DE4443015A1 - Temp. control system for rechargeable high temp. high power batteries - Google Patents

Temp. control system for rechargeable high temp. high power batteries

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DE4443015A1
DE4443015A1 DE19944443015 DE4443015A DE4443015A1 DE 4443015 A1 DE4443015 A1 DE 4443015A1 DE 19944443015 DE19944443015 DE 19944443015 DE 4443015 A DE4443015 A DE 4443015A DE 4443015 A1 DE4443015 A1 DE 4443015A1
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Abstract

The control system involves calculation by computer of the required battery cooling system temperature settings. Maximum constant current, maximum battery temperature and thermal capacity of the battery are stored in the computer, which also receives continuous information regarding battery charge state and achieved cooling performance. From the above parameters, a required temperature value is generated and fed to the temperature control device. Temperature is controlled across each individual battery cell, as well as over the complete battery, and is regulated by modification of battery charging or discharging current as well as by the action of cooling equipment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Hochtemperaturbatterien, insbesondere bezieht sie sich auf den Betrieb von wiederaufladbaren Hoch­ temperaturbatterien, und speziell auf die Vermeidung einer Überhitzung der Batterien beim Betrieb.The invention relates to a method for operating high-temperature batteries, in particular, it relates to the operation of rechargeable high temperature batteries, and specifically to avoid overheating the Batteries in operation.

Hochtemperaturbatterien besitzen üblicherweise mehrere, miteinander verbundene, innerhalb eines wärmeisolierenden Gehäuses angeordnete Einzel­ zellen mit einer steuerbaren Kühlvorrichtung und einer steuerbaren Heizvor­ richtung zum Kühlen bzw. Heizen der Einzelzellen.High temperature batteries usually have several, together connected individual, arranged within a heat-insulating housing cells with a controllable cooling device and a controllable heating pre Direction for cooling or heating the individual cells.

Derartige Hochtemperaturbatterien, die auch als Hochenergiebatterien be­ zeichnet werden, arbeiten bei Temperaturen um etwa 300°C. Bekannte Batterien sind z. B. Natrium/Metallchlorid- oder Natrium/Schwefel-Batterien. Beim Entladen der Batterie wird die am Innenwiderstand solcher Batterien entstehende Verlustwärme von der Wärmekapazität der Batterie größtenteils aufgefangen, wobei ein Temperaturanstieg bis zu einer maximal zulässigen Betriebstemperatur toleriert wird. Bei Hochstromentladungen müssen solche Batterien im allgemeinen zusätzlich gekühlt werden, da die am Innenwider­ stand der Batterie anfallende Wärme sonst zu einer Überschreitung der maxi­ mal zulässigen Betriebstemperatur führen würde.Such high-temperature batteries, which can also be used as high-energy batteries drawn, work at temperatures around 300 ° C. Known Batteries are e.g. B. sodium / metal chloride or sodium / sulfur batteries. When the battery is discharged, the internal resistance of such batteries most of the resulting heat loss from the heat capacity of the battery caught, with a temperature rise up to a maximum allowable Operating temperature is tolerated. With high current discharges such Batteries in general are additionally cooled, since the internal resistance the heat generated by the battery would otherwise exceed the maxi times permitted operating temperature.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet für solche Hochtemperaturbatterien sind Elektrofahrzeuge. Insbesondere bei Straßenfahrzeugen werden relativ hohe Dauerströme bei der Entladung gefordert. Eine typische Forderung ist die Entnahme der Nennkapazität mit Konstantstrom innerhalb einer Stunde.A major area of application for such high-temperature batteries are Electric vehicles. Road vehicles in particular are relatively high Continuous currents required during discharge. A typical requirement is that Withdrawal of the nominal capacity with constant current within one hour.

Aus der DE-40 29 901 A1 ist eine Hochenergiebatterie mit einer Vielzahl von Einzelzellen in einem von einem Kühlmedium durchströmten Gehäuse bekannt, wobei das Kühlmedium so geführt wird, daß nur eine oder beide Stirnseiten der Zellen wärmemäßig beeinflußt werden. Die DE-40 29 901 A1 behandelt lediglich die Kühlmittelführung innerhalb des Gehäuses einer Hochenergiebat­ terie, macht jedoch keine Aussagen zur Temperaturregelung bzw. zum Regel­ verfahren. From DE-40 29 901 A1 is a high energy battery with a variety of Single cells in a housing through which a cooling medium flows are known, wherein the cooling medium is guided so that only one or both end faces the cells are influenced by heat. DE-40 29 901 A1 deals with only the coolant flow within the housing of a high-energy battery terie, but makes no statements about the temperature control or the rule method.  

DE-4 205 992 A1 beschreibt die Temperaturbeeinflussung eines Ni/Cd-Akku­ mulators durch Einschalten eines Ventilators beim Erreichen einer vorgegebe­ nen Temperatur von etwa 40°C. Diese Einschalttemperatur ist ein Festwert. Es wird keine Aussage getroffen, wie die Temperatur geregelt wird, da ein Ausschalten des Ventilators, nachdem er einmal eingeschaltet wurde, nicht vorgesehen ist.DE-4 205 992 A1 describes the temperature influence of a Ni / Cd battery mulators by switching on a fan when a predetermined one is reached NEN temperature of about 40 ° C. This switch-on temperature is a fixed value. No statement is made as to how the temperature is regulated since a Do not turn off the fan once it has been turned on is provided.

US-A 5,215,834 beschreibt ein Verfahren zur Temperaturregelung einer Batterie durch Messen der Batterietemperatur, Messen des Ladezustands, Ein- und Ausschalten einer Heiz- bzw. Kühlvorrichtung zwischen "set points". Es wird jedoch kein Verfahren zur Ermittlung der Solltemperatur bzw. der set points angegeben.US-A 5,215,834 describes a method for controlling the temperature of a Battery by measuring the battery temperature, measuring the state of charge, and switching off a heating or cooling device between "set points". It however, no method for determining the target temperature or the set points specified.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer eingangs genannten Hochtemperaturbatterie die Batterietemperatur derart zu steuern, daß eine Be­ bzw. Entladung der Batterie bis zum Erreichen der Nennkapazität mit z. B. einstündiger Be- bzw. Entladerrate stets möglich ist, ohne daß einerseits die maximal zulässige Betriebstemperatur überschritten wird, jedoch andererseits ein möglichst hoher Gesamtenergiewirkungsgrad erreicht wird. Insbesondere soll auch eine Überschreitung der zulässigen Maximaltemperatur der Batterie nicht nur für die über alle Zellen der Batterie ermittelte Temperatur, sondern auch für Module und sogar für Einzelzellen verhindert werden.The invention is therefore based on the object in one mentioned High temperature battery to control the battery temperature so that a loading or discharge of the battery until reaching the nominal capacity with z. B. hourly loading or unloading rate is always possible without the maximum permissible operating temperature is exceeded, however, on the other hand the highest possible overall energy efficiency is achieved. Especially should also exceed the maximum permissible temperature of the battery not only for the temperature determined across all cells of the battery, but also can also be prevented for modules and even for single cells.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und insbesonde­ re durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.This object is achieved by the method according to claim 1 and in particular re solved by the method according to claim 6. In the subclaims are advantageous embodiments of the method according to the invention described.

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperatur­ batterie mit einer Temperaturregelvorrichtung angegeben, durch welches Verfahren ein optimaler Energiewirkungsgrad ohne thermisch bedingte Ein­ schränkungen der Energieverfügbarkeit dadurch ermöglicht werden, daß das thermische Energiespeichervermögen der Batterie zu einem vom Ladezustand der Batterie abhängigen Grad genutzt wird.The invention therefore relates to a method for operating a high temperature battery specified with a temperature control device by which Process an optimal energy efficiency without thermally induced Ein restrictions on the availability of energy are made possible by the fact that  thermal energy storage capacity of the battery to a state of charge the degree dependent on the battery is used.

Die Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur einer Hochtemperaturbatterie über die Vorgabe eines Temperatur­ sollwertes, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie sowie von der realisierten Kühlleistung so bemessen wird, daß er dem Temperaturwert entspricht, der sich bei voller Ausnutzung der Wärmekapazität der Batterie und bei dem für die Batterie maximal vorgesehenen Dauerstrom unter Be­ achtung der maximal zulässigen Batterietemperatur ergibt.The invention therefore relates in particular to a method for controlling the Temperature of a high-temperature battery via the specification of a temperature setpoint, which depends on the state of charge of the battery and the realized cooling capacity is dimensioned so that it corresponds to the temperature value corresponds to that when the thermal capacity of the battery is fully utilized and at the maximum continuous current provided for the battery under Be attention to the maximum permissible battery temperature.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen daher die für den Batterietyp spezifischen, auslegungsmäßig bzw. konstruktiv bedingten Fest­ werte des maximal vorgesehenen Dauerstroms sowie der maximal zulässigen Temperatur und der Wärmekapazität bekannt sein. Diese drei Festwerte werden in einem Rechenwerk gespeichert. Ferner müssen die veränderlichen Parameter Ladezustand und realisierte Kühlleistung bekannt sein. Der Lade­ zustand läßt sich beispielsweise über eine Integration der ein- und ausge­ ladenen Ladungsmengen (Ah-Buchhaltung) und die realisierte Kühlleistung, beispielsweise über die Messung der Kühlmittel-Ein- und Austrittstemperatur und des Volumenstroms ermitteln.To use the method according to the invention, therefore, for the Battery-specific, design-related or design-related fixed values of the maximum intended continuous current and the maximum permissible Temperature and heat capacity should be known. These three fixed values are stored in an arithmetic unit. Furthermore, the changeable Known parameters state of charge and realized cooling capacity. The ark The state can be integrated into and out, for example loaded loads (Ah accounting) and the realized cooling capacity, for example by measuring the coolant inlet and outlet temperature and determine the volume flow.

Aus den genannten Festwerten sowie den veränderlichen Parametern wird durch ein Rechenwerk laufend ein Temperatursollwert erzeugt, der dem Regler zur Regulierung der Batterietemperatur vorgegeben wird.The fixed values mentioned and the changing parameters become a temperature setpoint is continuously generated by an arithmetic unit Controller for regulating the battery temperature is specified.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich dadurch wesentlich von dem vorbekannten Stand der Technik, daß Erwartungswerte für die Tempe­ ratur voraus kalkuliert werden, die dem Regler vorgegeben werden und die durch Einbeziehung der Wärmekapazität für eine optimale Kühlung sorgen. The method according to the invention differs significantly from the prior art that expected values for the tempe rature are calculated in advance, which are given to the controller and which ensure optimal cooling by including the heat capacity.  

Die in einer Batterie durch Stromfluß I hervorgerufene Wärmeentwicklung dQ
im Zeitintervall dt ergibt sich ausThe heat development dQ caused by current flow I in a battery
in the time interval dt results from

dQ = R·I² + (Et-E)·I)dtdQ = R · I² + (E t -E) · I) dt

mit R = Innenwiderstand der Batterie
E = Ruhespannung der Batterie
Et = thermoneutrales Potential der Batteriewith R = internal resistance of the battery
E = open circuit voltage of the battery
E t = thermo neutral potential of the battery

Hochtemperaturbatterien weisen ein Isoliergehäuse auf, dessen Wärmever­ lustleistung Pbox bei Betrachtungen zum Wärmehaushalt der Batterie ebenfalls eine Rolle spielt. Zudem ist in derartigen Batterien eine Vorrichtung zur Hei­ zung und zur Kühlung der Batterie vorhanden mit korrespondierender Lei­ stungszu- bzw. abfuhr Pheiz bzw. Pkühl. Ist C die Wärmekapazität der Batterie, so läßt sich das Temperaturverhalten T(t) der Batterie in Abhängigkeit von der Zeit t ermitteln aus:High-temperature batteries have an insulating housing, whose heat loss P box also plays a role when considering the heat balance of the battery. In addition, a device for heating and for cooling the battery is present in such batteries with a corresponding power supply or discharge P heat or P cool . If C is the heat capacity of the battery, the temperature behavior T (t) of the battery as a function of time t can be determined from:

dT = (1/C)·(R·I²+(Et-E)·I-Pbox+Pheit-Pkühl) dt.dT = (1 / C) · (R · I² + (E t -E) · IP box + P heit -P cool ) dt.

Anhand der in der Fig. 1 dargestellten Temperaturkurve über der Entladetiefe wird die Erfindung in einer Ausführungsform nachfolgend näher erläutert.On the basis of the temperature curve shown in FIG. 1 over the depth of discharge, the invention is explained in more detail in one embodiment below.

Die Kurven zeigen einen typischen Temperaturverlauf einer Na/NiCl₂-Batterie während einer einstündigen Entladung bei verschiedenen Kühlleistungen Pkühl in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie. Dabei wird die Kühlung derart gesteuert, daß am Entladeende bei 100% Entladetiefe in jedem Fall die maximal zulässige Temperatur Tmax (beim dargestellten Ausführungsbeispiel 350°C) der Batterie gerade erreicht wird und somit die Wärmekapazität der Batterie soweit wie möglich zur Aufnahme der Verlustwärme genutzt wird. Damit möglichst viel dieser Verlustwärme in der Wärmekapazität der Batterie gespeichert werden kann, wird auch der Temperatursollwert TH für die Steue­ rung der Batterieheizung möglichst niedrig, d. h. knapp oberhalb der minimal zulässigen Betriebstemperatur eingestellt. Eine Kühlvorrichtung, die während der einstündigen Entladung permanent kühlen muß, damit am Entladeende die Batterie ihre Maximaltemperatur nicht überschreitet wird als prophylaktische Kühlung bezeichnet. Den dazu gehörigen Temperaturverlauf zeigt die Kurve a. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve b den Temperaturverlauf im Falle einer Bedarfskühlung, die erst bei Erreichen der Maximaltemperatur Tmax aktiviert wird. Die Bedarfskühlung ist dann in der Lage, ein weiteres Ansteigen der Temperatur über Tmax hinaus zu verhindern. Da die Hochenergiebatterie permanent auf einem hohen Temperaturniveau um etwa 300°C gehalten werden muß, und dazu die über die Wärmeisolierung des Gehäuses abgegebe­ nen Verluste durch die Batterieheizung ausgeglichen werden müssen, wirkt es sich besonders günstig auf die Energiebilanz der Batterie aus, wenn die Wärmekapazität der Batterie zunächst voll ausgenutzt wird ehe Wärme über die Batteriekühlung abgeführt wird. Die besten Energiebilanzen werden mit einer Bedarfskühlung b erzielt, die erst bei Erreichen der Maximaltemperatur Tmax aktiviert wird.The curves show a typical temperature profile of a Na / NiCl₂ battery during a one-hour discharge at different cooling capacities P cool depending on the state of charge of the battery. The cooling is controlled in such a way that the maximum permissible temperature T max (350 ° C. in the exemplary embodiment shown) of the battery is just reached at the end of discharge at 100% depth of discharge and thus the heat capacity of the battery is used as far as possible to absorb the heat loss becomes. So that as much of this heat loss as possible can be stored in the heat capacity of the battery, the temperature setpoint T H for the control of the battery heater is set as low as possible, ie just above the minimum permissible operating temperature. A cooling device that has to cool permanently during the one-hour discharge so that the battery does not exceed its maximum temperature at the end of discharge is referred to as prophylactic cooling. The associated temperature curve is shown in curve a. In contrast, curve b shows the temperature profile in the case of a demand cooling, which is only activated when the maximum temperature T max is reached. The required cooling is then able to prevent the temperature from rising further beyond T max . Since the high-energy battery must be kept permanently at a high temperature level of around 300 ° C, and for this the losses given off by the heat insulation of the housing must be compensated for by the battery heating, it has a particularly favorable effect on the energy balance of the battery if the heat capacity the battery is fully used before heat is dissipated via the battery cooling. The best energy balances are achieved with demand cooling b, which is only activated when the maximum temperature T max is reached.

Ein konstanter Temperatursollwert für die Steuerung einer prophylaktischen Batteriekühlung wirkt sich ungünstig auf die Energiebilanz aus, insbesondere dann, wenn die Fahrt vor Erreichen der zulässigen Maximaltemperatur abge­ brochen wird. Im Unterschied zur Bedarfskühlung müßte hier die prophylak­ tisch über die Kühlung entnommene Wärmemenge gegebenenfalls durch Heizen wieder zugeführt werden.A constant temperature setpoint for the control of a prophylactic Battery cooling has an adverse effect on the energy balance, in particular then, if the trip abge before reaching the permissible maximum temperature will break. In contrast to cooling demand, prophylaxis would have to be done here table of heat removed from the cooling system, if necessary Heating can be fed again.

Erfindungsgemäß stellt eine optimiert geregelte Steuerung der Batteriekühlung den entsprechenden Temperatursollwert abhängig vom Ladezustand der Batterie und der realisierten Kühlleistung stets so ein, daß er auf der Tempe­ raturkurve zu liegen kommt, die sich bei einer Entladung mit dem maximal geforderten Dauerstrom ergibt, wenn gleichzeitig die Wärmekapazität der Batterie voll ausgenutzt wird. Grenzfälle zeigen die Kurven a und b. Durch diese Regelung ist sichergestellt, daß stets so wenig wie möglich gekühlt wird und trotzdem die geforderte Dauerstrom-Entladung bis zum Entladeende möglich gemacht wird. According to the invention provides an optimally controlled control of the battery cooling the corresponding temperature setpoint depending on the charge level of the Battery and the realized cooling capacity always so that it is on the tempe raturkurve comes to lie, which with a discharge with the maximum required continuous current results if at the same time the heat capacity of the Battery is fully used. Borderline cases show curves a and b. By this regulation ensures that as little as possible is always cooled and still the required continuous current discharge until the end of discharge is made possible.  

Während des Kühlvorgangs bestimmt ein Temperaturgradient der Einzelzellen der Batterie den Wärmeabtransport. Dieser Temperaturgradient muß gegebe­ nenfalls bei der Einstellung des Temperatursollwerts der Kühlungssteuerung berücksichtigt werden, d. h. der Temperatursollwert muß dann entsprechend erniedrigt werden.A temperature gradient of the individual cells determines during the cooling process the heat dissipation of the battery. This temperature gradient must exist if necessary, when setting the temperature setpoint of the cooling control are taken into account, d. H. the temperature setpoint must then be adjusted accordingly be humiliated.

Da Elektrofahrzeuge im allgemeinen relativ wenig Energie zur Verfügung haben, ist eine weitere Nutzung der Batterie als Wärmespeicher sehr von Vorteil. Während des elektrischen Ladevorgangs kann auch der thermische Energiespeicher geladen, d. h. das Temperaturniveau bis zum Erreichen des Temperatursollwerts der Kühlungssteuerung erhöht werden. Beim Fahren ist dann über die Kühlvorrichtung Wärmeenergie bis zum Erreichen des Tempera­ tursollwerts der Heizungssteuerung abrufbar, die z. B. zum Aufwärmen der Fahrerkabine genutzt werden kann.Because electric vehicles generally have relatively little energy available have a further use of the battery as a heat storage is very of Advantage. During the electrical charging process, the thermal Energy storage loaded, d. H. the temperature level until reaching the Temperature setpoint of the cooling control can be increased. When driving is then thermal energy via the cooling device until the tempera is reached tures setpoint of the heating control available, the z. B. to warm up the Driver's cabin can be used.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der Entladung einer Batterie erläutert.Another embodiment of the method according to the invention is described in following explained using the discharge of a battery.

Der betriebsbedingte Temperaturanstieg eines beliebigen stromdurchflossenen Volumenelementes der Batterie in der Zeit dt läßt sich angeben durchThe operational temperature increase of any current-carrying Volume element of the battery in the time dt can be specified by

mit C = Wärmekapazität, R = elektrischer Widerstand, P = vom Volumen­ element an dessen Umgebung abgegebene Leistung P. (Dies entspricht der Gesamtwärme pro Zeiteinheit, die vom Volumenelement an die Umgebung abgegeben wird).with C = heat capacity, R = electrical resistance, P = by volume element output at its environment P. (This corresponds to the Total heat per unit of time from the volume element to the environment is delivered).

Ist die Batterie ausgelegt für eine stromkonstante (galvanostatische), kon­ tinuierliche Entladung mit dem maximalen Konstantstrom Ic, so läßt sich die von dem Volumenelement an dessen Umgebung abgegebene Leistung P abschätzen zuIf the battery is designed for a current-constant (galvanostatic), continuous discharge with the maximum constant current I c , the power P delivered by the volume element to its surroundings can be estimated

Setzt man näherungsweise P=R·I²c, so läßt sich der zeitliche Temperaturver­ lauf T(t) im Volumenelement während einer bei t = 0 beginnenden Entladung wie folgt abschätzen (T₀ = Starttemperatur zum Zeitpunkt t = 0):If one sets approximately P = R · I² c , the temporal temperature profile T (t) in the volume element can be estimated as follows during a discharge starting at t = 0 (T₀ = start temperature at time t = 0):

Der Integrand wird bei kleinen Strömen negativ, d. h. der Integralwert nimmt ab, die Batterietemperatur sinkt. Die Näherung verliert ihre Gültigkeit für Integralwerte kleiner als Null.The integrand becomes negative at small currents, i.e. H. the integral value takes the battery temperature drops. The approximation loses its validity for Integral values less than zero.

Diese Abschätzung ist gegebenenfalls zu verfeinern durch Berücksichtigung der Abhängigkeit des Widerstandes von der Entladetiefe, die sich durch Summierung der entnommenen Ampèrestunden ergibt; alternativ läßt sich ein "schlechter Fall" durch Einsetzen des in der Regel bei Entladeende höchsten Widerstandes errechnen. Eine weitere Verfeinerung ist durch Berücksichti­ gung der Thermodynamik der zugrundeliegenden Entladereaktion möglich, die endotherm oder exotherm verlaufen kann.If necessary, this estimate must be refined by taking it into account the dependence of the resistance on the depth of discharge, which is characterized by Summation of the ampere hours drawn results; alternatively one can "Bad case" by inserting the highest, usually at the end of discharge Calculate resistance. A further refinement is by taking into account Thermodynamics of the underlying discharge reaction possible can be endothermic or exothermic.

Die vorgenannten Verfeinerungen sind jedoch für den Betrieb der Batterien in der Praxis kaum nötig.However, the above refinements are for operating the batteries in hardly necessary in practice.

Die Vorgabe einer maximal zulässigen Grenztemperatur Tmax für das Volumen­ element liefert nach Einsetzen in (3) für das Integral G:The specification of a maximum permissible limit temperature T max for the volume element provides for the integral G after insertion in (3):

einen Grenzwerta limit

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vergleicht stets den aktualisierten Integralwert G mit dem berechneten Grenzwert Gmax, wobei im Falle von Grenzwertüberschreitungen (G < Gmax) mit einer Rücknahme des Lade- bzw. Entladestromes reagiert wird.The operating method according to the invention always compares the updated integral value G with the calculated limit value G max , and in the event of limit values being exceeded (G <G max ), the charge or discharge current is reduced.

Da T₀, R und C nicht konstant sind, sondern von der thermischen Vorge­ schichte (Wärmefluß zwischen Ladeende und Entladebeginn) bzw. der Entla­ detiefe je nach System mehr oder weniger stark abhängen, wird eine Verein­ fachung bevorzugt, die sich für die betrachtete Entladung für die Ermittlung des Grenzwertes mit der Messung der Starttemperatur T₀ begnügt und R und C näherungsweise als Konstanten einsetzt.Since T₀, R and C are not constant, but from the thermal Vorge layer (heat flow between the end of charging and the start of unloading) or the discharge The depth will depend more or less depending on the system, a club folds preferred, which is suitable for the considered discharge for the determination of the limit value is satisfied with the measurement of the starting temperature T₀ and R and C approximately as constants.

Eine Verfeinerung ist, wie oben ausgeführt, durch Ermittlung des jeweiligen Batteriewiderstandes, entweder aus Impedanzmessungen oder indirekt z. B. durch Ermittlung der Entladetiefe aus Ah - Summierung und Entnahme der zugehörigen Widerstandswerte aus Tabellen bzw. Kennfeldern möglich. Ein solches Kennfeld würde Widerstandswerte in Abhängigkeit von den Parame­ tern Temperatur und Entladetiefe liefern.A refinement is, as explained above, by determining the respective Battery resistance, either from impedance measurements or indirectly z. B. by determining the depth of discharge from Ah - summation and taking the associated resistance values from tables or maps possible. A such a map would show resistance values depending on the parameters supply temperature and depth of discharge.

Die Verfeinerung gestattet die Unterteilung der Entladung in mehrere Zeit­ abschnitte mit jeweils neuen Starttemperaturen T₀, für die jeweils ein eigener Grenzwert in Abhängigkeit von T₀ und Entladetiefe errechnet wird. Bedarfsweise läßt sich auch ein abschnittsspezifischer Konstantstrom Ic einführen.The refinement allows the discharge to be divided into several time periods, each with new start temperatures T₀, for which a separate limit value is calculated depending on T₀ and depth of discharge. If necessary, a section-specific constant current I c can also be introduced.

Unabhängig vom Grad der Verfeinerung (die in der Praxis jedoch kaum jemals nötig ist) der Errechnung des Grenzwertes G bestehen die Schritte des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ausRegardless of the level of refinement (which in practice hardly ever the calculation of the limit value G consists of the steps of the inventor method according to the invention

  • 1. Festlegung der maximal zulässigen Batterietemperatur des betrachteten Volumenelementes in der Batterie 1. Determination of the maximum permissible battery temperature of the considered Volume element in the battery  
  • 2. Ermittlung eines maximal zulässigen Konstantstromes Ic zum Beladen oder zur Entnahme der praktisch nutzbaren Batteriekapazität, während und nach dessen Fließen die genannte, maximal zulässige Batterie­ temperatur nicht überschritten wird (typspezifisch und kühlungsspezifisch)2. Determination of a maximum permissible constant current I c for loading or removing the practically usable battery capacity, during and after its flow the specified maximum permissible battery temperature is not exceeded (type-specific and cooling-specific)
  • 3. Ermittlung von Widerstand und Wärmekapazität des betrachteten Volu­ menelements3. Determination of resistance and heat capacity of the volume under consideration menements
  • 4. Messung der Starttemperatur der Batterie für die Be- bzw. für die Entladung4. Measurement of the starting temperature of the battery for the loading or for the discharge
  • 5. Definition eines Grenzwertes nach obengenanntem Ausdruck (5)5. Definition of a limit value according to the above expression ( 5 )
  • 6. Laufende Messung des Ladestroms bzw. des Entladestroms I und Aktualisierung des Ausdrucks (4) in einem geeigneten Rechenwerk, und Vergleich des so gewonnenen Wertes mit dem Grenzwert G6. Ongoing measurement of the charging current or the discharge current I and updating of the expression ( 4 ) in a suitable arithmetic unit, and comparison of the value obtained in this way with the limit value G
  • 7. Rücknahme des Ladestroms bzw. des Entladestroms bei Überschrei­ tung des Grenzwerts G.7. Withdrawal of the charging current or the discharging current when exceeded limit G.

Das Verfahren macht die Entladestromabregelung im Prinzip unabhängig von einer laufenden Aktualisierung der Batterie-Temperaturmessung, da es sich zur Begrenzung der Erhitzung auf intrinsische Eigenschaften der Batterie stützt. Das schließt jedoch nicht aus, daß bei Einsatz einer Kühlung die Regelung der Kühlung über Temperaturmessungen, z. B. der Batterie selbst oder des Kühlmediums, vorgenommen werden kann.In principle, the process makes the discharge current regulation independent of an ongoing update of the battery temperature measurement as it is to limit heating to intrinsic properties of the battery supports. However, this does not rule out the fact that when using cooling Control of cooling via temperature measurements, e.g. B. the battery itself or the cooling medium can be made.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbatterie bzw. zur Steue­ rung der Temperatur einer Hochtemperaturbatterie, insbesondere einer wiederaufladbaren Hochenergiebatterie, durch Messen der Batterietem­ peratur, Messen des Ladezustandes, Ein- und Ausschalten einer Heiz­ bzw. Kühlvorrichtung zwischen Ein- und Ausschalt-Schwellenwerten der Batteriespannung oder Batterietemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Regelvorrichtung vorsieht, die den Temperatursollwert für die Steuerung der Kühlvorrichtung, abhängig vom Ladezustand der Batterie und der realisierten Leistung der Kühlvorrichtung so wählt, daß er dem Temperaturwert entspricht, der sich bei voller Ausnutzung der Wärmekapazität der Batterie und bei dem für die Batterie maximal vorgesehenen Dauerstrom unter Beachtung der maximal zulässigen Batterietemperatur ergibt.1. Method for operating a high-temperature battery or for controlling the temperature of a high-temperature battery, in particular a rechargeable high-energy battery, by measuring the battery temperature, measuring the state of charge, switching on and off a heating or cooling device between switching on and off threshold values of the battery voltage or battery temperature, characterized in that a control device is provided which selects the temperature setpoint for the control of the cooling device, depending on the state of charge of the battery and the performance of the cooling device, in such a way that it corresponds to the temperature value which is obtained when the thermal capacity of the battery is fully utilized and at the maximum continuous current provided for the battery, taking into account the maximum permissible battery temperature. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für den maximal vorgesehenen Dauerstrom, der maximal zulässigen Temperatur und Wärmekapazität in einem Rechenwerk gespeichert werden, der Ladezustand über eine Integration der ein- und ausge­ ladenen Ladungsmengen und die realisierte Kühlleistung über die Mes­ sung der Kühlmittel Ein- und Austrittstemperaturen des Volumenstroms ermittelt werden, und aus den genannten Festwerten sowie den ver­ änderlichen Parametern fortwährend durch ein Rechenwerk ein Tempe­ ratursollwert erzeugt wird, der der Regelvorrichtung zur Regelung der Batterietemperatur vorgegeben wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the values for the maximum intended continuous current, the maximum permissible Temperature and heat capacity stored in a calculator the state of charge via an integration of on and off charged amounts of charge and the realized cooling capacity via the measurement solution of the coolant inlet and outlet temperatures of the volume flow are determined, and from the specified fixed values and the ver changing parameters continuously by a calculator a tempe ratures setpoint is generated, the control device for controlling the Battery temperature is specified.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nicht nur über alle Zellen der Batterie, sondern auch für Module und innerhalb des wärmeisolierenden Gehäuses angeordneten Einzelzellen gesteuert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Temperature not only across all cells of the battery, but also for Modules and arranged within the heat-insulating housing Single cells is controlled. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Regelvorrichtung der Temperatursollwert für die Steuerung der Kühlvorrichtung entsprechend dem zur Kühlung erforderlichen Temperaturgradienten an der Einzelzelle erniedrigt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the temperature setpoint by the control device for the control of the cooling device corresponding to that for cooling required temperature gradient at the single cell is lowered. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Nutzung des Wärme-Speichervermögens der Batterie während des Ladevorgangs die Regelvorrichtung den Tempera­ tursollwert der Heizungssteuerung dem Temperatursollwert der Küh­ lungssteuerung gleichgesetzt und während des Entladevorgangs der Temperatursollwert der Heizungssteuerung seinen ursprünglichen, möglichst niedrigen Wert annimmt und der Temperatursollwert der Kühlungssteuerung bei Bedarf bis zum Erreichen des Temperatursoll­ werts der Heizungssteuerung abgesenkt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that to use the heat storage capacity of the Battery during charging the control device the tempera tures setpoint of the heating control the temperature setpoint of the cooling tion control equated and during the unloading of the Temperature setpoint of the heating control its original, assumes the lowest possible value and the temperature setpoint of the Cooling control if necessary until the temperature setpoint is reached value of the heating control is reduced. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Vermeidung einer Überhitzung der Batterie beim Betrieb bzw. beim Be- und Entladen in temperaturkritischen Volumenelementen der Batte­ rie durch Abregelung des Lade- bzw. Entladestroms, umfassend die folgenden Schritte:
  • 1. Festlegung der maximal zulässigen Temperatur (Tmax) des betrachteten Volumenelementes in der Batterie.
  • 2. Ermittlung eines maximal zulässigen Konstantstromes Ic zum Beladen bzw. zur Entnahme der praktisch nutzbaren Batteriekapazität, während und nach dessen Fließen die genannte, maximal zulässige Temperatur nicht überschrit­ ten wird.
  • 3. Ermittlung von Widerstand und Wärmekapazität des be­ trachteten Volumenelementes.
  • 4. Messung der Starttemperatur der Batterie für die Be- bzw. für die Entladung
  • 5. Festlegung eines Grenzwertes für das Zeitintegral vom Beginn der Be- bzw. der Entladung (t=0) bis zum aktuellen Zeitpunkt t mit dem variablen Strom I
  • 6. Laufende Messung des Lade- bzw. des Entladestroms I und Vergleich des aktualisierten Integralwertes mit dem berechneten Grenzwert Gmax in einem geeigneten Rechenwerk
  • 7. Rücknahme des Lade- bzw. des Entladestroms bei Grenz­ wertüberschreitungen (G < Gmax).
6. The method according to any one of the preceding claims, in particular to avoid overheating of the battery during operation or when loading and discharging in temperature-critical volume elements of the battery by regulating the charging or discharging current, comprising the following steps:
  • 1. Definition of the maximum permissible temperature (T max ) of the volume element in question in the battery.
  • 2. Determination of a maximum permissible constant current I c for loading or removing the practically usable battery capacity, during and after its flow, the said maximum permissible temperature is not exceeded.
  • 3. Determination of resistance and heat capacity of the volume element considered.
  • 4. Measurement of the starting temperature of the battery for loading and unloading
  • 5. Setting a limit for the time integral from the start of loading or unloading (t = 0) to the current time t with the variable current I
  • 6. Continuous measurement of the charge or discharge current I and comparison of the updated integral value with the calculated limit value G max in a suitable arithmetic unit
  • 7. Withdrawal of the charging or discharging current in the event of limit values being exceeded (G <G max ).
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zyklische Wiederho­ lung der Schritte 4 bis 7 im Verlauf der Be- und Entladung, wobei jedem Zyklus fest gespeicherte Kennfeldwerte von Widerstand, Wärme­ kapazität und gegebenenfalls auch des maximal zulässigen Konstant­ stroms zugeordnet werden.7. The method according to claim 6, characterized by cyclic repetition development of steps 4 to 7 in the course of loading and unloading, wherein Map values of resistance, heat stored permanently in each cycle capacity and possibly also the maximum permissible constant current can be assigned. 8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch Zuhilfenahme einer kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebenen Kühleinrichtung für die Batterie.8. The method according to claim 6 and 7, characterized by the aid a continuously or discontinuously operated cooling device for the battery.
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