DE102018209325A1

DE102018209325A1 - Messungen an Batterien

Info

Publication number: DE102018209325A1
Application number: DE102018209325.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle, aufweisend:- Messen eines Drucks, der innerhalb der Batteriezelle herrscht; und- Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck.Dabei kann der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur zumindest über einen Teilbereich als linear angesehen werden. Die Lebensdauer und/oder der Ladungszustand der Batteriezelle kann auch berücksichtigt werden. Eine Sensoranordnung, eine Batteriezelle mit einer solchen Sensoranordnung und ein Fahrzeug mit einer solchen Batteriezelle werden auch offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messungen an Batterien. Die Erfindung betrifft insbesondere das Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle. Die Erfindung findet insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen Anwendung, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die Erfindung kann insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugbatterien benutzt werden, insbesondere Hochvoltspeicher, die (auch) für den Antrieb eines Fahrzeugs benutzt werden, entweder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor oder als rein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs. Die Erfindung ist aber auch in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt.
Zu einer verbesserten oder optimalen Nutzung eines elektrischen Speichers (Batterie oder Batteriezelle) und insbesondere zu einer verbesserten oder optimalen Betriebsführung eines Fahrzeugs mit einem solchen Speicher ist es im Allgemeinen notwendig, dass die interne Temperatur der Zelle oder Zellen bekannt ist. Gemäß dem Stand der Technik (siehe beispielsweise DE 199 61 311 A1 ) werden zur Verringerung des technischen Aufwands oft nur externe Temperaturen an dem Speicher erfasst, im Allgemeinen an wenigen Stellen in oder an dem Speicher (aber außerhalb der Batteriezellen), z. B. zwei Temperaturen bzw. die Temperaturen an zwei Stellen pro Modul. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass durch die Verwendung externer Temperatursensoren oft ein großer Fehler zu den tatsächlichen inneren Zelltemperaturen zu erwarten ist, insbesondere unter Last.
Weiterhin ist es nach dem Stand der Technik möglich, Temperatursensoren auch innerhalb einer Zelle anzubringen, z. B. im Zellwickel oder Zellstapel (siehe beispielsweise WO 2013/072281 A2 ). Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat in diesem Zusammenhang erkannt, dass die Integration eines Temperatursensors in dem Zellwickel oder Zellstapel aufwändig ist und mit Sicherheitsrisiken verbunden ist, da der Sensor den Separator der Batteriezelle penetrieren könnte und somit einen Kurzschluss herbeiführen könnte.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, Alternativen für das Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle bereitzustellen bzw. das Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle zu verbessern.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle, aufweisend:

- Messen eines Drucks, der innerhalb der Batteriezelle herrscht; und
- Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck.

Der Erfinder hat erkannt, dass zumindest bei manchen Arten von Batteriezellen ein Zusammenhang zwischen einem innerhalb der Batteriezelle herrschenden Druck (insbesondere Gasdruck) und einer Temperatur innerhalb der Batteriezelle (insbesondere im Zellwickel oder Zellstapel) besteht. Dieser Zusammenhang kann erfindungsgemäß dazu benutzt werden, die Temperatur innerhalb der Batteriezelle basierend auf dem gemessenen Druck zu ermitteln.
Ferner hat der Erfinder erkannt, dass der Druck überall innerhalb der Batteriezelle weitgehend gleich ist, so dass die Druckmessung (zum Zwecke der Temperaturermittlung) nicht notwendigerweise im Zellwickel oder Zellstapel erfolgen muss, sondern auch an anderen Orten innerhalb der Batteriezelle durchgeführt werden kann. Somit ist es nicht nötig, einen Sensor innerhalb des Zellwickels oder Zellstapels zu platzieren, wodurch das Kurzschlussrisiko reduziert wird. Andererseits hat der Erfinder erkannt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der Temperatur innerhalb der Batteriezelle genauere Ergebnisse liefern kann als nach den Verfahren gemäß dem Stand der Technik, nach denen externe Temperatursensoren zum Ermitteln der Temperatur der Batteriezelle benutzt werden.
Nach einer Ausführung wird für das Ermitteln der Temperatur der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur zumindest über einen Teilbereich als linear angesehen, insbesondere durch eine lineare Funktion angenähert. Durch einen solchen linearen Zusammenhang wird das Ermitteln der Temperatur innerhalb der Batteriezelle basierend auf dem gemessenen Druck besonders einfach gestaltet. Ebenso einfach gestaltet sich das Ermitteln des Zusammenhangs, der beispielsweise in der Batterie oder zugehörigen Steuergeräten abgespeichert werden kann, damit dieser Zusammenhang zur Temperaturermittlung basierend auf einem gemessenen Druck benutzt werden kann. Es würde beispielsweise ausreichen, zwei verschiedene Paare von Drücken und zugehörigen Temperaturen zu messen, um daraus den linearen Zusammenhang zwischen Druck (p) und Temperatur (T) zu ermitteln. Mathematisch lässt sich dieser Zusammenhang als T = m • p + c ausdrücken, wobei die Werte für m und c durch die zwei zuvor genannten Messungen ermittelt werden können.
Gleichwohl sieht die Erfindung auch die Möglichkeit vor, dass der Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck nicht durch eine lineare Funktion angenähert wird, sondern eine Funktion, die auch beispielsweise quadratische Terme oder Terme höherer Ordnung aufweist. Obwohl sich die folgende Beschreibung weitgehend auf lineare Zusammenhänge beschränkt, ist anzumerken, dass die Ermittlung eines nichtlinearen Zusammenhangs und die anschließende Verwendung eines solchen in analoger Weise erfolgen kann, wobei dann aber im Allgemeinen mehr als zwei Messungen zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur (Kalibrierung) nötig wären.
Nach einer Ausführung wird bei dem Ermitteln der Temperatur auch die Lebensdauer der Batteriezelle berücksichtigt. In dieser Hinsicht hat der Erfinder erkannt, dass der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle zwar als linear angesehen werden kann, dass sich dieser Zusammenhang aber im Lauf der Zeit, also über die Lebensdauer der Batteriezelle, verändern kann. Diese Veränderung ist aber relativ langsam (beispielsweise im Vergleich zu einem Lade- und Entladezyklus bei einer durchschnittlichen Benutzung einer Batteriezelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug), so dass es im Allgemeinen ausreichend ist, den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur beispielsweise in einem Abstand von mehreren Tagen anzupassen.
Um die Lebensdauer der Batteriezelle zu berücksichtigen, kann beispielsweise das kalendarische Alter berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Alterungszustand der Batteriezelle (basierend auf einer Benutzungs-Historie) berücksichtigt werden.
Nach einer Ausführung wird die Lebensdauer der Batteriezelle dadurch berücksichtigt, dass der oder ein Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur anhand einer ermittelten weiteren Temperatur nachgeführt wird.
Dabei wird die weitere Temperatur nicht (oder zumindest nicht nur) basierend auf dem gemessenen Druck ermittelt. Die ermittelte weitere Temperatur kann dann dazu verwendet werden zu überprüfen, ob der hinterlegte (lineare) Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur noch der Realität entspricht. Ist dies nicht der Fall, kann der Zusammenhang entsprechend nachgeführt werden, d. h. bei der Benutzung der oben erwähnten linearen Funktion können die Werte für m und/oder c entsprechend angepasst werden. Hierbei empfiehlt es sich, wiederum mindestens zwei Temperaturmessungen durchzuführen.
Nach einer Ausführung wird die mindestens eine weitere Temperatur zu einem Zeitpunkt ermittelt, zu dem zu erwarten ist, dass die weitere Temperatur im Wesentlichen der tatsächlichen Temperatur innerhalb der Batteriezelle entspricht.
Der Erfinder hat erkannt, wie zuvor erwähnt, dass die Benutzung von externen Temperatursensoren insbesondere dann zu fehlerhaften Ergebnissen führen kann, wenn die Batteriezelle be- oder entladen wird. Gleichwohl hat der Erfinder erkannt, dass zu anderen Zeitpunkten ein externer Temperatursensor durchaus zuverlässige Ergebnisse liefern kann. Mit anderen Worten, zu solchen Zeitpunkten ist zu erwarten, dass eine durch einen beispielsweise externen Temperatursensor ermittelte weitere Temperatur im Wesentlichen der tatsächlichen Temperatur innerhalb der Batteriezelle entspricht, so dass sich eine so ermittelte weitere Temperatur durchaus zum Nachführen des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur, also zur (Re-)Kalibrierung, eignen kann.
Nach einer Ausführung wird mindestens eine weitere Temperatur ermittelt, nachdem die Batteriezelle während einer festlegbaren oder festgelegten Mindestdauer höchstens mit einer festlegbaren oder festgelegten Last betrieben wurde und/oder höchstens mit einem festlegbaren oder festgelegten Strom be- oder entladen wurde.
Gemäß dieser Ausführungsform kann also festgelegt sein oder festgelegt werden, wann ein Ermitteln einer weiteren Temperatur (zum Zwecke eines Vergleichs bzw. einer Kalibrierung) sinnvoll sein kann. Durch das Festlegen einer Mindestdauer, während der die Batteriezelle höchstens mit einer festlegbaren oder festgelegten Last betrieben und/oder höchstens mit einem festlegbaren oder festgelegten Strom be- oder entladen wurde, kann sichergestellt werden, dass die weitere Temperatur nicht zu solchen Zeitpunkten ermittelt wird, zu denen die Ermittlung der weiteren Temperatur durch hohe Last oder starkes Be- oder Entladen der Batterie verfälscht würde. Es kann sozusagen eine „Abkühldauer“ festgelegt werden, während der sich die Temperatur innerhalb der Batteriezelle und eventuell auch außerhalb der Batteriezelle, beispielsweise an einem Batterieterminal, ausgleichen kann. Im Idealfall wird die weitere Temperatur nur nach einer Mindestdauer ermittelt, während der die Batteriezelle (im Wesentlichen) überhaupt nicht belastet oder be-/entladen wurde.
Nach einer Ausführung wird die mindestens eine weitere Temperatur durch eine direkte Temperaturmessung ermittelt. Dies kann im Prinzip durch herkömmliche Temperaturmessungen erfolgen.
Nach einer Ausführung wird die direkte Temperaturmessung außerhalb der Batteriezelle durchgeführt. Dies kann beispielsweise an einem Batterieterminal oder mehreren Batterieterminals erfolgen. Dadurch kann der technische Aufwand besonders gering gehalten werden.
Andererseits ist es nach einer Ausführung möglich, die direkte Temperaturmessung innerhalb der Batteriezelle durchzuführen. Dies kann besonders fehlerfreie Messergebnisse liefern. Vorzugsweise erfolgt diese zellinterne Temperaturmessung allerdings nicht innerhalb des Zellwickels oder Zellstapels, um das Kurzschlussrisiko zu reduzieren.
Nach einer Ausführung wird der Druck durch einen MEMS-Gasdrucksensor ermittelt. Dieser kann im Prinzip irgendwo innerhalb der Batteriezelle angeordnet sein, weil zu erwarten ist, dass sich der Druck innerhalb der Batteriezelle im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Der Gasdrucksensor kann beispielsweise an einem Gehäusedeckel der Batteriezelle angebracht sein.
Nach einer Ausführung wird der MEMS-Gasdrucksensor auch für die direkte Temperaturmessung benutzt.
In dieser Hinsicht hat der Erfinder erkannt, dass ein Temperatursensor bereits in viele MEMS-Gasdrucksensoren integriert ist, so dass kein zusätzlicher/separater Temperatursensor bereitgestellt werden muss. Dies bedeutet aber nicht, dass die weitere Temperatur basierend auf dem Druck ermittelt wird. Vielmehr hat ein geeigneter MEMS-Gasdrucksensor die Fähigkeit, sowohl einen Gasdruck als auch eine Temperatur (direkt) zu ermitteln/messen.
Nach einer Ausführung wird bei dem Ermitteln der Temperatur auch der Ladungszustand der Batteriezelle berücksichtigt.
In dieser Hinsicht hat der Erfinder festgestellt, dass sich selbst nach Einstellen eines thermischen Gleichgewichts (also beispielsweise nach einer ausreichend langen „Abkühlphase“ nach einem Be- oder Entladevorgang) für zwei Druckmessungen bei gleicher Temperatur ein Druckunterschied ergibt, der eben auf den Ladezustand der Batteriezelle zurückzuführen ist. Dieser Druckunterschied ist zwar vergleichsweise gering und kann somit im Prinzip vernachlässigt werden. Andererseits ist das erfindungsgemäße Ermitteln der Temperatur innerhalb der Batteriezelle basierend auf dem gemessenen Druck noch genauer, wenn der Druckunterschied aufgrund des Ladungszustands der Batteriezelle berücksichtigt wird. Um den Ladungszustand zu berücksichtigen, kann analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise zum Berücksichtigen der Lebensdauer der Batteriezelle verfahren werden. Ebenso kann beispielsweise während der Entwicklung der Batteriezelle der Einfluss des Ladungszustands der Batteriezelle auf den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb der Batteriezelle ermittelt werden und in der Batteriezelle oder einem zugehörigem Steuergerät hinterlegt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle, aufweisend:

- Mittel zum Messen eines Druckes, der innerhalb der Batteriezelle herrscht; und
- Mittel zum Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck.

Die Mittel zum Messen eines Druckes, der innerhalb der Batteriezelle herrscht, kann ein an sich bekanntes Druckmessgerät sein, beispielsweise ein MEMS-Gasdrucksensor.
Die Mittel zum Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck können beispielsweise einen Prozessor aufweisen, der aus dem gemessenen Druck die Temperatur errechnen kann. Das Ermitteln der Temperatur könnte auch durch eine Analogschaltung durchgeführt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle, aufweisend eine oben beschriebene Sensoranordnung.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, aufweisend eine oben beschriebene Batteriezelle.
Die mit Bezug auf einen der Aspekte der Erfindung (Verfahren, Sensoranordnung, Batteriezelle und Fahrzeug) vorgestellten vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausführungsformen sowie deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäßen anderen Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle 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 aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese Kombinationen ausführbar sind.
Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Dabei zeigt, teilweise in schematischer Darstellung:

1 eine Batteriezelle mit einer Sensoranordnung nach einem Ausführungsbeispiel,
2 einen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle,
3 den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur und zusätzlich der Lebensdauer einer Batteriezelle,
4 einen Entladevorgang einer Batteriezelle (oberer Teil der Figur) und den Druck und die Temperatur innerhalb der Batteriezelle während dieses Entladevorgangs (unterer Teil der Figur),
5 einen vergrößerten Teilausschnitt des unteren Teils der 4,
6 einen hinsichtlich des Ladezustands kompensierten Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle,
7 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt vereinfacht den Aufbau einer Batteriezelle 1 mit einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Batteriezelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem sich ein Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 befindet. In dem Gehäuse 2 befindet sich ein Gasraum 5, der den Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 umgibt. Der Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 weist ein inneres negatives Terminal 6 und ein inneres positives Terminal 9 auf. Diese sind in an sich bekannter Weise durch elektrische Leitungen 7 und 10 mit (äußeren) negativen und positiven Terminals 8, 11 verbunden.
Ein Gasdrucksensor 12 ist in das Gehäuse 2 integriert. Im Prinzip könnte dieser Gasdrucksensor 12 an beliebiger Stelle in oder an der Batteriezelle 1 angeordnet sein, solange er den Druck, der innerhalb der Batteriezelle 1 herrscht, messen kann.
Weil sich Gase innerhalb der Batteriezelle 1 im Wesentlichen ungehindert bewegen können, also insbesondere auch von dem Bereich des Zellwickels oder Zellstapels 4 in den Gasraum 5 und umgekehrt, herrscht innerhalb der Batteriezelle überall im Wesentlichen der gleiche Druck. Demgemäß kann der Gasdrucksensor 12, der, wie in 1 gezeigt, in das Gehäuse 2 integriert ist, den Druck messen, der auch in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 herrscht. Um den technischen Aufwand gering zu halten, empfiehlt es sich, den Gasdrucksensor außerhalb des Zellwickels oder Zellstapels 4 anzuordnen, beispielsweise in einem Deckel des Batteriegehäuses (oberer Teil des Gehäuses 2).
Der Gasdrucksensor 12 ist mit einem Prozessor 13 oder ähnlichem verbunden, der die Messergebnisse auswerten und/oder speichern und/oder weiterbearbeiten und/oder weiterleiten kann. Der Prozessor 13 könnte alternativ auch in den Gasdrucksensor 12 integriert sein.
In dem gezeigten Beispiel ist der (insbesondere lineare) Zusammenhang zwischen dem Druck, der innerhalb der Batteriezelle herrscht, und der Temperatur der Batteriezelle in dem Prozessor 13 hinterlegt. Um diesen Zusammenhang zu ermitteln, kann beispielsweise während der Entwicklung der Batteriezelle ein geeigneter Temperatursensor in der Batteriezelle angeordnet sein. Ein solcher Temperatursensor (nicht dargestellt) kann beispielsweise in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 angeordnet sein, um möglichst exakt die tatsächliche Temperatur in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 zu messen. Wie zuvor erwähnt, reichen im Prinzip zwei Messpaare von Druck und Temperatur (bei unterschiedlichen Drücken/Temperaturen) aus, um daraus einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb der Batteriezelle zu ermitteln.
Nachdem der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur für einen Batteriezellentyp ermittelt wurde, reicht zum Ermitteln der Temperatur innerhalb der Batteriezelle 1 das Messen des Drucks durch das Druckmessgerät 12 aus. Aus dem gemessenen Druck kann dann gemäß der oben erwähnten Gleichung die Temperatur ermittelt werden. Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Batteriezelle 1 ist eine Temperaturmessung im Zellwickel oder Zellstapel 4 also nicht nötig. Entsprechend ist es auch nicht nötig, einen Temperatursensor beispielsweise im Zellwickel oder Zellstapel 4 vorzusehen. Dies steht mit dem zuvor erwähnten Anordnen eines Temperatursensors in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur nicht im Widerspruch: Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, einen Temperatursensor in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 höchstens während der Entwicklung eines Batterietyps anzuordnen, beispielsweise in einem Prototyp. Dieser dient zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle dieses Typs. Weitere Batteriezellen dieses Typs (insbesondere Batteriezellen, die zum Verkauf an Kunden vorgesehen sind) würden keinen Temperatursensor im Zellwickel oder Zellstapel 4 aufweisen. Ein solcher ist dann auch nicht nötig, weil der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur bereits ermittelt wurde.
Weitere in 1 gezeigte Einzelheiten werden im weiteren Verlauf der Beschreibung erklärt.
2 zeigt den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle für zwei Typen von Batteriezellen. Tatsächlich gemessene Druck- und Temperaturwerte sind für den einen Batteriezellentyp durch Rauten und für den anderen Batteriezellentyp durch kleine Kreise dargestellt. Man erkennt, dass die Messwerte jeweils für einen Batteriezellentyp einen linearen Zusammenhang aufweisen. Durch an sich bekannte Methoden können für jeden der beiden Batteriezellentypen Geraden 20 und 21 an die Messwerte angepasst werden. Die Abweichung einzelner Messwerte von den Geraden ist relativ gering. Aus den Geraden können die Werte für m und c der oben genannten Gleichung ermittelt werden.
3 zeigt einen entsprechenden (linearen) Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur für eine Batteriezelle, wobei zwei Messreihen in einem Abstand von mehreren Wochen durchgeführt wurden - gekennzeichnet jeweils durch verschiedene Symbole (Kreise und Dreiecke). Obwohl auch hier ein deutlicher linearer Zusammenhang zu erkennen ist, hat der Erfinder festgestellt, dass sich die Lebensdauer der Batterie (kalendarisches Alter und/oder Alterungszustand basierend auf einer Benutzungs-Historie) auf diesen Zusammenhang auswirkt, d. h. die Werte für m und/oder c verändern sich aufgrund der Lebensdauer der Batteriezelle. Ohne weitere Maßnahmen würde dies bedeuten, dass die Temperatur der Batteriezelle nicht (zuverlässig) aus dem gemessenen Druck ermittelt werden kann. Um dem zu entgegnen ist nach Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgesehen, dass die Lebensdauer der Batteriezelle berücksichtigt wird. Hierzu kann beispielsweise in dem Prozessor 13 hinterlegt werden, wie sich die Lebensdauer der Batteriezelle auf den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur auswirkt (beispielsweise ermittelt durch Messreihen), so dass der in dem Prozessor 13 hinterlegte Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur entsprechend angepasst werden kann. Die Messung des Drucks würde dann weiterhin das Ermitteln der Temperatur aus dem gemessenen Druck (mit ausreichender Zuverlässigkeit) ermöglichen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Anpassung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur auch durch die (direkte) Messung einer weiteren Temperatur ermöglicht werden. Hierzu sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung vor, dass ab und zu (beispielsweise im Abstand von Stunden, Tagen oder Wochen) eine oder mehrere Temperaturmessungen durchgeführt werden. Eine solche Temperaturmessung würde vorzugsweise im Wesentlichen unabhängig von, aber gleichzeitig mit, einer Druckmessung durch das Druckmessgerät 12 erfolgen. Anhand dieser gemessenen Temperatur- und Druckwerte kann überprüft werden, ob der hinterlegte Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur (also beispielsweise die Werte für m und c in der oben genannten Gleichung) noch korrekt ist bzw. der Realität entspricht. Gegebenenfalls kann dann der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur aufgrund der gemessenen Temperatur- und Druckwerte aktualisiert werden.
Die Aktualisierung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur kann nach Ausführungsbeispielen der Erfindung dadurch zuverlässiger gestaltet werden, wenn wenigstens zwei Paare von Temperatur- und Druckwerten gemessen werden.
Die Temperaturmessung kann im Prinzip an allen Stellen in oder an der Batteriezelle erfolgen. Obwohl eingangs erwähnt wurde, dass Temperaturmessungen außerhalb des Zellwickels oder Zellstapels 4, insbesondere außerhalb des Gehäuses 2, falsche Ergebnisse liefern können, hat der Erfinder erkannt, dass dies im Wesentlichen nur dann zutrifft, wenn die Batteriezelle unter Last steht bzw. be- oder entladen wird oder aktiv gekühlt oder geheizt wird, insbesondere mit hohen Kühl- oder Heizraten. Der Erfinder hat erkannt, dass bei solchen Betriebszuständen der zeitliche Verlauf der Erwärmung des Zellwickels oder des Zellstapels anders verläuft als beispielsweise an einem Batteriezellenterminal, so dass die Messung einer Temperatur an einem Terminal der Temperatur im Inneren der Batteriezelle beispielsweise hinterherhinkt oder vorauseilt. Gleichwohl hat der Erfinder festgestellt, dass sich nach einer ausreichend langen Abkühlphase nach einem solchen Betriebszustand die Temperatur in und an der Batteriezelle ausgleicht. Aus diesem Grund wird nach Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgeschlagen, die Temperatur beispielsweise an einem Batteriezellenterminal zu messen, aber nur dann, wenn zu erwarten ist, dass eine solche Messung korrekte Ergebnisse liefert. Beispielsweise kann festgelegt sein, dass eine solche Temperaturmessung nur dann durchgeführt wird, wenn die Batteriezelle während einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne (beispielsweise mehrere Minuten, mehrere zehn Minuten, eine Stunde oder mehrere Stunden) im Wesentlichen nicht benutzt wurde oder höchstens mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Maximal-Be- oder -Entladestrom betrieben wurde.
In 1 wurde an drei verschiedenen Stellen angedeutet, wo eine Temperaturmessung in oder an der Batteriezelle 1 durchgeführt werden könnte. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Temperatursensor 16 an dem negativen Terminal 8 angeordnet und mit dem Prozessor 13 verbunden (gestrichelt dargestellt). Zusätzlich oder alternativ könnte ein Temperatursensor 17 in dem Gasraum 5 angeordnet sein und auch mit dem Prozessor 13 verbunden sein (wiederum gestrichelt dargestellt).
Gemäß einer dritten Alternative ist ein Temperatursensor 15 in das Druckmessgerät 12 integriert. Das Druckmessgerät 12 könnte beispielsweise einen MEMS-Gasdrucksensor aufweisen, der sowohl zum Messen eines Drucks als auch zum Messen einer Temperatur geeignet ist (dargestellt durch separate (Teil-)Sensoren 14 und 15). Dabei ist zu beachten, dass die Temperaturmessung durch den Sensor 15 im Wesentlichen unabhängig von der Druckmessung durch den Sensor 14 erfolgt. Mit anderen Worten, die Temperatur wird nicht lediglich aus dem gemessenen Druck abgeleitet (gemäß dem oben beschriebenen linearen Zusammenhang), sondern getrennt ermittelt - damit die unabhängig gemessenen Druck- und Temperaturwerte dazu benutzt werden können, den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur zu überprüfen und gegebenenfalls zu aktualisieren.
Zusätzlich oder alternativ zur Lebensdauer der Batteriezelle kann auch der Ladezustand der Batteriezelle berücksichtigt werden. Dies wird anhand der 4 bis 6 besch rieben.
Der obere Teil der 4 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom (gestrichelte Linie 40) und Spannung (durchgezogene Linie 41) während eines Entladevorgangs der Batteriezelle 1. Die Entladung erfolgt in dem gezeigten Beispiel etwa zwischen den Zeitpunkten t = 10 Minuten bis t = 28 Minuten.
Der untere Teil der 4 zeigt den Verlauf des gemessenen Drucks (durchgezogene Linie 42 und 43), die (gemessene) Temperatur T_int im Zellwickel oder Zellstapel 4 (gestrichelte Linie 44) und die (gemessene) Temperatur am negativen Terminal 8 (gepunktete Linie 45). Man sieht, dass sich die Kurven 44 und 45 während des Entladevorgangs und noch einige Zeit danach (deutlich) unterscheiden, dass sie aber vor dem Entladevorgang und deutlich nach dem Entladevorgang weitgehend gleich verlaufen. Der Erfinder hat weiterhin erkannt, dass sich der gemessene Druck 42 vor dem Entladevorgang von dem gemessenen Druck 43 am Ende des gezeigten Ausschnitts (t = 120 Minuten) unterscheidet, obwohl bei t = 120 Minuten ein thermischer Ausgleich stattgefunden hat und somit ein Druckunterschied nicht unbedingt zu erwarten wäre. Der Erfinder konnte dies auf die Abhängigkeit des Drucks vom Ladezustand (SOC) zurückführen.
5 veranschaulicht diesen Zusammenhang in vergrößerter Darstellung. In 5 ist wiederum die gemessene Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel 4 (Strich-Punkt-Linie 54) und die Temperatur am negativen Terminal 8 (durchgezogene Linie 55) dargestellt. In 5 ist allerdings nicht der gemessene Druck dargestellt, sondern zwei Temperaturkurven, die aus dem gemessenen Druck anhand der oben erwähnten Gleichung ermittelt wurden. Dabei zeigt die gepunktete Linie 56 die aus dem Druck ermittelte Temperatur, wenn man den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur so kalibriert, dass die aus dem Druck abgeleitete Temperatur weitgehend mit der Temperatur T_int (Kurve 54) im vollgeladenen Zustand der Batteriezelle (linker Bereich der 5) übereinstimmt. Während die Kurven 54 und 56 im linken Bereich übereinstimmen, ist im rechten Bereich (T = 120 Minuten) eine Abweichung erkennbar. Mit anderen Worten, eine so aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur stimmt im entladenen Zustand der Batteriezelle nicht so gut mit der tatsächlichen Temperatur im Inneren der Batteriezelle überein wie im vollgeladenen Zustand der Batteriezelle.
5 zeigt eine weitere Kurve 57 (mit größerem Abstand gestrichelte Linie). Diese Kurve entspricht der Kurve 56, ist aber nach oben verschoben, d. h. der Zusammenhang zwischen gemessenem Druck und daraus abgeleiteter Temperatur wurde so kalibriert, dass die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur im entladenen Zustand der Batteriezelle gut mit der tatsächlichen Temperatur T_int (Kurve 54) im Inneren der Batteriezelle übereinstimmt (rechter Rand der 5). Allerdings erkennt man dann wiederum eine Abweichung zwischen den Kurven 57 und 54 am linken Rand der 5 (vollgeladener Zustand der Batteriezelle).
Nach manchen Ausführungsbeispielen können die zuvor beschriebenen Abweichungen zwischen der Kurve 56 und der Kurve 54 oder zwischen der Kurve 57 und der Kurve 54 vernachlässigt werden, weil die Abweichungen im gezeigten Beispiel nur wenige Grad betragen.
In anderen Ausführungsbeispielen wird diesen Abweichungen Rechnung getragen, so dass die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur sich noch besser an die tatsächliche Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel 4 anpasst, insbesondere über alle Ladungszustände. Hierzu kann analog verfahren werden wie bei dem oben beschriebenen Berücksichtigen der Lebensdauer der Batteriezelle.
Nach einem Ausführungsbeispiel wird der Ladungszustand der Batterie berücksichtigt, indem beispielsweise durch Messreihen während der Entwicklung der Batteriezelle untersucht wird, wie der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb der Batteriezelle vom Ladungszustand abhängt. Daraus gewonnene Informationen können in dem Prozessor 13 hinterlegt werden, beispielsweise in Form eines vom Ladungszustand abhängigen Korrekturterms, beispielsweise dadurch, dass in der oben erwähnten Gleichung der Wert c keine Konstante ist, sondern vom Ladungszustand SOC der Batteriezelle abhängt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden während bestimmungsgemäßer Benutzung der Batteriezelle der Druck und die Temperatur der Batteriezelle bei verschiedenen Ladezuständen gemessen. Die Temperatur kann wiederum an verschiedenen Orten in oder an der Batteriezelle gemessen werden, beispielsweise durch einen Temperatursensor 16 am negativen Terminal 8 oder durch einen Temperatursensor 17 im Gasraum 5. Hierbei werden wiederum genauere Ergebnisse erzielt, wenn die Temperaturmessungen nach einer ausreichend langen Abkühlphase durchgeführt werden, wenn sich also ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Die aus diesen Messungen gewonnenen Informationen können wiederum in dem Prozessor 13 hinterlegt werden.
6 zeigt für den im oberen Teil der 4 dargestellten Entladevorgang drei Temperaturkurven im Vergleich. Die durchgezogene Linie 65 stellt die am negativen Terminal 8 gemessene Temperatur dar. Dies entspricht der Linie 55 aus 5. Die Strich-Punkt-Linie 64 in 6 gibt die gemessene interne Temperatur T_int im Zellwickel oder Zellstapel 4 wieder. Die Linie 64 entspricht der Linie 54 aus 5. Schließlich zeigt 6 auch eine mit größerem Abstand gestrichelte Linie 68. Die Linie 68 stellt die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur dar unter Berücksichtigung des Ladungszustands der Batterie, d. h. die anhand der oben erwähnten Gleichung errechnete Temperatur mit einem vom Ladezustand abhängigen Korrekturterm c(SOC). Der Korrekturterm c(SOC) wurde zuvor wie oben beschrieben ermittelt. Wie aus 6 deutlich hervorgeht, ist die verbleibende Abweichung zwischen der aus dem Druck abgeleiteten Temperatur (Kurve 68) zur Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel T_int (Kurve 64) über alle Ladezustände der Batteriezelle sehr gering. Insbesondere ist die Abweichung der Kurve 68 zur Kurve 64 über die meisten Bereiche geringer als die Abweichung der Kurve 65 zur Kurve 64.
Wie oben erwähnt zeigt 1 eine Batteriezelle mit einer Sensoranordnung. Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung ist nicht gesondert dargestellt. Von den in 1 gezeigten Komponenten würde eine solche Sensoranordnung insbesondere das Druckmessgerät 12 und den Prozessor 13 aufweisen, gegebenenfalls auch einen Temperatursensor, wie z. B. die separaten Temperatursensoren 16 und/oder 17, und/oder aber auch den in das Druckmessgerät 12 integrierten Temperatursensor 15. Die Sensoranordnung kann beispielsweise separat bereitgestellt werden zum späteren Ein- oder Anbau in oder an einer Batteriezelle 1.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Start 70 des Verfahrens wird in einem Schritt 71 der Druck, der innerhalb der Batteriezelle 1 herrscht, gemessen. Basierend auf dem gemessenen Druck wird in einem Schritt 72 die Temperatur innerhalb der Batteriezelle 1 ermittelt, beispielsweise durch die oben angegebene Gleichung. Hierbei wird angenommen, dass der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur im Inneren der Batteriezelle 1 bereits ermittelt wurde, so dass die Temperatur aus dem Druck berechnet werden kann. Gegebenenfalls würde auch die Lebensdauer und der Ladungszustand der Batteriezelle berücksichtigt (nicht als gesonderte Verfahrensschritte dargestellt). Nach dem Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck endet das in 7 dargestellte Verfahren (Schritt 73).
Durch Ausführungsformen der Erfindung kann eine zellinterne Temperatur bestimmt werden, ohne dass ein Sensor im Zellwickel oder Zellstapel platziert werden muss. Weil die zellinterne Temperatur gegebenenfalls genauer ermittelt werden kann als z. B. bei Ansätzen im Stand der Technik, bei denen die Temperatur der Batteriezelle lediglich durch eine externe Messung an einem Batterieterminal ermittelt wird, kann der Speicher besser überwacht werden und damit sicherer betrieben werden. Ebenso bietet das genauere Ermitteln der zellinternen Temperatur die Möglichkeit, Sicherheitsmargen zu reduzieren. Dadurch ist es wiederum möglich, die maximale Betriebstemperatur zu erhöhen. Umgekehrt können - beispielsweise wenn die Batteriezelle in einem Fahrzeug benutzt wird - bei niedrigen Außentemperaturen die minimalen Betriebstemperaturgrenzen verringert werden, da auch hier die Sicherheitsmargen reduziert werden können. Dies kann zu einer besseren Leistungsverfügbarkeit sowohl beim Entladen, aber auch insbesondere beim Laden führen. Angewandt auf die Verwendung der Batteriezelle im Antrieb eines Fahrzeugs kann dies ein verbessertes Fahrerlebnis bzw. verbesserte Rekuperation (und damit Reichweite) bedeuten.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Gehäuse / Außenwandung
4: Zellwickel oder Zellstapel
5: Gasraum
6: Inneres negatives Terminal
7: Elektrische Verbindung
8: Äußeres negatives Terminal
9: Inneres positives Terminal
10: Elektrische Verbindung
11: Äußeres positives Terminal
12: (Gas-)Druckmessgerät / Drucksensor
13: Prozessor
14: Drucksensor
15: Temperatursensor
16: Temperatursensor
17: Temperatursensor
20, 21: Linearer Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur
40: Stromverlauf
41: Spannungsverlauf
42, 43: Druck
44, 45, 54 bis 57, 64, 65, 68: Temperaturverlauf
70 bis 73: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19961311 A1 [0002]
WO 2013/072281 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle (1), aufweisend: - Messen eines Drucks, der innerhalb der Batteriezelle (1) herrscht; und - Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck (2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für das Ermitteln der Temperatur der Zusammenhang (20, 21) zwischen Druck und Temperatur zumindest über einen Teilbereich als linear angesehen wird, insbesondere durch eine lineare Funktion (20, 21) angenähert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei dem Ermitteln der Temperatur auch die Lebensdauer der Batteriezelle (1) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Lebensdauer der Batteriezelle (1) dadurch berücksichtigt wird, dass der oder ein Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur anhand einer ermittelten weiteren Temperatur nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine weitere Temperatur zu einem Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem zu erwarten ist, dass die weitere Temperatur im Wesentlichen der tatsächlichen Temperatur innerhalb der Batteriezelle (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine weitere Temperatur ermittelt wird, nachdem die Batteriezelle (1) während einer festlegbaren oder festgelegten Mindestdauer höchstens mit einer festlegbaren oder festgelegten Last betrieben wurde und/oder höchstens mit einem festlegbaren oder festgelegten Strom be- oder entladen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die mindestens eine weitere Temperatur durch eine direkte Temperaturmessung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die direkte Temperaturmessung außerhalb der Batteriezelle (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die direkte Temperaturmessung innerhalb der Batteriezelle (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck durch einen MEMS-Gasdrucksensor (12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in Abhängigkeit von Anspruch 9, wobei der MEMS-Gasdrucksensor (12) auch für die direkte Temperaturmessung benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Ermitteln der Temperatur auch der Ladungszustand der Batteriezelle (1) berücksichtigt wird.
Sensoranordnung (12, 13) zum Ermitteln einer Temperatur innerhalb einer Batteriezelle (1), aufweisend: - Mittel (12) zum Messen eines Druckes, der innerhalb der Batteriezelle (1) herrscht; und - Mittel (13) zum Ermitteln der Temperatur basierend auf dem gemessenen Druck.
Batteriezelle (1), aufweisend eine Sensoranordnung nach Anspruch 13.
Fahrzeug, aufweisend eine Batteriezelle (1) nach Anspruch 14.