DE10346706B4

DE10346706B4 - Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie

Info

Publication number: DE10346706B4
Application number: DE2003146706
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Phys. Bulling
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: DE10346706A1

Abstract

Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie, wobei die Kühlung auf Grundlage eines Verlaufs einer Temperatur in der Batterie als erster Parameter geregelt wird, und wobei dieser Temperaturverlauf auf Grundlage einer mittleren berechneten Verlustleistung der Batterie abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie, wobei die Kühlung auf Grundlage eines Verlaufs einer Temperatur in der Batterie als Parameter geregelt wird.

Aus der nächst liegenden DE 34 01 100 A1 , beschreibt eine Temperatursteuerung durch wahlweise Vergrößerung oder Verringerung der Strömung eines kalten Kühlmittels in einem Kühlkreis, wobei dieser Kühlkreis in thermischer Verbindung zur Lösung in der Batterie steht. Gemäß dieser Druckschrift wird folglich die tatsächliche Lösungstemperatur gemessen, indem die Temperatur des Kühlkreises gemessen wird.

Aus der DE 102 02 807 A1 ist eine Regelung einer Batteriekühlung bekannt, bei der die Temperatur mittels eines Temperaturfühlers im Innenbereich des Batteriegehäuses, aber außerhalb der Batteriezellen gemessen wird. Entsprechend der gemessenen Temperatur wird die Durchflussrate oder die Temperatur des kühlenden Mediums eingestellt. Gemäß diesem Stand der Technik wird folglich die Kühlung der Batterie direkt anhand der gemessenen Temperatur im Außenbereich der Batteriezellen geregelt. Eine Bestimmung des Temperaturverlaufs im Zelleninneren erfolgt nicht.

Die DE 91 05 260 U1 offenbart eine Temperaturregelung über die Steuerung der Temperatur eines Mediums, welches Medium zwischen der Batterie und dem Batteriegehäuse fließt. Die Re gelung der Temperatur erfolgt anhand einer mittels eines Temperaturfühlers am Auslauf des Batteriegehäuses gemessenen Temperatur. Im Falle der Kühlung wird das Medium über Wärmetausch gezielt abgekühlt.

Die DE 102 08 651 A1 betrifft ein Verfahren zur Ladezustandsermittlung einer Batterie. Hierzu wird zunächst anhand von Messwertepaaren für Spannung und Strom die Zellentemperatur berechnet. Anschließend wird die Zellentemperatur gemessen. Da eine Batteriezelle nahe dem Vollladezustand durch Nebenreaktionen einer erhöhte Erwärmung entwickelt liegt die gemessene Zelltemperatur über der berechneten. Aus der Differenz der gemessenen und der berechneten Temperatur lässt sich auf den Ladezustand der Batterie schließen.

Aus der Lehre der DE 102 08 651 A1 ergibt sich, dass die wahre Temperatur im Zelleninneren einer Batterie nur durch Messung dieser Temperatur bestimmt werden kann, da die berechnete Temperatur von der tatsächlichen Temperatur abweicht.

Um einen möglichst optimalen Betrieb einer Batterie, insbesondere einer Sekundärbatterie, Brennstoffzelle oder eines Akkumulators zu gewährleisten, aber auch um deren Lebensdauer zu verlängern, ist es notwendig, daß sich Betriebsgrößen der Batterie innerhalb vertretbarer Grenzwerte bewegen. Hierzu zählt insbesondere die Temperatur der Batterie, die sich während des Betriebs im allgemeinen erhöht.

Damit die Temperatur der Batterie einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, besteht die Möglichkeit, die Batterie in geeigneter Weise zu kühlen und diese Kühlung zu regeln.

Eine Regelung der Kühlung setzt voraus, daß die Temperatur der Batterie bekannt ist. Zur Ermittlung der Temperatur bietet sich an, diese mit einem Thermometer zu messen. Ein derartiges Thermometer kann an einer Außenwandung der Batterie also an dem Gehäuse angeordnet sein. Somit läßt sich jedoch nur die Temperatur des Gehäuses der Batterie messen. Die Temperatur in der Batterie, die für deren Funktion von wesentlicher Bedeutung ist, kann mit einer derartigen Anordnung nicht zuverlässig erfaßt werden. Die bisherige Methode, die gemessene Batteriegehäusetemperatur mit der Batterieinnentemperatur gleichzusetzen, schlägt insbesondere bei Batteriezellen mit großem Durchmesser wegen zu hoher Ungenauigkeit fehl.

Alternativ bestünde die Möglichkeit, ein Thermometer in der Batterie anzuordnen. Dies wäre jedoch mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand verbunden. Außerdem würde dadurch die Funktionsweise der Batterie beeinträchtigt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein neues Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie bereitzustellen.

Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie wird die Kühlung auf Grundlage eines ersten Parameters geregelt, wobei dieser erste Parameter auf Grundlage mindestens eines weiteren Parameters der Batterie bestimmt wird. Der für die Regelung maßgebende erste Parameter wird hierbei indirekt über den mindestens einen weiteren Parameter ermittelt. Dies ist von Vorteil, wenn der erste Parameter nur unter erheblichem Aufwand und/oder in unzureichend genauer Weise direkt ermittelt oder gemessen werden kann, wie beispielsweise die Innentemperatur der Batteriezelle. Der mindestens eine weitere Parameter soll hierbei in wesentlich einfacherer und zuverlässigerer Weise bestimmbar sein.

So wird bei vorliegender Erfindung insbesondere aus der berechneten Verlustleistung auf einen Temperaturverlauf im Inneren der Batterie geschlossen. Dieser Rückschluss kannbeispielsweise anhand einer vorangegangenen Eichung erfolgen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mindestens eine weitere Parameter berechnet wird. Eine derartige Berechnung kann auf Grundlage mindestens einer Größe erfolgen, auf die in einfacher Weise zugegriffen werden kann.

In besondere Weise ist vorgesehen, dass mindestens ein weitere Parameter auf Grundlage mindestens einer messbaren Größe der Batterie berechnet wird. Diese mindestens eine Größe ist unter geringem Aufwand und/oder sehr präzise meßbar. Des weiteren kann diese mindestens eine Größe eine möglichst umfassende Aussage über einen Zustand der Batterie, vorzugsweise einen Zustand in der Batterie liefern.

Die zur Realisierung des Verfahrens notwendigen Berechnungen sind mittels einer hierfür geeigneten Einrichtung, wie einem Rechner durchführbar. Auf diesem Rechner können zudem auch weitere, für das erfindungsgemäße Verfahren notwendige Vergleichswerte zur Ermittlung wesentlicher Parameter abgespeichert sein. Zudem können mit diesem Rechner weitere erfindungsgemäße Aufgaben wie die Regelung der Kühlung durchgeführt werden. Dieser Rechner kann bspw. so ausgebildet sein, daß mit ihm auch weitere Operationen, unabhängig des erfindungsgemäßen Verfahrens, durchgeführt werden.

Vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die Kühlung auf Grundlage des Verlaufs der Temperatur in der Batterie als erster Parameter geregelt wird. Somit kann die Regelung der Kühlung unmittelbar auf die Temperatur reagieren. Durch die Berücksichtigung des Verlaufs der Temperatur in der Batterie kann eine Entwicklung der Temperatur vorausschauend beeinflußt werden. Hierdurch wird eine effektive Funktion der Kühlung ermöglicht.

Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Verlauf der Temperatur auf Grundlage einer mittleren berechneten Verlustleistung der Batterie als der mindestens eine weitere Pa rameter abgeleitet wird. Der Verlauf der Temperatur kann aufgrund physikalischer Zusammenhänge direkt aus der Verlustleistung abgeleitet werden. Die mittlere Verlustleistung kann ebenfalls ohne großen Aufwand berechnet werden.

Als Grundlage einer derartigen Berechnung können leicht meßbare Größen, wie eine an der Batterie anliegende Spannung und/oder ein durch die Batterie fließenden Strom, dienen. Mit derartigen Größen kann ein Zustand der Batterie, insbesondere ein Zustand in der Batterie jederzeit augenblicklich erfaßt werden. Zudem kann mit diesen Größen auch eine Funktion der Batterie mitberücksichtigt werden. Für die Berechnung der Verlustleistung können selbstverständlich auch andere Größen oder Daten der oder zu der Batterie herangezogen werden. Ein thermodynamischer Parameter, wie die Temperatur ergibt sich erfindungsgemäß unter Berücksichtigung der Energieerhaltung aus einem elektrodynamischen Parameter, wie der Verlustleistung.

In günstiger Weise wird die Kühlung auf einen maximal erlaubten Wert einer Zelltemperatur der Batterie geregelt. Dadurch kann vermieden werden, daß sich die Batterie während des Betriebes zu sehr erwärmt. Dies begünstigt wiederum eine effektive Funktionsweise der Batterie. Des weiteren ergibt sich, daß durch diese Maßnahme die Lebensdauer der Batterie verlängert wird.

Selbstverständlich können bei der erfindungsgemäßen Regelung der Kühlung mehrere Referenzwerte für eine Zelltemperatur in der Batterie berücksichtigt werden. Da erfindungsgemäß nicht nur ein absoluter Wert der Temperatur in der Batterie sondern ein Verlauf der Temperatur, in möglicher Abhängigkeit eines anderen Parameters oder einer anderen Größe, in der Batterie erfaßbar ist, kann die Regelung der Kühlung dementsprechend effektiv und vorausschauend erfolgen. Somit ist vorteilhafterweise eine drohende Überhitzung der Batterie vermeidbar. Es besteht die Möglichkeit, daß die Regelung der Kühlung auf ei ne drohende Überhitzung der Batterie in angemessener Weise und vor allem rechtzeitig reagieren kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß aus dem Verlauf der Temperatur in der Batterie mindestens ein meßbarer Wert für eine Temperatur des Gehäuses der Batterie abgeleitet wird. Auf dieser Grundlage ist es möglich, die Temperatur des Gehäuses bzw. einer Außenwandung der Batterie nach herkömmlichen Methoden, wie durch ein entsprechend angeordnetes Thermometer zu messen. Mittels einer hierfür geeigneten Eichkurve oder evtl. mindestens einem Eichpunkt ist es sodann möglich, aus mindestens einer zu einem beliebigen Zeitpunkt an dem Gehäuse der Batterie gemessenen Temperatur die Temperatur in der Batterie zu bestimmen. Insbesondere bei großen Batterien kann mittels mehrerer an verschiedenen Stellen der Außenwandung angeordneter Thermometer die Genauigkeit des Verfahrens durch gleichzeitiges Messen mehrerer Temperaturen positiv beeinflußt werden.

Gemäß dieser Ausführungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kühlung auf einen maximal erlaubten Wert der gemessenen Temperatur des Gehäuses der Batterie geregelt wird. Bei möglicher Berücksichtigung mehrerer Temperaturen an verschiedenen Stellen des Gehäuses können entsprechend viele positionsabhängige, maximal erlaubte Werte für gemessene Temperaturen bei der Regelung berücksichtigt werden. Somit können wiederum mit einer einfachen Meßmethode ein oder mehrere Referenzwerte zur Regelung der Kühlung bereitgestellt werden, die ansonsten nur schwer zugänglich sind.

Eine Korrelation zwischen einem erfindungsgemäß ermittelten Verlauf der Temperatur in der Batterie und hierzu entsprechenden Temperaturen des Gehäuses der Batterie kann durch Berechnung unter Berücksichtigung spezifischer Parameter der Batterie bereitgestellt werden. Die sich somit ergebende Eichkurve bzw. der mindestens eine sich somit ergebende Eichpunkt kann jederzeit zu einem Vergleich herangezogen werden.

Es ist jedoch auch denkbar, daß die Eichkurve bzw. der mindestens eine Eichpunkt dadurch bereitgestellt wird, daß die Temperatur bzw. der Verlauf der Temperatur erfindungsgemäß ermittelt und simultan an dem Gehäuse der Batterie mindestens eine entsprechende Temperatur gemessen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur der Batterie wird auf Grundlage einer mittleren berechneten Verlustleistung der Batterie ein Verlauf einer Temperatur in der Batterie abgeleitet. Insbesondere die Temperatur in der Batterie, die sich einer direkten, genaueren und/oder einfachen Messung entzieht, ist somit auf einfache Weise bestimmbar. Die erfindungsgemäß bestimmte Temperatur bzw. der erfindungsgemäß bestimmte Verlauf der Temperatur der Batterie kann für unterschiedliche Zwecke genutzt werden.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, daß die Verlustleistung der Batterie auf Grundlage mindestens einer meßbaren Größe der Batterie berechnet wird. Die hierfür in Frage kommenden Größen wie bspw. der Strom und/oder die Spannung sind in einfacher Weise während des Betriebs der Batterie bestimmbar. Durch sie wird ein augenblicklicher Zustand der Batterie wiedergespiegelt. Der Verlauf der Temperatur der Batterie hängt mit der Verlustleistung in unkomplizierter Weise zusammen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Zelltemperatur in der Batterie ermittelt. Mit der Erfindung können Aussagen über das Innere der Batterie getroffen werden. Mit herkömmlichen Methoden der Temperaturbestimmung, die bspw. über eine direkte Messung erfolgen, kann lediglich die Temperatur des Gehäuses der Batterie berücksichtigt werden, da ein hierfür notwendiges Thermometer lediglich außen an der Batterie angeordnet werden kann. Bisher wird die so gemessene Temperatur des Gehäuses der Batterie mit der Temperatur in der Batterie gleichgesetzt. Diese Näherung ist aber insbesondere bei Batterien mit großem Durchmesser unzulässig.

Sowohl der maximal erlaubte Wert der Zelltemperatur als auch der maximal erlaubte Wert der Temperatur des Gehäuses der Batterie ist mittels des erfindungsgemäß ermittelten Verlaufs der Temperatur in der Batterie insbesondere zerstörungsfrei ableitbar. Diese maximal erlaubten Werte können auf Grundlage des Verlaufs der Temperatur bspw. durch mathematische Methoden unter Berücksichtigung spezifischer Parameter der Batterie berechnet oder hergeleitet werden, ohne daß die Batterie zur Bestimmung dieser Werte auf diese Werte der Temperatur erwärmt werden muß.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere bei einer Sekundärbatterie zur Anwendung kommen. Sekundärbatterien oder auch Sekundärelemente können als Akkumulatoren ausgebildet sein, die mit Hilfe von reversiblen elektrochemischen Reaktionen elektrische Energie aufnehmen und abgeben. Dabei kann es zu einer Erwärmung kommen. Eine schädigende Erwärmung bzw. Überhitzung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Kühlung vermieden werden.

Des weiteren können die erfindungsgemäßen Verfahren für eine Batterie in einem Fahrzeug zur Anwendung kommen. Eine Batterie, insbesondere eine Sekundärbatterie ist für eine Funktion eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs von Bedeutung. Mittels der Batterie, insbesondere Sekundärbatterie können elektrische Einrichtungen des Fahrzeugs, evtl. auch der Antrieb des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann die Funktion der Batterie und somit des Fahrzeugs verbessert werden. Ebenso ist in diesem Anwendungsgebiet eine durch Durchführung der Erfindung realisierbare Langlebigkeit der Batterie von Vorteil.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Dabei zeigt:
1 ein Flußdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ablaufs der Erfindung.
Das Flußdiagramm in 1 zeigt einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Kühlung einer Batterie unter Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Temperatur der Batterie.
In einem Schritt 2 werden meßbare Größen und/oder abgespeicherte Referenzwerte für Größen oder Parameter herangezogen. Auf Grundlage dieser Größen wird in einem zweiten Schritt 4 eine mittlere Verlustleistung der Batterie berechnet. Bei dieser Berechnung kann bspw. eine an der Batterie anliegende Spannung und/oder ein durch die Batterie fließender Strom berücksichtigt werden.
In einem dritten Schritt 6 wird aus der berechneten Verlustleistung gemäß des zweiten Schritts 4 ein Verlauf der Temperatur in der Batterie abgeleitet. Hierbei können physikalische Gesetzmäßigkeiten oder Formeln genutzt werden. Außerdem können bei der Ableitung gemäß des dritten Schritts 6 spezifische Parameter für die Batterie mit einfließen.
In einem vierten Schritt 8 erfolgt eine Regelung einer Kühlung der Batterie auf Grundlage des Verlaufs der Temperatur in der Batterie. Somit kann die Kühlung an den augenblicklich herrschenden Zustand der Batterie angepaßt werden. Da vorteilhafterweise der Verlauf der Temperatur und nicht nur ein Absolutwert für die Temperatur mittels der Erfindung bereitgestellt wird, kann die Kühlung gemäß des vierten Schritts 8 effizient und/oder vorausschauend geregelt werden.
Bei der Regelung bzw. Steuerung der Kühlung der Batterie wird demnach aufgrund einer berechneten mittleren Verlustleistung der Batterie auf den Verlauf der Temperatur in der Batterie geschlossen.
In weitere Ausgestaltung der Erfindung kann durch den in dem dritten Schritt 6 ermittelten Verlauf der Temperatur ein meßbarer Temperaturverlauf eines Gehäuses der Batterie abgeleitet werden. Dies führt wiederum zu einem maximal erlaubten Wert der Temperatur des Gehäuses.
Mittels der Erfindung ist die Kühlung der Batterie derart betreibbar, daß die Lebensdauer der Batterie verlängert werden kann. Insbesondere bei zylindrisch gewickelten Batterien wird eine Überschreitung einer vorgegebenen Maximaltemperatur verhindert, ohne daß dabei die Temperatur gemessen werden muß.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie, wobei die Kühlung auf Grundlage eines Verlaufs einer Temperatur in der Batterie als erster Parameter geregelt wird, und wobei dieser Temperaturverlauf auf Grundlage einer mittleren berechneten Verlustleistung der Batterie abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kühlung auf einen maximal erlaubten Wert der Zelltemperatur der Batterie geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kühlung auf den maximal erlaubten Wert der gemessenen Temperatur des Gehäuses der Batterie geregelt wird.
Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Sekundärbatterie.
Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Batterie in einem Fahrzeug.