DE102018220045A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers sowie entsprechende Vorrichtung, entsprechender elektrischer Energiespeicher, entsprechendes Computerprogramm und entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers sowie entsprechende Vorrichtung, entsprechender elektrischer Energiespeicher, entsprechendes Computerprogramm und entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einer Kühlplatte, mit der die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht, beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte:
a) Berechnen eines zweiten Temperaturwertes für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf einem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit;
b) Berechnen eines dritten Temperaturwertes für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit;
c) Ermitteln des Zustandes des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zumindest basierend auf dem berechneten zweiten Temperaturwert und dem berechneten dritten Temperaturwert, wobei der Zustand einen thermischen Defekt des Thermomanagementsystems umfasst.
Weiterhin wird eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechender elektrischer Energiespeicher, ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers sowie einer entsprechenden Vorrichtung, einem entsprechenden elektrischen Energiespeicher, einem entsprechenden Computerprogramm und einem entsprechenden maschinenlesbaren Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere von Kraftfahrzeugen, kommt elektrischen Energiespeichern eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen der Elektrifizierung. Es gibt beispielsweise elektrisch angetriebenen Fahrzeuge ohne und mit Verbrennungsmotor sowie Fahrzeuge, bei denen ein Elektromotor den Antrieb des Fahrzeugs nur zeitweise übernimmt beziehungsweise den Verbrennungsmotor unterstützt. Diese unterschiedlichen Ausprägungen der Elektrifizierung weisen typischerweise unterschiedliche Spannungsniveaus und unterschiedliche Ausgestaltungen der verwendeten elektrischen Energiespeichereinheiten auf.
  • Gemeinsam ist diesen Ausprägungen jedoch, dass sie ein Thermomanagementsystem in der ein oder anderen Form aufweisen. Je nach Leistungsklasse der elektrischen Energiespeicher ist dabei eine passive Kühlung ausreichen beziehungsweise eine aktive Kühlung erforderlich. Je höher die abgerufene elektrische Leistung, desto höher sind die Anforderungen an ein entsprechendes Thermomanagementsystem. Daher kommen oft flüssigkeitsbasierte Systeme, beispielsweise auf Wasserglykolbasis, zum Einsatz. Diese sehen meist den Einsatz einer oder mehrerer Kühlplatte vor, die mit den verwendeten elektrischen Energiespeichereinheiten in thermischem Kontakt stehen.
  • Zur Ableitung der entstehenden Wärme ist ein entsprechend guter thermischer Kontakt zwischen der Kühlplatte und den elektrischen Energiespeichereinheiten erforderlich. Dieser Kontakt kann aus unterschiedlichen Gründen für eine ausreichende Wärmeableitung unzureichend sein, beispielsweise hervorgerufen durch Alterung oder einen Herstellungsfehler.
  • Um einen entsprechenden Fehler rechtzeitig erkennen zu können, ist eine Diagnose der korrekten Funktionsweise des Thermomanagementsystems notwendig. Weiterhin ist eine Diagnose des Thermomanagementsystems im Rahmen gesetzlicher Anforderungen an die Borddiagnose erforderlich beziehungsweise wird in Zukunft erforderlich sein. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und Elektromotor samt elektrischem Energiespeicher ist eine Diagnose relevant, da hier das Thermomanagementsystem einen Einfluss auf die Abgasemissionen hat.
  • In der Druckschrift US 2016/0141894 wird ein elektrischer Energiespeicher beschrieben, wobei Temperaturen von Batteriezellen gemessen werden, um die Batteriezellen innerhalb ihrer Temperaturspezifikation zu betreiben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Offenbart wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs.
  • Dabei weist der elektrische Energiespeicher mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und mindestens eine Kühlplatte auf, die mit der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht. Innerhalb des Verfahrens wird ein zweiter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf einem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit berechnet.
  • Weiterhin wird ein dritter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit berechnet.
  • Weiterhin wird der Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem berechneten zweiten Temperaturwert und dem berechneten dritten Temperaturwert ermittelt, wobei der Zustand einen thermischen Defekt des Thermomanagementsystems umfasst.
  • Dies ist vorteilhaft, da der Zustand des Thermomanagementsystems direkt die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers und gegebenenfalls, beispielsweise bei einem Einbau in ein Hybrid-Fahrzeug, den Kohlenstoffdioxidausstoß beeinflusst. Somit können rechtzeitig geeignete Maßnahmen ergriffen werden beziehungsweise gegebenenfalls die gesetzlichen Erfordernisse erfüllt werden.
  • Insbesondere kann in den Berechnungen ein mathematisches Modell eingesetzt werden. Das mathematische Modell kann beispielsweise Differentialgleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zweckmäßigerweise wird der erste Temperaturwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dies ist vorteilhaft, wenn noch kein entsprechender Wert zur Verwendung in den genannten Verfahrensschritten vorliegt beziehungsweise ein aktuellerer Wert als der bereits vorliegende benötigt wird.
  • Zweckmäßigerweise wird zur Ermittlung des ersten Temperaturwertes ein Innenwiderstand der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit und ein Alterungszustand der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei der erste Temperaturwert in Abhängigkeit des Innenwiderstandes und des Alterungszustandes ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise nicht auf Daten eines Temperatursensors zur Ermittlung der Temperatur der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise ist häufig nicht auf allen elektrischen Energiespeichereinheiten eines elektrischen Energiespeichers ein Temperatursensor angebracht, um Kosten zu sparen. Mit dem offenbarten Verfahren ist somit in vorteilhafter Weise auch eine Temperaturermittlung und damit eine Verfahrensdurchführung für derartige elektrische Energiespeichereinheiten möglich.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt das Ermitteln des ersten Temperaturwertes mittels Messen durch einen Temperatursensor, wobei dieser bevorzugt an, auf oder in der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit angebracht ist. Dies ist vorteilhaft, da der so ermittelte Wert direkt zur Zustandsermittlung eingesetzt werden kann.
  • Zweckmäßigerweise wird zur Ermittlung des Zustandes des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit ein Kennwert der Effizienz des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit ermittelt, wobei der Kennwert dem berechneten zweiten Temperaturwert und dem berechneten Temperaturwert basiert. Weiterhin wird der ermittelte Kennwert mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen, um den Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zu ermitteln. Bei Unterschreiten des Schwellenwertes durch den ermittelten Kennwert kann dies als Vorliegen eines Defekts interpretiert werden. Dies ist vorteilhaft, da anhand des Kennwertes und des damit stattfindenden Vergleichs auf einfache Weise eine zuverlässige Aussage über den Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit gemacht werden kann. Beispielsweise kann der Schwellenwert so definiert werden, dass er für 50 Prozent der Kühlleistung steht. Wenn der ermittelte Kennwert diesen Schwellenwert unterschreitet, bedeutet dies, dass weniger als 50 Prozent der Kühlleistung des Thermomanagementsystems verfügbar sind. Im Allgemeinen wird der Schwellenwert von konkreten Anwendung abhängen und kann beispielsweise durch Simulationen ermittelt werden.
  • Zweckmäßigerweise wird eine Komponente des Thermomanagementsystems, welche die thermische Leistung des selbigen steuert, basierend auf dem ermittelten Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine Zelle angesteuert, um die Leistung, insbesondere die Wärmeabfuhr, des Thermomanagementsystems zu verändern, beispielsweise zu erhöhen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine in dem Thermomanagementsystem vorhandene Pumpe handeln. Dies ist vorteilhaft, da so bei einem eingeschränkten Zustand des Thermomanagementsystems, d.h. bei verringerter Leistungsfähigkeit des Thermomanagementsystems, eine Ansteuerung entsprechend angepasst wird, um die geringere Leistungsfähigkeit zumindest teilweise auszugleichen.
  • Zweckmäßigerweise werden für den elektrischen Energiespeicher mit mindestens einer ersten, einer zweiten und einer dritten elektrischen Energiespeichereinheit, die mit der mindestens einen Kühlplatte in thermischem Kontakt stehen, zumindest die Verfahrensschritte des Berechnens des zweiten und dritten Temperaturwertes und des Ermittelns des Zustandes des Thermomanagementsystems für jede der elektrischen Energiespeichereinheiten durchgeführt. Weiterhin erfolgt ein gegenseitiges Vergleichen der bei der Zustandsermittlung ermittelten Zustände des Thermomanagementsystems für jede der elektrischen Energiespeichereinheiten. In Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses erfolgt anschließend ein Eingrenzen des Zustandes des Thermomanagementsystems. Dies ist vorteilhaft, da durch das Eingrenzen des Zustandes eine genauere Aussage über einen möglichen Fehlerfall des Thermomanagementsystems möglich wird, was insbesondere Reparaturvorgänge durch eine genauere Diagnose vereinfacht und beschleunigt.
  • Zweckmäßigerweise werden zumindest die nachstehenden Fehlerfälle zur Eingrenzung des Zustandes des Thermomanagementsystems herangezogen. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts von einer der mindestens drei elektrischen Energiespeichereinheiten wird die thermische Anbindung der elektrischen Energiespeichereinheit an die Kühlplatte und damit der Zustand des Thermomanagementsystems für die entsprechende elektrische Energiespeichereinheit als fehlerhaft eingestuft. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts für alle der mindestens drei elektrischen Energiespeichereinheiten, die mit der mindestens einen Kühlplatte in thermischem Kontakt stehen, wird eine Kühlmittelzufuhr der mindestens einen Kühlplatte des Thermomanagementsystems als fehlerhaft eingestuft. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts für mehrere elektrische Energiespeichereinheiten, die hintereinander und/oder nebeneinander auf der Kühlplatte angeordnet sind, wird die Kühlplatte, die mit den mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in thermischem Kontakt steht, als fehlerhaft eingestuft. Dies ist vorteilhaft, da eine genauere Aussage über einen möglichen Fehlerfall des Thermomanagementsystems möglich wird, was insbesondere Reparaturvorgänge durch eine genauere Diagnose vereinfacht und beschleunigt. Weiterhin kann ein vorliegender Fehlerfall bei einer Regelung des Thermomanagementsystems berücksichtigt werden, was vorteilhaft ist, da dadurch gegebenenfalls ein zumindest teilweiser Ausgleich des Fehlers beziehungsweise ein Abschwächen seiner Auswirkungen ermöglicht wird.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und mindestens eine Kühlplatte aufweist, die mit der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht, wobei die Vorrichtung mindestens eine elektronische Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dies ist vorteilhaft, da durch die Vorrichtung die Vorteile des Verfahrens realisiert werden.
  • Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
  • Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit, wobei der Temperatursensor insbesondere auf, an oder in der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit angebracht ist. Dies ist vorteilhaft, da ein so ermittelte Temperaturwert direkt zur Zustandsermittlung eingesetzt werden kann.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung mindestens ein weiteres Erfassungsmittel, beispielsweise einen Stromsensor und/oder einen Spannungssensor.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrischer Energiespeicher, welcher die offenbarte Vorrichtung aufweist. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die oben genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die oben genannten Vorteile realisiert werden.
  • Weiterhin ist Gegenstand Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die oben genannten Vorteile realisiert werden können.
  • Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
  • Figurenliste
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 ein Schaubild eines Zusammenhangs zwischen einer Temperatur einer elektrischen Energiespeichereinheit und einem Innenwiderstand sowie einem Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit;
    • 3a eine schematische Darstellung eines Teils eines Thermomanagementsystems gemäß einer Ausführungsform;
    • 3b eine schematische Schnittdarstellung des Teils des Thermomanagementsystems gemäß der Ausführungsform;
    • 4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 5 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
    • 6 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
    • 7 eine schematische Darstellung von Temperaturentwicklungen, welche die Ermittlung des Zustandes des Thermomanagementsystems veranschaulichen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers eingesetzt. Der elektrische Energiespeicher weist dabei mindestens eine Kühlplatte und eine elektrische Energiespeichereinheit auf, wobei die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt mit der mindestens einen Kühlplatte steht. Dabei wird in einem ersten Schritt S11 ein zweiter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf einem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit berechnet. Somit ist insbesondere ein Temperaturwert für die elektrische Energiespeichereinheit zu einem zweiten Zeitpunkt bekannt.
  • In einem zweiten Schritt S12 wird ein dritter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit berechnet. Somit ist insbesondere ein dritter Temperaturwert für die elektrische Energiespeichereinheit bekannt.
  • In einem dritten Schritt S13 wird anschließend der Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zumindest basierend auf dem in dem ersten Schritt S11 berechneten zweiten Temperaturwert und dem in dem zweiten Schritt S12 berechneten dritten Temperaturwert ermittelt. Dabei umfasst der Zustand des Thermomanagementsystems einen Defekt des selbigen. Zusätzlich kann der ermittelte erste Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit in die Zustandsermittlung einfließen.
  • 2 zeigt ein Schaubild eines Zusammenhangs zwischen einer Temperatur T einer elektrischen Energiespeichereinheit und einem Innenwiderstand R sowie einem Alterungszustand der elektrischen Energiespeichereinheit. Dabei ist auf der Ordinatenachse die Temperatur T der elektrischen Energiespeichereinheit abgetragen und auf der Abszissenachse der Innenwiderstand R des elektrischen Energiespeichers. Es sind beispielhaft fünf Kurven 21, 22, 23, 24, 25 dargestellt, wobei jeder Kurve ein anderer Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers zugrunde liegt. Diese Zusammenhänge können beispielsweise in einem Datenspeicher, beispielsweise eines Steuergerätes, hinterlegt sein.
  • Um mittels eines Innenwiderstandswertes R1 und eines Alterungszustandswertes die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit zu ermitteln, werden diese beiden Werte zuerst ermittelt. Der Innenwiderstandswert R1 kann beispielsweise mittels Quotientenbildung von Spannungs- und Stromwerte bestimmt werden. Der Alterungszustand kann beispielsweise mittels Bezugnahme des so ermittelten Innenwiderstandswertes R1 auf einen Referenzinnenwiderstandswert, beispielsweise einer neuen elektrischen Energiespeichereinheit, ermittelt werden. Anhand des so ermittelten Alterungszustandes wird die entsprechende Kurve, in 2 beispielhaft die Kurve 23, ausgewählt. Anschließend wird mittels des Innenwiderstandswertes R1 eine Temperatur T1 der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Die Temperatur T1 kann anschließend beispielsweise in dem offenbarten Verfahren eingesetzt werden.
  • 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Thermomanagementsystems 300 gemäß einer Ausführungsform. Dabei ist das Thermomanagementsystems zur Temperierung dreier Module 331, 332, 333 von elektrischen Energiespeichereinheiten ausgelegt. Das dritte Module 333 umfasst dabei vier elektrische Energiespeichereinheiten 313, 314, 315 und 316, welche auf einer Kühlplatte 308 angeordnet sind und mit ihr in thermischem Kontakt stehen. Die Module 306, 307 und 308 sind dabei gleich aufgebaut. Das Thermomanagementsystems 300 weist dabei einen Zulauf 301 für Kühlflüssigkeit auf, wobei die Kühlflüssigkeit mittels eines Verteilers 305 und daran angebrachter Leitungen 302, 303, 304, beispielsweise Schläuche, auf die Kühlplatten 306, 307, 308 der Module 331, 332 und 333 verteilt wird. Nach dem Durchlaufen der Kühlplatten 306, 307, 308 wird die Kühlflüssigkeit durch entsprechende Leitungen 310, 311, 312 abgeleitet und in einer Einheit 320 wieder zusammengeführt und über einen Ablauf 309 dem weiteren Kreislauf zugeführt.
  • 3b zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Teils des Thermomanagementsystems gemäß der Ausführungsform. Dabei ist das dritte Modul 333 in Schnittdarstellung dargestellt. Die vier elektrischen Energiespeichereinheiten 313, 314, 315, 316 sind auf der Kühlplatte 308 angeordnet und stehen mit ihr in thermischem Kontakt. Dabei weist die elektrischen Energiespeichereinheit 314 eine erheblich schlechtere thermische Verbindung zur Kühlplatte auf, was in 4 durch die Defektstelle 317 schematisch gezeigt ist. Die Defektstelle 317 führt dazu, dass in oder an der elektrischen Energiespeichereinheit 314 entstehende Wärme schlechter an die Kühlplatte 308 abgeführt wird. Mittels des offenbarten Verfahrens kann der thermischer Defekt erkannt werden.
  • Zusätzlich können mit dem offenbarten Verfahren noch weitere Fehlerfälle identifiziert werden, wenn der Zustand der thermischen Verbindung jeder der elektrischen Energiespeichereinheiten 313, 314, 315, 316 bestimmt wird und ein Vergleich untereinander erfolgt. Beispielsweise ist bei Ermittlung eines Defekt nur an der elektrischen Energiespeichereinheit 314 mit sehr großer Wahrscheinlichkeit einzig die dortige thermische Anbindung Defekt und somit der Zustand des Thermomanagementsystems 300 nur an dieser elektrischen Energiespeichereinheit 314 fehlerhaft.
  • Wenn alternativ für alle der elektrischen Energiespeichereinheiten 313, 314, 315, 316, die mit der Kühlplatte 308 in thermischem Kontakt stehen, eine fehlerhafte thermische Anbindung festgestellt wird, dann liegt mit großer Wahrscheinlichkeit eine defekte Kühlmittelzufuhr des Thermomanagementsystems 300 vor.
  • Wenn alternativ nur für drei der vier elektrischen Energiespeichereinheiten 313, 314, 315, 316 jeweils ein thermischer Defekt vorliegt, dann liegt mit großer Wahrscheinlichkeit ein Defekt an der Kühlplatte vor. Der Defekt kann beispielsweise ein mechanischer Bruch der Kühlplatte sein, welcher die thermische Anbindung beeinflusst.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einer Kühlplatte, mit der die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht, eingesetzt. In einem ersten Schritt S41 wird ein erster Temperaturwert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, bevorzugt durch einen Temperatursensor, welcher auf, an oder in der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit angebracht ist.
  • In einem zweiten Schritt S42 wird ein zweiter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten T c e l l = ∫ t 1 t 2 Q ˙ h e a t + Q ˙ a i r + k ⋅ Q ˙ T h m m ⋅ c p d t + T 0
    Figure DE102018220045A1_0001
  • Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dies erfolgt mittels der Formel 1:
    • Dabei ist T0 der in dem ersten Schritt S41 ermittelte Temperaturwert, welcher zum Zeitpunkt t1, dem Startzeitpunkt der Integration, ermittelt wird. Q̇heat repräsentiert dabei Verlustwärme, welche in der Batterie aufgrund joulescher Verluste und chemischer Vorgänge entsteht. Q̇air repräsentiert den Wärmeaustausch mit der Luft und Q̇Thm repräsentiert den Wärmeaustausch mit dem Thermomanagementsystem. Diese Wärmekomponenten können mit Methoden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise aus der Wärmelehre oder Thermodynamik, ermittelt werden. Beispielsweise kann Q̇Thm = αThm · AThm · (TThm - Tcell) gesetzt werden. Dabei bezeichnet αThm · AThm einen Wärmeleitkoeffizienten, TThm die Temperatur der Kühlplatte beziehungsweise des Kühlmediums und TCell die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit. Da dabei TCell auf beiden Seiten des Gleichheitszeichen steht und das Integral typischerweise numerisch gelöst wird, wird die Temperatur TCell der elektrischen Energiespeichereinheit, die dann rechts des Gleichheitszeichens in der Formel 1 steht, mit einem Initialwert zum Zeitpunkt t1 initialisiert, hier beispielsweise mit dem Temperaturwert T0 , also dem Messwert zum Integrationsstart. Der Temperaturwert TCell auf der linken Seite des Gleichheitszeichens der Formel 1 wird dann mittels dieses Initialwertes berechnet und zwar für den in der numerischen Integration nächstfolgenden Zeitpunkt. Bei dem nächsten Integrationsschritt erfolgt dann die Verwendung des soeben berechneten Wert TCell auf der linken Seite des Gleichheitszeichens. So wird die Temperaturentwicklung der elektrischen Energiespeichereinheit, dargestellt durch Tcell, für den Zeitraum von t1 bis t2 rekursiv berechnet. k ist dabei ein Effizienzfaktor des Wärmeaustausches zwischen der elektrischen Energiespeichereinheit und dem Thermomanagementsystem und wird in dem zweiten Schritt S42 zu 1 gewählt, was die einwandfreie Funktion des Thermomanagementsystems kennzeichnet. Zum Zeitpunkt t2 liegt somit ein berechneter zweiter Temperaturwert Tcell,t2,2 vor.
  • In einem dritten Schritt S43 wird ein dritter Temperaturwert für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dies geschieht analog zu dem beim zweiten Schritt S42 beschriebenen Vorgehen, wobei in dem dritten Schritt S43 der Effizienzfaktor k zu 0 gewählt wird, also in der Berechnung ein Wärmeaustausch zwischen elektrischer Energiespeichereinheit und Thermomanagementsystem nicht vorkommt. Am Endes des Berechnungs- beziehungsweise Integrationszeitraumes liegt somit ein berechneter dritter Temperaturwert Tcell,t2,3 vor.
  • In einem vierten Schritt S44 wird ein Kennwert kcool der Effizienz des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit ermittelt gemäß k c o o l = T m a x − T m e s s T m a x − T m i n ,
    Figure DE102018220045A1_0002
    wobei Tmax = max(Tcell,t2,3,Tcell,t2,2) und Tmin = min(Tcell,t2,3,Tcell,t2,2) und Tmess die am Ende des Berechnungs- beziehungsweise Integrationszeitraumes ermittelte Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ist, welcher bevorzugt durch einen Temperatursensor, welcher auf, an oder in der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit angebracht ist, ermittelt wird.
  • In einem fünften Schritt S45 wird der in dem vierten Schritt S44 ermittelte Kennwert kcool mit einem Schwellenwert verglichen, um den Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zu ermitteln. Wird der Schwellenwert überschritten, liegt kein thermischer Defekt des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit vor, sondern das Thermomanagementsystem funktioniert zufriedenstellend. Wird der Schwellenwert unterschritten, liegt hingegen ein thermischer Defekt vor. Dies kann im Rahmen einer Onboard-Diagnose angezeigt werden, um gegebenenfalls das Thermomanagementsystem zu reparieren.
  • Die in dem Schritt S44 beschriebene Berechnung des Effizienzkennwertes kcool gilt bei eingeschalteter Kühlfunktion des Thermomanagementsystems. Alternativ wird der Effizienzkennwert kheat bei eingeschalteter Heizfunktion wie folgt berechnet: k h e a t = 1 − k c o o l .
    Figure DE102018220045A1_0003
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. Dabei wird das Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit mindestens einer ersten, einer zweiten und einer dritten elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einer Kühlplatte, mit der die mindestens eine erste, zweite und dritte elektrische Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt stehen, eingesetzt. Dabei werden die Verfahrensschritte S51, S52, S53, S54 und S55 jeweils für die erste, zweite und dritte elektrische Energiespeichereinheit durchgeführt. Sie entsprechen dabei jeweils den bei den Erläuterungen zu 4 beschriebenen Verfahrensschritte S41, S42, S43, S44 und S45.
  • In einem sechsten Schritt S56 wird überprüft, ob die Verfahrensschritte S51 bis S55 bereits für die mindestens drei elektrischen Energiespeichereinheiten durchlaufen wurden. Falls nein, wird mit Schritt S51 für die nächste elektrische Energiespeichereinheit fortgesetzt. Falls ja, folgt Schritt S57.
  • In dem siebten Schritt S57 werden die in dem fünften Schritt S55 ermittelten Zustände miteinander verglichen. Es wird somit verglichen, ob bei den elektrischen Energiespeichereinheiten ein thermischer Defekt vorliegt oder nicht. Dieser Vergleich kann beispielsweise ergeben, dass nur für eine der elektrischen Energiespeichereinheiten ein thermischer Defekt vorliegt.
  • In einem achten Schritt S58 wird das Vergleichsergebnis herangezogen, um den Zustand des Thermomanagementsystems insgesamt einzugrenzen beziehungsweise zu konkretisieren. Wenn beispielsweise nur bei einer der elektrischen Energiespeichereinheiten ein thermischer Defekt vorliegt, dann wird der Zustand der thermischen Anbindung und damit der Zustand des Thermomanagementsystems für die entsprechende elektrische Energiespeichereinheit als fehlerhaft eingestuft. Dies kann im Rahmen einer Onboard-Diagnose angezeigt werden, um gegebenenfalls gezielt die thermische Anbindung der entsprechenden elektrischen Energiespeichereinheit zu reparieren und somit die Reparatur zu vereinfachen.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 60 zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform. Dabei umfasst die Vorrichtung eine hier nicht dargestellte elektronische Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung ist insbesondere in ein den elektrischen Energiespeicher aufweisendes Fahrzeug eingebaut. Die Vorrichtung 60 ist eingerichtet, mit einem Thermomanagementsystem 61 zu kommunizieren, um diesem insbesondere Steuerbefehle zum Erhöhen oder Absenken seiner Leistung zu übermitteln. Weiterhin kann die Vorrichtung 60 hier nicht dargestellte Sensoren umfassen, um insbesondere elektrische Ströme, Spannungen und Temperaturen des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise dessen mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit zu erfassen. Alternativ können die Sensoren auch nur mittelbar mit der Vorrichtung 60 verbunden sein, ohne direkt zu ihr zu gehören, beispielsweise über eine kabelgebundene Verbindung.
  • Alternativ und in 6 nicht dargestellt, kann die Vorrichtung auch extern, d. h. außerhalb eines Fahrzeugs, vorhanden sein. Sie tauscht dann beispielsweise mit dem Fahrzeug, insbesondere einem Fahrzeugsteuergerät, Temperaturdaten aus. Somit kann eine Ermittlung des Zustandes des Thermomanagementsystems außerhalb des Fahrzeugs erfolgen und somit auch unabhängig von dessen Datenspeicherkapazität und Rechnerleistungsfähigkeit.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung von Temperaturentwicklungen, welche die Ermittlung des Zustandes des Thermomanagementsystems veranschaulichen und insbesondere die zu 4 gemachten Aussagen illustrieren. Auf der Ordinatenachse ist eine Temperatur T einer elektrischen Energiespeichereinheit abgetragen und auf der Abszissenachse eine Zeit t. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Ermittlung des Zustandes des Thermomanagementsystems gestartet und gleichzeitig das Thermomanagementsystem aktiviert. Dies kann beispielsweise bei einem Start eines Fahrzeugs erfolgen. Dabei wird ein Temperaturwert T0 der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, beispielsweise gemessen. kmin = 0 und kmax = 1 zeigen hier die beiden Extremfälle auf, dass keine Wärmeabfuhr durch das Thermomanagementsystem mehr möglich ist beziehungsweise dass die Wärmeabfuhr technisch bestmöglich funktioniert, siehe auch die Erläuterungen zu 4. Die Temperatur Tmess im konkreten Anwendungsfall ohne Fehler wird sich meist dazwischen einstellen, sodass der Effizienzkennwert entsprechend der oben gemachten Angaben ermittelt werden kann. Die Werte Tmax und Tmin sind somit berechnete Temperaturwerte, wohingegen der Temperaturwert Tmess die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit widerspiegelt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2016/0141894 [0006]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit und mindestens einer Kühlplatte, mit der die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht, umfassend die Schritte: a) Berechnen eines zweiten Temperaturwertes für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf einem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit; b) Berechnen eines dritten Temperaturwertes für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit basierend auf dem ermittelten ersten Temperaturwert der elektrischen Energiespeichereinheit; c) Ermitteln des Zustandes des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zumindest basierend auf dem berechneten zweiten Temperaturwert und dem berechneten dritten Temperaturwert, wobei der Zustand einen thermischen Defekt des Thermomanagementsystems umfasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: d) Ermitteln des ersten Temperaturwertes der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit zur Verwendung in den Schritten a) und b).
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei zur Ermittlung des ersten Temperaturwertes ein Innenwiderstandswert der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit und ein Alterungszustand der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden, wobei der erste Temperaturwert in Abhängigkeit des Innenwiderstandswertes und des Alterungszustandes ermittelt werden.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Ermitteln in Schritt d) mittels Messen durch einen insbesondere auf, an oder in der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit angebrachten Temperatursensor erfolgt.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt c) des Ermittelns des Zustandes des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit umfasst: e) Ermitteln eines Kennwertes der Effizienz des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit, wobei der Kennwert zumindest auf dem berechneten zweiten Temperaturwert und dem berechneten dritten Temperaturwert basiert; f) Vergleichen des ermittelten Kennwertes mit einem Schwellenwert, um den Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zu ermitteln.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: g) Ansteuern einer die thermische Leistung des Thermomanagementsystems steuernden Komponente des Thermomanagementsystems, insbesondere einer Pumpe, basierend auf dem ermittelten Zustand des Thermomanagementsystems für die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte elektrische Energiespeichereinheit aufweist, die mit der mindestens einen Kühlplatte in thermischem Kontakt stehen, wobei zumindest die Verfahrensschritte a), b) und c) für jede der drei elektrischen Energiespeichereinheiten ausgeführt werden, und der Schritt c) weiterhin umfasst: h) Gegenseitiges Vergleichen der in Schritt c) ermittelten Zustände des Thermomanagementsystems für jede der elektrischen Energiespeichereinheiten; i) In Abhängigkeit der Vergleichsergebnisse Eingrenzen des Zustandes des Thermoman agementsystems.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei zumindest einer der nachstehenden Fehlerfälle zur Eingrenzung herangezogen wird: i. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts von einer der mindestens drei elektrischen Energiespeichereinheiten Einstufen der thermischen Anbindung und damit des Zustandes des Thermomanagementsystems für die entsprechende elektrische Energiespeichereinheit als fehlerhaft; ii. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts für alle der mindestens drei elektrischen Energiespeichereinheiten, die mit der mindestens einen Kühlplatte in thermischem Kontakt stehen, Einstufen einer Kühlmittelzufuhr der mindestens einen Kühlplatte des Thermomanagementsystems als fehlerhaft; iii. Bei Vorliegen eines thermischen Defekts für mehrere elektrische Energiespeichereinheiten, die hintereinander und/oder nebeneinander auf der mindestens einen Kühlplatte angeordnet sind, Einstufen der Kühlplatte, die mit den mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in thermischem Kontakt steht, als fehlerhaft.
  9. Vorrichtung zur Ermittlung eines Zustandes eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und mindestens eine Kühlplatte aufweist, die mit der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt steht, wobei die Vorrichtung mindestens eine elektronische Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit.
  11. Elektrischer Energiespeicher, aufweisend eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10.
  12. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.
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