DE102019125237A1 - Method for determining a temperature distribution along a battery, observation device and battery - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang einer Batterie (10), welche eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund (12) miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen (14) umfasst, wobei für eine jeweilige Batteriezelle (14) der Batterie (10) ein Temperatursensor (16) zum Erfassen von Temperaturwerten (34) an einer der jeweiligen Batteriezelle (14) zugeordneten Messposition (18) bereitgestellt ist, wobei ausgehend von einem jeweils aktuellen und/oder einem jeweiligen vergangenen erfassten Temperaturwert (34) mit Hilfe einer vorbestimmten Schätzvorschrift (30) ein tatsächlicher Zelltemperaturwert (40) an einer von der Messposition (18) verschiedenen fiktiven Messposition (23) der jeweiligen Batteriezelle (14) geschätzt wird, wobei die Schätzvorschrift (30) zumindest einen von einer Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle (14) innerhalb des Zellverbunds (12) abhängigen thermischen Einflussparameter bei der Schätzung des tatsächlichen Zelltemperaturwerts (40) berücksichtigt, wobei anhand der jeweiligen tatsächlichen Zelltemperaturwerte (40) der Vielzahl an Batteriezellen (14) die tatsächliche Temperaturverteilung entlang der Batterie (10) bestimmt wird.The invention relates to a method for determining an actual temperature distribution along a battery (10), which comprises a plurality of battery cells (14) electrically interconnected to form a cell assembly (12) and thermally coupled to one another, wherein for a respective battery cell (14) of the battery (10) a temperature sensor (16) for detecting temperature values (34) is provided at a measuring position (18) assigned to the respective battery cell (14), with the aid of a current and / or a respective past temperature value (34) an actual cell temperature value (40) at a fictitious measuring position (23) of the respective battery cell (14) different from the measuring position (18) is estimated according to a predetermined estimation rule (30), the estimation rule (30) at least one of an installation position of the respective battery cell ( 14) within the cell network (12) dependent thermal influence pa parameters are taken into account when estimating the actual cell temperature value (40), the actual temperature distribution along the battery (10) being determined based on the respective actual cell temperature values (40) of the plurality of battery cells (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperaturverteilung entlang einer Batterie. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Beobachtungsvorrichtung zum Bestimmen einer Temperaturverteilung entlang einer Batterie und eine Batterie, umfassend eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen, mit einer solchen Beobachtungsvorrichtung.The invention relates to a method for determining a temperature distribution along a battery. The invention also relates to an observation device for determining a temperature distribution along a battery and a battery, comprising a multiplicity of battery cells electrically interconnected to form a cell assembly and thermally coupled to one another, with such an observation device.

Eine Batterie im Sinne der Erfindung ist bevorzugt eine sogenannte Hochvoltbatterie, wie sie beispielsweise in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen (kurz Elektrofahrzeuge) als elektrischer Energiespeicher zum Bereitstellen elektrischer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Eine solche Batterie umfasst in der Regel eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, welche zu einem jeweiligen Zellverbund elektrisch miteinander verschaltet sind. Ist eine solche Batteriezelle mit einer eigenen Leistungselektronik und/oder eigenen elektrischen Schaltelementen und/oder Sensoren ausgestattet, so wird sie auch als intelligente Zelle oder Smartcell bezeichnet.A battery within the meaning of the invention is preferably a so-called high-voltage battery, such as is used, for example, in at least partially electrically driven motor vehicles or hybrid vehicles (electric vehicles for short) as an electrical energy store for providing electrical drive energy for the motor vehicle. Such a battery generally comprises a multiplicity of individual battery cells, which are electrically connected to one another to form a respective cell assembly. If such a battery cell is equipped with its own power electronics and / or its own electrical switching elements and / or sensors, it is also referred to as an intelligent cell or smart cell.

Zur Überprüfung oder Überwachung eines aktuellen Ladezustands (SOC - State of Charge) oder eines aktuellen Gesundheitszustands (SOH - State of Health) der Batterie und/oder einzelner Batteriezellen der Batterie ist typischerweise ein sogenanntes Batteriemanagementsystem (BMS) vorgesehen. Das BMS ist in der Regel dazu ausgebildet, Zustandsbestimmungsverfahren und/oder Zustandsschätzverfahren für die Batterie durchzuführen, die zumeist auf einem dynamischen Modell der Batterie oder auf einem digitalen Zwilling der Batterie beruhen. Damit der digitale Zwilling über die gesamte Lebensdauer der Batterie ein möglichst genaues Abbild der Batterie bereitstellen kann, ist es von Vorteil, eine möglichst genaue Kenntnis von denjenigen Parametern zu haben, die Alterungsprozesse der Batterie und/oder der Batteriezellen maßgeblich beeinflussen. Ein wichtiger solcher Parameter ist eine jeweilige Zelltemperatur der Batteriezellen. Die Zelltemperatur beeinflusst bekanntermaßen auch die Impedanz, also den Wechselstromwiderstand der jeweiligen Batteriezelle.A so-called battery management system (BMS) is typically provided for checking or monitoring a current state of charge (SOC) or a current state of health (SOH) of the battery and / or individual battery cells of the battery. The BMS is generally designed to carry out status determination methods and / or status estimation methods for the battery, which are mostly based on a dynamic model of the battery or on a digital twin of the battery. In order for the digital twin to be able to provide an image of the battery that is as accurate as possible over the entire service life of the battery, it is advantageous to have as precise a knowledge as possible of those parameters that significantly influence the aging processes of the battery and / or the battery cells. An important such parameter is the respective cell temperature of the battery cells. As is known, the cell temperature also influences the impedance, i.e. the AC resistance of the respective battery cell.

Grundsätzlich ist das zellindividuelle Monitoring von einzelnen Batteriezellen einer Batterie bekannt.Cell-specific monitoring of individual battery cells in a battery is known in principle.

In diesem Zusammenhang beschreibt zum Beispiel die DE 10 2017 218 588 A1 ein Verfahren zur Detektion kritischer Betriebszustände in Lithium-Ionen-Zellen, wobei entweder eine Messeinheit pro Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen pro Messeinheit vorgesehen sind.In this context, for example, describes the DE 10 2017 218 588 A1 a method for the detection of critical operating states in lithium-ion cells, with either one measuring unit per battery cell or several battery cells per measuring unit being provided.

Mit ähnlichem Ziel beschreibt die DE 10 2012 208 509 A1 eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Batteriezelle. Die Vorrichtung umfasst einen Kraftsensor und/oder einen Gasdrucksensor, welche innerhalb eines Batteriezellengehäuses angeordnet sind.The DE 10 2012 208 509 A1 a device for determining a state variable of a battery cell. The device comprises a force sensor and / or a gas pressure sensor, which are arranged within a battery cell housing.

Die EP 2 295 282 A2 beschreibt, wie mittels einer Datenkommunikation zwischen einem Mikrocomputer und einer jeweiligen Batteriezelle einer Batterie eine Identitätsüberprüfung einer jeweiligen Batteriezelle durchgeführt werden kann.The EP 2 295 282 A2 describes how an identity check of a respective battery cell can be carried out by means of data communication between a microcomputer and a respective battery cell of a battery.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur zellindividuellen Überwachung von Batterien ist es, dass die jeweils zellindividuell erfassten Parameterwerte, insbesondere zellindividuell erfasste Temperaturwerte, keine tatsächlichen Werte wiedergeben, weil sie nicht tatsächlich im Inneren einer Batteriezelle erfasst werden. Diese Werte bilden also lediglich Näherungswerte. Werden diese Näherungswerte in den oben genannten Batteriemodellen als Berechnungsgrundlage genutzt, geht die näherungsbedingte Ungenauigkeit in eine jeweilige Zustandsberechnung der Batterie in nachteiliger Weise mit ein. Eine Möglichkeit, hier Abhilfe zu schaffen, wäre es, einen jeweiligen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor, im Inneren eines jeweiligen Batteriezellengehäuses, insbesondere direkt thermisch gekoppelt mit einem jeweiligen Zellwickel einer jeweiligen galvanischen Zelle der Batteriezelle, anzuordnen. Nachteilig hierbei wären ein großer konstruktiver Aufwand, sowie eine hohe Fehleranfälligkeit einer solchen Batteriezelle. Ein so angeordneter Temperatursensor wäre nämlich permanent einer hohen elektrochemischen Belastung im Inneren der galvanischen Zelle ausgesetzt. Ein damit einhergehender hoher Verschleiß eines solchen Sensors würde zu erhöhten Ausfällen und erhöhten Produktionskosten führen.The disadvantage of the known methods and devices for cell-specific monitoring of batteries is that the parameter values recorded for each cell, in particular temperature values recorded for each cell, do not reflect actual values because they are not actually recorded inside a battery cell. These values are therefore only approximate values. If these approximate values are used as a basis for calculation in the above-mentioned battery models, the approximation-related inaccuracy is disadvantageously included in a respective state calculation of the battery. One possibility to remedy this would be to arrange a respective sensor, in particular a temperature sensor, in the interior of a respective battery cell housing, in particular directly thermally coupled to a respective cell coil of a respective galvanic cell of the battery cell. Disadvantages in this case would be a great structural effort and a high susceptibility to failure of such a battery cell. A temperature sensor arranged in this way would namely be permanently exposed to a high electrochemical load inside the galvanic cell. The associated high wear of such a sensor would lead to increased failures and increased production costs.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, zuverlässige Aussagen bezüglich tatsächlicher Zelltemperaturwerte für jeweilige Batteriezellen einer Batterie unabhängig von einer jeweiligen Messposition eines jeweiligen Temperatursensors bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing reliable statements with regard to actual cell temperature values for respective battery cells of a battery independently of a respective measurement position of a respective temperature sensor.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Batteriezellen einer Batterie der eingangs beschriebenen Art thermisch miteinander gekoppelt sind.The invention is based on the knowledge that the battery cells of a battery of the type described at the outset are thermally coupled to one another.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous further developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang einer Batterie bereitgestellt. Die Batterie umfasst eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen. Erfindungsgemäß ist für eine jeweilige Batteriezelle der Batterie ein Temperatursensor zum Erfassen eines jeweils aktuellen Temperaturwerts an einer der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Messposition bereitgestellt. Mit anderen Worten weist die jeweilige Batteriezelle einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Batteriezelle auf. Der Temperatursensor erfasst den jeweils aktuellen Temperaturwert an der Position oder Messposition, an der er sich befindet. Dies kann beispielsweise eine leicht zugängliche Position in einem Außenbereich, beispielweise an einem Deckel der jeweiligen Batteriezelle sein.The invention provides a method for determining an actual temperature distribution along a battery. The battery comprises a multiplicity of battery cells that are electrically interconnected to form a cell assembly and thermally coupled to one another. According to the invention, a temperature sensor is provided for a respective battery cell of the battery for detecting a respective current temperature value at a measuring position assigned to the respective battery cell. In other words, the respective battery cell has a temperature sensor for detecting a temperature of the battery cell. The temperature sensor records the current temperature value at the position or measuring position at which it is located. This can be, for example, an easily accessible position in an outside area, for example on a cover of the respective battery cell.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ausgehend von dem jeweils aktuellen und/oder einem jeweiligen vergangenen erfassten Temperaturwert mithilfe einer vorbestimmten Schätzvorschrift ein tatsächlicher Zelltemperaturwert an einer von der Messposition verschiedenen fiktiven Messposition der jeweiligen Batteriezelle geschätzt wird. Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, ausgehend von dem durch den Temperatursensor erfassten Temperaturwert, welcher lediglich einem Näherungswert entspricht, einen tatsächlichen Zelltemperaturwert an einer fiktiven Messposition der jeweiligen Batteriezelle, beispielsweise an einer Position im Inneren der galvanischen Zelle, zu schätzen.The method according to the invention provides that, based on the respective current and / or a respective past recorded temperature value, an actual cell temperature value is estimated at a fictitious measuring position of the respective battery cell different from the measuring position with the aid of a predetermined estimation rule. In other words, the method according to the invention provides, based on the temperature value detected by the temperature sensor, which only corresponds to an approximate value, to estimate an actual cell temperature value at a fictitious measurement position of the respective battery cell, for example at a position inside the galvanic cell.

Erfindungsgemäß berücksichtigt die Schätzvorschrift hierzu zumindest einen von einer Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle innerhalb des Zellverbunds abhängigen thermischen Einflussparameter. Da die Batteriezellen des Zellverbunds, wie oben erwähnt, thermisch miteinander gekoppelt sind, sieht oder erfasst ein jeweiliger Temperatursensor ein Temperaturmischsignal, welches sich aus dem tatsächlichen Zelltemperaturwert derjenigen Batteriezelle, zu der der jeweilige Temperatursensor zugeordnet ist, und weiteren thermischen Einflussparametern zusammensetzt. Die thermischen Einflussparameter, welche auf einen jeweiligen Temperatursensor einwirken, hängen dabei maßgeblich von der Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle innerhalb des Zellverbunds ab. Eine Batteriezelle kann sich beispielsweise an einem äußeren Rand eines Zellverbunds befinden oder in einer zentralen Einbauposition verbaut sein (also ringsum von anderen Batteriezellen umgeben sein) oder beispielsweise in der Nähe eines Temperierkörpers angeordnet sein. Mit anderen Worten ist eine jeweilige Batteriezelle einer solchen Batterie je nach ihrer Einbauposition anders thermisch beeinflusst. Entsprechend ist ein jeweiliger aktueller Temperaturwert einer jeweiligen Batteriezelle je nach ihrer Einbauposition unterschiedlich thermisch beeinflusst oder verfälscht. Da die erfindungsgemäße Schätzvorschrift eine jeweilige Einbauposition und die thermische Kopplung zwischen den einzelnen Batteriezellen berücksichtigt, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ein Herausfiltern oder Herausrechnen eines tatsächlichen Zelltemperaturwerts einer jeweiligen Batteriezelle aus dem erfassten Temperaturmischsignal. Anhand der jeweiligen tatsächlichen Zelltemperaturwerte der Vielzahl an Batteriezellen wird erfindungsgemäß die tatsächliche Temperaturverteilung entlang der Batterie bestimmt.According to the invention, the estimation rule takes into account at least one thermal influencing parameter that is dependent on an installation position of the respective battery cell within the cell assembly. Since the battery cells of the cell assembly are thermally coupled to one another, as mentioned above, a respective temperature sensor sees or records a mixed temperature signal, which is composed of the actual cell temperature value of the battery cell to which the respective temperature sensor is assigned and other thermal influencing parameters. The thermal influencing parameters that act on a respective temperature sensor depend largely on the installation position of the respective battery cell within the cell assembly. A battery cell can, for example, be located on an outer edge of a cell assembly or be installed in a central installation position (that is, surrounded all around by other battery cells) or, for example, be arranged in the vicinity of a temperature control body. In other words, a respective battery cell of such a battery is thermally influenced differently depending on its installation position. Correspondingly, a respective current temperature value of a respective battery cell is thermally influenced or falsified differently depending on its installation position. Since the estimation rule according to the invention takes into account a respective installation position and the thermal coupling between the individual battery cells, the method according to the invention advantageously allows an actual cell temperature value of a respective battery cell to be filtered out or calculated from the detected mixed temperature signal. The actual temperature distribution along the battery is determined according to the invention on the basis of the respective actual cell temperature values of the multiplicity of battery cells.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein jeweiliger tatsächlicher Zelltemperaturwert von ihn überlagernden und einbaupositionsabhängigen thermischen Einflussgrößen oder Einflussparametern befreit werden kann. Mit anderen Worten kann aus einem aktuellen erfassten Temperaturwert, welcher einem Temperaturmischsignal entspricht, ein jeweils tatsächlicher Zelltemperaturwert herausgefiltert oder herausgearbeitet werden.The invention has the advantage that a respective actual cell temperature value can be freed from superimposed and installation position-dependent thermal influencing variables or influencing parameters. In other words, an actual cell temperature value can be filtered out or worked out from a current recorded temperature value, which corresponds to a mixed temperature signal.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Schätzvorschrift als thermischen Einflussparameter zumindest einen weiteren jeweils aktuellen und/oder einen weiteren jeweils vergangenen Temperaturwert an zumindest einer weiteren Messposition berücksichtigt, die einer weiteren Batteriezelle des Zellverbunds zugeordnet ist. Mit anderen Worten berücksichtigt die Schätzvorschrift zum Schätzen oder Ermitteln oder Herausfiltern des tatsächlichen Zelltemperaturwerts aus dem oben genannten Temperaturmischsignal als thermischen Einflussparameter einen aktuellen und/oder zumindest einen vergangenen Temperaturwert, welcher an zumindest einer weiteren Messposition der Batterie erfasst wird und/oder wurde, die einer weiteren Batteriezelle des Zellverbunds zugeordnet ist (Sensordatenfusion). Durch die oben genannte thermische Kopplung der einzelnen Batteriezellen des Zellverbunds beeinflussen sich die jeweiligen Zelltemperaturen gegenseitig. Liegt beispielsweise eine außergewöhnlich warme Batteriezelle benachbart zu einer Batteriezelle mit einer normalen Temperatur, so wird der Temperaturwert, welcher durch den Temperatursensor der normal temperierten Batteriezelle erfasst wird, durch den erhöhten Nachbarwert beeinflusst. Er wird also verfälscht und als erhöhter Temperaturwert erfasst. Berücksichtigt nun die Schätzvorschrift den erhöhten Nachbarwert beziehungsweise seinen Einfluss auf den an der normal temperierten Batteriezelle erfassten Temperaturwert, so kann der zu einer erhöhten und verfälschten Angabe führende Nachbarwert von dem Temperaturwert der normal temperierten Batteriezelle abgezogen werden. Hierzu werden die durch die jeweiligen Temperatursensoren der benachbarten Batteriezellen erfassten Temperaturwerte von der Schätzvorschrift quasi fusioniert.One embodiment provides that the estimation rule takes into account as a thermal influencing parameter at least one further current and / or one further previous temperature value at at least one further measurement position that is assigned to a further battery cell of the cell assembly. In other words, the estimation rule for estimating or determining or filtering out the actual cell temperature value from the above-mentioned mixed temperature signal takes into account as a thermal influencing parameter a current and / or at least one past temperature value that is and / or has been recorded at at least one further measurement position of the battery is assigned to another battery cell of the cell network (sensor data fusion). Due to the above-mentioned thermal coupling of the individual battery cells of the cell network, the respective cell temperatures influence each other. If, for example, an exceptionally warm battery cell is adjacent to a battery cell with a normal temperature, the temperature value that is detected by the temperature sensor of the normal temperature battery cell is influenced by the increased neighboring value. It is thus falsified and recorded as an increased temperature value. If the estimation rule now takes into account the increased neighboring value or its influence on the temperature value recorded on the normally temperature-controlled battery cell, then the neighboring value leading to an increased and falsified information can be subtracted from the temperature value of the normally temperature-controlled battery cell. For this purpose, the temperature sensors of the neighboring Battery cells, as it were, fused the temperature values recorded by the estimation rule.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird zum Durchführen des beschriebenen Schätzverfahrens zusätzlich oder alternativ als thermischer Einflussparameter ein thermischer Widerstand zwischen der jeweiligen Batteriezelle und der zumindest einen weiteren Batteriezelle des Zellverbunds berücksichtigt. Mit anderen Worten berücksichtigt die Schätzvorschrift, zu welchem Grad die Batteriezellen thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Grad der Kopplung beschreibt, wie stark sich die Temperaturwerte benachbarter Batteriezellen überhaupt beeinflussen können. Ist der thermische Widerstand zwischen den benachbarten Batteriezellen klein, so wird die gegenseitige Beeinflussung groß sein, sind die beiden Batteriezellen jedoch gegeneinander verhältnismäßig gut thermisch isoliert (großer thermischer Widerstand zwischen den Batteriezellen), so wird die gegenseitige thermische Beeinflussung der Batteriezellen geringer ausfallen. Die erfindungsgemäße Schätzvorschrift sieht in der hier beschriebenen Ausführungsform also eine Berücksichtigung des Ausmaßes der thermischen Kopplung zwischen den Batteriezellen vor. Zudem gibt die thermische Kopplung an, wie sehr die mittels des zelleigenen Temperatursensors gemessene Wärme (gemessen als Temperaturwert) sich in der Batteriezelle staut, woraus ein Rückschluss auf den Zelltemperaturwert gegeben ist. Je geringer die thermische Kopplung zwischen den Batteriezellen ist, desto ähnlicher sind der Temperaturwert des zelleigenen Temperatursensors und die Zelltemperatur.According to an advantageous development, a thermal resistance between the respective battery cell and the at least one further battery cell of the cell assembly is additionally or alternatively taken into account as a thermal influencing parameter in order to carry out the described estimation method. In other words, the estimation rule takes into account the degree to which the battery cells are thermally coupled to one another. The degree of coupling describes how strongly the temperature values of neighboring battery cells can influence each other. If the thermal resistance between the neighboring battery cells is small, the mutual influence will be high, but if the two battery cells are relatively well insulated from one another (high thermal resistance between the battery cells), the mutual thermal influence of the battery cells will be less. In the embodiment described here, the estimation rule according to the invention therefore provides for the extent of the thermal coupling between the battery cells to be taken into account. In addition, the thermal coupling indicates how much the heat measured by the cell's own temperature sensor (measured as a temperature value) accumulates in the battery cell, from which a conclusion can be drawn about the cell temperature value. The lower the thermal coupling between the battery cells, the more similar the temperature value of the cell's own temperature sensor and the cell temperature are.

Je nachdem, an welcher Stelle sich die der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Messposition befindet, können noch weitere Bauteile oder Komponenten mit den ihnen eigenen thermischen Widerständen von der Schätzvorschrift berücksichtigt werden. So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Messposition sich an einem jeweiligen Spannungsabgriff oder Pol der jeweiligen Batteriezelle befindet und die Schätzvorschrift als thermischen Einflussparameter einen thermischen Widerstand des Spannungsabgriffs berücksichtigt. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist es, dass der Spannungsabgriff einer jeweiligen Batteriezelle gut thermisch mit einer jeweiligen galvanischen Zelle, insbesondere mit dem Zellwickel, gekoppelt ist. Der an dem Spannungsabgriff erfasst Temperaturwert oder Näherungswert weist also eine nur geringe Abweichung von dem tatsächlichen Temperaturwert an der fiktiven Messposition Zellwickel auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Schätzvorschrift als thermischen Einflussparameter auch eine thermische Kapazität des Zellwickels der jeweiligen Batteriezelle berücksichtigen.Depending on the point at which the measurement position assigned to the respective battery cell is located, further parts or components with their own thermal resistances can be taken into account by the estimation rule. An advantageous embodiment provides that the measurement position assigned to the respective battery cell is located at a respective voltage tap or pole of the respective battery cell and the estimation rule takes into account a thermal resistance of the voltage tap as a thermal influencing parameter. It is particularly advantageous in this embodiment that the voltage tap of a respective battery cell is well thermally coupled to a respective galvanic cell, in particular to the cell coil. The temperature value or approximate value detected at the voltage tap thus only deviates slightly from the actual temperature value at the fictitious measuring position of the cell roll. Additionally or alternatively, the estimation rule can also take into account a thermal capacity of the cell coil of the respective battery cell as a thermal influencing parameter.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform berücksichtigt die Schätzvorschrift als thermischen Einflussparameter einen thermischen Verlust der jeweiligen Batteriezelle an ein in einem thermisch mit der jeweiligen Batteriezelle gekoppelten Temperierkörper angeordnetes Temperiermittel. Bekanntermaßen ist es von Vorteil, die Batteriezellen einer Batterie der eingangs beschriebenen Art mithilfe eines Temperiermittels auf einer bevorzugten Betriebstemperatur zu halten. Je nach Bauweise einer jeweiligen Batterie kann hierbei beispielsweise ein plattenförmiger Temperierkörper vorgesehen sein, welcher sich entlang einer Seite der Batterie erstreckt. Ein solcher Temperierkörper ist gleichmäßig an alle Batteriezellen der Batterie thermisch gekoppelt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein jeweiliges Temperiermittel in einer Temperierschleife oder einem Temperierschlauch angeordnet ist, welcher sich entlang der Batterie in Schlingen angeordnet befindet. Dementsprechend weist eine solche Batteriezelle, welche sich in der Nähe einer solchen Schlinge befindet, einen größeren thermischen Verlust gegenüber dem Temperiermittel auf, als eine Batteriezelle, welche einen größeren Abstand zu einer jeweiligen Schlinge des Temperierkörpers aufweist. In vorteilhafter Weise berücksichtigt die erfindungsgemäße Schätzvorschrift auch diesen räumlichen Zusammenhang.According to a further advantageous embodiment, the estimation rule takes into account, as a thermal influencing parameter, a thermal loss of the respective battery cell to a temperature control means arranged in a temperature control element that is thermally coupled to the respective battery cell. As is known, it is advantageous to keep the battery cells of a battery of the type described at the outset at a preferred operating temperature with the aid of a temperature control medium. Depending on the design of a respective battery, a plate-shaped temperature control body can be provided, for example, which extends along one side of the battery. Such a temperature control element is thermally coupled uniformly to all battery cells of the battery. However, it can also be provided that a respective temperature control means is arranged in a temperature control loop or a temperature control hose, which is arranged in loops along the battery. Accordingly, such a battery cell which is located in the vicinity of such a loop has a greater thermal loss compared to the temperature control means than a battery cell which is at a greater distance from a respective loop of the temperature control body. The estimation rule according to the invention advantageously also takes this spatial relationship into account.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt der Einbezug der Widerstandselemente und/oder Kapazitätselemente als thermische Einflussparameter in Form ihrer Implementierung als ein thermisches Ersatzschaltbild der Batterie. Mit anderen Worten ist die Schätzvorschrift als ein thermisches Ersatzschaltbild implementiert, welches Widerstandselemente und/oder Kapazitätselemente als thermische Einflussparameter zu einem Netzwerk verschaltet aufweist. Die Verschaltung bildet dabei die thermische Kopplung der Batteriezellen innerhalb des Zellverbunds ab. Mit anderen Worten bildet die Schätzvorschrift ein thermisches Ersatzschaltbild oder ein thermisches Modell oder einen thermischen digitalen Zwilling der jeweiligen Batterie. Ein solches thermisches Ersatzschaltbild stellt eine vorteilhafte Übersichtlichkeit der erfindungsgemäßen Schätzvorschrift dar. Das thermische Ersatzschaltbild ist bevorzugt um weitere Widerstands- und/oder Kapazitätselemente erweiterbar. Eine nähere Erläuterung hierzu findet im weiteren Verlauf statt.According to an advantageous embodiment, the resistance elements and / or capacitance elements are included as thermal influencing parameters in the form of their implementation as a thermal equivalent circuit diagram of the battery. In other words, the estimation rule is implemented as a thermal equivalent circuit diagram, which has resistance elements and / or capacitance elements connected as thermal influencing parameters to form a network. The interconnection forms the thermal coupling of the battery cells within the cell assembly. In other words, the estimation rule forms a thermal equivalent circuit diagram or a thermal model or a thermal digital twin of the respective battery. Such a thermal equivalent circuit diagram represents an advantageous clarity of the estimation rule according to the invention. The thermal equivalent circuit diagram can preferably be expanded to include further resistance and / or capacitance elements. A more detailed explanation of this takes place in the further course.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die fiktive Messposition jeweils in einem Zellwickel der jeweiligen Batteriezelle verortet. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schätzvorschrift ermöglicht also in vorteilhafter Weise die Abschätzung einer tatsächlichen Zellwickeltemperatur. Da die Zellwickeltemperatur einer jeweiligen Batteriezelle einer Batterie bevorzugt dazu genutzt wird, ein Modell der Batterie zu parametrieren, ist es besonders vorteilhaft, die Zellwickeltemperatur mit einer hohen Genauigkeit schätzen zu können.According to an advantageous development, the fictitious measurement position is located in a cell coil of the respective battery cell. The use of the estimation rule according to the invention therefore advantageously enables an actual cell winding temperature to be estimated. Since the cell winding temperature of a respective battery cell of a battery is preferably used to parameterize a model of the battery, it is particularly advantageous to to be able to estimate the cell winding temperature with a high degree of accuracy.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Beobachtungsvorrichtung zum Bestimmen einer tatsächlichen Temperaturverteilung für eine Batterie, wobei die Batterie eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen umfasst, wobei für eine jeweilige Batteriezelle der Batterie ein Temperatursensor zum Erfassen eines jeweils aktuellen Temperaturwerts an einer der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Messposition bereitgestellt ist. Die erfindungsgemäße Beobachtungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, ausgehend von dem jeweils aktuellen und/oder einem jeweiligen vergangenen erfassten Temperaturwert mithilfe einer vorbestimmten Schätzvorschrift, welche zumindest einen von einer Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle innerhalb des Zellverbunds abhängigen thermischen Einflussparameter berücksichtigt, einen tatsächlichen Zelltemperaturwert an einer von der Messposition verschiedenen fiktiven Messposition der jeweiligen Batteriezelle zu schätzen und anhand der jeweiligen tatsächlichen Zelltemperaturwerte der Vielzahl an Batteriezellen die tatsächliche Temperaturverteilung entlang der Batterie zu bestimmen. Die Beobachtungsvorrichtung kann beispielsweise einen Mikroprozessor oder Mikrochip umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, die Temperaturwerte von den jeweiligen Temperatursensoren zu empfangen und die erfindungsgemäße Schätzvorschrift auszuführen. Ein solcher Mikroprozessor kann bevorzugt in die Leistungselektronik der Batterie integriert sein. Die Übermittlung der jeweiligen Temperaturwerte von den Temperatursensoren kann dabei kabelgebunden oder aber auch über eine Funkverbindung erfolgen. Die Schätzvorschrift kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms oder einer Software-Anwendung vorliegen und/oder auf dem Mikroprozessor installiert sein. Bevorzugt weist die Beobachtungsvorrichtung eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI - Graphical User Interface) auf. Mittels der grafischen Benutzerschnittstelle kann beispielsweise die als ein thermisches Ersatzschaltbild implementierte Schätzvorschrift visualisiert werden. In grundsätzlich bekannter Art und Weise können mittels der grafischen Benutzeroberfläche Widerstandselemente und/oder Kapazitätselemente dem thermischen Ersatzschaltbild hinzugefügt und/oder aus diesem entfernt werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders nutzerfreundliche und komfortable Bedienung der Beobachtungsvorrichtung.The invention also relates to an observation device for determining an actual temperature distribution for a battery, the battery comprising a plurality of battery cells electrically interconnected to form a cell assembly and thermally coupled to one another, with a temperature sensor for detecting a current temperature value for each battery cell of the battery is provided at a measurement position assigned to the respective battery cell. The observation device according to the invention is designed to use a predetermined estimation rule, which takes into account at least one thermal influencing parameter dependent on an installation position of the respective battery cell within the cell network, an actual cell temperature value at one of the measuring position, based on the current and / or a respective past recorded temperature value to estimate various fictitious measurement positions of the respective battery cell and to determine the actual temperature distribution along the battery based on the respective actual cell temperature values of the plurality of battery cells. The observation device can for example comprise a microprocessor or microchip which is designed to receive the temperature values from the respective temperature sensors and to execute the estimation rule according to the invention. Such a microprocessor can preferably be integrated into the power electronics of the battery. The transmission of the respective temperature values from the temperature sensors can take place via a cable or via a radio link. The estimation rule can, for example, be in the form of a computer program or a software application and / or be installed on the microprocessor. The observation device preferably has a graphical user interface (GUI). By means of the graphical user interface, for example, the estimation rule implemented as a thermal equivalent circuit diagram can be visualized. In a basically known manner, resistance elements and / or capacitance elements can be added to and / or removed from the thermal equivalent circuit diagram by means of the graphical user interface. This results in a particularly user-friendly and comfortable operation of the observation device.

Die Erfindung betrifft auch eine Batterie mit einer Beobachtungsvorrichtung und einer Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen. Für eine jeweilige Batteriezelle der Batterie ist ein Temperatursensor zum Erfassen eines jeweils aktuellen Temperaturwerts an einer der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Messposition bereitgestellt, und die Beobachtungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, zur Bestimmung einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang der Batterie das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.The invention also relates to a battery with an observation device and a plurality of battery cells electrically interconnected to form a cell assembly and thermally coupled to one another. For a respective battery cell of the battery, a temperature sensor is provided for detecting a respective current temperature value at a measurement position assigned to the respective battery cell, and the monitoring device is designed to carry out the method according to the invention to determine an actual temperature distribution along the battery.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie und einer Beobachtungsvorrichtung.In addition, the invention also includes a motor vehicle with a battery according to the invention and an observation device.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Beobachtungsvorrichtung, der erfindungsgemäßen Batterie und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Beobachtungsvorrichtung, der erfindungsgemäßen Batterie und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the observation device according to the invention, the battery according to the invention and the motor vehicle according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the observation device according to the invention, the battery according to the invention and the motor vehicle according to the invention are not described again here.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit Batteriezellen und einer Beobachtungsvorrichtung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer als thermisches Ersatzschaltbild implementierten Schätzvorschrift;
  • 3 eine schematische Darstellung der thermischen Beeinflussung einer jeweiligen Batteriezelle durch ihr benachbarte Batteriezellen; und
  • 4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie und einer Beobachtungsvorrichtung.
Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:
  • 1 a schematic representation of a battery with battery cells and an observation device;
  • 2 a schematic representation of an estimation rule implemented as a thermal equivalent circuit diagram;
  • 3rd a schematic representation of the thermal influence of a respective battery cell by its neighboring battery cells; and
  • 4th a schematic representation of a motor vehicle with a battery and an observation device.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described Embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10. Die Batterie 10 umfasst eine Vielzahl von miteinander zu einem Zellverbund 12 elektrisch verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen 14. Eine jeweilige Batteriezelle 14 weist einen Temperatursensor 16 zum Erfassen eines jeweils aktuellen Temperaturwerts 34 (siehe 2) an einer der jeweiligen Batteriezelle 14 zugeordneten Messposition 18 auf. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine jeweilige Messposition 18 in der Nähe eines jeweiligen elektrischen Spannungsabgriffs 20 einer jeweiligen Batteriezelle 14 angeordnet. Jede der Batteriezellen 14 der 1 weist darüber hinaus einen Zellwickel 22 auf. Innerhalb eines jeden Zellwickels 22 ist für jede Batteriezelle 14 eine jeweilige fiktive Messposition 23 angeordnet. Darüber hinaus weist die Batterie 10 der 1 einen Temperierkörper 24 auf. Der Temperierkörper 24 ist thermisch mit den Batteriezellen 14 gekoppelt und von einem Temperiermittel 26 durchströmt. Eine Beobachtungsvorrichtung 28 kann beispielsweise als Teil eines Batteriemanagementsystems der Batterie 10 als Teil der Leistungselektronik der Batterie 10 in die Batterie 10 integriert sein. Die Beobachtungsvorrichtung 28 kann beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikrochip umfassen, auf dem eine Schätzvorschrift 30, beispielsweise in Form eines thermischen Ersatzschaltbilds 32 (siehe 2), gespeichert oder installiert sein kann. 1 shows a schematic representation of a battery 10 . The battery 10 comprises a plurality of interconnected to form a cell composite 12th electrically interconnected and thermally coupled battery cells 14th . A respective battery cell 14th has a temperature sensor 16 for recording a current temperature value 34 (please refer 2 ) on one of the respective battery cells 14th assigned measuring position 18th on. In the in 1 The embodiment shown is a respective measurement position 18th in the vicinity of a respective electrical voltage tap 20th a respective battery cell 14th arranged. Each of the battery cells 14th of the 1 also has a cell roll 22nd on. Inside each cell roll 22nd is for each battery cell 14th a respective fictitious measuring position 23 arranged. It also has the battery 10 of the 1 a temperature control element 24 on. The temperature control element 24 is thermal with the battery cells 14th coupled and by a temperature control medium 26th flows through. An observation device 28 can for example as part of a battery management system of the battery 10 as part of the battery's power electronics 10 into the battery 10 be integrated. The observation device 28 can for example comprise a microcontroller or microchip on which an estimation rule 30th , for example in the form of a thermal equivalent circuit diagram 32 (please refer 2 ), saved or installed.

Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit der 1 bezeichneten und beschriebenen Komponenten stellt 2 eine schematische Darstellung der als thermisches Ersatzschaltbild 32 implementierten Schätzvorschrift 30 dar. Das thermische Ersatzschaltbild 32 der 2 zeigt beispielhaft und schematisch zwei einander benachbart angeordnete Batteriezellen 14. Neben den aktuell erfassten Temperaturwerten 34 zeigt das thermische Ersatzschaltbild 32 der 2 als thermische Einflussparameter einen jeweiligen thermischen Widerstand 36 eines jeweiligen Spannungsabgriffs 20, einen thermischen Widerstand 38 der Zellwände der beiden Batteriezellen 14, einen tatsächlichen Zelltemperaturwert 40 eines jeweiligen Zellwickels 22 einer jeweiligen Batteriezelle 14 sowie eine jeweilige thermische Kapazität 42 eines jeweiligen Zellwickels 22. Die genannten thermischen Einflussparameter sind in dem thermischen Ersatzschaltbild 32 der 2 zu einem Netzwerk verschaltet, wobei die Verschaltung die thermische Kopplung der Batteriezellen 14 innerhalb des Zellverbunds 12 nachbildet.With reference to those relating to the 1 designated and described components 2 a schematic representation of the thermal equivalent circuit diagram 32 implemented estimation rule 30th The thermal equivalent circuit diagram 32 of the 2 shows by way of example and schematically two battery cells arranged adjacent to one another 14th . In addition to the currently recorded temperature values 34 shows the thermal equivalent circuit diagram 32 of the 2 a respective thermal resistance as the thermal influencing parameter 36 of a respective voltage tap 20th , a thermal resistance 38 the cell walls of the two battery cells 14th , an actual cell temperature value 40 of a respective cell roll 22nd a respective battery cell 14th as well as a respective thermal capacity 42 of a respective cell roll 22nd . The thermal influencing parameters mentioned are in the thermal equivalent circuit diagram 32 of the 2 interconnected to form a network, the interconnection being the thermal coupling of the battery cells 14th within the cell network 12th replicates.

Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den 1 und 2 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt die 3 eine beispielhafte Temperaturverteilung in einem Zellverbund 12 einer Batterie 10. Der in der 3 dargestellte Zellverbund 12 umfasst beispielhaft sieben Batteriezellen 14. Dargestellt ist das Prinzip der Fusion jeweils aktueller Temperaturwerte 34, jeweils gemessen an einer der sieben Batteriezellen 14. Die 3 zeigt anschaulich, wie der an der vierten der Batteriezellen 14 (Zelle 4) gemessene erhöhte Einzelwert oder Temperaturwert 34 (4) die Temperaturwerte an den ihr benachbarten Batteriezellen 14 (Zellen 1 bis 3 und Zellen 5 bis 7) beeinflusst. Die Beeinflussung erfolgt gemäß der zwischen den Batteriezellen 14 angeordneten und auf den thermischen Übertrag einwirkenden thermischen Widerstandselemente 36, 38 und Kapazitätselemente 42. Da eine genaue Kenntnis dieser thermischen Widerstandselemente 36, 38 und Kapazitätselemente 42 vorliegt und entsprechend in dem thermischen Ersatzschaltbild 32 hinterlegt ist, kann deren Einfluss auf die sich jeweils zellindividuell einstellenden Temperaturwerte oder Temperaturmischsignale herausgerechnet werden.With reference to those relating to the 1 and 2 designated and described components shows the 3rd an exemplary temperature distribution in a cell network 12th a battery 10 . The Indian 3rd Cell composite shown 12th includes, for example, seven battery cells 14th . The principle of the fusion of current temperature values is shown 34 , each measured on one of the seven battery cells 14th . The 3rd clearly shows how the one on the fourth of the battery cells 14th (Cell 4th ) measured increased single value or temperature value 34 (4) the temperature values on the battery cells adjacent to it 14th (Cells 1 to 3rd and cells 5 to 7th ) influences. The influence takes place according to that between the battery cells 14th arranged and acting on the thermal transfer thermal resistance elements 36 , 38 and capacity elements 42 . Because a precise knowledge of these thermal resistance elements 36 , 38 and capacity elements 42 is present and accordingly in the thermal equivalent circuit diagram 32 is stored, their influence on the temperature values or temperature mixing signals that are set individually for each cell can be calculated out.

4 zeigt nun unter Bezugnahme auf die vorangehend beschriebenen und benannten Komponenten ein Kraftfahrzeug 44 mit einer Batterie 10 und einer die Schätzvorschrift 30 aufweisenden Beobachtungsvorrichtung 28. 4th shows a motor vehicle with reference to the components described and named above 44 with a battery 10 and one the estimation rule 30th having observation device 28 .

In heutigen Lithium-Ionen-Batteriesystemen oder Batterien 10 wird die Temperatur nur an wenigen Stellen oder Messpositionen 18 im System oder an der Batterie 10 gemessen, beispielsweise an 3 Stellen innerhalb eines Batteriemoduls oder Zellverbunds 12. Die genaue Temperatur einer einzelnen Batteriezelle 14 oder der tatsächliche Zelltemperaturwert 40 der einzelnen Batteriezelle 14 ist somit unbekannt.In today's lithium-ion battery systems or batteries 10 the temperature is only at a few points or measuring positions 18th in the system or on the battery 10 measured, for example at 3 points within a battery module or cell network 12th . The exact temperature of a single battery cell 14th or the actual cell temperature value 40 of the individual battery cell 14th is therefore unknown.

Zum Betrieb der Batterie 10 werden bevorzugt Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt, welche Sicherheitsfunktionen und Zustandsschätzverfahren beinhalten. Zu den Sicherheitsfunktionen zählt beispielsweise die Überprüfung der Einhaltung sämtlicher Grenzwerte der Spannung oder Temperatur. Die Zustandsschätzverfahren dienen beispielsweise der Bestimmung des aktuellen Ladezustands (SOC) oder Gesundheitszustands (SOH) der Batterie 10. Sie beruhen häufig auf Batteriemodellen, deren Parameter wiederum abhängig sind von der Temperatur der Batteriezellen 14. So verändert sich beispielsweise die Impedanz einer Batteriezelle 14 abhängig von der Wickeltemperatur oder Temperatur des Zellwickels 22, also der Temperatur im Inneren der Batteriezelle 14 oder an einer fiktiven Messposition 23 im Inneren der Batteriezelle 14.To operate the battery 10 Battery management systems (BMS) are preferred, which contain safety functions and status estimation methods. The safety functions include, for example, checking compliance with all voltage or temperature limit values. The state estimation methods are used, for example, to determine the current state of charge (SOC) or state of health (SOH) of the battery 10 . They are often based on battery models, the parameters of which in turn depend on the temperature of the battery cells 14th . For example, the impedance of a battery cell changes 14th depending on the winding temperature or the temperature of the cell winding 22nd , i.e. the temperature inside the battery cell 14th or at a fictitious measuring position 23 inside the battery cell 14th .

In nachteiliger Weise können durch bekannte Temperaturmessverfahren für Batterien 10 oder Batteriesysteme die tatsächlichen Temperaturen oder die tatsächlichen Zelltemperaturwerte 40 der Batteriezellen 14 nur grob abgeschätzt werden. Dementsprechend weisen Funktionen im BMS Ungenauigkeiten auf, welche auf den temperaturabhängigen Parametern eines Batteriemodells beruhen. Dies kann die Bestimmung des SOC ebenso sein, wie das Nachverfolgen der Zellalterung, welche ebenfalls stark temperaturabhängig ist.Known temperature measurement methods for batteries 10 or battery systems the actual temperatures or the actual cell temperature values 40 of the battery cells 14th can only be roughly estimated. Accordingly, functions in the BMS have inaccuracies that are based on the temperature-dependent parameters of a battery model. This can be the determination of the SOC as well as the tracking of cell aging, which is also strongly temperature-dependent.

In einer konkreten Ausführungsform der Erfindung ist eine jeweilige Batteriezelle 14 als eine intelligente Zelle oder Smartcell ausgestaltet, in der elektronische Komponenten integriert sind. Dadurch kann in der jeweiligen Batteriezelle 14 die Temperatur zellindividuell erfasst werden. Bevorzugt kann in der Nähe des Batteriepols oder Spannungsabgriffs 20 der Batteriezelle 14 ein Temperatursensor verbaut sein, da der Spannungsabgriff 20 thermisch gut mit dem Zellwickel 22 gekoppelt ist.In a specific embodiment of the invention, there is a respective battery cell 14th designed as an intelligent cell or smart cell in which electronic components are integrated. This allows in the respective battery cell 14th the temperature can be recorded individually for each cell. Preferably near the battery pole or voltage tap 20th the battery cell 14th a temperature sensor must be installed, as the voltage tap 20th thermally good with the cell wrap 22nd is coupled.

Gemäß der konkreten Ausführungsform können die Batteriezellen 14, welche im Batteriemodul oder Zellverbund 12 miteinander thermisch verbunden oder gekoppelt sind, über ein thermisches Modell oder ein thermisches Ersatzschaltbild 32 miteinander verknüpft werden. Dieses Modell berücksichtigt beispielsweise die thermischen Kapazitäten der Komponenten und die thermischen Übergangswiderstände zwischen ihnen. Dadurch ist es möglich, die Messwerte der Zelltemperaturen miteinander zu fusionieren und die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter zu steigern. Weiterhin dient das thermische Modell dazu, die Temperatur des Zellwickels 22 auf Basis der zur Verfügung stehenden Messdaten zu erhalten.According to the specific embodiment, the battery cells 14th , which are in the battery module or cell network 12th are thermally connected or coupled to one another, via a thermal model or a thermal equivalent circuit diagram 32 linked together. This model takes into account, for example, the thermal capacities of the components and the thermal contact resistances between them. This makes it possible to merge the measured values of the cell temperatures with one another and to further increase the accuracy of the temperature measurement. The thermal model also serves to measure the temperature of the cell roll 22nd based on the available measurement data.

Das beschriebene Verfahren ermöglicht im Allgemeinen eine bessere Kenntnis der Zelltemperaturen und im Besonderen die der Zellwickel 22. Realisiert wird dies durch die Einbringung von Temperatursensoren auf Zellebene zum einen und durch die Fusion der Messdaten über ein thermisches Modell zum anderen. Schätzverfahren, welche auf der Temperatur beruhen oder Modelle, welche die Temperatur beinhalten, können so eine höhere Genauigkeit erreichen, was eine verbesserte Steuerung des Batteriesystems insgesamt bedeuten kann.The method described generally enables better knowledge of the cell temperatures and, in particular, that of the cell rolls 22nd . This is achieved by introducing temperature sensors at cell level on the one hand and by merging the measurement data via a thermal model on the other. Estimation methods that are based on the temperature or models that contain the temperature can thus achieve a higher degree of accuracy, which can mean improved control of the battery system as a whole.

Eine konkrete Ausführungsform der Erfindung sieht also vor, dass an jeder Batteriezelle 14, z.B. in der Nähe eines Pols oder Spannungsabgriffs 20 die Temperatur erfasst wird, über ein thermisches Ersatzschaltbild 32 die Messwerte der in einem Modul oder Zellverbund 12 verbauten Batteriezellen 14 bzw. deren Sensoren, insbesondere deren Temperatursensoren, miteinander verknüpft werden, die Messwerte fusioniert werden und die Wärmeverteilung im Batteriemodul ermittelt wird.A specific embodiment of the invention therefore provides that on each battery cell 14th , e.g. near a pole or a voltage tap 20th the temperature is recorded using a thermal equivalent circuit diagram 32 the measured values in a module or cell network 12th built-in battery cells 14th or their sensors, in particular their temperature sensors, are linked to one another, the measured values are merged and the heat distribution in the battery module is determined.

Über das thermische Modell können auch die Temperaturen der Zellwickel 22 ermittelt werden, welche für das elektrochemische Zellverhalten von großer Bedeutung sind. Bevorzugt werden die Zellwickeltemperaturen genutzt, um Batteriemodelle des BMS abhängig von der Zellwickeltemperatur zu parametrieren.The temperatures of the cell rolls can also be obtained from the thermal model 22nd can be determined which are of great importance for the electrochemical cell behavior. The cell winding temperatures are preferably used to parameterize the BMS battery models depending on the cell winding temperature.

Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele wie durch eine modellbasierte Schätzung und Fusion von erfassten Temperaturwerten von Batteriezellen, insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen in einem Modul, tatsächliche Temperaturwerte der Batteriezellen, insbesondere der Zellwickel, bereitgestellt werden können.Overall, the exemplary embodiments show how actual temperature values of the battery cells, in particular the cell coils, can be provided by a model-based estimation and fusion of recorded temperature values of battery cells, in particular of lithium-ion cells in a module.

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Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang einer Batterie (10), welche eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund (12) miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen (14) umfasst, wobei für die jeweilige Batteriezelle (14) ein Temperatursensor (16) zum Erfassen von Temperaturwerten (34) an einer der jeweiligen Batteriezelle (14) zugeordneten Messposition (18) bereitgestellt ist, wobei ausgehend von einem jeweils aktuellen und/oder einem jeweiligen vergangenen erfassten Temperaturwert (34) mit Hilfe einer vorbestimmten Schätzvorschrift (30) ein tatsächlicher Zelltemperaturwert (40) an einer von der Messposition (18) verschiedenen fiktiven Messposition (23) der jeweiligen Batteriezelle (14) geschätzt wird, wobei die Schätzvorschrift (30) zumindest einen von einer Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle (14) innerhalb des Zellverbunds (12) abhängigen thermischen Einflussparameter bei der Schätzung des tatsächlichen Zelltemperaturwerts (40) berücksichtigt, wobei anhand der jeweiligen tatsächlichen Zelltemperaturwerte (40) der Vielzahl an Batteriezellen (14) die tatsächliche Temperaturverteilung entlang der Batterie (10) bestimmt wird.A method for determining an actual temperature distribution along a battery (10) which comprises a plurality of battery cells (14) electrically interconnected to form a cell assembly (12) and thermally coupled to one another, a temperature sensor (16) for the respective battery cell (14) for Detection of temperature values (34) is provided at a measurement position (18) assigned to the respective battery cell (14), an actual cell temperature value based on a respective current and / or a respective past detected temperature value (34) with the aid of a predetermined estimation rule (30) (40) is estimated at a fictitious measuring position (23) of the respective battery cell (14) different from the measuring position (18), the estimation rule (30) being at least one dependent on an installation position of the respective battery cell (14) within the cell assembly (12) thermal influencing parameters when estimating the actual Ze ll temperature value (40) taken into account, the actual temperature distribution along the battery (10) being determined on the basis of the respective actual cell temperature values (40) of the plurality of battery cells (14). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schätzvorschrift (30) als thermischen Einflussparameter zumindest einen weiteren jeweils aktuellen und/oder zumindest einen weiteren jeweils vergangenen Temperaturwert (34) an zumindest einer weiteren Messposition (18) berücksichtigt, die einer weiteren Batteriezelle (14) des Zellverbunds (12) zugeordnet ist.Procedure according to Claim 1 , the estimation rule (30) taking into account as thermal influencing parameter at least one further current and / or at least one further previous temperature value (34) at at least one further measurement position (18) assigned to a further battery cell (14) of the cell assembly (12) is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzvorschrift (30) als thermischen Einflussparameter einen thermischen Widerstand (38) zwischen der jeweiligen Batteriezelle und der zumindest einen weiteren Batteriezelle (14) des Zellverbunds (12) berücksichtigt.Method according to one of the preceding claims, wherein the estimation rule (30) takes into account a thermal resistance (38) between the respective battery cell and the at least one further battery cell (14) of the cell assembly (12) as a thermal influencing parameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die der jeweiligen Batteriezelle (14) zugeordnete Messposition (18) sich an einem jeweiligen Spannungsabgriff (20) der jeweiligen Batteriezelle (14) befindet und wobei die Schätzvorschrift (30) als thermischen Einflussparameter einen thermischen Widerstand (36) des Spannungsabgriffs (20) berücksichtigt.Method according to one of the preceding claims, wherein the measurement position (18) assigned to the respective battery cell (14) is located at a respective voltage tap (20) of the respective battery cell (14) and wherein the estimation rule (30) is a thermal resistance (36) as a thermal influencing parameter ) of the voltage tap (20) taken into account. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzvorschrift (30) als thermischen Einflussparameter eine thermische Kapazität (42) eines Zellwickels (22) der jeweiligen Batteriezelle (14) berücksichtigt.Method according to one of the preceding claims, wherein the estimation rule (30) takes into account a thermal capacity (42) of a cell coil (22) of the respective battery cell (14) as a thermal influencing parameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzvorschrift (30) als thermischen Einflussparameter einen thermischen Verlust der jeweiligen Batteriezelle (14) an ein in einem thermisch mit der jeweiligen Batteriezelle (14) gekoppelten Temperierkörper (24) angeordnetes Temperiermittel (26) berücksichtigt.Method according to one of the preceding claims, wherein the estimation rule (30) takes into account as a thermal influencing parameter a thermal loss of the respective battery cell (14) to a temperature control means (26) arranged in a temperature control element (24) thermally coupled to the respective battery cell (14). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzvorschrift (30) als ein thermisches Ersatzschaltbild (32) implementiert ist, welches Widerstandselemente (36, 38) und/oder Kapazitätselemente (42) als thermische Einflussparameter zu einem Netzwerk verschaltet aufweist, wobei die Verschaltung die thermische Kopplung der Batteriezellen (14) innerhalb des Zellverbunds (12) nachbildet.Method according to one of the preceding claims, wherein the estimation rule (30) is implemented as a thermal equivalent circuit diagram (32) which has resistance elements (36, 38) and / or capacitance elements (42) connected as thermal influencing parameters to form a network simulates thermal coupling of the battery cells (14) within the cell assembly (12). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die fiktive Messposition (23) jeweils in einem Zellwickel (22) der jeweiligen Batteriezelle (14) verortet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the fictitious measuring position (23) is located in a cell coil (22) of the respective battery cell (14). Beobachtungsvorrichtung (28) zum Bestimmen einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang einer Batterie (10), wobei die Batterie (10) eine Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund (12) miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen (14) umfasst, wobei für eine jeweilige Batteriezelle (14) der Batterie (10) ein Temperatursensor (16) zum Erfassen von Temperaturwerten (34) an einer der jeweiligen Batteriezelle (14) zugeordneten Messposition (18) bereitgestellt ist, wobei die Beobachtungsvorrichtung (28) dazu ausgelegt ist, ausgehend von einem jeweils aktuellen und/oder einem jeweiligen vergangenen erfassten Temperaturwert (34) mit Hilfe einer vorbestimmten Schätzvorschrift (30), welche zumindest einen von einer Einbauposition der jeweiligen Batteriezelle (14) innerhalb des Zellverbunds (12) abhängigen thermischen Einflussparameter berücksichtigt, einen tatsächlichen Zelltemperaturwert (40) an einer von der Messposition (18) verschiedenen fiktiven Messposition (23) der jeweiligen Batteriezelle (14) zu schätzen und anhand der jeweiligen tatsächlichen Zelltemperaturwerte (40) der Vielzahl an Batteriezellen (14) die tatsächliche Temperaturverteilung entlang der Batterie (10) zu bestimmen.Observation device (28) for determining an actual temperature distribution along a battery (10), the battery (10) comprising a plurality of battery cells (14) electrically interconnected to form a cell assembly (12) and thermally coupled to one another, wherein for a respective battery cell ( 14) the battery (10) is provided with a temperature sensor (16) for detecting temperature values (34) at a measurement position (18) assigned to the respective battery cell (14), the observation device (28) being designed to start from a current and / or a respective past recorded temperature value (34) with the aid of a predetermined estimation rule (30), which takes into account at least one thermal influencing parameter dependent on an installation position of the respective battery cell (14) within the cell assembly (12), an actual cell temperature value (40) one of the measuring position (18) different fictitious measurement position (23) of the respective battery cell (14) and to determine the actual temperature distribution along the battery (10) based on the respective actual cell temperature values (40) of the plurality of battery cells (14). Batterie (10) mit einer Beobachtungsvorrichtung (28) nach Anspruch 9 und einer Vielzahl an elektrisch zu einem Zellverbund (12) miteinander verschalteten und thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen (14), wobei für eine jeweilige Batteriezelle (14) der Batterie (10) ein Temperatursensor (16) zum Erfassen eines jeweils aktuellen Temperaturwerts (34) an einer der jeweiligen Batteriezelle (14) zugeordneten Messposition (18) bereitgestellt ist, wobei die Beobachtungsvorrichtung (28) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung einer tatsächlichen Temperaturverteilung entlang der Batterie (10) durchzuführen.Battery (10) with an observation device (28) after Claim 9 and a multiplicity of battery cells (14) electrically interconnected to form a cell assembly (12) and thermally coupled to one another, with a temperature sensor (16) for detecting a current temperature value (34) for each battery cell (14) of the battery (10) a measurement position (18) assigned to the respective battery cell (14) is provided, the observation device (28) being designed to implement a method according to one of the Claims 1 to 8th to determine an actual Perform temperature distribution along the battery (10).
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