DE102017209448A1

DE102017209448A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern sowie Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017209448A1
Application number: DE102017209448.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Lithium-Ionenzellen, sowie ein Fahrzeug. Dabei wird eine erste Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand einer bei einer ersten Frequenz gemessenen Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers und eine zweite Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand einer bei einer zweiten Frequenz gemessenen Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Zudem wird eine Temperaturinhomogenität im elektrochemischen Energiespeicher anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Lithium-Ionenzellen, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Die Energie zum Antrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge wird in der Regel von elektrochemischen Energiespeichern zur Verfügung gestellt. Verschiedene Eigenschaften wie Kapazität, Ladezeit und/oder Lebensdauer der Energiespeicher sind dabei von der Temperatur der Energiespeicher abhängig. Beispielsweise verringert sich die sog. Zyklenlebensdauer, d.h. die Anzahl der möglichen Ent- und Wiederaufladeprozesse, bei hohen Temperaturen. Ebenso kann der Betrieb eines Energiespeichers bei geringen Temperaturen das Elektrodenmaterial schädigen. Im Allgemeinen gibt es daher einen optimalen Betriebstemperaturbereich für elektrochemische Energiespeicher.
Um eine effiziente und sichere Verwendung der Energiespeicher zu ermöglichen, wird in der Regel deren Temperatur überwacht und die Leistungsaufnahme bzw. -abgabe dementsprechend geregelt. Dazu werden Temperatursensoren an den Energiespeichern angeordnet und in einem Regelkreis zur Steuerung der Energiespeicher integriert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern weiter zu verbessern, insbesondere das Auftreten einer Temperaturinhomogenität im Energiespeicher zu erkennen und/oder eine Temperaturinhomogenität im Energiespeicher zu charakterisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Lithium-Ionenzellen, gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie einem Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Lithium-Ionenzellen, weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln einer ersten Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand einer bei einer ersten Frequenz gemessenen Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers; Ermitteln einer zweiten Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand einer bei einer zweiten Frequenz gemessenen Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers; und Ermitteln einer Temperaturinhomogenität im elektrochemischen Energiespeicher anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, weist eine Impedanzmesseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers bei einer ersten Frequenz zu messen und eine Impedanz des elektrochemischen Energiespeichers bei einer zweiten Frequenz zu messen. Zudem weist die Vorrichtung eine Temperaturermittlungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, eine erste Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand der bei der ersten Frequenz gemessenen Impedanz zu ermitteln und eine zweite Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers anhand der bei der zweiten Frequenz gemessenen Impedanz zu ermitteln. Anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur wird in einer Auswertungseinrichtung eine Temperaturinhomogenität des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist einen elektrochemischen Energiespeicher und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des elektrochemischen Energiespeichers auf.
Unter der Ermittlung einer Temperatur anhand einer gemessenen Impedanz im Sinne der Erfindung ist das Bestimmen der Temperatur, vorzugsweise durch Vergleichen der gemessenen Impedanz mit vorgegebenen Werten, beispielsweise aus einer Look-Up-Tabelle, zu Verstehen. Dabei kann die Temperatur auch anhand einer Komponente der Impedanz, beispielsweise einer Amplitude, eines Realteils und/oder einer Phase der Impedanz, ermittelt werden.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, verschiedene im Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers wirkende Mechanismen und/oder Komponenten des Energiespeichers mit jeweils unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten, d.h. unterschiedlichen Strom- bzw. Spannungs-Temperatur-Kennlinien, durch Impedanzmessungen bei verschiedenen Frequenzen gezielt anzuregen. Dies ist insbesondere möglich, da diese Mechanismen im Allgemeinen unterschiedliche Aktivierungsenergien aufweisen, d.h. bei verschiedenen Energien bzw. Frequenzen aktiviert werden können. Anhand von Lookup-Tabellen bzw. vorbestimmten Impedanz-Temperatur-Kennlinien kann aus den Impedanzen dann jeweils eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt werden. Durch die unterschiedlichen, insbesondere nichtlinearen, Temperaturabhängigkeiten der Mechanismen, beispielsweise Ladungsdurchtritte, bzw. der Komponenten, beispielsweise Elektroden oder Elektrolyt, weichen die anhand der Impedanz ermittelten Temperaturen des Energiespeichers bei Vorliegen einer Temperaturinhomogenität voneinander ab. Daher lässt ein Vergleich der bei verschiedenen Frequenzen ermittelten Temperaturen einen Rückschluss auf die im Energiespeicher vorliegende räumliche Temperaturinhomogenität zu. Diese auch „Hotspots“ genannten Temperaturinhomogenitäten treten beispielsweise bei internen Kurzschlüssen im Energiespeicher auf, welche dementsprechend detektiert werden können.
Aufgrund der Berücksichtigung der durch wenigstens zwei verschiedene Impedanzmessungen ermittelten Temperaturen kann in einer Weiterbildung auch eine Maximaltemperatur, insbesondere eine räumlich lokalisierte Innenmaximaltemperatur, des elektrochemischen Energiespeichers besonders genau ermittelt werden. Diese insbesondere auf Basis einer Differenz zwischen den beiden Temperaturen ermittelte Temperatur des Energiespeichers ist präziser und zuverlässiger als eine mittels einer einzelnen, d.h. bei nur einer Frequenz durchgeführten, Impedanzmessung ermittelte Temperatur des Energiespeichers. Entsprechend kann ein die Leistungsabgabe des Energiespeichers beschränkender sog. Sicherheitsvorhalt der Temperatur, welcher sich aus einer abgeschätzten Unsicherheit der Temperaturmessung ergibt, vorteilhafterweise verringert werden. Dadurch kann eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Energiespeichers, die sich aus der Differenz einer Betriebstemperaturobergrenze des Energiespeichers und der abgeschätzten Unsicherheit der Temperaturmessung ergibt, erhöht werden, wodurch der Energiespeicher bei höherer Leistung entlad- bzw. aufladbar ist. Ferner wird die Betriebssicherheit des Energiespeichers erhöht.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eine Erkennung und/oder Charakterisierung von Temperaturinhomogenitäten.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Temperaturinhomogenität im elektrochemischen Energiespeicher anhand einer Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ermittelt. Dadurch können Inhomogenitäten im Temperaturverlauf innerhalb des Energiespeichers einfach, schnell und zuverlässig bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ein Maß für die Stärke und/oder eine räumliche Ausdehnung der Temperaturinhomogenität ermittelt. Dabei kann unter der Stärke einer Temperaturinhomogenität im Sinne der Erfindung auch eine Maximaltemperatur einer Temperaturverteilung im Energiespeicher verstanden werden.
Vorzugsweise kann das Maß für die Stärke und/oder die Ausdehnung der Temperaturinhomogenität anhand eines Vergleichs einer Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur mit in einer Lookup-Tabelle enthaltenen Temperaturrichtwerten ermittelt werden, wobei die Temperaturrichtwerte durch Berechnung, beispielsweise anhand eines Modells des elektrochemischen Energiespeichers, und/oder durch Versuchsreihen ermittelt werden können. Dadurch kann die ermittelte Temperaturinhomogenität zuverlässig und präzise bestimmt und/oder charakterisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird ein Überwachungssignal ausgegeben, wenn eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet. Anhand des Überwachungssignals kann beispielsweise eine Steuereinrichtung eines Fahrzeugs, in dem der elektrochemische Energiespeicher verbaut ist, die dem Energiespeicher entnommene und/oder zugeführte Ladungsmenge regeln, insbesondere begrenzen oder reduzieren, so dass eine Zunahme bzw. Verstärkung der Temperaturinhomogenität und/oder das Erreichen oder Überschreiten einer Betriebstemperaturobergrenze des Energiespeichers zuverlässig vermieden werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der Temperaturschwellenwert vor oder zu Beginn des Verfahrens unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Temperaturgradienten im Energiespeicher auf Basis einer ersten Kalibrierungstemperatur, welche anhand einer Impedanz des Energiespeichers bei der ersten Frequenz ermittelt wird, und einer zweiten Kalibrierungstemperatur, welche anhand einer Impedanz des Energiespeichers bei der zweiten Frequenz ermittelt wird, bestimmt. Vorzugsweise wird der vorgegebene Temperaturschwellenwert anhand der Differenz zwischen der ersten und zweiten Kalibrierungstemperatur bei Vorliegen des vorgegebenen Temperaturgradienten im Energiespeicher bestimmt. Dabei wird vorzugsweise davon ausgegangen, dass bei der Ermittlung der ersten und zweiten Kalibrierungstemperatur keine weitere (unbekannte) Temperaturinhomogenität im Energiespeicher vorliegt.
Die erste und zweite Kalibrierungstemperatur zur Ermittlung des vorgegebenen Temperaturschwellenwerts kann vorteilhafterweise durch eine Berechnung, etwa anhand eines Modells des Energiespeichers, unter Berücksichtigung bzw. Annahme des vorgegebenen Temperaturgradienten abgeschätzt werden, da hierbei ein Auftreten einer weiteren Temperaturinhomogenität ausgeschlossen werden kann. Alternativ oder zusätzlich können die erste und zweite Kalibrierungstemperatur im Rahmen einer Versuchsreihe gemessen werden, bei der ein vorgegebener Temperaturgradient im Energiespeicher gezielt erzeugt wird.
Durch die vorstehend genannten Maßnahmen kann zuverlässig vermieden werden, dass ein im Betrieb des Energiespeichers auftretender Temperaturgradient zu einem Erreichen oder Überschreiten des Temperaturschwellenwerts führt. Ein solcher Temperaturgradient kann im Betrieb des Energiespeichers beispielsweise auftreten, wenn der Energiespeicher beispielsweise auf einer oder mehreren Außenseiten des Energiespeichers gekühlt wird.
Zusätzlich kann der vorgegebene Temperaturschwellenwert, d.h. die Differenz zwischen der ersten und zweiten Kalibrierungstemperatur, dynamisch bestimmt werden, d.h. in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Energiespeichers, so dass für verschiedene Betriebstemperaturen unterschiedliche Temperaturschwellenwerte gültig sind. Dabei wird berücksichtigt, dass die Ausprägung eines im Betrieb des Energiespeichers auftretenden Temperaturgradienten oder einer Temperaturinhomogenität bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark sein kann, so dass der Temperaturschwellenwert für unterschiedliche Betriebstemperaturen unterschiedliche, den Betriebstemperaturen bzw. den dabei auftretenden Temperaturgradienten oder Temperaturinhomogenitäten entsprechende Werte, annehmen muss.
Steht die Betriebssicherheit des Energiespeichers im Vordergrund, kann der Temperaturschwellenwert beispielsweise bei einer niedrigen Betriebstemperatur des Energiespeichers, bei der die Gefahr des Erreichens oder Überschreitens einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des Energiespeichers gering ist, hoch gewählt werden. Dagegen kann der Temperaturschwellenwert bei einer hohen Betriebstemperatur des Energiespeichers, bei der die Gefahr des Erreichens oder Überschreitens einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des Energiespeichers hoch und die Ausprägung des Temperaturgradienten stark ist, entsprechend niedrig gewählt werden.
Sollen Temperaturinhomogenitäten, welche zusätzlich zu einem im Betrieb des Energiespeichers auftretenden Temperaturgradienten auftreten können, zuverlässig erkannt werden, kann der Temperaturschwellenwert beispielsweise bei einer niedrigen Betriebstemperatur des Energiespeichers, bei der die Ausprägung eines im Betrieb des Energiespeichers auftretenden Temperaturgradienten gering ist, niedrig gewählt werden. Dagegen kann der Temperaturschwellenwert bei einer hohen Betriebstemperatur des Energiespeichers, bei der die Ausprägung des Temperaturgradienten stark ist, entsprechend hoch gewählt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Temperaturschwellenwert auch an eine Heiz- bzw. Kühlleistung, welche eine dem Energiespeicher zugeführt bzw. vom Energiespeicher abgeführte Wärmemenge bestimmt, angepasst werden. Vorzugsweise wird bei steigender Heiz- bzw. Kühlleistung der Temperaturschwellenwert angehoben und bei sinkender Heiz- bzw. Kühlleistung abgesenkt, da sowohl steigende als auch sinkende Heiz- bzw. Kühlleistungen Temperaturinhomogenitäten im Energiespeicher verstärken.
Alternativ oder zusätzlich kann der Temperaturschwellenwert auch an eine umgesetzte Leistung des Energiespeichers, beispielsweise eine dem Energiespeicher zugeführte Energiemenge pro Zeiteinheit oder eine dem Energiespeicher entzogene Energiemenge pro Zeiteinheit, angepasst werden. Vorzugsweise wird bei steigender umgesetzter Leistung der Temperaturschwellenwert angehoben und bei sinkender umgesetzter Leistung der Temperaturschwellenwert abgesenkt.
Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass eine auf dem Erreichen oder Überschreiten des Temperaturschwellenwerts basierende Steuerung des Energiespeichers oder ein basierend auf dem Erreichen oder Überschreiten des Temperaturschwellenwerts erzeugtes Signal zuverlässig ausgeführt bzw. erzeugt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur unter Berücksichtigung der ermittelten Temperaturinhomogenität eine Innentemperatur des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Insbesondere kann die erste und/oder zweite Temperatur anhand der ermittelten Temperaturinhomogenität korrigiert bzw. bereinigt werden. Dadurch kann die Innentemperatur besonders zuverlässig ermittelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur und/oder anhand der ermittelten Temperaturinhomogenität ein Entladen und/oder Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers gesteuert. Vorzugsweise wird dabei die Leistungsaufnahme und/oder -abgabe reduziert, wenn die Differenz zwischen der ersten und zweiten Temperatur den vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet und/oder die Stärke und/oder Ausdehnung der Temperaturinhomogenität einen vorgegebenen Inhomogenitätsschwellenwert erreicht oder überschreitet und/oder eine, vorzugsweise anhand der ersten und zweiten Temperatur ermittelte, Innentemperatur des Energiespeichers einen vorgegebenen Innentemperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet. Durch die Steuerung des Energiespeichers kann ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Energiespeichers ermöglicht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann anhand der ersten und zweiten Temperatur und/oder anhand der ermittelten Temperaturinhomogenität auch eine Kühlung des Energiespeichers gesteuert werden. Insbesondere kann bei Erreichen oder Überschreiten des Temperaturschwellenwerts durch die Temperaturdifferenz eine Notkühlung und/oder eine Notentladung des Energiespeichers durchgeführt bzw. initiiert werden. Ferner kann der Fahrer des Fahrzeugs, z.B. durch ein entsprechendes Signal, benachrichtigt werden.
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 ein Beispiel einer Vorrichtung zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers;
2 ein Beispiel von Temperaturverläufen in einem Modell eines elektrochemischen Energiespeichers;
3 ein Beispiel von Impedanzverläufen bei verschiedenen Temperaturen eines elektrochemischen Energiespeichers; und
4 ein Beispiel von aus der Impedanz ermittelter Temperaturdifferenzen in einem elektrochemischen Energiespeicher bei Vorliegen einer Temperaturinhomogenität.

1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 10 zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers 1, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, mit einer Impedanzmesseinrichtung 4, einer Temperaturermittlungseinrichtung 5 und einer Auswertungseinrichtung 6.
Die Impedanzmesseinrichtung 4 ist dazu eingerichtet, anhand eines Antwortsignals 4b auf ein an den Ein- und Ausgängen des Energiespeichers 1 angelegtes Prüfsignal 4a in Form einer Wechselspannung eine Impedanz Z des Energiespeichers 1 zu ermitteln. Alternativ kann das Prüfsignal 4a auch ein gepulstes Signal, ein Rauschen, z.B. als Pseudo Random Bit Stream (PRBS) oder eine Sinc-Funktion enthalten.
Vorzugsweise legt die Impedanzmesseinrichtung 4 dabei mehrere Prüfsignale 4a, insbesondere bei verschiedenen Frequenzen, an die elektrischen Ein- und Ausgänge des Energiespeichers 1 an, so dass mehrere Impedanzen Z_i bei verschiedenen Frequenzen ermittelt werden.
Die ermittelten Impedanzen Z_i werden an die Temperaturermittlungseinrichtung 5 übermittelt, welche aus den Impedanzen Z_i jeweils eine Temperatur T_i bestimmt. Vorzugsweise hat die Temperaturermittlungseinrichtung 5 zu diesem Zweck Zugriff auf Lookup-Tabellen, in denen verschiedene Impedanzen Z_i jeweils einer Temperatur T_i zugeordnet sind.
Die ermittelten Temperaturen Ti werden an eine Auswertungseinrichtung 6 übermittelt, welche anhand der ermittelten Temperaturen T_i eine Temperaturinhomogenität im Energiespeicher 1 ermittelt. Vorzugsweise berechnet die Auswertungseinrichtung 6 dabei Differenzen ΔT zwischen den ermittelten Temperaturen T_i und/oder weitere Größen oder Informationen, welche eine Ausdehnung σ und/oder Stärke T_max der jeweiligen Temperaturinhomogenität charakterisieren.
Bei der Ermittlung, ob eine Temperaturinhomogenität im Energiespeicher 1 vorliegt, kann die Auswertungseinrichtung 6 einen Temperaturschwellenwert S berücksichtigen. Der Temperaturschwellenwert S gibt an, wie stark die ermittelten Temperaturen T_i voneinander abweichen dürfen, bevor anhand der Abweichungen auf eine Temperaturinhomogenität geschlossen werden kann. Der Temperaturschwellenwert S wird vorzugsweise anhand eines - weiter unten im Zusammenhang mit 2 näher erläuterten - Modells des Energiespeichers 1 unter Annahme eines bekannten bzw. vorgegebenen Temperaturgradienten im Energiespeicher 1 abgeschätzt bzw. berechnet.
Die ermittelten Temperaturen T_i , die Differenzen ΔT zwischen den ermittelten Temperaturen T_i und/oder die weiteren Informationen T_max , σ, welche die Temperaturinhomogenität charakterisieren, werden an eine Steuerungseinrichtung 7 übermittelt, die dazu eingerichtet ist, den Energiespeicher 1 in Abhängigkeit von zumindest einem Teil der genannten Größen bzw. Informationen zu steuern. Die Steuerungseinrichtung 7 regelt dabei bevorzugt die Leistungaufnahme und/oder -abgabe des Energiespeichers 1 in der Weise, dass eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Energiespeichers 1 nicht erreicht oder überschritten wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung 7 auch weitere oder andere Maßnahmen bewirken, beispielsweise eine Notkühlung des Energiespeichers 1 initiieren oder ein Warnsignal an einen Fahrer eines Fahrzeugs ausgeben, in dem der Energiespeicher verbaut ist.
Lässt sich aus den die Temperaturinhomogenität charakterisierenden Informationen T_max , σ beispielsweise ableiten, dass die Temperaturinhomogenität stark ausgeprägt ist, d.h. eine hohe Maximaltemperatur T_max gegenüber der durchschnittlichen Temperatur des Energiespeichers 1, d.h. der Betriebstemperatur, aufweist, kann die Leistungsaufnahme und/oder -Abgabe des Energiespeichers 1 reduziert werden, damit nicht nur die durchschnittliche Temperatur des Energiespeichers 1, sondern auch die Maximaltemperatur der Temperaturinhomogenität die maximal zulässige Betriebstemperatur des Energiespeichers 1 nicht erreicht oder überschreitet.
In 2 ist ein Modell eines elektrochemischen Energiespeichers 1 dargestellt, der in N Volumenelemente aufgeteilt ist. Dabei weist jedes Volumenelement einen ohmschen Widerstand R_n (n = 1 ...N), der von der Temperatur des Energiespeichers 1 am Ort des Widerstands R _n abhängt,
vorzugsweise in Form eines Arrheniusverhaltens. Demnach ergibt sich der Widerstand aus einer Konstanten A, welche in Abhängigkeit von der Aktivierungsenergie E_A eines, beispielsweise chemischen, Mechanismuses bzw. einer Komponente des Energiespeichers 1 wie folgt gewichtet wird: $R = A e^{\frac{E_{A}}{k_{B} T}},$
wobei k_B die Bolzmannkonstante und T die Temperatur des Energiespeichers 1 angibt. Aufgrund unterschiedlicher Aktivierungsenergien der verschiedenen Mechanismen bzw. Komponenten des Energiespeichers 1ergeben sich unterschiedliche ohmsche Widerstände R_n in unterschiedlichen Frequenzfenstern, da die Aktivierungsenergien im Allgemeinen unterschiedlichen Frequenzen entsprechen. Dadurch variiert die ermittelte Verlustleistung und damit auch die ermittelte Temperatur T des Energiespeichers 1 in Abhängigkeit der Frequenz eines (modulierten) Prüfsignals.
Unterhalb des in der 2 dargestellten Modells sind zwei Temperaturverläufe 2, 3 entlang der N Volumenelemente des Energiespeichers 1 beispielhaft gezeigt. Der erste Temperaturverlauf 2 entspricht einem linearen Temperaturgradienten, der von R₁ bis R_N anwachsenden Widerstände entspricht. Ein solcher Temperaturgradient kann im Betrieb des Energiespeichers 1 auftreten, beispielsweise, wenn einer Außenseite des Energiespeichers 1 aktiv oder passiv gekühlt wird.
Der zweite Temperaturverlauf 3 entspricht einer Temperaturinhomogenität mit einem lokalen Temperaturmaximum, d.h. einer Maximaltemperatur T_max . Ein solcher Temperaturverlauf 3 kann beispielsweise auftreten, wenn ein interner Kurzschluss im Energiespeicher 1 vorliegt. In 2 liegt ein solcher Kurzschluss beispielsweise in dem Volumenelement vor, dem der Widerstandhier R4 zugeordnet ist.
3 zeigt verschiedene Verläufe des Realteiles der Impedanz Z eines Energiespeichers in einem Frequenzbereich f bei verschiedenen Temperaturen T_i (i = 1 ...5), wobei T_i < T_i+1. Da die verschiedene Mechanismen im Energiespeicher bzw. Komponenten des Energiespeichers aufgrund der unterschiedlichen Aktivierungsenergien im Allgemeinen bei unterschiedlichen Frequenzen f angeregt werden und darüber hinaus von der Temperatur abhängig sind, ergeben sich je nach Temperatur T_i unterschiedliche Verläufe der Impedanz Z über der Frequenz f für die verschiedenen Mechanismen bzw. Komponenten.
Dies bedeutet, dass die unterschiedlichen Mechanismen bzw. Komponenten bei einer bestimmten Frequenz f nicht alle gleichzeitig und/oder nur in unterschiedlicher Ausprägung aktiviert werden. Bei einer ersten Frequenz f₁ von etwa 2 Hz werden beispielsweise Ladungsdurchtritte im Energiespeicher angeregt, deren Aktivierungsenergie im Wesentlichen 0,7 eV beträgt. Die Temperaturabhängigkeit Z(T) ist hierbei stärker ausgeprägt als bei einer zweiten Frequenz f₂ von etwa 800 Hz, bei welcher ein Elektrolyt des Energiespeichers mit einer Aktivierungsenergie von etwa 0,2 eV angeregt wird.
Die in 3 dargestellten Impedanzverläufe Z(f) über der Frequenz f können in Form von Lookup-Tabellen gespeichert und dazu genutzt werden, um anhand der bei unterschiedlichen Frequenzen f gemessenen Impedanzen Z die Temperatur des Energiespeichers zu bestimmen und insbesondere den jeweils aktivierten Mechanismus bzw. die jeweils aktivierte Komponente zu lokalisieren. Wird im gezeigten Beispiel bei der ersten Frequenz f₁ eine erste Impedanz Z₁ gemessen, entspricht diese einer Temperatur T₁ des Energiespeichers. Wird bei der zweiten Frequenz f₂ eine zweite Impedanz Z2 gemessen, entspricht diese einer Temperatur T₂ des Energiespeichers. Da die auf diese Weise ermittelten Temperaturen T₁ und T₂ Temperaturen an unterschiedlichen Orten im Innern des Energiespeichers darstellen, kann für den Fall, dass sich die Temperaturen T₁ und T₂ unterscheiden, auf das Vorliegen einer Temperaturinhomogenität im Energiespeicher geschlossen werden.
4 zeigt beispielhaft verschiedene Verläufe von Temperaturdifferenzen ΔT, welche anhand von Impedanzmessungen an einem elektrochemischen Energiespeicher bei einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz ermittelt wurden, in Abhängigkeit von einer Maximaltemperatur T_max und einer Ausdehnung σ der jeweiligen Temperaturinhomogenität.
Die jeweils auftretende Temperaturinhomogenität wird durch die Maximaltemperatur T_max und die Ausdehnung σ charakterisiert. Hat die Temperaturinhomogenität beispielsweise die Form einer Normalverteilung, entspricht die Maximaltemperatur T_max dem Maximum und die Ausdehnung σ der Halbwertsbreite der Normalverteilung. Je höher die Maximaltemperatur T_max bzw. je größer die Ausdehnung σ der Temperaturinhomogenität ist, desto größer wird die ermittelte Differenz ΔT zwischen der ersten und der zweiten Temperatur, die anhand der Impedanzmessungen ermittelt wurden.
Um zu vermeiden, dass anhand des im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebenen Verfahrens Temperaturinhomogenitäten identifiziert werden, die nur eine geringe Maximaltemperatur T_max aufweisen, wird ein Temperaturschwellenwert S festgelegt, den die Temperaturdifferenz ΔT erreichen oder überschreiten muss, bevor weitere Maßnahmen ergriffen werden, indem beispielsweise ein Steuersignal zur Regulierung der Leistungsaufnahme bzw. -abgabe des Energiespeichers erzeugt wird.
Eine Abschätzung der Maximaltemperatur T_max derjenigen Temperaturinhomogenitäten, welche zu einem Erreichen oder Überschreiten des Temperaturschwellenwert S führen, kann vorzugsweise unter Berücksichtigung eines vorgegebenen bzw. bekannten, im Betrieb des Energiespeichers auftretenden linearen Temperaturgradienten vorgenommen werden. Insbesondere kann der Temperaturschwellenwert S in Abhängigkeit der Ausprägung, d.h. der Maximaltemperatur T_max , des im Betrieb des Energiespeichers auftretenden linearen Temperaturgradienten gewählt werden.
Dazu kann vorzugsweise die Differenz zwischen einer ersten Kalibrierungstemperatur und einer zweiten Kalibrierungstemperatur, welche bei Vorliegen des linearen Temperaturgradienten anhand jeweils einer Impedanzmessung am Energiespeicher bei der ersten bzw. zweiten Frequenz ermittelt, beispielsweise im Rahmen einer Versuchsreihe gemessen oder mittels eines Modells abgeschätzt, werden, als Temperaturschwellenwert S gewählt werden.
Zur Illustration ist in 4 der Verlauf 2' der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten und zweiten Kalibrierungstemperatur in Abhängigkeit von der Maximaltemperatur T_max des linearen Temperaturgradienten gezeigt.
Tritt im Betrieb des Energiespeichers nur ein schwach ausgeprägter linearer Temperaturgradient, d.h. ein linearer Temperaturgradient mit einer geringen Maximaltemperatur T_max von beispielsweise 30 °C, auf, ist auch die entsprechende Temperaturdifferenz ΔT von etwa 0,25 °C zwischen der ersten und zweiten Kalibrierungstemperatur gering. Tritt dagegen ein stark ausgeprägter linearer Temperaturgradient mit einer hohen Maximaltemperatur T_max von beispielsweise 50 °C auf, ist die entsprechende Temperaturdifferenz ΔT von etwa 2,1 °C relativ hoch.
In 4 ist der Temperaturschwellenwert S beispielhaft als Temperaturdifferenz von im Wesentlichen 1 °C gewählt. Dies entspricht einem linearen Temperaturgradienten mit einer moderaten Ausprägung, d.h. einer Maximaltemperatur T_max von etwa 40 °C.
Dementsprechend werden mit dem im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebenen Verfahren nur Temperaturinhomogenitäten mit einer moderaten Ausprägung, d.h. einer Maximaltemperatur von etwa 47 °C, detektiert.
Auf die vorstehend beschriebene Weise kann der Temperaturschwellenwert S so gewählt werden, dass die ermittelte Temperaturdifferenz den Schwellenwert S erreicht oder überschreitet, bevor eine diese Temperaturdifferenz verursachende Temperaturinhomogenität eine Ausprägung erreicht, bei der ihre Maximaltemperatur zu einer Zerstörung oder Beschädigung des Energiespeichers führt. Dadurch wird ein besonders sicherer Betrieb des Energiespeichers ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemischer Energiespeicher
2,3: Temperaturverläufe
2': Verlauf der Temperaturdifferenz eines linearen Temperaturgradienten
4: Impedanzmesseinrichtung
4a, 4b: Probensignal, Antwortsignal
5: Temperaturermittlungseinrichtung
6: Auswertungseinrichtung
7: Steuerungseinrichtung
10: Vorrichtung zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers
S: Temperaturschwellenwert
R_i: ohmsche Widerstände
ΔT: Temperaturdifferenz aus Impedanz ermittelten Temperaturen
T_i: Temperaturen
f₁, f₂: erste, zweite Frequenz
Z_i: Impedanzen
T_max: maximale Temperatur
σ: Ausdehnung

Claims

Verfahren zur Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern (1), insbesondere Lithium-Ionenzellen, mit den Schritten: -Ermitteln einer ersten Temperatur (T₁) des elektrochemischen Energiespeichers (1) anhand einer bei einer ersten Frequenz (f₁) gemessenen Impedanz (Z) des elektrochemischen Energiespeichers (1); -Ermitteln einer zweiten Temperatur (T₂) des elektrochemischen Energiespeichers (1) anhand einer bei einer zweiten Frequenz (f2) gemessenen Impedanz (Z) des elektrochemischen Energiespeichers (1); und -Ermitteln einer Temperaturinhomogenität (2, 3) im elektrochemischen Energiespeicher (1) anhand der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturinhomogenität (2, 3) im elektrochemischen Energiespeicher (1) anhand einer Differenz (ΔT) zwischen der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T₂) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anhand der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T₂) ein Maß für die Stärke (T_max) und/oder eine Ausdehnung (σ) der Temperaturinhomogenität (3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Überwachungssignal ausgegeben wird, wenn eine Differenz (ΔT) zwischen der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T₂) einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert (S) erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vorgegebene Temperaturschwellenwert (S) unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Temperaturgradienten (2') im Energiespeicher (1) auf Basis einer ersten Kalibrierungstemperatur, welche anhand einer Impedanz (Z) des Energiespeichers (1) bei der ersten Frequenz (f1) ermittelt wird, und einer zweiten Kalibrierungstemperatur, welche anhand einer Impedanz (Z) des Energiespeichers (1) bei der zweiten Frequenz (f2) ermittelt wird, im Voraus bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anhand der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T₂) unter Berücksichtigung der ermittelten Temperaturinhomogenität (2, 3) eine Innentemperatur des elektrochemischen Energiespeichers (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anhand der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) und/oder anhand der ermittelten Temperaturinhomogenität (2, 3) ein Entladen und/oder Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (1) gesteuert wird.
Vorrichtung (10) zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers (1), insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, mit: -einer Impedanzmesseinrichtung (4), welche dazu eingerichtet ist, eine Impedanz (Z) des elektrochemischen Energiespeichers (1) bei einer ersten Frequenz (f₁) zu messen und eine Impedanz (Z) des elektrochemischen Energiespeichers (1) bei einer zweiten Frequenz (f2) und zu messen; -einer Temperaturermittlungseinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, eine erste Temperatur (T₁) des elektrochemischen Energiespeichers (1) anhand der bei der ersten Frequenz (f₁) gemessenen Impedanz (Z) zu ermitteln und eine zweite Temperatur (T₂) des elektrochemischen Energiespeichers (1) anhand der bei der zweiten Frequenz (f₂) gemessenen Impedanz (Z) zu ermitteln; und -eine Auswertungseinrichtung (6), welche dazu eingerichtet ist, eine Temperaturinhomogenität (2, 3) des elektrochemischen Energiespeichers (1) anhand der ersten Temperatur (T₁) und der zweiten Temperatur (T₂) zu ermitteln.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem elektrochemischen Energiespeicher (1) und einer Vorrichtung (10) zur Überwachung des elektrochemischen Energiespeichers (1) nach Anspruch 8.