DE102019127910A1

DE102019127910A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung einer elektrochemischen energiespeicherzelle sowie fahrzeug

Info

Publication number: DE102019127910A1
Application number: DE102019127910.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-04-22
Also published as: WO2021073851A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, welche Elektroden und mindestens ein mit einer der Elektroden elektrisch verbundenes Ableiterelement aufweist, mit folgenden Schritten: Erfassen einer Impedanz der Energiespeicherzelle; Ermitteln eines ersten Temperaturwerts, welcher eine im Bereich der Elektroden herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil oder der Phase der Impedanz und/oder Ermitteln eines zweiten Temperaturwerts, welcher eine am Ableiterelement herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil oder dem Betrag der Impedanz. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Die elektrische Energie zum Antrieb von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen wird in der Regel von elektrochemischen Energiespeicherzellen zur Verfügung gestellt. Verschiedene Eigenschaften wie Kapazität, Ladezeit und/oder Lebensdauer der Energiespeicherzellen sind dabei von der Temperatur der Zelle abhängig. Beispielsweise verringert sich die sog. Zyklenlebensdauer, d.h. die Anzahl der möglichen Ent- und Wiederaufladeprozesse, bei hohen Temperaturen. Ebenso kann der Betrieb einer Energiespeicherzelle bei geringen Temperaturen das Elektrodenmaterial schädigen. Im Allgemeinen gibt es daher einen optimalen Betriebstemperaturbereich für elektrochemische Energiespeicherzellen.
Um eine effiziente und sichere Verwendung von Energiespeicherzellen zu ermöglichen, wird in der Regel deren Temperatur überwacht und die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe dementsprechend geregelt. Dazu werden Temperatursensoren an den Energiespeicherzellen angeordnet und in einem Regelkreis zur Steuerung des Betriebs der Zellen integriert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Überwachung der Temperatur von elektrochemischen Energiespeicherzellen weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie einem Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, welche Elektroden und mindestens ein mit einer der Elektroden elektrisch verbundenes Ableiterelement aufweist, weist folgende Schritte auf: Erfassen einer Impedanz der Energiespeicherzelle; Ermitteln eines ersten Temperaturwerts, welcher eine im Bereich der Elektroden herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil oder der Phase der Impedanz und/oder Ermitteln eines zweiten Temperaturwerts, welcher eine am Ableiterelement herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil oder dem Betrag der Impedanz.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, welche Elektroden und mindestens ein mit einer der Elektroden elektrisch verbundenes Ableiterelement aufweist, weist eine Erfassungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Impedanz der Energiespeicherzelle zu erfassen. Zudem weist die Vorrichtung eine Auswertungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, einen ersten Temperaturwert, welcher eine im Bereich der Elektroden herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil oder der Phase der Impedanz zu ermitteln und/oder einen zweiten Temperaturwert, welcher eine am Ableiterelement herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil oder dem Betrag der Impedanz zu ermitteln.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle auf.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, mithilfe einer getrennten Betrachtung bzw. Auswertung des Real- und/oder Imaginärteils einer jeweils erfassten Impedanz der Energiespeicherzelle, im Folgenden auch „Zelle“ genannt, Rückschlüsse auf an unterschiedlichen Orten in bzw. an der Zelle vorherrschende Temperaturen und/oder durch unterschiedliche physikalische und/oder chemische Mechanismen in der Zelle beeinflusste bzw. verursachte Temperaturen ziehen zu können. Dadurch ist es möglich, anhand des Imaginärteils der Impedanz z.B. auf chemische Vorgänge im Inneren der Zelle und/oder auf eine mittlere Temperatur im Inneren des Zellenwickels bzw. Zellenstapels bzw. anhand des Realteils der Impedanz z.B. auf elektrische Leitungsverluste und/oder eine Temperatur im Bereich eines Ableiterelements, insbesondere einer Ableiterspange, zu schließen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht daher darin, dass durch eine Messung bzw. Bestimmung der Impedanz der Energiespeicherzelle zwei an unterschiedlichen Orten bzw. Bereichen in bzw. an der Energiespeicherzelle vorliegende Temperaturwerte ermittelt werden können. Dadurch kann auf Temperatursensoren in bzw. an der Zelle entweder ganz verzichtet oder zumindest deren Anzahl deutlich reduziert werden, was zu einer Kosteneinsparung führt. Darüber hinaus können bereits auf der Basis eines Messvorgangs zwei unterschiedliche Temperaturen in bzw. an der Zelle ermittelt werden, was zu einer Vereinfachung bei der Temperaturermittlung führt.
Insgesamt wird dadurch die Überwachung der Temperatur von elektrochemischen Energiespeicherzellen verbessert.
In einer bevorzugten Ausführung, bei welcher die Elektroden der Energiespeicherzelle in Form eines Wickels und/oder Stapels angeordnet sind, charakterisiert der ermittelte erste Temperaturwert die im Bereich eines Kerns des Wickels bzw. Stapels herrschende Temperatur. Insbesondere handelt es sich dabei um eine mittlere Temperatur im Zellenwickel bzw. Zellenstapel. Da durch die Art der Anordnung der Elektroden in der Energiespeicherelle eine Temperaturverteilung in bzw. an der Energiespeicherzelle inhomogen sein kann, wird bei konventionellen Verfahren, insbesondere zu Forschungszwecken, üblicherweise ein Mittelwert aus Temperaturwerten gebildet, die durch mehrere über die Energiespeicherzelle verteilte Temperatursensoren gemessen werden, um auf die Temperatur im Bereich des Kern des Wickels bzw. Stapels schließen zu können, oder eine Temperatur im Bereich des Kerns wird insbesondere mittels eines Modells prädiziert. Die vorgeschlagene bevorzugte Ausführung ermöglicht dem gegenüber eine vereinfachte Ermittlung des ersten Temperaturwerts, der die im Bereich der Elektroden herrschende Temperatur charakterisiert, auf der Basis des gemessenen bzw. aus der gemessenen Impedanz ermittelten Imaginärteils.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der erste Temperaturwert basierend auf dem Imaginärteil bzw. der Phase der bei einer Frequenz oberhalb von 700 Hz erfassten Impedanz ermittelt. Bei Frequenzen über 700 Hz sinkt der Einfluss eines Ladungszustandes der Energiespeicherzelle auf die Impedanz, wodurch eine gezielte Bestimmung des ersten Temperaturwerts, insbesondere ausschließlich, auf Basis des Imaginärteils bzw. der Phase der Impedanz ermöglicht wird. Somit wird eine besonders einfache Ermittlung des ersten Temperaturwerts ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der zweite Temperaturwert basierend auf dem Realteil bzw. dem Betrag der bei einer Frequenz oberhalb von 3 kHz erfassten Impedanz ermittelt. Bei höheren Frequenzen sinken insbesondere die ladungsdurchtrittsbedingten und diffusionsbedingten Beiträge zur Impedanz, wodurch insbesondere eine Temperaturabhängigkeit des Realteils der Impedanz prävalieren kann. Somit wird eine besonders einfache und zuverlässige Bestimmung des zweiten Temperaturwerts, insbesondere ausschließlich, auf Basis des Realteils bzw. des Betrags der Impedanz ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich zum zweiten Temperaturwert wird der erste Temperaturwert auf der Basis des Imaginärteils bzw. der Phase der bei einer Frequenz oberhalb von 3 kHz erfassten Impedanz ermittelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der erste Temperaturwert T_int unter Verwendung einer zumindest vom Imaginärteil Im (Z) der Impedanz Z abhängigen linearen oder quadratischen ersten Funktion berechnet. Eine besonders einfache lineare Funktion für die Ermittlung des ersten Temperaturwerts Tint, die insbesondere für Frequenzen oberhalb von 700Hz geeignet ist, sieht vorzugsweise folgendermaßen aus: $T_{int} = x_{0} + Im (Z) x_{lm1},$
mit den Parametern x₀ und x_Im1, welche vorgegeben sind und/oder bei einer vorab durchgeführten Kalibriermessung an der Energiespeicherzelle oder einer Energiespeicherzelle desselben oder ähnlichen Typs ermittelt wurden. Unter Verwendung geeigneter Parameter x₀ und x_Im1 kann so die mittlere Zellkerntemperatur auf Basis einer Impedanzmessung besonders einfach berechnet werden.
Weiter bevorzugt hängt die erste Funktion zusätzlich zum Imaginärteil Im (Z) vom Realteil Re (Z) der Impedanz Z und/oder vom aktuellen Ladungszustand SOC der Energiespeicherzelle ab. Durch eine zusätzliche Berücksichtigung des Realteils der erfassten Impedanz und/oder des Ladungszustands der Energiespeicherzelle kann, insbesondere auch bei Frequenzen unterhalb von 700 Hz, eine noch genauere Bestimmung des ersten Temperaturwerts T_int erzielt werden. Eine beispielhafte Funktion ist im Folgenden angegeben: $T_{int} = x_{0} + Im (Z) x_{lm1} + Re (Z) x_{Re1} + {SOCx}_{SOC1},$
mit den Parametern x₀, x_Im1, x_Re1 und x_SOC1, welche vorgegeben sind und/oder bei einer vorab durchgeführten Kalibriermessung an der Energiespeicherzelle oder einer Energiespeicherzelle desselben oder ähnlichen Typs ermittelt wurden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der zweite Temperaturwert T_int+ unter Verwendung einer zumindest vom Realteil Re (Z) der Impedanz Z abhängigen linearen oder quadratischen zweiten Funktion berechnet. Eine besonders einfache Funktion zur Ermittlung des zweiten Temperaturwerts, insbesondere für die Berechnung der Temperatur des Ableiterelements bzw. einer Ableiterspange basierend auf einer bei einer Frequenz oberhalb von 3kHz erfassten Impedanz Z, kann beispielhaft wie folgt aussehen: $T_{int +} = x_{0} + Re (Z) x_{Re2},$
mit den Parametern x₀ und x_Re2, welche vorgegeben sind und/oder bei einer vorab durchgeführten Kalibriermessung an der Energiespeicherzelle oder einer Energiespeicherzelle desselben oder ähnlichen Typs ermittelt wurden. Unter Verwendung geeigneter Parameter x₀ und x_Re2 kann so die Temperatur des Ableiterelements bzw. der Ableiterspange auf Basis einer Impedanzmessung besonders einfach berechnet werden.
Weiter bevorzugt hängt die zweite Funktion zusätzlich zum Realteil Re (Z) vom Imaginärteil Im(Z) der Impedanz Z und/oder vom aktuellen Ladungszustand SOC der Energiespeicherzelle ab. Durch eine zusätzliche Berücksichtigung des Imaginärteils Im(Z) der erfassten Impedanz Z und/oder des Ladungszustands SOC der Energiespeicherzelle kann, insbesondere bei Frequenzen unterhalb von 3 kHz, eine noch genauere Bestimmung des zweiten Temperaturwerts T_int+ erzielt werden. Eine beispielhafte Funktion ist im Folgenden angegeben: $T_{int +} = x_{0} + Im (Z) x_{lm2} + Re (Z) x_{Re2} + {SOCx}_{SOC2},$
mit den Parametern x₀, x_Im2, x_Re2 und x_SOC2, welche vorgegeben sind und/oder bei einer vorab durchgeführten Kalibriermessung an der Energiespeicherzelle oder einer Energiespeicherzelle desselben oder ähnlichen Typs ermittelt wurden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden ein oder mehrere Parameter der ersten Funktion und/oder der zweiten Funktion basierend auf bei einer Kalibriermessung erfassten zeitlichen Verläufen der jeweils im Bereich der Elektroden bzw. des Ableiterelements herrschenden ersten bzw. zweiten Temperatur und des Realteils und Imaginärteils der Impedanz der Energiespeicherzelle ermittelt. Die erste bzw. zweite Temperatur wird dabei vorzugsweise unmittelbar durch einen oder mehrere entsprechend positionierte Temperatursensoren erfasst. Hierzu können, beispielsweise im Rahmen von Versuchsreihen, Temperaturwerte und Impedanzen bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Frequenzen und/oder Zeitpunkten, insbesondere über einen vorgegebenen Zyklus, mehrmals gemessen und in einem aus der ersten bzw. zweiten Funktion gebildeten Gleichungssystem korreliert werden. Hieraus können dann die Parameter für die entsprechende, insbesondere lineare bzw. quadratische, Funktion, welche die Impedanz-Temperatur-Beziehung repräsentieren kann, ermittelt werden. Derartig empirisch bestimmte Parameter können dann zur Ermittlung von ersten und zweiten Temperaturwerten mittels einer gemessenen Impedanz im Betrieb der Energiespeicherzelle genutzt werden.
Vorteilhaft kann auf diese Weise eine standardisierte Eingangsgröße, insbesondere ein Imaginärteil und/oder Realteil der Impedanz, zur Bestimmung des oder der Temperaturwerte verwendet werden. Ferner kann, durch das Bestimmen der Parameter in einer Kalibiriermessung, ein Berechnungsmodell für die Energiespeicherzelle bereitgestellt werden, welches in hoher Dependenz zu einem realen Betriebsverhalten der Energiespeicherzelle steht. Somit kann eine optimierte Bestimmung der Parameter erfolgen.
Weiter bevorzugt werden Parameter der ersten Funktion und/oder der zweiten Funktion mittels multivariater linearer Regression ermittelt. Ein Vorteil der Anwendung der multivarianten linearen Regression liegt in der Gewichtung der Parameter als beeinflussende Größe für die korrekte Bestimmung eines Temperaturwerts.
Hierdurch kann eine Vereinfachung des aufgestellten Berechnungsmodells, insbesondere eine Vereinfachung in Abhängigkeit von der Frequenz, bei der eine Impedanzmessung durchgeführt wird, erfolgen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:

1 ein Beispiel einer Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle;
2 jeweils ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf des Realteils (a) bzw. Imaginärteils (b) einer Impedanz;
3 jeweils ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf einer aus dem Imaginärteil der Impedanz ermittelten ersten Temperatur T_int (a) und einer aus dem Realteil der Impedanz ermittelten zweiten Temperatur T_int+ (b);
4 ein Beispiel einer Zelle zur Veranschaulichung der Temperaturerfassung bei der Kalibrierung; und
5 ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der erfassten Temperaturen der Zelle.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle 1, insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, mit einer Erfassungseinrichtung 4, einer Auswertungseinrichtung 5 und einer Steuerungseinrichtung 7.
Die Energiespeicherzelle 1, im Folgenden auch „Zelle“ genannt, weist im vorliegenden Beispiel mindestens einen von einem Zellengehäuse umgebenen Elektrodenwickel 2 auf, dessen positive und negative Elektroden mit jeweils einem Ableiterelement 3a, 3b elektrisch verbunden sind. Die Ableiterelemente 3a, 3b werden entweder direkt oder mittels zusätzlicher Anschlusselemente aus dem Gehäuseinneren herausgeführt. Anstelle mindestens eines Elektrodenwickels 2 kann die Zelle 1 mindestens einen Elektrodenstapel aufweisen.
Die Erfassungseinrichtung 4 ist dazu eingerichtet, ein Prüfsignal 4a in Form einer Wechselspannung an der Zelle 1 anzulegen und ein daraufhin von der Zelle 1 abgegebenes Antwortsignal 4b zu detektieren und daraus eine Impedanz Z der Zelle 1 bzw. einen entsprechenden Impedanzwert zu ermitteln. Alternativ kann das Prüfsignal 4a auch ein gepulstes Signal, ein Rauschen, z.B. als Pseudo Random Bit Stream (PRBS) oder eine Sinc-Funktion enthalten.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung 4 dazu eingerichtet, mehrere Prüfsignale 4a bei verschiedenen Frequenzen an die elektrischen Ein- und Ausgänge der Zelle 1 anzulegen, so dass deren Impedanz Z bzw. entsprechende Impedanzwerte bei verschiedenen Frequenzen erfasst bzw. ermittelt wird bzw. werden.
Die erfasste Impedanz Z bzw. die entsprechenden Impedanzwerte werden an die Auswertungseinrichtung 5 übermittelt, welche dazu eingerichtet ist, jeweils einen ersten Temperaturwert Tint, welcher eine im Bereich des Elektrodenwickels 2, insbesondere im Bereich des Kerns des Elektrodenwickels 2, herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil oder der Phase der jeweils erfassten Impedanz Z zu ermitteln und/oder einen zweiten Temperaturwert T_int+ , welcher eine am, im vorliegenden Beispiel positiven, Ableiterelement 3a herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil oder dem Betrag der jeweils erfassten Impedanz Z zu ermitteln.
Die Steuerungseinrichtung 7 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Betrieb der Zelle 1 in Abhängigkeit vom ersten Temperaturwert Tint und/oder vom zweiten Temperaturwert T_int+ zu steuern bzw. zu regeln und/oder den ersten Temperaturwert Tint und/oder zweiten Temperaturwert T_int+ an einer Ausgabeeinrichtung 8 auszugeben und/oder Funktionen des Fahrzeugs, in welchem sich die Zelle 1 befindet, in Abhängigkeit vom ersten Temperaturwert Tint und/oder vom zweiten Temperaturwert T_int+ zu steuern.
2 zeigt jeweils ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf des Realteils Re(Z) bzw. Imaginärteils Im(Z) einer Impedanz Z, die im Betrieb einer Energiespeicherzelle 1 an einer Vielzahl von Zeitpunkten innerhalb eines Zeitraums von ca. fünf Stunden bei einer Frequenz von ca. 3,9 kHz erfasst wurde.
In einer bevorzugten und besonders einfach gestalteten Ausführung ist die Auswertungseinrichtung 5 dazu eingerichtet, die zu den unterschiedlichen Zeitpunkten im Bereich des Elektrodenwickels 2 jeweils vorherrschende erste Temperatur T_int unter Verwendung der vorstehend angegebenen Variante der ersten Funktion (1) aus dem Imaginärteil Im(Z) der jeweils erfassten Impedanz zu ermitteln, wobei die Parameter x₀ und x_Im1 vorzugsweise vorgegeben und/oder in einer Speichereinrichtung 6 gespeichert sind, auf welche die Auswertungseinrichtung 5 zugreifen kann. Die Verwendung dieser besonders einfachen Funktion liefert insbesondere bei Impedanzen Z, die bei Frequenzen oberhalb von etwa 700 Hz erfasst wurden, zuverlässige erste Temperaturwerte Tint.
Alternativ kann die erste Funktion zusätzlich zum Imaginärteil Im (Z) auch vom Realteil Re(Z) der Impedanz Z und/oder vom aktuellen Ladungszustand SOC (state of charge) der Energiespeicherzelle 1 abhängen. Der jeweils aktuelle Ladungszustand kann z.B. durch Bestimmen der von der Zelle 1 abgegebenen Ladungsmenge ermittelt werden, indem z.B. der von der Zelle 1 abgegebene Strom gemessen und über die Zeit integriert wird. Ausgehend von einem anfänglichen Ladungszustand, etwa unmittelbar nach dem Aufladen der Zelle 1, kann dann auf den jeweils aktuellen Ladungszustand SOC geschlossen werden. Durch eine zusätzliche Berücksichtigung des Realteils der erfassten Impedanz bzw. des Ladungszustands der Energiespeicherzelle 1 kann, insbesondere auch bei Frequenzen unterhalb von 700 Hz, eine noch genauere Bestimmung des ersten Temperaturwerts Tint erreicht werden. Bei einer solchen ersten Funktion kann es sich um die vorstehend angegebene Variante der ersten Funktion (2) handeln, wobei die Parameter x₀, x_Im1, x_Re1 und x_SOC1 vorzugsweise vorgegeben und/oder in der Speichereinrichtung 6 gespeichert sind, auf welche die Auswertungseinrichtung 5 zugreifen kann.
In einer weiteren bevorzugten und besonders einfach gestalteten Ausführung ist die Auswertungseinrichtung 5 alternativ oder zusätzlich dazu eingerichtet, die zu den unterschiedlichen Zeitpunkten im Bereich eines Ableiterelements 3a bzw. einer Ableiterspange jeweils vorherrschende zweite Temperatur T_int+ unter Verwendung der vorstehend angegebenen Variante der zweiten Funktion (3) aus dem Realteil Re(Z) der jeweils erfassten Impedanz zu ermitteln, wobei die Parameter x₀ und x_Re2 vorzugsweise vorgegeben und/oder in der Speichereinrichtung 6 gespeichert sind, auf welche die Auswertungseinrichtung 5 zugreifen kann. Die Verwendung dieser besonders einfachen Funktion liefert insbesondere bei Impedanzen Z, die bei Frequenzen oberhalb von etwa 3 kHz erfasst wurden, zuverlässige zweite Temperaturwerte T_int+ .
Alternativ kann die zweite Funktion zusätzlich zum Realteil Re(Z) auch vom Imaginärteil Im(Z) der Impedanz Z und/oder vom aktuellen Ladungszustand SOC der Energiespeicherzelle 1 abhängen. Durch eine zusätzliche Berücksichtigung des Imaginärteils Im(Z) der erfassten Impedanz Z bzw. des Ladungszustands SOC der Energiespeicherzelle kann, insbesondere bei Frequenzen unterhalb von 3 kHz, eine noch genauere Bestimmung des zweiten Temperaturwerts T_int+ erzielt werden. Beispielsweise kann es sich bei einer solchen zweiten Funktion um die vorstehend angegebene Variante der zweiten Funktion (4) handeln, wobei die Parameter x₀, x_Im2, x_Re2 und x_SOC2 vorzugsweise vorgegeben und/oder in der Speichereinrichtung 6 gespeichert sind, auf welche die Auswertungseinrichtung 5 zugreifen kann.
3 zeigt jeweils ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf eines aus dem in 2 gezeigten Verlauf des Imaginärteils der Impedanz ermittelten ersten Temperaturwerts T_int (a) und eines aus dem in 2 gezeigten Verlauf des Realteils der Impedanz ermittelten zweiten Temperaturwerts T_int+ (b).
Da die Impedanzwerte der in 2 gezeigten Verläufe bei einer Frequenz von ca. 3,9 kHz erfasst wurden, was sowohl oberhalb von 700 Hz als auch oberhalb von 3 kHz liegt (siehe obenstehende Erläuterungen zu diesen Frequenzbereichen), wurde vorliegend sowohl der Verlauf der ersten Temperatur Tint als auch der Verlauf der zweiten Temperatur T_int+ unter Verwendung der jeweiligen vereinfachten Funktion (1) bzw. Funktion (3) ermittelt.
Für Impedanzen, die z.B. bei 2,5 kHz erfasst wurden, ist dagegen bevorzugt, die erste Temperatur T_int bzw. deren Verlauf unter Verwendung der einfachen Funktion (1) aus dem Imaginärteil Im(Z) der Impedanz zu bestimmen, wohingegen die zweite Temperatur T_int+ bzw. deren Verlauf unter Verwendung der komplexeren Funktion (4) unter Verwendung sowohl des Realteils Re(Z) als auch des Imaginärteils Im(Z) der Impedanz Z und/oder des aktuellen Ladungszustands SOC der Energiespeicherzelle 1 ermittelt wird.
Für Impedanzen, die z.B. bei 600 Hz erfasst wurden, ist dagegen bevorzugt, sowohl die erste Temperatur T_int bzw. deren Verlauf als auch die zweite Temperatur T_int+ bzw. deren Verlauf unter Verwendung der jeweils komplexeren Funktion (2) bzw. Funktion (4) zu ermitteln.
Vorzugsweise werden die vorstehend genannten Parameter x₀, x_Im1, x_Re1 und/oder x_SOC1 der ersten Funktion (1) bzw. (2) bzw. x₀, x_Im2, x_Re2 und/oder x_SOC2 der zweiten Funktion (3) bzw. (4) bei einer vorab an der Zelle 1 oder an einer Zelle gleichen oder ähnlichen Typs durchgeführten Kalibriermessung ermittelt und in der Speichereinrichtung 6 gespeichert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden ein oder mehrere der vorstehend genannten Parameter x₀, x_Im1, x_Re1 und/oder x_SOC1 der ersten Funktion (1) bzw. (2) bzw. x₀, x_Im2, x_Re2 und/oder x_SOC2 der zweiten Funktion (3) bzw. (4) basierend auf bei einer Kalibriermessung erfassten zeitlichen Verläufen einer jeweils im Bereich des Elektrodenwickels 2 bzw. des Ableiterelements 3a herrschenden ersten bzw. zweiten Temperatur einerseits und den zugehörigen, d.h. gleichzeitig erfassten, zeitlichen Verläufen des Realteils bzw. Imaginärteils der Impedanz der Energiespeicherzelle 1 andererseits ermittelt.
Die erste bzw. zweite Temperatur wird bei der Kalibriermessung vorzugsweise auf der Grundlage von Temperaturwerten und/oder entsprechenden Sensorsignalen ermittelt, welche von einem oder mehreren entsprechend positionierten Temperatursensoren erfasst bzw. erzeugt werden.
Dies wird anhand der in 4 gezeigten Zelle 1 beispielhaft veranschaulicht. Im Bereich des Elektrodenwickels 2 sind im vorliegenden Beispiel an unterschiedlichen Orten mehrere Temperatursensoren angeordnet, welche die an den betreffenden Orten jeweils herrschenden Temperaturen T₁ , T₂ , T₃ und T₄ erfassen. Ferner ist im Bereich des Ableiterelements 3a und/oder am Ableiterelement 3a ein weiterer Temperatursensor angeordnet, der die dort herrschende Temperatur T₅ erfasst. Vorzugsweise wird aus den Temperaturen T₁ , T₂ , T₃ und T₄ im Bereich des Wickels 2 eine mittlere innere Temperatur T_{int_mean} wie folgt berechnet: $T_{int_mean} = (T_{1} + T_{2} + T_{3} + T_{4}) / 4.$
5 zeigt ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der auf diese Weise erhaltenen mittleren inneren Temperatur T_{int_mean} und der Temperatur T₅ im Bereich des Ableiterelements 3a der Zelle 1.
Anhand des gezeigten zeitlichen Verlaufs der mittleren inneren Temperatur T_{int_mean} und des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Imaginärteils der Impedanz der Zelle 1 können dann, z.B. mittels multivariater linearer Regression, die Parameter x₀ und x_Im1 der ersten Funktion (1) bestimmt werden. Entsprechend können die Parameter x₀, x_Im1, x_Re1 und/oder x_SOC1 der ersten Funktion (2) anhand des gezeigten zeitlichen Verlaufs der mittleren inneren Temperatur T_{int_mean} und des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Imaginärteils der Impedanz sowie des Realteils der Impedanz und/oder des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Ladungszustands SOC der Zelle 1 ermittelt werden.
Analog können anhand des gezeigten zeitlichen Verlaufs der Temperatur T₅ im Bereich des Ableiterelements 3a und des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Realteils der Impedanz der Zelle 1, z.B. mittels multivariater linearer Regression, die Parameter x₀ und x_Im2 der zweiten Funktion (3) bestimmt werden. Entsprechend können die Parameter x₀, x_Im2, x_Re2 und/oder x_SOC2 der zweiten Funktion (4) anhand des gezeigten zeitlichen Verlaufs der Temperatur T₅ und des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Realteils der Impedanz sowie des Imaginärteils der Impedanz und/oder des zugehörigen zeitlichen Verlaufs des Ladungszustands SOC der Zelle 1 ermittelt werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Zelle 1 vorzugsweise durch Anlegen eines Stromes erwärmt, wodurch Temperaturgradienten in der Zelle hervorgerufen und mittels entsprechend positionierter Temperatursensoren erfasst werden.
Falls die Zellen nicht, wie vorstehend beschrieben, mit internen Temperatursensoren ausgestattet sind, kann auch ein anderes Verfahren angewandt werden, bei welchem eine Zelle in einer Temperaturkammer mit einem Temperaturprofil beaufschlagt und bei unterschiedlichen Temperaturen die Ausbildung eines thermischen Gleichgewichts abgewartet wird. Der dabei jeweils außen ermittelte Temperaturwert kann mit der inneren Temperatur gleichgesetzt werden. Aus den dabei erhaltenen Temperaturpunkten kann dann ebenfalls die Messgleichung parametriert werden, z.B. über eine multivariate lineare Regression.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicherzelle, Zelle
2: Elektrodenwickel
3a, 3b: Ableiterelemente
4: Erfassungseinrichtung
4a: Prüfsignal
4b: Antwortsignal
5: Auswertungseinrichtung
6: Speichereinrichtung
7: Steuerungseinrichtung
8: Ausgabeeinrichtung
Tint: erster Temperaturwert
Tint+: zweiter Temperaturwert
T1 - T5: mittels Temperatursensoren erfasste Temperaturen
Tint_mean: mittlere innere Temperatur
Z: Impedanz

Claims

Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (1), insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, welche Elektroden (2) und mindestens ein mit einer der Elektroden (2) elektrisch verbundenes Ableiterelement (3a, 3b) aufweist, mit folgenden Schritten: - Erfassen einer Impedanz (Z) der Energiespeicherzelle (1), - Ermitteln eines ersten Temperaturwerts (T_int), welcher eine im Bereich der Elektroden (2) herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil (Im(Z)) oder der Phase der Impedanz (Z) und/oder - Ermitteln eines zweiten Temperaturwerts (T_int+), welcher eine am Ableiterelement (3a, 3b) herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil (Re(Z)) oder dem Betrag der Impedanz (Z).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (2) der Energiespeicherzelle (1) in Form eines Wickels (2) und/oder Stapels angeordnet sind und der ermittelte erste Temperaturwert (T_int) die im Bereich eines Kerns des Wickels (2) bzw. Stapels herrschende Temperatur charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Temperaturwert (T_int) basierend auf dem Imaginärteil (Im(Z)) bzw. der Phase der bei einer Frequenz oberhalb von 700 Hz erfassten Impedanz ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Temperaturwert (T_int+) basierend auf dem Realteil (Re(Z)) bzw. dem Betrag der bei einer Frequenz oberhalb von 3 kHz erfassten Impedanz (Z) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Temperaturwert (T_int) unter Verwendung einer zumindest vom Imaginärteil (Im(Z)) der Impedanz (Z) abhängigen linearen oder quadratischen ersten Funktion (T_int(Im(Z), Re(Z), SOC)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Funktion (T_int(Im(Z), Re(Z), SOC)) zusätzlich zum Imaginärteil (Im(Z)) vom Realteil (Re(Z)) der Impedanz (Z) und/oder vom aktuellen Ladungszustand (SOC) der Energiespeicherzelle abhängt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Temperaturwert (T_int+) unter Verwendung einer zumindest vom Realteil (Re(Z)) der Impedanz (Z) abhängigen linearen oder quadratischen zweiten Funktion (T_int+(Re(Z), Im(Z), SOC)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Funktion (T_int+(Re(Z), Im(Z), OC)) zusätzlich zum Realteil (Re(Z)) vom Imaginärteil (Im(Z)) der Impedanz (Z) und/oder vom aktuellen Ladungszustand (SOC) der Energiespeicherzelle (1) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei Parameter (x₀, x_Im, x_Re, x_SOC) der ersten Funktion (T_int(Im(Z), Re(Z), SOC)) und/oder der zweiten Funktion (T_int+(Re(Z), Im(Z), SOC)) basierend auf bei einer Kalibriermessung erfassten zeitlichen Verläufen - der jeweils im Bereich der Elektroden (2) und des Ableiterelements (3a, 3b) herrschenden ersten bzw. zweiten Temperatur (T_{int_mean}, T₅) und - des Realteils (Re(Z)(t)) und Imaginärteils (Im(Z)(t)) der Impedanz (Z) der Energiespeicherzelle (1) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei Parameter (x₀, x_Im, x_Re, x_SOC) der ersten Funktion (T_int(Im(Z), Re(Z), SOC)) und/oder der zweiten Funktion (T_int+(Re(Z), Im(Z), SOC)) mittels multivariater linearer Regression ermittelt werden.
Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (1), insbesondere einer Lithium-Ionenzelle, welche Elektroden (2) und mindestens ein mit einer der Elektroden (2) elektrisch verbundenes Ableiterelement (3a, 3b) aufweist, mit einer Erfassungseinrichtung (4), welche dazu eingerichtet ist, eine Impedanz (Z) der Energiespeicherzelle (1) zu erfassen, und einer Auswertungseinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, - einen ersten Temperaturwert (T_int), welcher eine im Bereich der Elektroden (2) herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Imaginärteil (Im(Z)) oder der Phase der Impedanz (Z) zu ermitteln, und/oder - einen zweiten Temperaturwert (T_int+), welcher eine am Ableiterelement (3a, 3b) herrschende Temperatur charakterisiert, basierend auf dem Realteil (Re(Z)) oder dem Betrag der Impedanz (Z) zu ermitteln.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (1) und einer Vorrichtung zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (1) nach dem vorangehenden Anspruch.