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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Energieverteilung eines Systems, ein System und ein Computerprogrammprodukt.
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Die
DE10357984B4 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer stationären Batteriespannung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer dritten Energieverteilung in einem System, wobei das System eine erste Anzahl an Komponenten umfasst, und wobei die Bestimmung in den Schritten erfolgt:
- a) Modellierung einer ersten Energieverteilung der ersten Anzahl an Komponenten, basierend auf den elektrischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten;
- b) Modellierung einer zweiten Energieverteilung der ersten Anzahl an Komponenten, basierend auf den thermischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten;
- c) Bestimmung der dritten Energieverteilung unter Berücksichtigung der ersten Energieverteilung und der zweiten Energieverteilung.
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Das erfindungsgemäße System umfasst vorzugsweise eine Batterie und einen Computer. Die erste Anzahl an Komponenten des Systems umfasst vorzugsweise einzelne Zellen der Batterie, und/oder die elektrische Kontaktierung der einzelnen Zellen der Batterie und/oder eine Kühleinrichtung der Batterie. Die Batterie wird vorzugsweise für ein vollständig und/oder teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeugs verwendet. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls anwendbar für andere Anwendungsbereiche, beispielsweise eine elektrische Maschine und oder andere elektrische Komponenten.
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Die dritte Energieverteilung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die jeweilige Temperatur von jeder Komponente der ersten Anzahl an Komponenten.
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Die zweite Energieverteilung umfasst die jeweilige Temperatur von jeder Komponente der ersten Anzahl an Komponenten, welche von den thermischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten abhängt. Zudem umfasst sind thermische Randbedingungen der ersten Anzahl an Komponenten.
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Die Modellierung der zweiten Energieverteilung der ersten Anzahl an Komponenten basiert auf den thermischen Eigenschaften der Komponenten. Diese umfassen vorzugsweise die thermischen Leitfähigkeiten der ersten Anzahl an Komponenten und/oder die Temperatur der Kühleinrichtung der Batterie.
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Die Modellierung der zweiten Energieverteilung erfolgt dabei vorzugsweise unter Berücksichtigung von komplexen mathematischen Modellen. Diese können analytischen Methoden, und/oder Berechnungsstrategien von thermischen Netzwerken, und/oder Finite-Elemente-Methoden und/oder anderen mathematischen Methoden beliebiger Komplexität berücksichtigen. Zudem ist eine Kombination einer oder mehrerer Methoden vorteilhaft. Dies ermöglicht eine Modellierung der zweiten Energieverteilung, welche genau mit einer tatsächlichen Energieverteilung der ersten Anzahl an Komponenten übereinstimmt. Genau bedeutet dabei, dass ein Fehler auf die tatsächliche Energieverteilung unterhalb einer Fehlergrenze liegt. Dabei ermöglicht ein Vergleich zwischen der zweiten Energieverteilung und einer Messung der Energieverteilung der ersten Anzahl an Komponenten die Ermittlung des Fehlers. Eine Erhöhung der Komplexität der mathematischen Modelle ermöglicht die Reduktion des Fehlers. Die Fehlergrenze ist vorzugsweise im Computer hinterlegt.
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Die Modellierung der zweiten Energieverteilung ist rechenintensiv, und kann, je nach betrachteter Konfiguration der ersten Anzahl an Komponenten, mehrere Stunden Rechenzeit des Computers in Anspruch nehmen. Daher ist es vorteilhaft die Modellierung offline durchzuführen. Offline bedeutet dabei, nicht während des Betriebs der Batterie und/oder nicht während der Bestimmung der dritten Energieverteilung. Vorzugsweise erfolgt die Modellierung der ersten Energieverteilung vor einer ersten Inbetriebnahme der Batterie und/oder während der Herstellung der Batterie.
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Die erste Energieverteilung umfasst die elektrischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten. Insbesondere auch umfasst sind energetische Randbedingungen, wie die thermische Energie von Komponenten und/oder räumlich begrenzten Teilen von Komponenten aus der ersten Anzahl von Komponenten.
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Die Modellierung der ersten Energieverteilung ist weniger rechenintensiv als die Modellierung der zweiten Energieverteilung, und wird vorzugsweise innerhalb einer Rechenzeit von etwa 1 ms bis 100 Sekunden durchgeführt. Dies ermöglicht eine Modellierung der ersten Energieverteilung online, also während des Betriebs der Batterie und/oder während der Bestimmung der dritten Energieverteilung.
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Unter Berücksichtigung der ersten Energieverteilung und der zweiten Energieverteilung erfolgt die Bestimmung der dritten Energieverteilung. Bei vorhandener Modellierung der zweiten Energieverteilung erfolgt eine Berechnung der dritten Energieverteilung ebenfalls vorzugsweise innerhalb einer Rechenzeit von etwa 1 ms bis 100 s. Damit wird auch die Berechnung der dritten Energieverteilung online ermöglicht. Eine schnelle Berechnung der dritten Energieverteilung ist auch für offline Berechnungen vorteilhaft. Zusätzlich ermöglicht die Berücksichtigung der ersten und der zweiten Energieverteilung einen kleinen Fehler auf die tatsächliche Energieverteilung, was die praktische Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht. Eine genaue und schnelle Bestimmung der dritten Energieverteilung ermöglicht, dass beispielsweise Temperaturen von der ersten Anzahl an Komponenten oberhalb und/oder unterhalb von Grenztemperaturen verhindern werden, was die Lebendsauer der ersten Anzahl an Komponenten erhöht. Die Grenztemperaturen sind vorzugsweise so gewählt, dass Schäden an der ersten Anzahl an Komponenten vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße System umfasst vorzugsweise eine Batterie und einen Computer, und wobei der Computer eingerichtet ist für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst ein Programm das, wenn es von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlasst, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße System umfasst vorzugsweise das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt, wobei der Computer Zugriff auf das Computerprogrammprodukt hat, und eingerichtet ist, das Programm des Computerprogrammproduktes auszuführen.
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Dies ermöglicht es dem Computer, online eine genaue Bestimmung der dritten Energieverteilung vorzunehmen. Dies ermöglicht vorzugsweise eine schnelle Modellierung der Batterietemperatur derart, dass beispielsweise Temperaturen von der ersten Anzahl an Komponenten für eine Vielzahl an Fällen vorhergesagt werden können. Die Strategie zum Betrieb der Batterie und/oder der Aufbau der Batterie können nachfolgend derart geändert werden, dass die Temperaturen von der ersten Anzahl an Komponenten oberhalb von Grenztemperaturen im Betrieb verhindert werden. Zudem ermöglicht eine genaue Bestimmung der dritten Energieverteilung dem Computer, eine Steuerung der Batterie derart, dass beispielsweise Temperaturen von der ersten Anzahl an Komponenten oberhalb von Grenztemperaturen verhindert werden, was die Lebendsauer der ersten Anzahl an Komponenten erhöht. Die Grenztemperaturen sind vorzugsweise im Computer hinterlegt und so gewählt, dass sie unterhalb von Temperaturen liegen, die Schäden an der ersten Anzahl an Komponenten verursachen.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes System 4 umfassend eine erste Anzahl an Komponenten 5, einen Computer 6 und ein Computerprogrammprodukt 7
- 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein System 4 umfassend eine erste Anzahl an Komponenten 5. Die erste Anzahl an Komponenten 5 umfasst die Zellen der Batterie 10 und eine Kühleinrichtung 9. Der Computer 6 umfasst ein Computerprogrammprodukt 7, welches dem Computer die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Zudem steuert der Computer die erste Anzahl an Komponenten 5, was eine Steuerung der Batterie 10 ermöglicht.
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Gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 der ersten Anzahl an Komponenten 5 in den Schritten:
- a) Modellierung einer ersten Energieverteilung 1 der ersten Anzahl an Komponenten 5, basierend auf den elektrischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten 5;
- b) Modellierung einer zweiten Energieverteilung 2 der ersten Anzahl an Komponenten, basierend auf den thermischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten 5;
- c) Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 unter Berücksichtigung der ersten Energieverteilung 1 und der zweiten Energieverteilung 2.
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Dabei erfolgt die Modellierung der ersten Energieverteilung 1 und der zweiten Energieverteilung 2, sowie die Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 durch den Computer 6. Der Computer 6 ist in diesem Aufführungsbeispiel ebenfalls eingerichtet für das Auslesen von Temperatursensoren, die Temperaturen der ersten Anzahl an Komponenten 5 messen.
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Zudem umfasst die erste Anzahl an Komponenten 5 die Zellen einer Batterie 10 und eine Kühleinrichtung 9.
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Die Kühleinrichtung 9 ist so angeordnet, dass mindestens eine Komponente der ersten Anzahl an Komponenten 5 und/oder mindestens eine Zelle der Batterie 10 mindestens teilweise an die Kühleinrichtung 9 direkt angrenzt. Zudem umfasst die Kühleinrichtung 9 ein Kühlmittel, welches geeignet ist, eine Wärmemenge von der Komponente der ersten Anzahl an Komponenten 5 aufzunehmen, und so eine Kühlung der Komponente zu ermöglichen.
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Dadurch wird eine Temperatur der Kühleinrichtung 9 bei der Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 berücksichtigt. Eine niedrigere Temperatur der Kühleinrichtung 9 ergibt eine niedrigere Temperatur der Komponente aus der ersten Anzahl an Komponenten 5. Die Berücksichtigung der Temperatur der Kühleinrichtung 9 erfolgt in der Modellierung der ersten Energieverteilung. Diese wird innerhalb etwa 1 ms bis 100 s online durchgeführt. Dies ermöglicht kürzere Rechenzeit für die Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 und/oder einen genauere Bestimmung der dritten Energieverteilung 3.
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Zudem werden für die erste Energieverteilung 1 und/oder die zweite Energieverteilung 2 dynamische Energieänderungen berücksichtigt.
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Dynamische Energieänderungen sind dabei Energieflüsse zur ersten Anzahl an Komponenten 5. Diese treten beispielsweise bei einem Leistungsfluss zu den Zellen der Batterie 10 auf. Die Berücksichtigung der ersten Energieverteilung erfolgt innerhalb einer Rechenzeit von etwa 1 ms bis 100 s. Zusätzlich wird die zweite Energieverteilung berücksichtigt. Diese erfolgt ebenfalls innerhalb etwa 1 ms bis 100 s. Da nur eine Modellierung der ersten Energieverteilung 1 erfolgt, wird eine Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 innerhalb von etwa 1 ms bis 100 s ermöglicht.
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Zudem werden die elektrischen Eigenschaften der ersten Anzahl der Komponenten und/oder die thermischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten durch ein erstes und/oder ein zweites Kennfeld dargestellt.
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Das erste und/oder das zweite Kennfeld werden dabei auf dem Computerprogrammprodukt 7 hinterlegt. Durch das erste Kennfeld und/oder das zweite Kennfeld wird eine schnelle Modellierung der dritten Energieverteilung ermöglicht. Diese erfolgt innerhalb von 1 ms bis 100 s, wodurch die Modellierung online, also beispielsweise während des Betriebs der Batterie erfolgen kann.
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Zudem werden für die Modellierung der ersten Energieverteilung 1 temperaturabhängige elektrische Widerstände der ersten Anzahl an Komponenten 5, und/oder ein externer Leistungsfluss zu der ersten Anzahl an Komponenten 5, und/oder eine räumliche und/oder elektrische Anordnung der ersten Anzahl an Komponenten 5 berücksichtigt.
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Die elektrischen Widerstände werden dabei an den realen Komponenten gemessen und/oder durch beispielsweise analytische und/oder numerische Modelle simuliert. Die Simulation erfolgt vorzugsweise durch den Computer 6.
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Der externe elektrische Leistungsfluss ist hier ein realer Leistungsfluss von Zellen der Batterie 10. Der Leistungsfluss ist positiv oder negativ. Ein positiver Leistungsfluss umfasst dabei eine Leistung, welche zu Zellen der Batterie 10 transferiert wird. Ein negativer Leistungsfluss beschreibt einen Leistungstransfer aus Zellen der Batterie 10 heraus.
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Die räumliche Anordnung umfasst beispielweise den Abstand zwischen einzelnen Komponenten der ersten Anzahl an Komponenten 5 und/oder der elektrischen Verschaltung der ersten Anzahl an Komponenten 5. Die räumliche und/oder elektrische Anordnung hat dabei Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der ersten Anzahl an Komponenten 5. Die elektrischen Eigenschaften hängen dabei von Ladezuständen und/oder dem Alter der Zellen der Batterie 10 ab.
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Die elektrischen Widerstände und/oder der externe Leistungsfluss und/oder die räumliche und/oder elektrische Anordnung sind dabei relevant für die Modellierung der ersten Energieverteilung 1 beispielsweise durch numerische oder analytische Modelle. Dadurch werden eine genauere Bestimmung der dritten Energieverteilung 3 und eine längere Lebensdauer der ersten Anzahl an Komponenten 5 und der Batterie 10 ermöglicht.
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Zudem werden für die zweite Energieverteilung 2 thermische Leitfähigkeiten und/oder thermische Kapazitäten der ersten Anzahl an Komponenten 5 berücksichtigt werden.
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Die thermischen Leitfähigkeiten ergeben sich für die jeweilige Komponente der ersten Anzahl aus Komponenten 5, und werden beispielsweise durch Messungen und/oder unter Berücksichtigung von mathematischen Modellen und/oder Simulationen ermittelt. Es werden zudem die thermischen Leitfähigkeiten zwischen Komponenten aus der ersten Anzahl an Komponenten 5 berücksichtigt. Dadurch werden eine genauere Bestimmung der zweiten Energieverteilung 2, der dritten Energieverteilung 3 und eine längere Lebensdauer der ersten Anzahl an Komponenten 5 und der Batterie 10 ermöglicht.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird für die dritte Energieverteilung 3 ein gewichteter Mittelwert aus der ersten Energieverteilung 1 und/oder zweiten Energieverteilung 2 berücksichtigt.
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Die Gewichtung erfolgt dabei vorzugsweise aus der ersten Energieverteilung 1. Eine Gewichtung der ersten Energieverteilung 1 erfolgt gegenüber der zweiten Energieverteilung 2 für die Bestimmung der dritten Energieverteilung 3. Zudem wird eine Rückkopplug der Ergebnisse aus der dritten Energieverteilung 3 für die erste Energieverteilung 1 durchgeführt. Dadurch reduziert dich der Fehler auf die erste Energieverteilung 1 und damit auf die dritte Energieverteilung 3. Durch die Berücksichtigung der Modellierung der zweiten Energieverteilung 2, wobei die Modellierung offline durchgeführt wird, und für die daher mehr Rechenzeit zur Verfügung steht, wird ein kleiner Fehler auf die Modellierung der dritten Energieverteilung 3 ermöglicht, bei geringer Rechenzeit. Diese geringe Rechenzeit erlaubt eine online Modellierung der dritten Energieverteilung 3.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden für die zweite Energieverteilung 2 eine Modellierung des zeitlichen Verlaufs der Energien der ersten Anzahl an Komponenten 5 berücksichtigt. Der zeitliche Verlauf wird dabei durch eine Summe von Exponentialfunktionen modelliert. Diese Modellierung ist wenig rechenintensiv und erlaubt eine kurze Rechenzeit für die dritte Energieverteilung 3.
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Dadurch werden eine genauere und/oder schnellere Bestimmung der zweiten Energieverteilung 2, der dritten Energieverteilung 3 und eine längere Lebensdauer der ersten Anzahl an Komponenten 5 und der Batterie 10 ermöglicht.
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Zudem umfasst die dritte Energieverteilung 3 eine gemittelte erste Temperatur für die erste Anzahl an Komponenten 5, und/oder eine zweite Temperatur einer ersten Komponente der ersten Anzahl an Komponenten 5 und/oder eine dritte Temperatur in einem räumlich begrenzten Teil einer Komponente der ersten Anzahl an Komponenten 5.
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Die gemittelte erste Temperatur ist dabei eine Temperatur, welche über mehrere Komponenten der ersten Anzahl an Komponenten 5 gemittelt ist. Ebenfalls kann die Mittelung über räumlich begrenzte Teile einer Komponente erfolgen, so dass sich für diesen Fall eine Temperatur für die Komponente ergibt, welche beispielsweise auf einem Mittelwert mehrerer räumlich begrenzter Teile dieser Komponente basiert.
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Dies ermöglicht die Bestimmung der Temperatur beispielsweise von einzelnen Komponenten und/oder räumlich begrenzten Teilen der einzelnen Komponenten. Die Bestimmung wird vorzugweise von dem Computer 6 durchgeführt. Die Bestimmung der Temperatur einer Komponente und/oder eines räumlich begrenzten Teils einer Komponente, ermöglicht dem Computer 6 beispielsweise die Batterie 10 derart zu steuern, dass ein Grenzwert für die Temperatur der Komponente und/oder den räumlich begrenzten Teil einer Komponente nicht überschritten wird. Die Grenztemperatur ist dabei so gewählt, dass thermische bedingte Schäden an der Komponente vermindert und/oder vermieden werden. Somit wird eine Erhöhung der Lebensdauer der Komponente ermöglicht.
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Zudem wird eine schnelle und umfassende Modellierung einer Vielzahl von Fällen ermöglicht. Die Strategie zum Betrieb der Batterie und/oder der Aufbau der Batterie können nachfolgend derart geändert werden, dass Überschreitungen und/oder Unterschreitungen von Grenztemperaturen nicht mehr zu erwarten sind. Zudem wird die Bestimmung der Temperatur einer Komponente und/oder eines räumlich begrenzten Teils einer Komponente ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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