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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer maximalen Zelltemperatur an einem wiederaufladbaren Energiespeicher, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer prismatischen Bauform.
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Es ist bekannt, dass die Eigenschaften einer elektrischen Speicherzelle abhängig von deren Betriebstemperatur sind. Damit sind elektrische Speicherzellen insbesondere mit Blick auf ihr Speichervermögen bzw. ihre Kapazität sowie ihre Langlebigkeit stark von Temperatureinflüssen abhängig. Untersuchungen haben zudem ergeben, dass elektrische Speicherzellen in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien optimale Temperaturbereiche aufweisen, innerhalb deren sie einen besonders langlebigen und zuverlässigen sowie sicheren Betrieb ermöglichen. Es ist daher erstrebenswert, elektrische Speicherzellen in jedem Betriebszustand möglichst in einem jeweiligen optimalen Temperaturbereich zu halten, oder zumindest in definierten Temperaturzonen um diesen optimalen Temperaturbereich herum.
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Jeder Ladevorgang, aber auch jeder Entladevorgang führen jedoch zu einer Erwärmung des elektrischen Energiespeichers. Daher sind entsprechende thermische Puffer bzw. von einer Norm- bzw. Optimal-Betriebstemperatur in Richtung auf eine minimal und maximal zulässige Betriebstemperatur hin abweichende Temperatursegmente vorgesehen, die für Ausnahmesituationen reserviert bleiben müssen. Damit ist eine Leistungsaufnahme wie auch eine Leistungsabgabe begrenzt. Gerade bei einem Einsatz in elektrisch oder hybrid angetriebenen Fahrzeugen, auch Hybrid Electric Vehicle bzw. abgekürzt als HEV bezeichnet, kann damit unter unerwünschter Minderung einer theoretisch verfügbaren Leistung nur eine tatsächlich verfügbare Leistung eingesetzt werden.
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Für eine Regelung der Betriebstemperatur einer elektrischen Speicherzelle kommt erschwerend hinzu, dass für eine zuverlässige Regelung des Betriebs mit Blick auf eine jeweilige thermische Belastung und insbesondere zur Gewährleistung der thermischen Sicherheit - Stichwort „Thermal Runaway“ - der heißeste Punkt einer elektrischen Speicherzelle als Bezugsgröße für derartige Regelverfahren zu wählen wäre. Da sich dieser Punkt einer maximalen Temperatur jedoch mitten in einem elektrischen Energiespeicher als sogenannte Kerntemperatur befindet, ist diese Kerntemperatur in der Regel von außen nicht direkt messbar. Vielmehr ist eine Kerntemperatur bestenfalls abschätzbar oder modellierbar.
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Als eine wegen einer optimalen Ausnutzung eines zur Verfügung stehenden Raums innerhalb eines Moduls bevorzugte Bauform ist die prismatische Speicherzelle zu nennen. Ein Aluminium-Gehäuse unterstützt u.a. eine Wärme-Ableitung und ermöglicht ohne weitere Einbauten den Einsatz eines aktiven Bodenkühlungssystems zur Abfuhr thermischer Verluste. Aufgrund einer vergleichsweise großen Tiefe und Bauhöhe trifft das vorstehend skizzierte Problem einer nur ungefähren Kenntnis der Kerntemperatur diese Bauform elektrischer Speicher besonders. Momentan werden ein oder mehrere Temperatursensoren an einem oder mehreren Anschlüssen verbauter Li-Ionen-Batteriezellen angebracht. Die Anschlüsse sind auch nach Abschluss der eigentlichen Fertigung der Li-Ionen-Batteriezellen gut zugänglich, aber zu dem für die thermische Auslegung relevanten Aktivmaterial und insbesondere zum heißesten Punkt im Inneren der Zelle räumlich entfernt angeordnet. Damit ergibt sich ergibt in Abhängigkeit diverser Randbedingungen eine unterschiedlich hohe Temperaturspreizung der durch den Sensor gemessenen zur eigentlich benötigten höchsten Temperatur im Aktivmaterial. Als einige dieser Randbedingungen seien exemplarisch und nicht abschließend eine aktive oder passive Kühlung des Energiespeichers, eine elektrische Belastung, eine herrschende Außentemperatur, eine bisherige stationäre Innentemperatur oder eine Verbrennerbelastung in einem Hybridsystem genannt.
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Diese Unsicherheit im Bereich einer Temperaturbestimmung bringt für den Betrieb eines elektrischen Energiespeichers den Nachteil mit sich, dass eine je Anwendungsfall ermittelte maximale Spreizung einer Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers als Vorhalt bzw. Reserve berücksichtigt werden muss, um ein Überschreiten einer sicherheitsrelevanten Temperaturgrenze für alle in dem Betrieb abgesicherten Anwendungsfälle ausschließen zu können. Diese Vorsichtsmaßnahme führt in einigen Anwendungsfällen zu einer deutlichen Beschränkung der durch die elektrische Speicherzelle zur Verfügung stellbaren und damit maximal anfragbaren Leistungsmenge.
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In bekannten elektrischen Speicherzellen in Form von prismatischen Lithium-Ionen-Batteriezellen ist ein Temperatursensor vorgesehen, der über einen anodenseitigen Anschluss mit einer als „Jelly role“ bezeichneten, aufgewickelten aktiven Speicherstruktur thermisch verbunden ist. Diese Jelly role ist von einem nur an einer Stirnseite und zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse bzw. eines Zellen-Kontaktierungssystems geöffneten und als „Cell can“ bezeichneten Gehäuse aus Aluminium umgeben. Das Gehäuse ist elektrisch i.d.R. mit der Kathode der elektrischen Speicherzelle verbunden. Derartige elektrische Speicherzellen sind als Matrix in Zeilen und Spalten aneinander angrenzend angeordnet und in Paketen als Module zusammenfasst. Damit sind zahlreiche Temperaturmessungen innerhalb einer baulichen Einheit realisierbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bestimmung einer maximalen Zelltemperatur an einem elektrischen Speichermedium der genannten Art zu verbessern, um damit eine zuverlässigere Basis für eine Regelung der Kerntemperatur bei Lade- und Entladevorgängen zu schaffen. Ziel der Temperaturbestimmung unter Verwendung eines Temperatursensors ist eine Ermittlung der maximalen in dem Aktivmaterial aller Batteriezellen vorherrschenden Temperatur.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine gut erreichbare Messposition für einen Temperatursensor auf oder an dem Aktivmaterial verwendet wird und die Temperatur an dieser Messposition unter Verwendung von Anpassungsmaßnahmen möglichst nach den gleichen Gesetzmäßigkeit beeinflusst wird, durch die sich eine Maximaltemperatur in der betreffenden Jelly Role ergibt.
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Dieser Erfindung liegt folgende grundsätzliche Erkenntnis zugrunde: Eine Positionierung dieses Sensors auf dem Aktivmaterial in einem heißesten Punkt in der Jelly Role ist in der Praxis einer Massenfertigung schwer realisierbar. Daher muss für den Sensor eine gut erreichbare Messposition gewählt werden. Dabei sind durch den räumlichen Versatz nun Kompensations- und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, damit der Sensor möglichst durch die gleichen Gesetzmäßigkeiten und Mechanismen beeinflusst wird, mit der sich die Maximaltemperatur in einem heißesten Punkt in der Jelly Role ergibt. Daher wird die Temperatur an diesem Messpunkt z.B. durch Einbringung geeigneter elektrischer Widerstände nachgebildet, um die Situation an dem heißesten Punkt in der Jelly Role zu modellieren. Ist dies nicht exakt möglich, muss die Auslegung zumindest so erfolgen, dass die Temperatur am Messpunkt nicht oder nur in bekanntem Maße niedriger ist als in dem besagen heißesten Punkt aller Zellwickel. Für diese Anpassung können Tabellen oder Kurvenfelder zur Transformation herangezogen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird als eine der Anpassungsmaßnahme das Einbringung geeigneter elektrischer Widerstände an dem Sensor verwendet.
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Vorzugsweise wird eine Auslegung eines den Sensor umgehenden Anpassungs- und Transformationsnetzwerkes so umgesetzt, dass die Temperatur am Messpunkt nicht oder nur in bekanntem Maße niedriger ist als im heißesten Punkt aller Zellwickel.
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Aus der am Sensor gemessenen Temperatur muss nicht mehr mittels pauschaler und für viele Einsatzfälle zu großer Temperaturvorhalte auf die maximale Zellwickeltemperatur zurückgeschlossen werden. Die gemessene Temperatur kann direkt verwendet werden und ist damit von Störeinflüssen im langen thermischen Leitpfad zwischen Jelly Role und Sensor befreit. Bei geeigneter Dimensionierung des künstlich für den Temperatursensor erzeugten HotSpots kann somit die Verfügbarkeit elektrischer Leistung aus dem HVS in vielen Einsatzfällen bzw. Usecases erhöht werden.
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Eine Temperaturermittlung in Lithium-Ionen-Batteriezellen durch die vorstehend angegebene Art der Messung der thermischen Eigenschaften der zu betrachtenden Jelly Roll hat den Vorteil, dass hierdurch eine Wirkung einer im Kern herrschenden Temperatur direkt für das ausschlaggebende Bauteil ermittelt werden kann. Damit können durch genauere Kenntnis einer maximalen Kerntemperatur die entsprechenden Temperaturvorhalte reduziert und eine Regelung bei Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie in optimierter Weise geregelt werden. Die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung aus dem Hoch-Volt-System HVS steigt damit vorteilhafterweise auch in kritischen Einsatz-Szenarien, in denen es zuvor zu einer Beschränkung der vom HVS angefragten Leistungsbereitstellung gekommen wäre.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine dreidimensionale Darstellung eines Herstellungsprozesses eines elektrischen Energiespeichers in Form einer prismatischen Speicherzelle und
- 2: eine dreidimensionale Darstellung der Speicherzelle von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird ohne Beschränkung nachfolgend nur ein Einsatz in einem Fahrzeug mit elektrischer Energieversorgung aus einem Lithium-Ionen-Akkumulator betrachtet.
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer elektrischen Speicherzelle 1. Unter den vielfältigen Bauformen wird nachfolgend ohne Beschränkung auf eine prismatische Zelle besonders eingegangen werden, wie sie aktuell besonders im Automotiv-Bereich Verwendung findet. Diese elektrischen Speicherzellen werden in der Regel in einer Wickeltechnik hergestellt, wie in 1 angedeutet. Dabei werden aktive Massen auf dünne metallische Ableiterfolien 2, 3 aufgebracht und zusammen mit etwas breiteren Separator-Bändern 4 zu einem flachen Wickel 5 aufgerollt. Dieser Wickel 5 wird einzeln oder im dargestellten Ausführungsbeispiel paarweise in ein entsprechendes Gehäuse 6 bzw. Can geschoben. Das Gehäuse 6 ist als Aluminiumhülse ausgebildet, die nur auf einer Stirnseite 7 geöffnet ist. Schließlich wird eine Elektrolytmenge zum Benetzen der aktiven Massen eingefüllt.
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Die Zelle wird abschließend über einen Deckel hermetisch abgedichtet. Die Stirnseite 7 wird schließlich durch einen Deckel 8 verschlossen, wobei in dem Deckel 8 ein Zellkontaktierungssystem 9 mit einen Anodenanschluss 10 und einem Kathodenanschluss 11 integriert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel laufen die Anschlüsse 10, 11 jeweils ein metallische Gabeln 12 aus, die an den Wickeln 5 mit den jeweiligen metallischen Ableiterfolien 2, 3 in leitendem Kontakt stehen.
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Die dargestellte Speicherzelle 1 weist damit zum Abschluss eines bekannten Herstellungsprozesses und vor dem Einbau in ein nicht weiter dargestelltes Batterie-Modul ein hermetisch geschlossenes Aluminiumgehäuse in prismatischer Bauform auf. Diese Konstruktion derartiger Speicherzellen 1 ermöglicht eine kostengünstigere Konfektionierung von Modulen als bei einem anderen Zelldesign. Zudem ermöglicht die prismatische Bauform die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums innerhalb des Moduls, was zu einer höheren Modul-Energie-Dichte führt, als es etwa beim Einsatz zylindrischer Zellen der Fall wäre. Das Aluminium-Gehäuse 6 unterstützt zudem die Wärme-Ableitung und ermöglicht ohne weitere Einbauten den Einsatz eines Bodenkühlungssystems zur Abfuhr thermischer Verluste.
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Die gegensätzlich gerichtete Pol-Anordnung des Zellen-Kontaktierungssystems 9 minimiert das Kurzschlussrisiko des Li-Ionen-Akkus und erleichtert die Zellverbindung innerhalb des Moduls. Während zylindrische Zellen mit beiden Polen auf einer Stirnseite ein hohes Kurzschlussrisiko haben, weisen zylindrische Zellen mit Plus- und Minus-Polen auf je einer Stirnseite einen deutlich höheren Montage-Aufwand auf. Verglichen mit der Bauform der sog. Beutel- bzw. Pouch-Zelle oder Coffee-bag-Zelle benötigt die dargestellte prismatische Konstruktion keine zusätzlichen Einbaurahmen sowie weniger Schweißverbindungen; zudem sind die Interzellverbindungen leichter herzustellen.
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Bei Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen haben sich folgende typische Vorgaben für die Betriebsbedingungen ergeben:
- • Stillstandtemperatur niemals über 90°C;
- • Betrieb bei einer Kerntemperatur von ca. 25° bis etwa 40°C;
- • Lade- und Entladevorgänge nur zwischen 0°C und 60°C Kerntemperatur
- • Temperaturunterschied innerhalb einer Zelle ≤ 10 K und
- • Temperaturunterschied zwischen benachbarten Zellen ≤ 5 K.
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Die Reaktionskinetik innerhalb einer Li-Ionen-Batteriezelle wird mit zunehmender Temperatur schneller. Aber Li-Ionen-Batteriezellen altern rasch, sofern sie bei zu hoher Temperatur betrieben oder gelagert werden. Auch bei zu tiefen Betriebstemperaturen treten deutliche Alterungsprozesse auf, die eine Gesamtlebenszeit der Li-Ionen-Batteriezelle verkürzen. Diese Effekte verändern auch einen vorstehend beschriebenen Schichtaufbau, wobei diese Prozesse und Änderungen gegenüber thermischen Längenänderungen und mithin einer Kapazitätsänderung vergleichsweise langsam ablaufen. Wichtig ist eine schnelle Temperaturmessung innerhalb einer Zelle schon deswegen, weil bei Überschreitung der Sicherheits-Temperaturgrenze nicht auszuschließen ist, dass mit dem sog. „Thermal Runaway“ eine sich durch die eigene Wärmetönung selbst beschleunigende Reaktion einsetzt, die zu einem Abbrennen oder sogar einer Explosion der Li-Ionen-Batteriezelle führen kann.
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In bekannten Vorrichtungen wird unter Verwendung eines Temperatursensors im Bereich des jeweiligen Zellen-Kontaktierungssystems eine Temperaturmessung aufgebaut. Hierbei ist der Temperatursensor über einen anodenseitigen Anschluss mit einer aktiven Speicherstruktur des wiederaufladbaren Energiespeichers thermisch verbunden. Diese Verbindung reicht bis in das Zentrum der beschriebenen Speicherzelle 1 hinein, in dem die Kerntemperatur herrscht. Diese Kerntemperatur ist aber außerhalb der Speicherzelle 1 aufgrund der räumlichen Entfernung und zahlreicher innerer und äußerer Einflüsse nicht genau messbar.
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2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Speicherzelle 1 von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit teilweise aufgeschnittener Zell-Can 6. Gegenüber dem grundsätzlichen Aufbau gemäß der vorstehenden Beschreibung zu 1 ist hier eine im Rahmen einer Massenfertigung real eine gut erreichbare Messposition P für den Temperatursensor 13 auf oder an dem Aktivmaterial der Jelly Role 5 im Innern des geschlossenen Gehäuses 6 angedeutet. Gegenüber einer Position eines Hot Spots 14, in der sich eine Maximaltemperatur ϑi in der betreffenden Jelly Role 5 ergibt, ist diese Messposition P durch Anpassungsmaßnahmen 15 hier in Form eines thermischen Modells angebunden, um eine reale Situation abzubilden, durch Wärmeabflüsse über thermische Widerstände 16 von dem Hot Spot 14 zu der Messposition P hin zu einer Verfälschung von Messergebnissen des Temperatursensors 13 in der Messposition P ergeben. Alternativ oder zusätzlich kann an dieser Stelle eine Anregungs- und Anpassungsschaltung in Hardware ausgeführt werden, so dass ein realer und nicht nur theoretischer Hot Spot 14 an der Messposition P nachgebildet wird.
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Die Auswertung der Messergebnisse unter Verwendung von Anpassungsmaßnahmen 15 in Form eines thermischen Modells erfolgt hier anhand einer Look-Up-Tabelle, aus der die aktuelle Kerntemperatur ϑi der Jelly Role 5 im Hot Spot 14 direkt aus der in der Messposition P des Sensors 13 aufgenommenen Temperatur ϑs ermittelt wird.
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Verfälschende Einflüsse auf eine Messung der Temperatur durch parasitäre Wärmeabflüsse auf dem Weg aus dem i.d.R. am stärksten erwärmten Kern im Hot Spot 14 der Jelly Role 5 zu der Umgebung und auch den Außenanschlüssen 10, 11, wie sie z.B. durch eine aktive Kühlung, die regelmäßig über einen Boden und Seitenwände sowie den Deckel des Zell-Can 6 erfolgt, haben durch die neue Wahl der Messposition P des Sensors 13 aufgrund der Modellierung unter Berücksichtigung thermischer Widerstände 16 und der darauf aufbauenden rechnerischen Kompensation nur noch einen geringeren Einfluss bei dieser Art der Bestimmung der realen Kerntemperatur ϑi der Jelly Role 5. Die dementsprechend verbesserte Messung der Kerntemperatur ϑi bildet die Basis für eine zuverlässigere Temperaturregelung und trägt mithin zu einer verlängerten Lebenszeit der Speicherzelle 1 und eines daraus aufgebauten Moduls bei.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speicherzelle
- 2
- metallischen Ableiterfolie
- 3
- metallischen Ableiterfolie
- 4
- Separator-Band
- 5
- flacher Wickel / Jelly Role
- 6
- Gehäuse / Aluminiumhülse
- 7
- Stirnseite
- 8
- Deckel
- 9
- Zellen-Kontaktierungssystem
- 10
- Anodenanschluss
- 11
- Kathodenanschluss
- 12
- metallische Gabel
- 13
- Sensor / Temperatursensor
- 14
- Hot Spot
- 15
- Anpassungsmaßnahmen in Form eines thermischen Modells / Anregungs- und Anpassungsschaltung
- 16
- thermische Widerstände zur Modellierung einer Verfälschung von Messwerten durch parasitäre Wärmeabflüsse
- P
- Messposition
- ϑi
- maximale Kerntemperatur / Temperatur in der Jelly Role 5 der Speicherzelle 1
- ϑs
- Temperatur am Ort des Sensors 13
