DE102017205602A1 - Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems - Google Patents

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Jens Koerner
Federico Brivio
Alexander Lautenschlaeger
Xuwen Li
Klaus-Juergen Schuler
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Abstract

Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100), wobei das Energiespeichersystem (100) mindestens zwei elektrochemische Energiespeicher (101, 102) und eine Klimatisierungsvorrichtung (114) mit einem Klimatisierungskreislauf (115) zur Klimatisierung der Energiespeichers (101, 102) umfasst

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems, einem elektrochemischen Energiespeichersystem sowie einer Verwendung des elektrochemischen Energiespeichersystems.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems mit zwei elektrochemischen Energiespeichern und Klimatisierungsvorrichtungen zur Klimatisierung der Energiespeicher bekannt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass eine erste Temperatur und/oder eine erste Temperierungsanforderung des ersten elektrochemischen Energiespeichers erfasst wird, eine zweite Temperatur und/oder eine zweite Temperierungsanforderung des zweiten elektrochemischen Energiespeichers erfasst wird und die Klimatisierungsvorrichtung in Abhängigkeit der ersten Temperatur, der zweiten Temperatur, der ersten Temperierungsanforderung und/oder der zweiten Temperierungsanforderung angesteuert wird.
  • Durch Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung in Abhängigkeit der ersten erfassten Temperatur und der zweiten erfassten Temperatur, beispielsweise mittels Temperatursensoren des ersten elektrochemischen Energiespeichers und/oder des zweiten elektrochemischen Energiespeichers, kann im Vergleich zum Stand der Technik schneller auf Temperaturveränderungen, beispielsweise durch erhöhte Umgebungsbedingungen, Sonneneinstrahlung oder Abwärme, reagiert werden.
  • Die Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung kann in Abhängigkeit der ersten erfassten Temperierungsanforderung und/oder der zweiten erfassten Temperierungsanforderung erfolgen, beispielsweise wenn der erste elektrochemische Energiespeicher oder der zweite elektrochemische Energiespeicher anhand von dedizierten Temperatursensoren eine Temperierungsanforderung ermitteln und diese mittels eines Bus-Systems, beispielsweise einem CAN-Bus, an ein Steuergerät des elektrochemischen Energiespeichersystems übermitteln.
  • Vorteilhafterweise wird die Klimatisierungsvorrichtung in der Art angesteuert, dass die Energiespeicher mittels des Klimatisierungskreislaufs geheizt werden, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur in einem ersten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen ein Heizvorgang und die andere der beiden Temperierungsanforderungen einen Heizvorgang und/oder eine Zirkulation umfassen, oder keine weitere Temperaturanforderung erfasst wird.
  • Dadurch können die beiden Energiespeicher insbesondere bei niedrigen Temperaturen geheizt werden, wobei in Abhängigkeit der erfassten Temperaturen und/oder der erfassten Temperierungsanforderungen eine unterschiedliche Heizstärke gewählt werden kann.
  • Vorteilhafterweise wird die Klimatisierungsvorrichtung in der Art angesteuert, dass die Energiespeicher mittels des Klimatisierungskreislaufes gekühlt werden, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und die andere der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und/oder eine Zirkulation umfasst, oder keine weitere Temperierungsanforderung erfasst wird.
  • Dadurch können die Energiespeicher insbesondere bei hohen Temperaturen effektiv gekühlt werden, wobei in Abhängigkeit der erfassten Temperaturen und/oder der erfassten Temperierungsanforderungen eine unterschiedliche Kühlleistung gewählt werden kann.
  • Vorteilhafterweise wird die Klimatisierungsvorrichtung derart angesteuert, dass eine Zirkulation des Klimatisierungskreislaufs erfolgt, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur in einem dritten Temperaturbereich liegen, oder wenn die erste Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang und die zweite Temperierungsanforderung einen Heizvorgang umfasst, oder wenn die erste Temperierungsanforderung einen Heizvorgang und die zweite Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang umfasst.
  • Dadurch kann vorteilhafterweise eine hohe Temperatur eines der beiden Energiespeicher zum Heizen des anderen Energiespeichers genutzt werden. Alternativ kann eine niedrige Temperatur eines der beiden Energiespeicher zum Kühlen des anderen Energiespeichers genutzt werden.
  • Vorteilhafterweise wird eine Zirkulationsrichtung des Klimatisierungskreislaufs insbesondere in Abhängigkeit der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur und/oder der ersten Temperierungsanforderung und/oder der zweiten Temperierungsanforderung festgelegt.
  • Dadurch wird eine effektive Nutzung eines Temperaturunterschieds zwischen den beiden Energiespeichern ermöglicht. So kann mittels dem Klimatisierungskreislauf, der mit beiden Energiespeichern und beispielsweise einem Kompressor thermisch leitfähig verbunden ist, eine überschüssige Wärmemenge von einem der beiden Energiespeicher zu dem anderen der beiden Energiespeicher in der Art transportiert werden, dass über den Klimatisierungskreislauf und/oder Klimakompressor keine zusätzlichen Wärmeverluste entstehen.
  • Vorteilhaftweise wird die Klimatisierungsvorrichtung abgeschaltet, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur in einem vierten Temperaturbereich liegen oder wenn keine Temperierungsanforderung erfasst wird.
  • Dadurch kann Energie gespart werden, da die Klimatisierungsvorrichtung in dem vierten Temperaturbereich abgeschaltet ist und somit keine Energie verbraucht, wodurch beispielsweise eine Nutzungsdauer und/oder Reichweite des elektrochemischen Energiespeichersystems erhöht wird.
  • Dadurch kann mit einem geringen Aufwand an Bauteilen eine Temperierung der mindestens zwei elektrochemischen Energiespeicher erfolgen.
  • Das elektrochemische Energiespeichersystem umfasst zumindest eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-Zelle, eine Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure-Batterie, einen Kondensator und/oder eine Feststoff-Elektrolyt-Batterie.
  • Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Speichersystems für eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise kommuniziert das Steuergerät mit dem mindestens einen Temperatursensor und/oder mit der Klimatisierungsvorrichtung kabelgebunden und/oder kabellos.
  • Dadurch ist eine flexible Anordnung des Temperatursensors und der Klimatisierungsvorrichtung sowie dem Steuergerät möglich. Weiter kann eine Anzahl von Bauteil reduziert werden, da eine Verkabelung entfällt.
  • In einer Ausführungsform mit einer kabelgebundenen Kommunikation kann vorteilhafterweise eine Trägerfrequenztechnik, beispielsweise Powerline Kommunikation, über vorhandene elektrische Kabel erfolgen.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Kommunikation über ein Funknetz, beispielsweise gemäß den Standards IEEE-802.11 und/oder IEEE 802.15. Vorteilhafterweise sind die übertragenen Daten verschlüsselt, wodurch eine Manipulation erschwert ist.
  • Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem findet vorteilhafterweise in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie, Verwendung.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems; und
    • 2 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems; und
    • 3 ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode einer Temperierungsanforderung in Abhängigkeit von zwei Temperaturen.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems. Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst einen ersten elektrochemischen Energiespeicher 101, einen zweiten elektrochemischen Energiespeicher 102, einen ersten Stromsensor 103, einen zweiten Stromsensor 104, einen ersten Spannungssensor 105, einen zweiten Spannungssensor 106, einen ersten Schalter 107, einen zweiten Schalter 108 sowie einen dritten Schalter 110 zum Zu- und/oder Abschalten des ersten und/oder zweiten Energiespeichers 101, 102 mit elektrischen Anschlusspolen 109a, 109b des Energiespeichersystems 100, einen ersten Temperatursensor 111 zur Erfassung einer ersten Temperatur und/oder zur Ermittlung einer ersten Temperierungsanforderung ersten des elektrochemischen Energiespeichers 101, einen zweiten Temperatursensor 112 zur Erfassung einer Temperatur und/oder zur Ermittlung einer zweiten Temperierungsanforderung des zweiten elektrochemischen Energiespeichers 102, ein Steuergerät 113 sowie eine Klimatisierungsvorrichtung 114 mit einem Klimatisierungskreislauf 115, der sowohl mit dem ersten Energiespeicher 101, als auch mit dem zweiten Energiespeicher 102 thermisch leitfähig verbunden ist.
  • In der dargestellten ersten Ausführungsform werden der erste Energiespeicher 101 sowie der zweite Energiespeicher 102 über den gemeinsamen Klimatisierungskreislaufs 115 mittels der Klimatisierungsvorrichtung 114 temperiert.
  • Weiter erfassen in dieser ersten Ausführungsform die Energiespeicher 101, 102 mittels der Temperatursensoren 111, 112 die Temperatur und senden diese beispielsweise mittels eines Bus-Systems an das Steuergerät 113 und/oder ermitteln aus den mittels der dedizierten Temperatursensoren 111, 112 erfassten Temperaturen eine Temperierungsanforderung, die von dem Steuergerät 113 erfasst wird.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems. Das Verfahren wird in Schritt S100 gestartet, beispielsweise wenn das elektrochemische Energiespeichersystem 100 in Betrieb genommen wird. In einem ersten Schritt S101 werden eine erste Temperatur T1 und/oder eine erste Temperierungsanforderung des ersten elektrochemischen Energiespeichers 101 erfasst.
  • In einem zweiten Schritt S102 werden eine zweite Temperatur T2 und/oder eine zweite Temperierungsanforderung des zweiten elektrochemischen Energiespeichers 102 erfasst.
  • In einem Schritt S103 wird festgelegt, welche Art der Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung 114 in Abhängigkeit der ersten Temperatur T1, der zweiten Temperatur T2, der ersten Temperierungsanforderung und/oder der zweiten Temperierungsanforderung gewählt wird.
  • So wird in einem Schritt S104 die Klimatisierungsvorrichtung 114 zum Heizen der Energiespeicher 101, 102 mittels eines Klimatisierungskreislaufs 115 gesteuert. Wenn die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 in einem ersten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen einen Heizvorgang und die andere der beiden Temperierungsanforderungen einen Heizvorgang und/oder eine Zirkulation umfasst, oder keine weitere Temperierungsanforderung erfasst wird.
  • In einem Schritt S105 wird die Klimatisierungsvorrichtung 114 zum Kühlen der Energiespeicher 101, 102 mittels des Klimatisierungskreislaufes 115 angesteuert, wenn die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 in einem zweiten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und die anderen der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und/oder eine Zirkulation umfasst oder keine weitere Temperierungsanforderung erfasst wird.
  • In einem Schritt S 106 wird die Klimatisierungsvorrichtung zur Zirkulation des Klimatisierungskreislaufs 115 angesteuert, wenn die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 in einem dritten Temperaturbereich liegen, oder wie die erste Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang und die zweite Temperierungsanforderung ein Heizvorgang umfasst, oder wenn die erste Temperierungsanforderung einen Heizvorgang und die zweite Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang umfasst.
  • Nach Durchführung eines der Schritte S104, S105, S106 wird in einem Schritt S107 eine Zirkulationsrichtung des Klimatisierungskreislaufs festgelegt.
  • Alternativ wird in einem Schritt S108 die Klimatisierungsvorrichtung abgeschaltet, wenn die erste Temperatur T1 und die zweite Temperatur T2 in einem vierten Temperaturbereich liegen oder wenn keine Temperierungsanforderung erfasst wird.
  • Die Klimatisierungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, dass eine Temperatur des Temperierungskreislaufs stufenlos und/oder stufenartig erhöht und/oder verringert werden kann.
  • Weiter ist eine stufenlose und/oder stufenartige Anpassung einer Zirkulationsrichtung und/oder Zirkulationsgeschwindigkeit möglich, wodurch insbesondere Temperaturspitzen im Vergleich zum Stand der Technik schnell abgefangen werden können.
  • 3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode einer Temperierungsanforderung in Abhängigkeit von zwei Temperaturen.
  • Auf einer ersten Achse ist eine Temperatur T1 eines ersten elektrochemischen Energiespeichers 101 und auf einer zweiten Achse eine Temperatur T2 eines zweiten elektrochemischen Energiespeichers 102 aufgetragen.
  • Auf einer dritten Achse ist eine Temperierungsanforderung D aufgetragen.
  • Die Temperierungsanforderung D umfasst verschiedene Arten von Temperierungsanforderungen T+++, T++, T+, S0, T-, T--, T---, Tc.
  • Die Temperierungsanforderungsarten T+, T++, T+++ geben eine angeforderte Stärke einer Heizleistung wieder, so wird beispielsweise mit der Temperierungsanforderungsart T+++ eine maximale Heizleistung, mit T++ eine mittlere Heizleistung und mit T+ eine geringe Heizleistung eingestellt werden.
  • Die Temperierungsanforderungsarten T-, T--, T--- geben eine angeforderte Stärke einer Kühlleistung wieder, so kann beispielsweise mit der Temperierungsanforderungsart T--- eine maximale Kühlleistung, mit T-eine mittlere Kühlleistung und mit T- eine geringe Kühlleistung eingestellt werden.
  • Mit der Temperierungsanforderungsart S0 wird die Temperierungsvorrichtung 114 zumindest zeitweise abgeschaltet.
  • Weiter wird mit der Temperierungsanforderungsart Tc die Temperierungsvorrichtung 114 in eine Zirkulation geschalten, bei der eine überschüssige Wärmemenge von einem Energiespeicher 101, 102 zu dem anderen Energiespeicher 101, 102 transportiert wird, wobei in diesem beispielweise auch eine Zirkulationsrichtung des Temperierungskreislaufs festgelegt werden kann.
  • Weitere Details zu den Temperierungsanforderungsarten in einem zulässigen Temperaturbereich von -20 Grad Celsius bis +50 Grad Celsius sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
    Figure DE102017205602A1_0001

Claims (10)

  1. Verfahren zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100), wobei das Energiespeichersystem (100) mindestens zwei elektrochemische Energiespeicher (101, 102) und eine Klimatisierungsvorrichtung (114) mit einem Klimatisierungskreislauf (115) zur Klimatisierung der Energiespeichers (101, 102) umfasst, folgende Schritte umfassend: - (S101) Erfassen einer ersten Temperatur (T1) und/oder einer ersten Temperierungsanforderung des ersten elektrochemischen Energiespeichers (100); - (S102) Erfassen einer zweiten Temperatur (T2) und/oder einer zweiten Temperierungsanforderung des zweiten elektrochemischen Energiespeichers (101); - (S103) Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) in Abhängigkeit der ersten Temperatur (T1), der zweiten Temperatur (T2), der ersten Temperierungsanforderung und/oder der zweiten Temperierungsanforderung;
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verfahrensschritt (S104) zur Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) folgenden weiteren Schritt umfasst: - (S104) Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) zum Heizen (T+++, T++, T+) der Energiespeicher (100, 101) mittels des Klimatisierungskreislaufs (115), wenn die erste Temperatur (T1) und die zweite Temperatur (T2) in einem ersten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen einen Heizvorgang und die andere der beiden Temperierungsanforderungen einen Heizvorgang und/oder eine Zirkulation umfasst, oder keine weitere Temperierungsanforderung erfasst wird;
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt (S104) zur Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) folgenden weiteren Schritt umfasst: - (S105) Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) zum Kühlen (T---, T--, T-) der Energiespeicher (100, 101) mittels des Klimatisierungskreislaufs (115), wenn die erste Temperatur (T1) und die zweite Temperatur (T2) in einem zweiten Temperaturbereich liegen oder wenn eine der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und die andere der beiden Temperierungsanforderungen einen Kühlvorgang und/oder eine Zirkulation umfasst, oder keine weitere Temperierungsanforderung erfasst wird;
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt (S104) zur Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) folgenden weiteren Schritt umfasst: - (S106) Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) zur Zirkulation (Tc) des Klimatisierungskreislaufs (115), wenn die erste Temperatur (T1) und die zweite Temperatur (T2) in einem dritten Temperaturbereich liegen, oder wenn die erste Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang und die zweite Temperierungsanforderung einen Heizvorgang umfasst, oder wenn die erste Temperierungsanforderung einen Heizvorgang und die zweite Temperierungsanforderung einen Kühlvorgang umfasst;
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgenden weiteren Schritt umfassend: - (S107) Festlegen einer Zirkulationsrichtung und/oder einer Zirkulationsgeschwindigkeit des Klimatisierungskreislaufs (115);
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt zur Ansteuerung der Klimatisierungsvorrichtung (114) folgenden weiteren Schritt umfasst: - (S108) Abschalten (S0) der Klimatisierungsvorrichtung (114), wenn die erste Temperatur (T1) und die zweite Temperatur (T2) in einem vierten Temperaturbereich liegen oder wenn keine Temperierungsanforderung erfasst wird;
  7. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) umfassend mindestens zwei elektrochemische Energiespeicher (101, 102), mindestens einen Temperatursensor (111, 112) und/oder einen modellbasierten Schätzer zur Ermittlung einer Temperatur (T1, T2), mindestens eine Klimatisierungsvorrichtung (114) sowie ein Steuergerät (113) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach Anspruch 7, wobei zumindest einer der elektrochemischen Energiespeicher (101, 102) mindestens eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-Zelle, eine Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure-Batterie, einen Kondensator und/oder eine Feststoffelektrolyt-Batterie umfasst.
  9. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (103) mit dem mindestens einen Temperatursensor (111, 112) und/oder mit der Klimatisierungsvorrichtung (114) kabelgebunden und/oder kabellos kommuniziert.
  10. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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