die elektrische Spannung U, welche am Energiespeicher 1 abfällt, wenn ein Laststrom I_L über einen mittels elektronischen Leistungsschalters 9 zuschaltbaren Lastwiderstand R_L fließt. Dazu ist die Steuereinheit 6 mit einer Spannungsmesseinrichtung 8" der zweiten Sensoreinrichtung 8 verbunden.
Die Steuereinheit 6 ist eingerichtet, die abgebbare und/oder aufnehmbare elektrische Leistung durch den Energiespeichers 1 in Abhängigkeit der bestimmten Innentemperatur T_in des Energiespeichers 1 zu verringern und/oder zu vergrößern. Insbesondere ist die Steuereinheit 6 eingerichtet, die Leistungsabgabe des Energiespeichers 1 herabzusetzen, insbesondere zu begrenzen oder abzuregeln, wenn die bestimmte Innentemperatur T_in einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemischer Energiespeicher
2: Außenfläche
3: erste Sensoreinrichtung
4: Zu- und Ableitung
5: Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers
6: Steuerungseinheit
7: Speichereinrichtung
8: zweite Sensoreinrichtung
8', 8": Strommesseinrichtung, Spannungsmesseinrichtung
100: Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers
200: Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten eines Energiespeichers
S1 bis S8: Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Betrieb eines Energiespeichers
V1 bis V5: Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Bestimmung von Kennwerten eines Energiespeichers
R: Innenwiderstand
R₁, R₂: Messwerte für den Innenwiderstand
I: Lade- und/oder Entladestrom
I₁, I₂, I₃, I₄: Messwerte für den Lade- und/oder Entladestrom
C: Wärmekapazität
ΔT: Temperaturerhöhung
T_ex: Außentemperatur
T_in: Innentemperatur
R_L: Lastwiderstand
I_L: Laststrom
U: elektrische Spannung
τ_therm: Zeitfenster, thermische Laufzeit
Δτ₁: erster zeitlicher Abstand
Δτ₂: zweiter zeitlicher Abstand
P_T: Temperaturimpuls

Claims

Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, aufweisend die Schritte: Messen eines Innenwiderstands (R) des Energiespeichers (1); zyklisches Messen eines elektrischen Lade- und/oder Entladestroms (I) des Energiespeichers (1), wobei die entsprechenden Messwerte (I₁, I₂, I₃, I₄) in einem ersten zeitlichen Abstand (Δτ₁) zueinander erfasst werden; Bestimmen einer Verlustleistung innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters (τ_therm) auf Basis des gemessenen Innenwiderstands (R) und der innerhalb des Zeitfensters geflossenen elektrischen Lade- und/oder Entladeströme (I); Messen einer Außentemperatur (T_ex) des Energiespeichers (1); Bestimmen einer leistungsbedingten Temperaturerhöhung (ΔT) des Energiespeichers (1) im Zeitfenster (τ_therm) auf Basis der Verlustleistung und einer Wärmekapazität (C) und einer Innentemperatur (T_in) des Energiespeichers (1) auf Grundlage der Außentemperatur (T_ex) und der leistungsbedingten Temperaturerhöhung (ΔT); und Regeln der Ausgangsleistung des Energiespeichers (1) in Abhängigkeit von der bestimmten Innentemperatur (T_in).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Innenwiderstand (R) zyklisch gemessen wird und die entsprechenden Messwerte (R₁, R₂) in einem zweiten zeitlichen Abstand (Δτ₂) zueinander erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste zeitliche Abstand (Δτ₁) in einem Bereich zwischen 2 und 20 Millisekunden, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 15 Millisekunden, insbesondere bei 8 bis 12 Millisekunden liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite zeitliche Abstand (Δτ₂) in einem Bereich zwischen 2 und 20 Sekunden, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 15 Sekunden liegt, insbesondere bei 8 bis 12 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste zeitliche Abstand (Δτ₁) während einem Ladevorgang des Energiespeichers (1) von dem ersten zeitlichen Abstand (Δτ₁) während einem Entladevorgang des Energiespeichers (1) verschieden ist und/oder der zweite zeitliche Abstand (Δτ₂) während eines Ladevorgangs des Energiespeichers (1) von dem zweiten zeitlichen Abstand (Δτ₂) während eines Entladevorgangs des Energiespeichers (1) verschieden ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite zeitliche Abstand (Δτ₁,Δτ₂) dynamisch in Abhängigkeit von einer zuvor bestimmten Innentemperatur (T_in) des Energiespeichers (1) und/oder von der Leistungsabgabe des Energiespeichers (1) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Innenwiderstand (R) des Energiespeichers (1) mittels eines über einen Lastwiderstand (R_L) fließenden Laststroms (I_L) und eines dadurch bedingten Spannungsabfalls (U) am Energiespeicher (1) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Lastwiderstand (R_L) eine elektrische Heizung ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsleistung des Energiespeichers (1) in der Weise geregelt wird, dass eine vorbestimmte Leistungsschwelle nicht überschritten wird, wenn die Innentemperatur (T_in) des Energiespeichers einen vorgegebenen kritischen Temperaturwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten eines elektrochemischen Energiespeichers (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, aufweisend die Schritte: Erzeugen eines elektrischen Impulses im Inneren des Energiespeichers zu einem ersten Zeitpunkt; Messen einer thermischen Impulsantwort des Energiespeichers (1) auf einer Außenseite (2) des Energiespeichers (1) zu einem zweiten Zeitpunkt; Bestimmen eines Werts für ein Zeitfenster (τ_therm) aus einer Differenz zwischen dem zweiten und ersten Zeitpunkt; Bestimmen der Wärmekapazität (C) des Energiespeichers (1) durch ein kalorimetrisches Verfahren; und Ablegen des Werts für das Zeitfenster (τ_therm) und der Wärmekapazität (C) in einer Speichereinrichtung (7).
Verfahren nach Anspruch 10, des Weiteren aufweisend den folgenden Schritt: Ablegen eines Werts für den zweiten zeitlichen Abstand (Δτ₂) in der Speichereinrichtung (7), wobei der Wert für den zweiten zeitlichen Abstand (Δτ₂) derart gewählt wird, dass ein über ein dem zweiten zeitlichen Abstand (Δτ₂) entsprechendes Zeitfenster im Betrieb des Energiespeichers (1) fließender Maximalstrom eine maximal zehnprozentige, bevorzugt fünfprozentige, insbesondere zweieinhalbprozentige Änderung des Innenwiderstands (R) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine erste, auf einer Außenseite (2) des Energiespeichers (1) angeordnete Sensoreinrichtung (3) zum Messen einer Außentemperatur (T_ex) derart kalibriert wird, dass bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Energiespeichers (1) die Messungenauigkeit der ersten Sensoreinrichtung (3) im Wesentlichen minimal wird.
Vorrichtung (5) zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Vorrichtung (5) eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Vorrichtung (5) gemäß Anspruch 13 aufweisend einen Ringspeicher, welcher zur Speicherung der zyklisch erfassten Messwerte (I₁, I₂, I₃, I₄) für den Lade- und/oder Entladestrom (I) innerhalb des Zeitfensters (τ_therm) eingerichtet ist.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem elektrochemischen Energiespeicher (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, und einer Vorrichtung (5) gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14 zum Betrieb des Energiespeichers.