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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer thermischen Kontaktierung zwischen einer Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs und einem Temperatursensor für die Erfassung einer Temperatur der Batteriezelle. Die Erfindung betrifft außerdem eine Temperatursensoreinheit, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hochvoltbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Solche Kraftfahrzeuge weisen im Antriebsstrang üblicherweise eine elektrische Antriebsmaschine bzw. einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie die Hochvoltbatterie auf, welche als Traktionsbatterie elektrische Energie für die elektrische Antriebsmaschine bereitstellt. Batterien umfassen üblicherweise eine Vielzahl von zu Batteriemodulen verschaltete Batteriezellen. Da die Leistungsfähigkeit sowie der sichere Betrieb der Batterie von ihrer Betriebstemperatur abhängen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Temperatur der Batterie zu überwachen. Die
DE 10 2010 062 207 A1 schlägt zur Erfassung einer der Innentemperatur von Batteriezellen entsprechenden Temperatur vor, einen Temperatursensor auf einem Anschlussterminal zumindest einer der Batteriezellen der Batterie anzuordnen.
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Über eine Lebensdauer der Batterie und/oder im Fehlerfall kann es zu einem Lösen der Temperatursensoren von der Batteriezelle oder zu einer Verschlechterung der thermischen Kontaktierung zwischen dem Temperatursensor und der Batteriezelle kommen. In diesem Fall kann die Temperatur nicht mehr sicher und zuverlässig erfasst werden, sodass sich einerseits die Leistungsfähigkeit der Batterie verschlechtern kann und andererseits der sichere Betrieb der Batterie nicht mehr gewährleistet werden kann. Eine Diagnostizierbarkeit der Verschlechterung bzw. des Lösens der thermischen Kontaktierung zwischen dem Temperatursensor und der jeweiligen Batteriezelle ist also wesentlich, um eine Batterie zu erhalten, welche die ISO-Norm ISO26262 erfüllt und damit die funktionale Sicherheit der Batterie im Kraftfahrzeug gewährleistet.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2004 026 520 A1 ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten an einem Messgegenstand bekannt, bei dem eine Beheizungsseite des Messgegenstands über eine Heizquelle flächig periodisch wärmebeaufschlagt wird und der Phasenversatz zwischen dem in den Messgegenstand eindringenden Wärmestrom und der Temperatur am Messgegenstand mittels eines Kalibrierungs-Phasenversatzes zwischen dem in den Messgegenstand eindringenden Wärmestrom und einer Heizquellenleistung der Heizquelle ermittelt wird.
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Die
EP 3 091 455 A2 offenbart eine Technik zur thermischen Analyse eines mehrere wärmeerzeugende Komponenten aufweisenden Elektronikgestells mittels Modellierung. In der
CH 686 908 A5 ist ein Verfahren zur Kontrolle der Funktion eines mit einer Auswerteschaltung verbundenen Temperaturfühlers gezeigt. Dem Fühler wird zur Selbstheizung eine Wechselspannung überlagert und bei Erfassung eines vorgesehenen Temperaturanstieges durch die Auswerteschaltung wird die Wechselspannung wieder abgeschaltet.
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Die
DE 10 2011 005 991 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Prüfen eines Temperatursensors in einem Fahrzeug, mit einer Leistungs-Einrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Leistungs-Signal empfängt, das Leistungs-Signal filtert, um ein gefiltertes Leistungs-Signal zu erzeugen, das gefilterte Leistungs-Signal mit einem ersten Schwellenwert vergleicht und den Temperatursensor auf Basis des Vergleichs des gefilterten Leistungs-Signals mit dem ersten Schwellenwert prüft.
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In der
GB 2 140 923 A ist ein Verfahren zum Testen der Eigenschaften eines Widerstandsthermometers beschrieben, das ein Widerstandselement und einen Träger für das Widerstandselement umfasst, wobei der Träger mit einem Material in Kontakt treten soll, dessen Temperatur erfasst werden soll. Bei dem Verfahren wird eine Formel abgeleitet, die repräsentativ für die Wärmeübertragungsfunktion des Thermometers ist. , wobei die Formel Konstanten enthält, die bestimmte Eigenschaften des Trägers repräsentieren. Ein Heizstrom wird für eine begrenzte Zeitdauer durch das Widerstandselement geleitet, um das Thermometer zu erwärmen. Der zeitliche Verlauf des Widerstands des Elements bei Temperaturänderungen wird überwacht, und die Konstanten werden so berechnet, dass die Formel zu den überwachten Widerstandsänderungen passt, wobei die berechneten Konstanten ein Maß für die Eigenschaften sind, die sie in der Formel repräsentieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine thermische Kontaktierung eines Temperatursensors einer Batteriezelle besonders einfach und zuverlässig überwacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Temperatursensoreinheit, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Überwachen einer thermischen Kontaktierung zwischen einer Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs und einem Temperatursensor für die Erfassung einer Temperatur der Batteriezelle. Dabei wird der Temperatursensor mittels eines eine Eigenerwärmung des Temperatursensors bereitstellenden Anregungssignals aufgeheizt, wobei die Eigenerwärmung von einer Güte der thermischen Kontaktierung abhängig ist. Während und/oder nach dem Aufheizen mit dem Anregungssignal wird ein die Eigenerwärmung des Temperatursensors charakterisierendes Eigenerwärmungssignal des Temperatursensors erfasst und das Eigenerwärmungssignal wird mit einem zu dem Anregungssignal korrespondierenden vorbestimmten Soll-Eigenerwärmungssignal verglichen. Die Güte der thermischen Kontaktierung wird anhand einer Abweichung zwischen dem erfassten Eigenerwärmungssignal und dem vorbestimmten Soll-Eigenerwärmungssignal bestimmt.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine Temperatursensoreinheit für eine Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Batteriezelle und mit einer Überwachungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine Ausführungsform davon durchzuführen.
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Die Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein und eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen können beispielsweise prismatische Batteriezellen sein. Die Batteriezellen können dabei jeweils einen mit der Batteriezelle thermisch gekoppelten Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Batteriezelle aufweisen. Anhand der Temperaturerfassung kann beispielsweise eine drohende Überhitzung eine Batteriezelle erkannt werden. Der Temperatursensor kann an einem Anschlussterminal bzw. Zellpol der Batteriezelle befestigt sein und dort mit der Batteriezelle thermisch gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor zur Befestigung und thermischen Kontaktierung mittels eines thermisch leitfähigen Klebers an das Terminal angeklebt sein.
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Der Temperatursensor ist Teil der Temperatursensoreinheit, mittels welcher eine Qualität der thermischen Kontaktierung bzw. thermischen Kopplung zwischen der Batteriezelle und dem Temperatursensor überwacht werden kann. Der Temperatursensor kann beispielsweise gemeinsam mit der Überwachungseinrichtung auf einem Chip angeordnet sein. Zur Überwachung der thermischen Kontaktierung wird die Güte der thermischen Kontaktierung bzw. thermischen Ankopplung bestimmt. Dazu wird der Temperatursensor mittels des vorbestimmten Anregungssignals zur Eigenerwärmung angeregt und somit aufgeheizt. Das Anregungssignal kann ein thermisches Signal, beispielsweise ein Heizsignal einer in die Temperatursensoreinheit integrierten Heizung, sein, mit welchem der Temperatursensor geheizt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Anregungssignal ein Messsignal sein, welches im Normalbetrieb des Temperatursensors, in welchem der Temperatursensor zu Temperaturerfassung der Batteriezelle verwendet wird, zu einer unerwünschten Eigenerwärmung bzw. Selbsterwärmung führt. Diese im Normalbetrieb unerwünschte Eigenerwärmung kann jedoch im Diagnosebetrieb, in welchem die thermische Kontaktierung überwacht wird, zur Bestimmung der Güte der thermischen Kontaktierung zwischen dem Temperatursensor und der Batteriezelle verwendet werden.
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Die Eigenerwärmung des Temperatursensors ist abhängig von der Güte der thermischen Kontaktierung. Die Güte der thermischen Kontaktierung kann beispielsweise über einen Wärmewiderstand bzw. Übergangswiderstand zwischen dem Temperatursensor und der Batteriezelle beschrieben werden. Bei einem geringen Wärmewiderstand weist der Temperatursensor eine gute thermische Kontaktierung auf, durch welche eine zuverlässige Temperaturerfassung bereitgestellt werden kann. Die Güte weist hier beispielsweise einen ersten Güte-Wert auf. Bei einem großen Wärmewiderstand weist der Temperatursensor eine schlechte thermische Kontaktierung auf, beispielsweise wenn sich der Temperatursensor von der Batteriezelle gelöst hat. Eine zuverlässige Temperaturerfassung ist hier nicht möglich. Die Güte weist beispielsweise einen im Vergleich zum ersten Güte-Wert kleineren zweiten Güte-Wert auf. Im Fall der guten thermischen Kontaktierung heizt sich der Temperatursensor weniger stark auf bzw. weist eine weniger starke Selbsterwärmung auf als bei einer schlechten thermischen Kontaktierung. Somit kann anhand der Eigenerwärmung auf den Wärmewiderstand und damit auf die Güte der thermischen Kontaktierung geschlossen werden.
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Die Eigenerwärmung kann anhand des Eigenerwärmungssignals charakterisiert werden, welches der Temperatursensor in Reaktion auf das Anregungssignal ausgibt. Anders ausgedrückt können anhand des Eigenerwärmungssignals Rückschlüsse über ein Eigenerwärmungsverhalten des Temperatursensors gezogen werden. Dieses Eigenerwärmungssignal kann beispielsweise ein zu einem bestimmten Zeitpunkt auftretender Wert oder ein Werteverlauf über die Zeit sein. Das Eigenerwärmungssignal kann dann mit dem Soll-Eigenerwärmungssignal verglichen werden. Das Soll-Eigenerwärmungssignal kann beispielsweise ein Eigenerwärmungssignal sein, welches der Temperatursensor bei der guten thermischen Kontaktierung mit dem ersten Güte-Wert aufweisen würde. Anhand der Abweichung bzw. Differenz zwischen dem erfassten Eigenerwärmungssignal und dem Soll-Eigenerwärmungssignal kann dann die Qualität der thermischen Kontaktierung bewertet werden bzw. die Güte bestimmt werden.
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Mittels des Verfahrens bzw. mittels der Temperatursensoreinheit kann somit auf einfache Weise eine Überwachung der thermischen Kontaktierung zwischen einem Temperatursensor und der Batteriezelle gewährleistet werden. Insbesondere ist keine übergeordnete, aufwändige Plausibilisierung über mehrere Temperatursensoren nötig.
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Insbesondere wird für die Güte ein erster Güte-Wert bestimmt, wenn die Abweichung einen vorbestimmten Abweichungs-Schwellwert unterschreitet, und für die Güte ein im Vergleich zum ersten Güte-Wert kleinerer zweiter Güte-Wert bestimmt, wenn die Abweichung den vorbestimmten Abweichungs-Schwellwert zumindest überschreitet, wobei der erste Güte-Wert einen fest mit der Batteriezelle verbundenen Temperatursensor charakterisiert und der zweite Güte-Wert einen von der Batteriezelle gelösten Temperatursensor charakterisiert. Wenn also das erfasste Eigenerwärmungssignal in etwa dem Soll-Eigenerwärmungssignal entspricht bzw. höchstens um den vorbestimmten Abweichungs-Schwellwert von dem Soll-Eigenerwärmungssignal abweicht, so wird der erste Güte-Wert bestimmt. Dieser erste Güte-Wert entspricht insbesondere der guten thermischen Kontaktierung, bei welcher ein geringer Wärmewiderstand zwischen dem Temperatursensor und der Batteriezelle vorliegt und durch welche eine zuverlässige Temperaturmessung ermöglicht wird.
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Wenn das Eigenerwärmungssignal um mehr als den vorbestimmten Abweichungs-Schwellwert von dem Soll-Eigenerwärmungssignal abweicht, so ist dies ein Zeichen für eine nicht ausreichende thermische Kontaktierung. Beispielsweise kann es sein, dass sich der Temperatursensor von der Batteriezelle gelöst hat, wodurch der Wärmewiderstand zwischen Batteriezelle und Temperatursensor vergrößert wird. In diesem Fall liefert der Tempertatursensor zwar immer noch Temperatursignale, diese beschreiben aber die Temperatur einer Umgebung der Batteriezelle und nicht die Temperatur der Batteriezelle. Anhand des im Normalbetrieb ausgegebenen Temperatursignals der Batteriezelle kann also die schlechte thermische Kontaktierung nicht erkannt werden. Jedoch kann die schlechte thermische Kontaktierung anhand des Eigenerwärmungssignals im Diagnosebetrieb erkannt werden. Im Falle, dass für die thermische Kontaktierung der zweite Güte-Wert bestimmt wurde, kann beispielsweise ein Warnsignal für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden. Der Fahrer kann dadurch beispielsweise darauf hingewiesen werden, eine Werkstatt für die Wartung der Batterie aufzusuchen.
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Vorzugsweise werden Zuordnungen zwischen dem Soll-Eigenerwärmungssignal und dem Anregungssignal in einer Umsetzungstabelle hinterlegt, aus welcher das zu dem aktuellen Anregungssignal korrespondierende Soll-Eigenerwärmungssignal für den Vergleich mit dem erfassten Eigenerwärmungssignal ausgelesen wird. Es können beispielsweise für mehrere Anregungssignale die zugehörigen Soll-Eigenerwärmungssignale in einem Testbetrieb des Temperatursensors bestimmt werden, in welchem der Temperatursensor eine nachweislich gute thermische Kontaktierung aufweist. Dazu kann der Temperatursensor mit unterschiedlichen Anregungssignalen beaufschlagt werden und für jedes Anregungssignal kann das Eigenerwärmungssignal erfasst werden. Diese Zuordnungen können dann in der Umsetzungstabelle hinterlegt werden, welche beispielsweise in einem Speicherelement der Überwachungseinrichtung abgespeichert ist und während des Diagnosebetriebs des Temperatursensors ausgelesen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird als das Eigenerwärmungssignal eine Heizrate des Temperatursensors bestimmt und mit einer Soll-Heizrate verglichen. Die Güte der thermischen Kontaktierung wird anhand der Abweichung zwischen der erfassten Heizrate und der Soll-Heizrate bestimmt. Die Heizrate beschreibt eine Temperaturveränderung des Temperatursensors über die Zeit, also die zeitabhängige Eigenerwärmung des Temperatursensors. Die Soll-Heizrate kann beispielsweise als eine von dem jeweiligen Anregungssignal abhängige Kurve bzw. Kennlinie in der Umsetzungstabelle hinterlegt sein und mit der erfassten Heizrate verglichen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als das Eigenerwärmungssignal ein eine Temperatur des Temperatursensors charakterisierender Eigenerwärmungswert zu zumindest einem Zeitpunkt erfasst, der Eigenerwärmungswert mit einem zu dem zumindest einen Zeitpunkt korrespondierenden Sollwert verglichen und anhand einer Differenz zwischen dem Eigenerwärmungswert und dem Sollwert die Güte der thermischen Kontaktierung bestimmt wird. Beispielsweise kann zu einen bestimmten Zeitpunkt als der Eigenerwärmungswert ein Temperaturwert oder Temperaturänderungswert des Temperatursensors bestimmt werden. Dieser Temperatur(änderungs)wert wird mit einem Soll-Temperatur(änderungs)wert verglichen. Der Soll-Temperatur(änderungs)wert beschreibt einen Wert, welchen der Temperatursensor aufgrund des Anregungssignals zu dem bestimmten Zeitpunkt ausgeben sollte. Anhand der Differenz kann dann die Güte der thermischen Kontaktierung bewertet werden. Alternativ zu dem Temperatur(änderungs)wert kann auch ein anderer, die Temperatur beschreibender Eigenerwärmungswert bestimmt werden. Beispielsweise können im Falle eines als temperaturabhängigen Widerstands ausgebildeten Temperatursensors ein Widerstandswert, ein Ausgangsspannungswert, ein Verlustleistungswert, etc. zu dem bestimmten Zeitpunkt erfasst und mit einem entsprechenden Sollwert verglichen werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildeter Temperatursensor mittels eines Anregungssignals in Form von einem Messsignal des temperaturabhängigen Widerstands, durch welches die Eigenerwärmung des temperaturabhängigen Widerstands verursacht wird, geheizt. Der Temperatursensor kann beispielsweise ein Heißleiter bzw. NTC-Widerstand oder ein Kaltleiter bzw. PTC-Widerstand sein. Das Messsignal kann beispielsweise ein von der zugeordneten Batteriezelle bereitgestellter Messstrom oder eine von der zugeordneten Batteriezelle bereitgestellte Messspannung sein. Der Temperatursensor wird also über das Messsignal angeregt und dabei gleichzeitig auch ausgelesen. Diese Anregung führt zu einer Verlustleistung im Temperatursensor, welche zur Selbsterwärmung des Temperatursensors führt. Die Selbsterwärmung ist dabei abhängig von dem Wärmewiderstand zu der Batteriezelle. Ist dieser Wärmewiderstand größer als in einem Normalzustand, in welchem der Temperatursensor ausreichend thermisch angekoppelt ist, so wird sich der Temperatursensor stärker aufheizen. Anhand dieser im Vergleich zum Normalzustand größeren Aufheizung des Temperatursensors kann erkannt werden, dass die thermische Kontaktierung den zweiten Güte-Wert aufweist und keine zuverlässige Temperaturerfassung erlaubt. Durch das Eigenerwärmen des Temperatursensors mittels des Messsignals kann auf besonders einfache Weise eine Selbstdiagnose des Temperatursensors bereitgestellt werden, insbesondere ohne zusätzliche Komponenten und ohne eine übergeordnete Plausibilisierung.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass im Falle einer dem temperaturabhängigen Widerstand vorgeschalteten Messsignalbegrenzungseinheit, diese Messsignalbegrenzungseinheit zum Aufheizen des temperaturabhängigen Widerstands zumindest teilweise überbrückt wird. Wenn die Temperatur der Batteriezelle im Normalbetrieb des Temperatursensors anhand eines durch den temperaturabhängigen Widerstand fließenden Messstroms gemessen werden soll, so kann es sein, dass dem temperaturabhängigen Widerstand eine Strombegrenzungseinheit, beispielsweise ein Vorwiderstand, vorgeschaltet ist. Mittels dieser Strombegrenzungseinheit soll im Normalbetrieb des Temperatursensors die Eigenerwärmung möglichst gering gehalten werden. Da im Diagnosebetrieb diese Eigenerwärmung jedoch erwünscht ist, wird der Vorwiderstand zumindest teilweise, beispielsweise mittels eines parallelgeschalteten Schaltelementes der Überwachungseinrichtung, überbrückt. Ein Steuerelement der Überwachungseinrichtung kann das Schaltelement zum Bereitstellen des jeweiligen Betriebs öffnen oder schließen. Um den Vorwiderstand teilweise zu überbrücken, kann dieser beispielsweise aus zumindest zwei seriellen Teilwiderständen bestehen, wobei nur einer der seriellen Teilwiderstände überbrückt wird. Somit kann dem temperaturabhängigen Widerstand in dem Diagnosebetrieb ein Anregungssignal in Form von einem Messsignal bereitgestellt werden, durch welches eine anhand des Eigenerwärmungssignals messbare Selbsterwärmung des Temperatursensors forciert wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Temperatursensor mittels einer das Anregungssignal bereitstellenden Abwärme einer Komponente des Kraftfahrzeugs geheizt. Beispielsweise kann dem Temperatursensor die Abwärme einer Schalteinheit im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, beispielsweise die Abwärme eines zwischen die Batterie und die elektrische Antriebsmaschine geschalteten Umrichters, bereitgestellt werden, durch welche der Temperatursensor für den Diagnosebetrieb geheizt wird. Somit kann eine ohnehin im Betrieb der Komponente entstehende Abwärme sinnvoll für die Selbstdiagnose der Temperatursensoreinheit genutzt werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Temperatursensor mittels einer Heizung geheizt wird. Beispielsweise kann die Temperatursensoreinheit eine integrierte Heizung aufweisen, welche von der Überwachungseinrichtung zum Heizen des Temperatursensors angesteuert werden kann. Durch eine solche Heizung kann die Eigenerwärmung jederzeit und besonders kontrolliert durchgeführt werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Temperatursensor mittels Wärme, welche von einem zum Ausgleichen einer Ladungsverteilung der Batteriezellen vorgesehenen Zell-Balancer bereitgestellt wird, geheizt wird. Beim Zell-Balancing werden die Ladezustände der Batteriezellen aneinander angeglichen, indem diejenigen Batteriezellen, welche höhere Ladezustände aufweisen als andere Batteriezellen, bewusst entladen werden. Die Entladung wird dabei über einen Entladewiderstand durchgeführt, an welchem die überschüssige Energie einer Batteriezelle in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme wird dem Temperatursensor für den Diagnosebetrieb bereitgestellt. Der Diagnosebetrieb kann dabei immer bereitgestellt werden, wenn Zell-Balancing stattfindet. Es kann aber vorgesehen sein, dass der Zell-Balancer von der Überwachungseinrichtung bewusst angesteuert wird, wenn der Diagnosebetrieb bereitgestellt werden soll. Der Zell-Balancer fungiert somit als die integrierte Heizung für den Temperatursensor. Der Zell-Balancer und die Temperatursensoreinheit können auf einem gemeinsamen Zellüberwachungschip angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batteriezelle und zumindest einer erfindungsgemäßen Temperatursensoreinheit, wobei der Temperatursensor der Temperatursensoreinheit thermisch mit der Batteriezelle gekoppelt ist.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei die Batterie als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Temperatursensoreinheit, für die erfindungsgemäße Batterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie;
- 2 eine schematische Darstellung eines Zellüberwachungschips für eine Batteriezelle der Batterie;
- 3 eine schematische Darstellung von Eigenerwärmungssignalen; und
- 4 eine Schaltungsanordnung eines als temperaturabhängigen Widerstands ausgebildeten Temperatursensors mit einer Strombegrenzungseinheit.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
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1 zeigt eine Batterie 1 für ein hier nicht gezeigtes Kraftfahrzeug. Die Batterie 1 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sein. Die Batterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, in dessen Innenraum 3 eine Vielzahl von Batteriezellen 4 angeordnet sind. Die Batteriezellen 4 sind hier prismatische Batteriezellen. Jede Batteriezelle 4 weist dabei zwei Anschlussterminals 5a, 5b auf, über welche die Batteriezellen 4 miteinander verschaltet werden können. Zum Überwachen einer Temperatur der Batteriezellen 4 weist hier jede Batteriezelle 4 eine Temperatursensoreinheit 6 auf. Die Temperatursensoreinheit 6 umfasst einen mit der Batteriezelle 4 thermisch gekoppelten Temperatursensor 7. Der Temperatursensor 7 ist hier an einem jeweiligen Anschlussterminal 5a befestigt und somit thermisch an die Batteriezelle 4 angekoppelt. Außerdem umfasst die Temperatursensoreinheit 6 eine Überwachungseinrichtung 8, welche dazu ausgelegt ist, die thermische Kontaktierung zwischen der Batteriezelle 4 und dem Temperatursensor 7 zu überwachen bzw. eine Güte der thermischen Kontaktierung zu bestimmen. Die Temperatursensoreinheit 6 mit der Überwachungseinrichtung 8 und dem Temperatursensor 7 können auf einem gemeinsamen Zellüberwachungschip 9 angeordnet sein, wie er in 2 gezeigt ist.
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Der Zellüberwachungschip 9 gemäß 2 weist neben der Temperatursensoreinheit 6 eine Heizung 10 auf, welches ein Anregungssignal zum Heizen des Temperatursensors 7 bereitstellt. Die Heizung 10 des Zell-Überwachungschips 9 kann beispielsweise ein Zell-Balancer 11 sein, welcher dazu ausgelegt ist, zum Ladungsausgleich der Batteriezellen 4 der Batterie 1 die überschüssige Energie der dem Zell-Überwachungschip 9 zugeordneten Batteriezelle 4 in Wärme umzuwandeln. Mit dieser Wärme kann der Temperatursensor 7 zur Selbsterwärmung angeregt werden, wobei anhand der Selbsterwärmung bzw. Eigenerwärmung des Temperatursensors 7 die Güte der thermischen Kontaktierung bzw. thermischen Kopplung zwischen dem Temperatursensor 7 und der Batteriezelle 4 bestimmt werden kann. Der Zell-Balancer 11 kann dabei von der Überwachungseinrichtung 8 angesteuert werden. Beispielsweise kann der Zell-Balancer 11 immer dann angesteuert werden, wenn der Temperatursensor 7 in einen Diagnosemodus, in welchem die thermische Kopplung überwacht wird, überführt werden soll.
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Zum Bestimmen der Güte der thermischen Kopplung wird während und/oder nach dem Aufheizen ein Eigenerwärmungssignal des Temperatursensors 7 erfasst. 3 zeigt zwei Eigenerwärmungssignale 12a, 12b des Temperatursensors 7 für unterschiedliche Güten der thermischen Kontaktierung. Das erste Eigenerwärmungssignal 12a entspricht dem Eigenerwärmungssignal eines gut thermisch gekoppelten Temperatursensors 7, welcher insbesondere fest mit der Batteriezelle 4 verbunden ist. Das zweite Eigenerwärmungssignal 12b entspricht dem Eigenerwärmungssignal eines schlecht thermisch gekoppelten Temperatursensors 7, welcher sich insbesondere von der Batteriezelle 4 gelöst hat. Die Erwärmungssignale 12a, 12b sind hier Heizraten, welche eine Temperaturänderung ΔT des Temperatursensors 7 über die Zeit t beschreiben. Dabei ist anhand des ersten Eigenerwärmungssignals 12a ersichtlich, dass sich der Temperatursensor 7 im gelösten Zustand schneller und stärker aufheizt als im fest kontaktierten Zustand.
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Wenn der Temperatursensor 7 während der Selbsterwärmung, welche zu einem Zeitpunkt t0 begonnen hat, das erste Eigenerwärmungssignal 12a ausgibt, so kann von der Überwachungseinrichtung 8 ein erster Güte-Wert der thermischen Kontaktierung bestimmt werden. Wenn der Temperatursensor 7 während der Selbsterwärmung das zweite Eigenerwärmungssignal 12b ausgibt, so kann von der Überwachungseinrichtung 8 ein im Vergleich zum ersten Güte-Wert kleinerer zweiter Güte-Wert der thermischen Kontaktierung bestimmt werden. Dazu kann das erfasste Eigenerwärmungssignal 12a, 12b mit einem Soll-Eigenerwärmungssignal verglichen werden, welches beispielsweise dem ersten Eigenerwärmungssignal 12a der guten thermischen Ankopplung entspricht. Anhand einer Abweichung zwischen dem erfassten Eigenerwärmungssignal 12a, 12b und dem Soll-Eigenerwärmungssignal kann dem Temperatursensor ein bestimmter Güte-Wert der thermischen Kontaktierung zugeordnet werden. Wenn die Abweichung beispielsweise einen vorbestimmten Abweichungs-Schwellwert unterschreitet, wird der erste Güte-Wert bestimmt. Andernfalls wird der zweite Güte-Wert bestimmt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zu einem vorbestimmten Zeitpunkt t1 Temperaturänderungswerte ΔT1, ΔT2 bestimmt und mit einem vorbestimmten Soll-Temperaturänderungswert verglichen werden. Anhand der Abweichung kann wiederum die Güte der thermischen Kopplung bestimmt werden.
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In 4 ist eine Schaltungsanordnung 13 mit dem Temperatursensor 7 sowie einer Messsignalbegrenzungseinheit 14 gezeigt. Der Temperatursensor 7 ist hier ein temperaturabhängiger Widerstand RT, welcher mittels eines Anregungssignals in Form von einem Messsignal zur Selbsterwärmung angeregt wird. Ein solches Messsignal ist hier ein Messstrom Imess. Im Normalbetrieb misst der temperaturabhängige Widerstand RT die Temperatur der Zelle anhand des Messstroms Imess. Dieser wird im Normalbetrieb durch die Messsignalbegrenzungseinheit 14 begrenzt, sodass die Eigenerwärmung des temperaturabhängigen Widerstands RT minimal gehalten wird. Im Diagnosebetrieb ist diese Eigenerwärmung jedoch erwünscht. Dazu kann die Messsignalbegrenzungseinheit 14 hier teilweise überbrückt werden, um eine zu starke Begrenzung des Messstroms Imess zu verhindern. Die Messsignalbegrenzungseinheit 14 weist hier eine Serienschaltung von zwei Widerständen R1, R2 auf, wobei der Widerstand R2 im Diagnosebetrieb des Temperatursensors 7 mittels eines steuerbaren Schaltelementes 15 überbrückt werden kann. Dazu kann das Schaltelement 15 beispielsweise von der Überwachungseinrichtung 8 geschlossen werden. Durch das Messsignal Imess wird der temperaturabhängige Widerstand RT zur Selbsterwärmung angeregt. Die Überwachungseinrichtung 8 erfasst dann das Erwärmungssignal, beispielsweise einen zeitabhängigen Verlauf von Widerstandswerten und/oder Ausgangsspannungswerten des temperaturabhängigen Widerstands.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Innenraum
- 4
- Batteriezelle
- 5a, 5b
- Anschlussterminals
- 6
- Temperatursensoreinheit
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Überwachungseinrichtung
- 9
- Zellüberwachungschip
- 10
- Heizung
- 11
- Zell-Balancer
- 12a, 12b
- Eigenerwärmungssignale
- 13
- Schaltungsanordnung
- 14
- Messsignalbegrenzungseinheit
- 15
- Schaltelement
- ΔT, ΔT1, ΔT2
- Temperaturänderung
- t, t0, t1
- Zeit
- R1, R2
- Widerstände
- RT
- temperaturabhängiger Widerstand
- Imess
- Messstrom
