EP2412049A1 - Verfahren und regelvorrichtung zur regelung einer temperatur einer energiespeichereinheit - Google Patents

Verfahren und regelvorrichtung zur regelung einer temperatur einer energiespeichereinheit

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EP2412049A1
EP2412049A1 EP10711873A EP10711873A EP2412049A1 EP 2412049 A1 EP2412049 A1 EP 2412049A1 EP 10711873 A EP10711873 A EP 10711873A EP 10711873 A EP10711873 A EP 10711873A EP 2412049 A1 EP2412049 A1 EP 2412049A1
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EP
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temperature
selecting
manipulated variable
cooling
temperature difference
Prior art date
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Withdrawn
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EP10711873A
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English (en)
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Matthias Stripf
Manuel Wehowski
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method and a control device for controlling a temperature of an energy storage unit.
  • Modern high performance batteries constructed from a number of individual cells, e.g. Accumulators or secondary batteries, for example, increasingly used in electric or hybrid vehicles. Care must be taken to ensure that the temperature of the battery is within a certain interval during operation to ensure the efficiency, functionality and safety of the device. Here it is necessary to cope with various problems.
  • the efficiency of the battery cells or of the energy storage unit drops significantly when a suitable operating temperature is subscribed and the cells produce a high power loss.
  • a suitable operating range processes take place within the cells which lead to irreversible damage.
  • Crack cells do not exceed the temperature differences within the individual cells and in the entire battery stack certain limits.
  • a Kühtmedium is preferably passed throughdekanäl ⁇ , which are in thermal contact with the battery.
  • a cooling medium this may e.g. Refrigerant, which is preferably removed from the air conditioner, or a coolant can be used. Since the load on the battery cell and thus the heat loss during operation can change significantly, the cooling device is to be provided with a suitable control.
  • the document DE 103 46 706 B4 discloses a method for controlling a battery, wherein the focus is on the calculation of the maximum temperature within the battery cell. By measuring at least one quantity from which the power loss of the battery is determined, the temperature distribution inside the battery cell is calculated and a prediction of the temporal evolution of the temperature is made. The control of the cooling takes place after the allowed maximum temperature.
  • Di DE DE 3401 100 A1 describes the control of the temperature within a M ⁇ tallhak ⁇ j ⁇ n battery ⁇ .
  • the battery temperature is controlled to the optimum hydrate formation temperature during the charging process. This is done by measuring a temperature outside the battery line, which is used to determine the temperature in the cell interior.
  • the document DE 102 02 807 A1 describes a system for the temperature control of high-performance Sekundärbatt ⁇ rien. The regulation is done here by measuring the temperature inside the battery case.
  • DE 91 O ⁇ 2 ⁇ O U1 describes a temperature-controlled battery pack for driving a vehicle.
  • the regulation of the temperature takes place by measuring the temperature of the temperature control medium at the outlet of the battery and corresponding adjustment of the pumping system.
  • the document DE 102006 005 176 A1 describes adekretelauf and e ⁇ N method for cooling a BressennstoffzeHenstapels.
  • the temperature of the fuel cell stack is controlled by measuring the inlet and outlet temperature of the coolant and by adjusting the coolant quantity or temperature.
  • the present invention provides a method for controlling a temperature of an energy storage unit, wherein the energy storage unit is in thermal contact with a cooling unit through which a coolant and / or refrigerant flows, the method comprising the following steps:
  • the present invention provides a control device which is designed to carry out and / or control the steps of the above-mentioned method.
  • the present invention provides a computer program with program code ⁇ for performing and / or controlling the steps of the above-mentioned method when the computer program is executed on a controller or a data processing system.
  • the present invention is based on the finding that both the service life and the efficiency of an energy storage unit can be considerably increased if regulation of the temperature control of an energy storage unit takes place with targeted utilization of the heat capacity of the battery.
  • both the maximum temperature and the temperature gradients occurring in the battery cells are taken into account in the control via a characteristic dependent on the operating conditions and battery parameters.
  • This characteristic or this characteristic can be used to control a switching or control valve or a compressor or a pump as a regulator unit, which regulate the flow through the cooling channels of a cooling inlet. This ensures that limit values of the bat- T ⁇ rietemperaturen be met while minimizing the temperature differences can be achieved within the battery tents.
  • this control strategy can be used to maximize battery life.
  • the peak loads of the battery waste heat do not lead to load peaks in the heat dissipated, so that the cooling system or the cold circuit and possibly other connected components are relieved.
  • the proposed control strategy for cooling high-performance batteries therefore leads to an increase in battery life in comparison to previously known solutions.
  • a further advantage is the possibility of a controlled increase in the battery temperature at higher loads, which leads to a decrease in the power loss and thus to a higher efficiency of the battery.
  • the control is also simple, e.g. in the battery management system and only needs two temperature measuring points.
  • a greater computing power, such as e.g. is required in regulations proposed in the prior art is not needed.
  • the step of selecting the manipulated variable as a function of the temperature at the primary measuring point can be selected.
  • the primary measuring point generally provides information about the instantaneous maximum temperature of theenergy storage unit and is relevant inasmuch as exceeding an upper limit temperature would lead to damage to the energy storage unit.
  • a knowledge of the maximum temperature of the energy storage cell has the advantage that it can be accurately recognized when cooling the energy storage unit should be switched to full power to prevent damage to the energy storage unit or in the contrary case should be turned off completely, so that the efficiency of the energy storage unit does not decrease too much.
  • a duty cycle of a pulse width modulated signal in the step of selecting a duty cycle of a pulse width modulated signal can be selected as a manipulated variable, wherein in the step of Ansteuema the control unit with the pulse width modulated signal can be controlled as a manipulated variable.
  • the step of selecting the duty cycle may be selected as a manipulated variable within a temperature interval using the characteristic, wherein in the step of selecting further a duty cycle of zero can be selected when the temperature of the primary measuring point is lower than a lower limit temperature of the temperature interval and wherein in the step of selecting a duty cycle of one can be selected when the temperature of the primary measuring point is greater than an upper limit temperature of the temperature interval.
  • the step of selecting can be configured such that within the temperature interval predetermined duty cycles in the range of a maximum and a minimum duty cycle can not be selected.
  • very fast switching sequences of opening and closing of the regulator unit can be avoided and thus a Life of the same be extended.
  • predetermined Tastverhärtnisse can be skipped in the step of selecting with increasing or decreasing temperature of the primary measuring point, or it can be selected a duty cycle that does not exceed a maximum duty cycle.
  • predetermined Tastverhärtnisse can be skipped in the step of selecting with increasing or decreasing temperature of the primary measuring point, or it can be selected a duty cycle that does not exceed a maximum duty cycle.
  • a characteristic curve in the step of selecting using the determined temperature difference, can be selected from a field of predefined characteristic curves, wherein the selection of the manipulated variable takes place using the selected characteristic curve. Since the selection of the characteristic curve takes place via a comparison operation between the determined temperature difference and a selection of predefined characteristic curves, the required computation effort can be reduced and costly computing units can be dispensed with.
  • a characteristic in the step of selecting for a small temperature difference, can be selected from the array of predefined characteristics that causes a large manipulated variable at a predetermined temperature of the primary measuring point, and in the step of selecting for a large temperature difference Characteristic from the field of predefined characteristics are selected, which causes a small manipulated variable at the predetermined temperature of the PrimSrmessstelle.
  • the battery temperature can be maintained within the battery cells by cooling at the bottom of the dusted temperature window by selecting a suitable characteristic from the field of predefined characteristics.
  • a characteristic curve can be selected from the field of predefined characteristic curves which effects a regulation which allows a higher battery temperature within the permitted temperature window.
  • the peak loads occurring in normal operation can thus be absorbed by the heat capacity of the battery or a uniform increase in temperature and lead to no or only a slight increase in the temperature difference within the battery cells.
  • the advantage here is also significantly reduced at higher temperature heat development of the battery cells, which can also contribute to reducing the temperature gradient within the cells.
  • a period of a pulse-modulated signal can be selected as manipulated variable in the step of selecting, wherein in the step of controlling the actuator can be controlled with the pulse width modulated signal as a manipulated variable.
  • the period can be used as the sole control value or used in conjunction with the duty cycle of the pulse width modulated signal as a manipulated variable.
  • the period in the step of selecting, can be selected as a manipulated variable as a function of the temporal change of the temperature difference, wherein the period can be selected such that an increase in the temporal change causes a reduction of the period and a reduction of the temporal change an increase in the period causes.
  • the period can be selected such that an increase in the temporal change causes a reduction of the period and a reduction of the temporal change an increase in the period causes.
  • a further advantage of the method according to the invention can be realized in that in the step of selecting before a determination of the temporal change of the temperature difference, a low-pass filtering of the temperature difference takes place.
  • Such an embodiment of the invention has the advantage that short-term fluctuations in the temperature difference do not lead to a fast control behavior of the cooling unit, so that the control of the cooling unit remains stable overall.
  • a switch-on temperature in the step of selecting a manipulated variable, can be determined as a function of the temperature difference, wherein in the step of controlling the actuator is controlled such that a flow through the cooling unit with cooling and / or refrigerant is effected, if the temperature of the primary measuring
  • the actuating element can be controlled in the step of selecting as a manipulated variable, whereby in the step of controlling the actuator is controlled such that a flow through the cooling unit is prevented when the temperature the primary measuring point is lower than the cut-off temperature
  • FIG. 1 is a block diagram of a system for controlling a temperature of an energy storage unit using an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is an illustration of a field of characteristics used in an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is an illustration of a field of characteristics used in another embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is an illustration of a field of characteristics used in an embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is an illustration of a field of characteristics used in another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 is an illustration of a characteristic used in another embodiment of the invention
  • 7 is an illustration of a characteristic used in another embodiment of the invention.
  • Fig. 8 is another block diagram of one embodiment of a system for controlling a temperature of an energy storage unit using an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart of an embodiment of the invention as a method.
  • thermal contact should be provided between the battery cells and at least one cooling medium-conducting cooling means for the battery cooling or cooling of the energy storage unit.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of the invention in a system 100 for controlling a temperature of an energy storage unit or battery cell 110, which has, for example, a maximum cell temperature T ⁇ at t .max at a primary measuring point and at a secondary measuring point or an attachment point a reference temperature T "r f , wherein the battery tents 110 is coupled via a thermal Z ⁇ llanitati 120 with a cooling unit 130 is teft.
  • a cooling medium 140 enters and exits the cooling unit 130.
  • the values T max and T, * are fed to a control unit 150 and subjected there, for example, to a difference calculation.
  • a result of this difference calculation can then be used to control an actuator (eg a valve) 160 for controlling a flow through the cooling unit 130 with the cooling medium mass flow 140, wherein the actuator 160 may be designed as a clock valve.
  • an actuator eg a valve
  • the function of the clock valve 160 may be controlled via a pulse width modulated signal.
  • a manipulated variable in this case serves both a period and a duty cycle of the pulse width modulated signal.
  • the duty cycle indicates the proportion of a period in which the clock valve is open. With a duty cycle of 0, therefore, the cycle valve is permanently closed, while it is permanently open at a value of 1.
  • controlled variables are preferably the maximum cell temperature in the cell stack and inside the Energi ⁇ Grandestatt, TB "," ⁇ . and the temperature at the junction of this cell, Tr ⁇ f , used.
  • the difference between T ⁇ aii.m ⁇ x and T ⁇ is referred to below as the temperature spread or temperature difference .DELTA.T and is, to a first approximation, proportional to the temperature gradient within the battery cell .beta.
  • the duty cycle is set to 0 and no cooling medium flows through the cooling unit 130. If the temperature T ß a «.max is greater than an upper limit temperature T2, the duty cycle becomes 1 set to ensure the fastest possible cooling of the battery.
  • a map for the duty cycle is stored, which leads to a minimization of the temperature spread or temperature difference ⁇ T within a cell.
  • This map is dependent, for example, on the area of application (hybrid car, electric vehicle, off-highway application) and the construction of the battery as well as the battery type. Influences include the cell geometry, the heat conduction within the cells and between the cells, the design of the cell connection, the temperature of the cooling medium and the permissible temperature spread in the cells and the entire battery stack.
  • FIG. 1 An illustration of a field of characteristics used in an embodiment in a coordinate system 200 is shown in FIG. 1
  • a temperature at a primary measuring point of the energy storage unit T B a t , max is plotted on the abscissa, where Ti denotes the lower limit temperature of Tßa tt .max and T 2 denotes the upper limit temperature of T B att, m 8 ⁇ Plotted on the ordinate is a duty cycle TV of the pulse-width modulated signal, via which the clock valve is opened and / or closed, the clock valve being closed at the value 0 over the entire perlode of the signal and the clock valve at a value of 1 during the entire period is open.
  • the second characteristic 220 denotes a characteristic curve for an average temperature difference ⁇ T »medium
  • the third characteristic curve 230 denotes a characteristic curve for a large temperature difference ⁇ T - large.
  • the map may also have more or fewer characteristics than shown in Fig. 2.
  • Characteristic is an increasing straight line slope of the characteristics 210, 220, 230 with decreasing T ⁇ mperatursp Standung .DELTA.T.
  • the battery temperature TBait.max increases, leading to an increase in the TV duty cycle.
  • the T ⁇ mperatursp Standung .DELTA.T increases, is transferred in the map to the curve 230 with a smaller slope and the duty cycle TV does not increase or only slightly.
  • the temperature spread ⁇ T is automatically reduced and in the map, the curve 220 with a greater gradient is transitioned.
  • the duty factor TV increases as a result and the battery cools down again to the normal operating temperature at medium load.
  • the duty cycle TV is set to 1, as quickly as possible to fall below the upper limit temperature T 2 again. Once this falls below, in turn, the map is used for control. If the maximum temperature T ⁇ tt.max ⁇ Ti is undershot, the duty-cycle TV is set to 0, so that the efficiency of the energy-generating unit does not drop too much.
  • the characteristic diagram of FIG. 3 is configured, which represents a modification of the characteristic diagram shown in FIG. Fig. 3 shows a to that shown in Fig. 2 analog coordinate system 300 in which, in turn, on the abscissa the values for the temperature T B "t, ma ⁇ on the Primänmessstelle the energy storage unit are plotted and on the ordinate the values of the pulse duty factor TV of Pulse width modulated signal between 0 and 1 are plotted.
  • a characteristic map is composed of a family of characteristic curves 310, 320, 330, the characteristic map also having more or fewer characteristics than in FIG. 3. may have shares.
  • the third characteristic 330 a temperature difference ⁇ T ⁇ large.
  • a common point of intersection of the characteristic curves 310, 320, 330 for the temperature T 1 occurs at a minimum duty cycle TV.
  • FIG. 4 shows a further variant of the temperature control likewise using a field of characteristic curves.
  • a coordinate system 400 which is constructed analogously to the coordinate systems of FIGS. 2 and 3.
  • the abscissa represents the maximum temperature T B a ⁇ , max at the primary location of the energy storage unit and the ordinate the duty ratio TV of the timing valve.
  • the coordinate system includes a map of characteristics 410, 420, 430, wherein more or less than the characteristics shown 410, 420, 430 may be used.
  • the first characteristic curve 410 here again represents a small temperature difference ⁇ T - small
  • the characteristic diagram is characterized in that a common point of intersection of the characteristic curves 410, 420, 430 for a lower limit temperature Ti of the primary measuring point is set to a minimum scanning frequency TV.
  • the exemplary embodiment of the inventive approach explained with reference to the representation in FIG. 4 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 3 in that, when a predetermined duty cycle TV is reached at Ts aH .max ⁇ T 2, this duty cycle is maintained up to the upper limit temperature T 2 , This is to avoid too large temperature spreads .DELTA.T in the cells. For extreme cases, such as a very hot battery at startup or a very high load on the battery (eg in a fast charge) is but a greater cooling capacity through a complete and longer-lasting opening of the valve available.
  • FIG. 5 shows a coordinate system 500 that is constructed analogously to the coordinate systems from FIGS. 2 to 4.
  • an exemplary curve of two characteristic curves 510 and 520 is entered, wherein a first characteristic curve 510 represents a small temperature difference ⁇ T and a second characteristic curve 520 represents a large temperature difference ⁇ T.
  • a first characteristic curve 510 represents a small temperature difference ⁇ T
  • a second characteristic curve 520 represents a large temperature difference ⁇ T.
  • maps are conceivable in which the characteristics do not have a common point of intersection, which is not shown in the accompanying figures.
  • a period duration t of the pulse-width-modulated signal can be used as further manipulated variable.
  • a corresponding Ausfatu ⁇ gsbei- game this approach is shown in Fig. 6
  • a coordinate system ⁇ 0O is on the abscissa a temporal change of the Temperaturspr ⁇ izung 13 ⁇ T / ⁇ t
  • the period ⁇ of the pulse-width-modulated signal is plotted on the ordinate, the period ⁇ being adjustable in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 6 as a function of a characteristic ⁇ 10 between a minimum value ⁇ m jn and a maximum value ⁇ m ⁇ x .
  • the minimum and maximum period ⁇ m ⁇ n or ⁇ ma ⁇ are, for example, define batte- ry specific.
  • the period ⁇ should not be too low in order to avoid very frequent switching operations of the clock valve 160, which can lead to a considerable reduction in the valve life.
  • the periods are too long, no effective control can be ensured.
  • a control parameter for the period ⁇ may be a temporal change of the temperature spread
  • the period duration is to be increased for a very small time change (
  • Low-pass filtering can be preceded by a temporal change of the temperature spread ⁇ T the temperature spread .DELTA.T be performed.
  • FIG. 7 shows a representation of a characteristic curve in a coordinate system 700, wherein a temperature difference ⁇ T is plotted on the abscissa in this coordinate system.
  • a switch-on temperature T 8n is plotted, in which an opening of the clock valve 160 is driven.
  • Two ordinate T ⁇ mperaturept Ti and T 2 form the limits for a permissible or desired temperature window T 1 ... ⁇ , which is illustrated by two parallel to the abscissa extending dashed lines 701 and 702.
  • the position of another dashed line 703 parallel to the abscissa is determined by a temperature value T 1 + ⁇ T 2P , where the line 703 is within the temperature range T 1 ... T 2 .
  • a characteristic curve 710 in this case runs in the temperature window T 1 -TA preferably between the lines 703 and 701.
  • the two values T 8n and Tau » should be kept within the temperature range T1 ... T2.
  • T 8n is again set via the characteristic curve 710 as a function of the temperature spread ⁇ T. In this case T 8n behaves in the same way as the duty ratio TV and increases with a larger temperature distribution. ⁇ T. to temporarily increase the battery temperature accordingly.
  • An additional consideration of the time change of ⁇ T can also be done via an adjustment of the temperature difference between on and off temperature T 8n and AT 2 P.
  • a suction pressure valve connected downstream of the cooling unit can be used for the refrigerant.
  • 8 shows a block diagram of a further exemplary embodiment of a system for regulating a temperature of an energy storage unit using such a suction pressure valve.
  • the elements of a system 800 shown in FIG. 8 and their relationships with one another are analogous to the elements shown in FIG. 1, with the difference that a valve 860 is designed as a suction pressure valve and connected downstream of the cooling unit 130.
  • the valve position is controlled between closed (0) and fully open (1) during the suction pressure control.
  • the suction pressure the evaporation pressure or the V ⁇ rdampfungstempe- temperature is regulated so that influence on the dissipated heat is taken.
  • the adjustment of the coolant mass flow can alternatively be done via a controllable pump.
  • the adjustment of the suction pressure is also conceivable via an adjustable compressor.
  • the pump or compressor flow rate between zero (0) and the maximum flow rate (1) is controlled. This is preferably done by adjusting the speed between zero (0) and maximum speed (1).
  • Tm Tilting temperature T ⁇ used as reference temperatures. It is also conceivable to attach measuring points to several battery cells within the Z ⁇ llstapeJs, and then to use the cell with the highest temperature T 018 X or the largest temperature spread .DELTA.T for the control.
  • Fig. 9 shows a flow diagram of an embodiment of the present invention as method 900 for controlling a temperature of a power irrihe rt ', wherein the energy storage unit is in thermal contact with a through which a cooling and / or refrigerant cooling unit.
  • the method includes a step of determining (910) a temperature difference between a temperature at a primary measurement location of the energy storage unit and a temperature at a secondary measurement location of the energy storage unit or the refrigeration unit.
  • the method (900) comprises a step of selecting (920) a manipulated variable using the determined temperature difference and a predetermined one, wherein the predefined characteristic represents a relationship between a manipulated variable and a temperature difference or a variable dependent thereon.
  • the method (900) includes a step of driving (930) an actuator through a regulator unit using the selected manipulated variable to control a flow of the cooling unit through the coolant and / or refrigerant, thereby controlling the temperature of the energy storage unit to effect.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (900) zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinheit (110), wobei die Energiespeichereinheit (110) in thermischem Kontakt mit mindestens einer von einem Kühl- und/oder Kältemittel (140) durchströmten Kühleinheit (130) steht. Das Verfahren (900) umfasst einen Schritt des Ermittelns (910) einer Temperaturdifferenz (?T) zwischen einer Temperatur (TBatt,max) an einer Primärmessstelle der Energiespeichereinheit (110) und einer Temperatur (Tref) an einer Sekundärmessstelle der Energiespeichereinheit (110) oder Kühleinheit (130). Weiterhin umfasst das Verfahren (900) einen Schritt des Auswählens (920) einer Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferenz (?T) und einer vorgegebenen Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 810; 710), wobei die vordefinierte Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 810; 710) einen Zusammenhang zwischen einer Stellgröße und einer Temperaturdifferenz (?T) oder einer davon abhängigen Größe repräsentiert. Schließlich weist das Verfahren (900) einen Schritt des Ansteuerns (930) eines Stellgliedes mithilfe einer Reglereinheit (150) unter Verwendung der ausgewählten Stellgröße auf, um eine Durchströmung der Kühleinheit (130) mit dem Kühl- und/oder Kältemittel (140) zu regeln, um dadurch die Regelung der Temperatur der Energiespeichereinheit (110) zu bewirken.

Description

Verfahren und Regelvorrlchtung zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinhelt
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Regelvorrich- tung zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinheit.
Moderne Hochleistungsbatterien, die aus einer Anzahl einzelner Zellen aufgebaut sind, z.B. Akkumulatoren oder Sekundärbatterien, werden beispielsweise verstärkt in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, dass sich die Temperatur der Batterie während des Betriebs in einem gewissen Intervall befindet, um die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit der Einrichtung sicherzustellen. Hier gilt es, verschiedene Problemstellungen zu bewältigen.
Einerseits sinkt der Wirkungsgrad der Batteriezellen bzw. der EnergieapeJcher- einheit bei Unterschrertung einer geeigneten Betriebstemperatur sehr stark und die Zellen produzieren eine hohe Verlustleistung. Andererseits laufen oberhalb eines geeigneten Betriebsbereichs Prozesse innerhalb der Zellen ab, die zu irreversiblen Schädigungen führen. Ferner dürfen zur Vermeidung einer ungleichmäßigen und damit einhergehendβn verstärkten Alterung einzelner Batte- riβzellen die Temperaturunterschiede innerhalb der Einzelzellen und in dem gesamten Batteriestapel bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten.
Zur Batteiiθkühlung wird vorzugsweise ein Kühtmedium durch Kühlkanälβ geführt, die in thermischem Kontakt mit der Batterie stehen. Als Kühlmedium kann hierzu z.B. Kältemittel, das vorzugsweise aus der Klimaanlage entnommen wird, oder auch ein Kühlmittel verwendet werden. Da sich die Belastung der Batteriezelle und damit die Verlustwärme während des Betriebs stark ändern kann, ist die Kühlvorrichtung mit einer geeigneten Regelung zu versehen.
Die Druckschrift DE 103 46 706 B4 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Batterie, wobei der Schwerpunkt auf der Berechnung der Maximaltemperatur innerhalb der Batteriezelle liegt. Anhand der Messung mindestens einer Größe, aus der die Verlustleistung der Batterie bestimmt wird, wird die Temperaturvβr- teilung im Inneren der Batteriezelle berechnet und eine Vorhersage über die zeitliche Entwicklung der Temperatur getroffen. Die Regelung der Kühlung erfolgt nach der erlaubten Maximaltemperatur.
Di© DE 3401 100 A1 beschreibt die Steuerung der Temperatur innerhalb einer Mθtallhakκjθn-Batteriθ. In dieser Druckschrift wird die Batterietempβratur während des Ladevorgangs auf die jeweils optimale Hydrat-Bildungstemperatur gesteuert. Dies geschieht durch Messung einer Temperatur außerhalb der Batte- riezeile, mit deren Hilfe auf die Temperatur im Zellinnem geschlossen wird.
Die Druckschrift DE 102 02 807 A1 beschreibt ein System zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbattθrien. Die Regelung erfolgt hier durch Messung der Temperatur innerhalb des Batteriegehäuses.
Die Offenbarung der DE 91 Oδ 2βO U1 beschreibt einen temperierbaren Batteriesatz für den Antrieb eines Fahrzeugs. Die Regelung der Temperatur erfolgt durch Messung der Temperatur des Temperiermediums am Austritt der Batterie und entsprechende Anpassung des Pumpsystems.
Die Druckschrift DE 102006 005 176 A1 beschreibt einen Kühlkretelauf und e\n Verfahren zur Kühlung eines BrβnnstoffzeHenstapels. Die Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapβls erfolgt durch Messung der Ein- und Austritts- temperatur des Kühlmittels und durch Anpassung der Kühlmittelmenge bzw. - temperatur.
Alle bekannten Temperiereinrichtungen für Batterien regeln die Temperatur nach der gemessenen oder berechneten Zelltemperatur. Eine lebβnsdauerop- timterte Kühlung erfolgt dabei nicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Regelung einer Temperatur einer Energtespeichereinheit sowie eine Regetvor- richtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , eine Regeh/orrich- tung gemäß Anspruch 14 sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 15 gelöst. Günstige Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur einer Energiβspeichereinheit, wobei die Energiespeichereinhβit in thermischem Kontakt mit einer von einem Kühl- und/oder Kältemittel durchströmten Kühlein- heit steht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur an einer Primärmessstelle der Energiespeichβreinheit und einer Temperatur an einer Sekundärmessstellβ der Energiespeicherelnheit ;
- Auswählen einer Stellgröfie unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferenz und einer vorgegebenen Kennlinie, wobei die vordefinierte Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer Stellgröße und einer Temperaturdiffe- renz oder einer davon abhängigen Größe repräsentiert; und - Ansteuern eines Stellglieds mithilfθ einer Regtereinheit unter Verwendung der ausgewählten Stellgröße, um eine Durchströmung der Kühleinhθit mit dem Kühl- und/oder Kältemittel zu regeln, um dadurch die Regelung der Temperatur der Energiespeichereinheit zu bewirken.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Regelvorrichtung, die zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des oben genannten Verfahrens ausgebildet ist.
Zusätzlich schafft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm mit Prog- rammcodθ zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des oben genannten Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Steuergerät oder einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl die Lebensdauer als auch der Wirkungsgrad einer Energiespeichereinheit beträchtlich erhöht werden kann, wenn eine Regelung der Temperierung einer Energiespeichereinheit unter gezielter Ausnutzung der Wärmekapazität der Batterie erfolgt. Durch die Verwendung von mindestens zwei Temperaturmessstellen werden bei der Regelung sowohl die Maximaltemperatur als auch die in den Batteriezel- len auftretenden Temperaturgradienten über eine von den Einsatzbedingungen und Batterieparametem abhängige Kennlinie berücksichtigt. Auch kann eine von mehreren Kennlinien aus einem Kennfeld ausgewählt werden, wobei die unterschiedlichen Kennlinien unterschiedliche Einsatzbedingungen und Batte- rieparameter abbilden können. Diese Kennlinie oder dieses KennfekJ kann zur Ansteuerung eines Schalt- oder Regeh/entils bzw. eines Kompressors oder einer Pumpe als Reglereinheit dienen, welche die Durchströmung der Kühlkanäle einer Kühleinhθit regulieren. Hierdurch wird erreicht, dass Grenzwerte der Bat- tβrietemperaturen eingehalten werden und gleichzeitig eine Minimierung der Temperaturdifferenzen innerhalb der Batteriezelten erzielt werden kann.
Da die Alterung bzw. Schädigung der Zellen durch große Temperaturgradienten innerhalb der Zelle größer sein kann, als bei einer moderaten Temperaturerhöhung, ist mit dieser Regelstrategie eine Maximterung der Batterielebensdauer zu erreichen. Außerdem führen die Lastspitzen der Batterieabwärme nicht zu Lastspitzen in der abgeführten Wärme, so dass auch das Kühlsystem bzw. der Kaltekreislauf und evtl. weitere daran angeschlossene Komponenten entlastet werden. Die vorgestellte Regelstrategie zur Kühlung von Hochlθistungsbatterien führt daher zu einer Erhöhung der Batterielebensdauer im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit einer kontrollierten Anhebung der Batte- rietempβratur bei höherer Belastung, was zu einem Absinken der Verlustleistung und damit zu einem höheren Wirkungsgrad der Batterie führt. Die Regelung ist außerdem auf einfache Weise z.B. im Batteriemanagementsystem zu realisieren und benötigt nur zwei Temperaturmesβstellen. Eine größere Re- chenleistung, wie sie z.B. bei im Stand der Technik vorgeschlagenen Regelungen erforderlich ist, wird nicht benötigt. Die folgenden Abschnitte beschreiben konkrete Ausführungsformen und weitere Aspekte dieser Regelstrategie,
Vorteilhafterweise kann im Schritt des Auswählens die Stellgröße in Abhängigkeit von der Temperatur an der Primärmessstelle ausgewählt werden. Die Pri- märmessstelle gibt im Allgemeinen Auskunft über die momentane Maximaltem- peratur der Energlespeicheretnheit und ist insofern relevant, als dase eine Überschreitung einer oberen Grenztemperatur zu einer Schädigung der Ener- giespeichereinheit führen würde. Eine Kenntnis der Maximaftemperatur der Energiespeicherzelle bietet den Vorteil, dass genau erkannt werden kann, wann eine Kühlung der Energlespeichereinheit auf volle Leistung geschaltet werden sollte, um eine Schädigung der Energiespeichereinheit zu verhindern oder im gegenteiligen Fall ganz ausgeschaltet werden sollte, damit der Wirkungsgrad der Energiespeichereinheit nicht zu stark absinkt.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Auswäh- lens ein Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals als Stellgröße ausgewählt werden, wobei im Schritt des Ansteuema die Reglereinheit mit dem pulsweitenmodulierten Signal als Stellgröße angesteuert werden kann. Dies bietet den Vorteil einer genau an den Kohlungsbedarf angepassten Ansteuerung der Reglereinheit, da diese über das pulsweitenmodulierte Signal stufenlos einstellbar ist. Dabei kann trotzdem ein einfacher Schalter verwendet werden, der die Kühleinhert entweder ein- oder ausschaltet und keine Zwischenstufen ermöglichen braucht.
In einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Auswählens das Tastverhältnis als Stellgröße innerhalb eines Temperaturintervalls unter Verwendung der Kennlinie ausgewählt werden, wobei im Schritt des Auswählens ferner ein Tastverhältnis von null ausgewählt werden kann, wenn die Temperatur der Primärmessstelle niedriger ist, als eine untere Grenztempe- ratur des Temperaturintervalls und wobei im Schritt des Auswählens ein Tastverhältnis von eins ausgewählt werden kann, wenn die Temperatur der Primärmessstelle größer ist, als eine obere Grenztemperatur des Temperaturintervalls. Hierdurch ist die Möglichkeit einer sehr schnellen Reaktionsfähigkeit des Systems zur Temperierung der Energiespeichereinheit in kritischen Situationen gegeben, da ohne Rechen- oder Vergleichsaufwand die Kühleinheit entweder auf 0% Leistung geschattet werden kann, um ein zu starkes Absinken des Wirkungsgrades zu vermeiden, oder auf 100% Leistung geschaltet werden kann, um eine Schädigung der Energiespeichereinheit zu verhindern.
Vorteilhalfterwθisθ kann im Schritt des Auswählens ein Tastverhältnis ausgewählt werden, da9 umso größer ist, je höher die Temperatur der Primärmessstelle innerhalb des Temperaturintervalls ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die zulässige Maximaltempβratur der Energiespeichereinheit, bei der noch keine irreversible Schädigung derselben eintritt, nicht erreicht wird.
In einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schritt des Auswählens derart ausgestaltet sein, dass innerhalb des Temperaturintervalls vorbestimmte Tastverhältnisse im Bereich eines maximalen und eines minimalen Tastverhältnisses nicht auswählbar sind. Es erfolgt also von dem maximalen Tastverhältnis aus ein Sprung auf das Tastverhältnis von 1 und von einem minimalen Tastverhältnis aus ein Sprung auf das Tastverhältnis von 0. Mit Hilfe dieser Sprünge können sehr schnelle Schaltfol- gen von öffnen und Schließen der Reglereinheit vermieden werden und damit eine Lebensdauer derselben verlängert werden.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung können im Schritt des Auswählens bei steigender oder fallender Temperatur der Primär- messstelle vorbestimmte Tastverhärtnisse übersprungen werden, oder es kann ein Tastverhältnis ausgewählt werden, das ein maximales Tastverhältnis nicht übersteigt. Vorteilhafterweise kann so durch Zulassen einer höheren Gesamt- temperatur der Energiespeichereinheit eine Wärmekapazität derselben ausgenutzt und eine Entwicklung zu großer Temperaturdrfferenzen in der Energie- speichereinheit verhindert werden.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Auswählens unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferenz eine Kennlinie aus einem Feld von vordeflnierten Kennlinien ausgewählt werden, wobei die Auswahl der Stellgröße unter Verwendung der ausgewählten Kennlinie erfolgt. Da die Auswahl der Kennlinie über eine Vergleichsoperation zwischen der ermittelten Temperaturdifferenz und einer Auswahl an vordefinierten Kennlinien erfolgt, kann der erforderliche Rechenaufwand reduziert werden und auf kostenintensi- ve Recheneinheiten verzichtet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Auswählens für eine kleine Temperaturdifferenz eine Kennlinie aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien ausgewählt werden, die bei einer vorgegebenen Temperatur der Primärmessstelle eine große Stellgröße bewirkt, und es kann im Schritt des Auswählens für eine große Temperaturdifferenz eine Kennlinie aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien ausgewählt werden, die bei der vorgegebenen Temperatur der PrimSrmessstelle eine kleine Stellgröße bewirkt. Bei kleinen Temperaturdifferenzen kann durch die Auswahl einer geeigneten Kennlinie aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien die Batterietemperatur innerhalb der Batteriezellen durch Kühlung am unteren Rand des ertaubten Temperaturfensters gehalten werden. Vorteilhafterweise kann dadurch die Alterung der Batteriezellen bzw. der Energiespβichereinheit, welche mit steigender Batterietemperatur beschleunigt wird, gering gehalten werden. Steigt die Temperaturdifferenz innerhalb der Batteriβzelten aufgrund einer größeren Belastung und der damit zunächst größeren Wärmeabfuhr an, so kann eine Kennlinie aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien ausgewählt werden, die eine Regelung bewirkt, durch die eine höhere Batterietemperatur innerhalb des erlaubten Temperaturfensters zugelassen wird. Die im normalen Betrieb auftretenden Lastspitzen können somit durch die Wärmekapazität der Batterie bzw. eine gleichmäßige Temperaturerhöhung aufgefangen werden und führen zu keiner oder nur zu einer geringen Erhöhung der Temperaturdifferenz innerhalb der Batteriezellen. Von Vorteil ist hier auch die bei höherer Temperatur deutlich reduzierte Wärmeentwicklung der Batteriezellen, welche ebenfalls zur Reduzierung der Temperaturgradienten innerhalb der Zellen beitragen kann.
In einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Schritt des Auswählens eine Periodendauer eines pulswβitenmo- dulierten Signals als Stellgröße ausgewählt werden, wobei im Schritt des Ans- teuerns das Stellglied mit dem pulsweitenmodulierten Signal als Stellgröße angesteuert werden kann. Dabei kann die Periodendauer als alleinige Stellgröße oder aber in Verbindung mit dem Tastverhältnis des pulsweitβnmodulierten Signals als Stellgröße eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise kann im Schritt des Auswählens die Periodendauer als Stellgröße in Abhängigkeit von der zeitlichen Veränderung der Temperaturdifferenz ausgewählt werden, wobei die Periodendauer derart ausgewählt werden kann, dass eine Vergrößerung der zeitlichen Veränderung eine Reduzierung der Periodendauer bewirkt und eine Verringerung der zeitlichen Veränderung eine Erhöhung der Periodendauer bewirkt. Eine solche Ausfuhrungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Anpassung der Periodendauer auch eine schneite Reaktionsfähigkeit auf eine Temperaturänderung möglich wird. Ändert sich beispielsweise die Temperaturdifferenz schnell, sollte die Periodendauer klein sein, damit eine schnelle Reaktion auf die erhöhte Temperaturdifferenz sichergestellt ist. Ändert sich dagegen die Temperaturdifferenz nur langsam, kann auch eine größere Periodendauer gewählt werden, da die Wärmβentste- hung bzw. -abfuhr über einen längeren Betrachtungszeitraum gut kalkulierbar ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch realisiert werden, dass im Schritt des Auswählens vor einer Bestimmung der zeitlichen Veränderung der Temperaturdifferenz eine Tiefpassfilterung der Temperaturdifferenz erfolgt. Eine solche Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass kurzfristige Schwankungen der Temperaturdifferenz nicht zu einem schnellen Regelverhalten der Kühleinheit führen, so dass die Regelung der Kühleinheit insgesamt stabil bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Auswählens als Stellgröße eine Einschalttemperatur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz bestimmt werden, wobei im Schritt des Ansteuerns das Stellglied derart angesteuert wird, dass eine Durchströmung der Kühleinheit mit Kühl- und/oder Kältemittel bewirkt wird, wenn die Temperatur der Primärmess- stelle über der Einschalttempβratur liegt, oder es kann im Schritt des Auswäh- lens als Stellgröße ein© Abschalttemperatur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz bestimmt werden, wobei im Schritt des Ansteuerns das Stellglied derart angesteuert wird, dass eine Durchströmung der Kühleinheit verhindert wird, wenn die Temperatur der Primärmessstelle niedriger als die Abschalttemperatur ist Der Vorteil einer solchen erweiterten 2-Punkt-Regelung liegt in einer einfachen und wenig störanfälligen Implementierung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinheit unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Kennlinien;
Flg. 3 eine Darstellung eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Kennlinien;
Fig. 4 eine Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Kennlinien;
Fig. 5 eine Darstellung eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Kennlinien;
Fig. 6 eine Darstellung einer in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Kennlinie; Fig. 7 eine Darstellung einer in einem weiteren Aυsführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Kennlinie;
Fig. 8 ein weiteres Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Regelung einer Temperatur einer Energiβspeichereinheit unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Die nachfolgend eventuell angegebenen Maße und Abmessungen dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und sind nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese Maße und Dimensionen zu verstehen. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
Insbesondere sollte für die Batteriekühlung bzw. die Kühlung der Energiespei- chereinheit ein thermischer Kontakt zwischen den Batteriezellen und mindestens einer Kühlmedium-führenden Kühlθinhelt vorgesehen sein.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem System 100 zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinheit bzw. Batteriezθllθ 110, die an einer Primärmessstelle eine z.B. maximale Zelltemperatur Tßatt.max aufweist und an einer Sekundärmessstelie bzw. einer An- bindungsstelle eine Referenztemperatur T„rf aufweist, wobei die Batteriezelte 110 über eine thermische Zθllanbindung 120 mit einer Kühleinheit 130 gekop- peft ist. Ein Kühlmedium 140 tritt in die Kühleinheit 130 ein und aus derselben wieder aus. Die Werte Tmax und T,* werden einer Reglereinheit 150 zugeführt und dort beispielsweise einer Differenzberechnung unterzogen. Ein Ergebnis dieser Differenzberechnung kann anschließend zur Ansteuerung eines Stellglieds (z.B. eines Ventils) 160 zur Regelung einer Durchströmung der Kühleinheit 130 mit dem Kühlmedium-Massenstrom 140 verwendet werden, wobei das Stellglied 160 als ein Taktventil ausgeführt sein kann.
Wahlwelse können zusätzlich weitere Drosselstellen und/oder Ventile und/oder Vθrtθilungsstellen zur Aufteilung der Strömung zwischen dem Taktventil und den Kühlmedium-führenden Fluten der Kühleinheit 130 vorgesehen werden.
Die Funktion des Taktventils 160 kann über ein pulsweitenmoduliertes Signal gesteuert werden. Als Stellgröße dient hierbei sowohl eine Periodendauer als auch ein Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals. Das Tastverhältnis gibt dabei den Anteil einer Periode an, bei dem das Taktventil geöffnet ist. Bei einem Tastverhältnis von 0 ist somit das Taktventil dauerhaft geschlossen, während es bei einem Wert von 1 dauerhaft geöffnet ist.
Als Regelgrößen werden vorzugsweise die maximale Zelltemperatur im Zellstapel bzw. im Inneren der Energiβspeichereinheit, TB««,^. sowie die Temperatur an der Anbindungsstelle dieser Zelle, Trβf, herangezogen. Die Differenz von Tβaii.mβx und T^ wird im Folgenden als Temperaturspreizung bzw. Tempβratur- differenz ΔT bezeichnet und ist in erster Näherung proportional zum Tempera- turgradienten innerhalb der Batteriezellβ. Solange die Temperatur TBau,mβχ unterhalb einer unteren Grenztemperatur Ti liegt, wird das Tastverhältnis zu 0 gesetzt und es strömt kein Kühlmedium durch die Kühleinheit 130. Sofern die Temperatur Tßa«.max größer als eine obere Grenztemperatur T2 ist, wird das Tastverhältnis zu 1 gesetzt, um eine möglichst schnelle Abkühlung der Batterie zu gewährleisten. Für das Temperaturintervall Ti < TBaβ.max < T2 ist ein Kennfeld für das Tastver- hältnis hinterlegt, welches zu einer Minimierung der Temperaturspreizung bzw. Temperaturdifferenz ΔT innerhalb einer Zelle führt. Dieses Kennfeld ist beispielsweise vom Einsatzbereich (Hybrid-Pkw, Elektrofahrzeυg, Off-Highway- Anwendung) und dem Aufbau der Batterie sowie vom Batterietyp abhängig. Einflussgrö&en sind u.a. die Zellgeometπe, die Wärmeleitung innerhalb der Zellen und zwischen den Zellen, die Ausgestaltung der Zellanbindung, die Temperatur des Kühlmediums sowie die zulässige Temperaturspreizung in den Zellen und dem gesamten Batteriestapel.
Eine Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Feldes von Kennlinien in einem Koordinatensystem 200 ist in Fig. 2 gezeigt.
In dem Koordinatensystem 200 ist auf der Abszisse eine Temperatur an einer Primärmessstelle der Energiespeichereinheit TBatt,max aufgetragen, wobei Ti die untere Grenztemperatur von Tßatt.max bezeichnet und T2 die obere Grenztemperatur von TBatt,m8χ bezeichnet Auf der Ordinate ist ein Tastverhältnis TV des pulswθitenmodulierten Signals aufgetragen, über das das Taktventil geöffnet und/oder geschlossen wird, wobei das Taktventil beim Wert 0 Über die gesamte Perlode des Signals hinweg geschlossen ist und das Taktventil bei einem Wert von 1 während der gesamten Periode geöffnet ist. Ein Kennfeld setzt sich aus einer Schar von Kennlinien 210, 220, 230 zusammen, die beispielsweise einen gemeinsamen Schnittpunkt bei Tßatt.max = Ti und einem Tastverhältnis TV von 0 aufweisen. Die erste Kennlinie 210 bezeichnet hierbei eine Kennlinie für eine kleine Temperaturdifferenz ΔT = klein, die zweite Kennfinie 220 bezeichnet eine Kennlinie für eine mittlere Temperaturdifferenz ΔT » mittel und die dritte Kennlinie 230 bezeichnet eine Kennlinie für eine große Temperaturdifferenz ΔT - groß. Das Kennfeld kann auch mehr oder weniger Kennlinien als in Fig. 2 dargestellt aufweisen. Charakteristisch ist eine anwachsende Geradensteigung der Kennlinien 210, 220, 230 bei fallender Tθmperaturspreizung ΔT. Das Kennfeld ist so gestaltet, dass bei einer mittleren Belastung der Batterie und einer Temperatursprβizung ΔT = mittel der Wärmestrom abgeführt wird, welcher als Verlustwärme in der Batterie entsteht. Bei steigender Belastung erhöht sich die Batterietemperatur TBait.max, was zu einem Anstieg des Tastverhältnisses TV führen würde. Da jedoch gleichzeitig auch die Tθmperaturspreizung ΔT ansteigt, wird im Kennfeld auf die Kurve 230 mit kleinerer Steigung übergegangen und das Tastverhältnis TV steigt nicht oder nur noch geringfügig an. Schließlich führt dies dazu, dass die Zelltemperatur Tβ*t.max steigt, die Temperaturspreizung ΔT jedoch nur geringfügig anwächst. Sobald der Belastungszyklus der Batterie wieder zu einer kleineren Verlustleistung führt, reduziert sich automatisch die Temperaturspreizung ΔT und im Kennfeld wird auf die Kurve 220 mit größerer Steigung übergegangen. Das Tastverhältnis TV erhöht sich dadurch und die Batterie kühlt wieder auf die normale Betriebstemperatur bei mittlerer Belastung ab. Bei einer Überschreitung der Maximaltemperatur TBatι,max > T2 wird das Tastverhältnis TV auf 1 gesetzt, um möglichst schnell die obere Grenztemperatur T2 wieder zu unterschreiten. Sobald diese unterschritten ist, wird wiederum das Kennfeld zur Regelung herangezogen. Bei einer Unterschreitung der Maximaltemperatur Tßβtt.max < Ti wird das Tastvemöltnis TV auf 0 gesetzt, damit der Wirkungsgrad der Energiespelchereinheit nicht zu stark absinkt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Kennfeld gemäß Fig. 3 ausgestaltet, was eine Modifikation des in Fig. 2 dargestellten Kennfeldes darstellt. Fig. 3 zeigt ein zu dem in Fig. 2 gezeigten analoges Koordinatensystem 300, bei dem wiederum an der Abszisse die Werte für die Temperatur TB«t,maχ auf der Primänmessstelle der Energiespeichereinheit aufgetragen sind und auf der Ordinate die Werte des Tastverhältnisses TV des pulswei- tenmodulierten Signals zwischen 0 und 1 aufgetragen sind. Wiederum ist ein Kennfeld aus einer Schar von Kennlinien 310, 320, 330 zusammengesetzt, wobei das Kennfeld auch hier mehr oder weniger Kennlinien als in Fig. 3 darges- teilt aufweisen kann. Die erste Kennlinie 310 repräsentiert eine kleine Tempera- turdifferenz ΔT = klein, die zweite Kennlinie 320 eine mittlere Temperaturdiffβ- renz ΔT = mittel und die dritte Kennlinie 330 eine Temperaturdifferenz ΔT ~ groß. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 2 tritt aber ein gemeinsamer Schnittpunkt der Kennlinien 310, 320, 330 für die Temperatur T1 bei einem minimalen Tastverhältnis TV auf. Gleichermaßen erfolgt bei der Annäherung des Tastverhältnisses TV an die ständige Öffnung ein Sprung auf den Wert 1. Diese Sprünge vermeiden sehr schnelle Schaltfolgen von öffnen und Schließen des Taktventils und können damit dessen Lebensdauer erhöhen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Temperaturregelung ebenfalls unter Verwendung eines Feldes von Kennlinien. Abgebildet ist ein Koordinatensystem 400, das zu den Koordinatensystemen aus Fig. 2 und 3 analog aufgebaut ist. Wieder ist auf der Abszisse die Maximaltemperatur TBaκ,max an der Primärrnesβ- stelle der Energiespeichereinheit und auf der Ordinate das Tastverhältnis TV des Taktventils aufgetragen. Auch hier umfasst das Koordinatensystem ein Kennfeld von Kennlinien 410, 420, 430, wobei auch mehr oder weniger als die gezeigten Kennlinien 410, 420, 430 zur Anwendung kommen können. Die erste Kennlinie 410 repräsentiert hier wieder eine kleine Temperaturdifferenz ΔT - klein, die zweite Kennlinie 420 eine mittlere Temperaturdifferenz ΛT = mittel und die dritte Kennlinie 430 eine große Temperaturdifferenz ΔT = groß. Das Kennfeld ist wie in Fig. 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Schnittpunkt der Kennlinien 410, 420, 430 für eine untere Grenztemperatur Ti der Pri- märmβssstelle auf ein minimales Tastverhäftnis TV gesetzt ist. Das anhand der Darstellung in Fig. 4 erläuterte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansatzes unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbθispiel insofern, dass bei Erreichen eines festgesetzten Tastverhältnisses TV bei TsaH.max < T2 dieses Tastverhältnis bis zur oberen Grenztemperatur T2 beibehalten wird. Dies dient zur Vermeidung von zu großen Temperaturspreizungen ΔT in den Zellen. Für Extremfälle, wie eine sehr heiße Batterie beim Start oder eine sehr hohe Beanspruchung der Batterie (z.B. bei einer Schnellladung), steht aber eine größere Kühlleistung durch ein vollständiges und länger andauerndes öffnen des Ventils zur Verfügung.
Die in den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 2 bis 4 dargestellten linearen Kennlinien können zudem durch beliebig geformte Kurven oder mathematische Funktionen ersetzt werden. Fig. 5 zeigt ein Koordinatensystem 500, das analog zu den Koordinatensystemen aus Fig. 2 bis 4 aufgebaut ist. In Fig. 5 ist jedoch ein beispielhafter Verlauf von zwei Kennlinien 510 und 520 eingetragen, wobei eine erste Kennlinie 510 eine kleine Temperatυrdifferenz ΔT repräsentiert und eine zweite Kennlinie 520 eine große Temperaturdifferenz ΔT repräsentiert. Es können aber auch mehr oder weniger Kennlinien verwendet werden als in Fig. 5 dargestellt ist. Außerdem sind Kennfelder denkbar, bei denen die Kennlinien keinen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, was jedoch in den beigefügten Figuren nicht dargestellt ist.
Ais weitere Stellgröße kann zusätzlich eine Periodβndauer t des pulsweitenmo- dulierten Signals herangezogen werden. Ein entsprechendes Ausführuπgsbei- spiel dieses Ansatzes ist in Fig. 6 gezeigt In einem Koordinatensystem Θ0O ist auf der Abszisse eine zeitliche Veränderung der Temperatursprβizung 13ΔT/θt| aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Periodendauer τ des pulsweitenmodulier- ten Signals aufgetragen, wobei die Periodendauer τ gemäß dem im Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Kennlinie Θ10 zwischen einem minimalen Wert τmjn und einem maximalen Wert τmβx einstellbar ist. Die minimale und maximale Periodendauer τmιn bzw. τmaχ sind beispielsweise batte- riespβzifisch festzulegen. Die Periodendauer τ sollte einerseits nicht zu gering gewählt werden, um sehr häufige Schaltvorgänge des Taktventils 160 zu vermeiden, die zu einer starken Reduzierung der Ventillebensdauer führen können. Andererseits kann bei zu großen Periodendauern τ keine effektive Regelung gewährleistet werden. Als Regelparameter für die Periodendauer τ kann eine zeitliche Veränderung der Temperaturspreizung | <9ΔT/c* | herangezogen werden. Bei einer betraglich sehr großen zeitlichen Veränderung der Tempera- turspreizung ( | c?ΔT/dt | groß), ist die Periodendauer zu reduzieren. Hingegen ist bei einer sehr geringen zeitlichen Veränderung (| 9ΔT/dt ( klein) die Perioden- dauer zu vergrößern. Dies drückt sich somit durch eine fallende Steigung der Kennlinie 610 aus. Zur Berechnung der zeitlichen Änderung der Temperatur- spreizung ΔT kann vorausgehend eine Tiefpassfilterung der Temperatursprei- zung ΔT durchgeführt werden.
Eine zur Regelung über ein pulsweitenmoduliertes Taktventil alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansatzes betrifft eine erweiterte 2-Punkt- Regelung über ein schaltbares Ventil, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. In Fig. 7 ist eine Darstellung einer Kennlinie in einem Koordinatensystem 700 gezeigt, wobei in diesem Koordinatensystem auf der Abszisse eine Temperaturdifferenz ΔT aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist eine Einschalttemperatur T8n aufgetragen, bei der eine Öffnung des Taktventils 160 angesteuert wird. Zwei auf der Ordinate liegende Tβmperaturwerte Ti und T2 bilden die Grenzwerte für ein zulässiges bzw. gewünschtes Temperaturfenster T1...^, das durch zwei parallel zur Abszisse verlaufende gestrichelte Linien 701 und 702 verdeutlicht ist. Die Position einer weiteren parallel zur Abszisse verlaufenden gestrichelten Linie 703 ist durch einen Temperaturwert T1+ΔT2P bestimmt, wobei sich die Linie 703 innerhalb des Temperaturfβnsters T1...T2 befindet. Eine Kennlinie 710 verläuft dabei in dem Temperaturfenster T1- Ta vorzugsweise zwischen den Linien 703 und 701.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Ventil 160 geöffnet, sobald die Batte- rietemperatur Tsatt.mβx einen kritischen Wert T8n überschreitet und geschlossen, sobald sie einen kritischen Wert Tat» = T4n-AT2P unterschreitet. Die beiden Werte T8n und Tau» sollten innerhalb des Temperaturfenstβre T1...T2 gehalten werden. Um ein ähnliches Regelungsverhalten wie bei der oben beschriebenen Pulsweitenmodulation zu erhalten, wird T8n über die Kennlinie 710 wiederum in Abhängigkeit von der Temperaturspreizung ΔT festgelegt. Dabei verhält sich T8n umgekehrt wie das Tastverhältnis TV und steigt bei größerer Temperatursprei- zung ΔT an. um die Batterietemperatur entsprechend vorübergehend anzuheben. Eine zusätzliche Berücksichtigung der zeitlichen Veränderung von ΔT kann außerdem über eine Anpassung der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausschalttemperatur T8n und AT2P geschehen.
Alternativ zu dem der Kühleinheit vorgeschalteten Takt- oder Schaltventil 160 kann für Kältemittel ein der Kühleinheit nachgeschaltetes Saugdruckventil verwendet werden. Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungs- beispiels eines Systems zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeicher- einheit unter Verwendung eines derartigen Saugdruckventils. Die in Fig. 8 dargestellten Elemente eines Systems 800 und deren Beziehungen untereinander sind analog zu den in Fig. 1 gezeigten Elementen zu verstehen, mit dem Unterschied, dass ein Ventil 860 als ein Saugdruckventil ausgeführt und der Kühleinheit 130 nachgeschaltet ist. Analog zur Regelung über das Tastverhältnis TV beim Taktventil wird bei der Saugdruckregelung die Ventilstellung zwischen geschlossen (0) und vollständig geöffnet (1) geregelt. Durch die Veränderung des Saugdrucks wird der Verdampfungsdruck respektive die Vβrdampfungstempe- ratur geregelt, so dass Einfluss auf die abzuführende Wärme genommen wird.
Die Einstellung des Kühlmittelmassenstroms kann alternativ auch über eine regelbare Pumpe geschehen. Bei Einsatz eines Kältekreislaufs mit Kältemittel ist die Anpassung des Saugdrucks ebenfalls Über einen regelbaren Kompressor denkbar. Analog zur Regelung über das Tastverhältnis beim Taktventil wird die Pumpen- oder Kompressorfördermenge zwischen Null (0) und der maximalen Fördermenge (1) geregelt. Vorzugsweise geschieht dies über die Anpassung der Drehzahl zwischen Null (0) und Maximaldrehzahl (1). Dieses alternative Ausführungsbeispiel für eine Regelung einer Temperatur einer Energiespeichereinheit ist in den Figuren nicht gezeigt.
Für die Berechnung der Temperatursprβizung ΔT können auch andere charakteristische Temperaturen anstelle der maximalen ZeUtemperatur Tm« und der Pfattentemperatur T^ als Referenztemperaturen herangezogen wenden. Auch ist denkbar, Messstellen an mehreren Batteriezellen innerhalb des ZβllstapeJs anzubringen, um dann die Zelle mit der höchsten Temperatur T018X bzw. der größten Temperaturspreizung ΔT für die Regelung heranzuziehen.
Insgesamt wird mit Hilfe der gezeigten Ausführungsbeispiele eine dynamische Anpassung der Zelltemperatur an die in den Zellen auftretenden Temperatur- differenzen bzw. eine gezielte Ausnutzung der Wärmekapazität der Battertezel- len erzielt.
Die Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 900 zur Regelung einer Temperatur einer Energie- speichereinhe'rt, wobei die Energiespeichereinheit in thermischem Kontakt mit einer von einem Kühl- und/oder Kältemittel durchflossenen Kühleinheit steht. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermitteins (910) einer Temperaturdif- ferenz zwischen einer Temperatur an einer Primärmessstelle der Energiespeichereinheit und einer Temperatur an einer Sekundärmessstelle der Energie- spβichereinheit oder der Kühleinheit. Weiterhin umfasst das Verfahren (900) einen Schritt des Auswahlens (920) einer Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferβnz und einer vorgegebenen, wobei die vordefinierte Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer Stellgröße und einer Temperaturdifferenz oder einer davon abhängigen Größe repräsentiert. Schließlich weist das Verfahren (900) einen Schritt des Ansteuerns (930) eines Stellglieds durch eine Regtereinheit unter Verwendung der ausgewählten Stellgröße auf, um eine Durchströmung der Kühleinheit mit dem Kühl- und/oder Kältemittel zu regeln, um dadurch die Regelung der Temperatur der Energiespeichereinheit zu bewirken.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren (900) zur Regelung einer Temperatur einer Energiespeicherein- heit (110), wobei die Energiespeichereinheit (110) in thermischem Kontakt mit mindestens einer von einem Kühl- und/oder Kältemittel (140) durchströmten Kühleinheit (130) steht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Ermitteln (910) einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen einer Temperatur (Tβaitmβx) an einer Primärmessstelle der Energiespeichereinheit (110) und einer Temperatur (Trβi) an einer Sekundärmessstelle der Energiespeichereinheit (110) oder der Kühleinheit (130); und
- Auswählen (920) einer Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferenz (ΔT) und einer vorgegebenen Kennlinie oder mathematischen Funktion, (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710), wobei die vordefinierte Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) einen Zusammenhang zwischen einer Stellgröße und einer Temperaturdifferenz (ΔT) oder einer davon abhängigen Größe repräsentiert;
- Ansteuern (930) eines Stellglieds (160; 860) mithilfe einer Reglereinhelt (150) unter Verwendung der ausgewählten Stellgröße, um eine Durchströmung der Kühleinheit (130) mit dem Kühl- und/oder Kältemittel (140) zu regeln, um dadurch die Regelung der Temperatur der Energiespeichereinheit (110) zu bewirken. Verfahren (900) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das« im
Schritt des Auswählens (920) die Stellgröße ferner in Abhängigkeit von der Temperatur (Tßait.mnx) an der Primärmessstelle ausgewählt wird.
Verfahren (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daβa im Schritt des Auswählens (920) ein Tastverhältnis (TV) eines pulsweitenmodulierten Signals in der Reglereinheit (150) als Stellgröße ausgewählt wird und wobei Im Schritt des Ansteuerns (930) das Stellglied (160; 860) mit dem pulsweitenmodulierten Signal als Stellgröße angesteuert wird.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daββ im Schritt des Auswählens (920) das Tastverhältnis (TV) als Stellgröße Innerhalb eines Temperaturintervalls (T1, .... T2) unter Verwendung der Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 51O1 520; 610; 710) ausgewählt wird, wobei im Schritt des Auswahlens (920) ferner ein Tastverhältnis (TV) von null ausgewählt wird, wenn die Temperatur (TB«tt,maχ) der Primärmess- stθlle niedriger ist, als eine untere Grenztemperatur (Ti) des Temperaturintervalls und wobei im Schritt des Auswählens (920) ein Tastverhältnis (TV) von eins ausgewählt wird, wenn die Temperatur (TBa«,mβx) der Primärmessstelle größer ist, als eine obere Grenztemperatur (T∑) des Temperaturintervalls.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Auswählens (920) ein Tastverhältnis (TV) ausgewählt wird, das umso größer ist, je höher die Temperatur (Tsait.mix) der Primärmessstelle innerhalb des Temperaturintervalls ist.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daββ der Schritt des Auswählens (920) derart ausgestaltet ist, dass innerhalb des Temperaturintervalls vorbestimmte Tastverhaltniβse (TV) im Be- reich eines maximalen (1) und eines minimalen (O) Tastverhältnisses (TV) nicht auswählbar sind.
Verfahren (900) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daββ im Schritt des Auswählens (920) bei steigender oder fallender Temperatur (TB8n.maχ) der Primärmessstelle vorbestimmte Tastverhältnisse (TV) übersprungen werden oder ein Tastverhältnis (TV) ausgewählt wird, das ein maximales (1) Tastverhältnis (TV) nicht übersteigt.
Verfahren (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das» im Schritt des Auswählens (920) unter Verwendung der ermittelten Temperaturdifferenz (ΔT) eine Kennlinie (210 -230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) aus einem Feld von vordefinierten Kennlinien (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) ausgewählt wird, wobei die Auswahl der Stellgröße unter Verwendung der ausgewählten Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) erfolgt.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im
Schritt des Auswählens (920) für eine kleine Temperaturdifferenz (ΔT) eine Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) ausgewählt wird, die bei einer vorgegebenen Temperatur (TB3«,maχ) der Primärmessstelle eine große Stellgröße bewirkt, und wobei im Schritt des Auswählens (920) für eine große Temperaturdifferenz (ΔT) eine Kennlinie (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) aus dem Feld von vordefinierten Kennlinien (210 - 230; 310 - 330; 410 - 430; 510, 520; 610; 710) ausgewählt wird, die bei der vorgegebenen Temperatur (Tβait.max) der Primärmessstelle eine kleine Stellgröße bewirkt.
Verfahren (Θ00) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das» im Schritt des Auswählens (920) eine Perioden- dauer (τ) eines pulsweitenmodulierten Signals als Stellgröße ausgewählt wird und wobei im Schritt des Ansteuerns (930) das Stellglied (160; 860) mit dem pulsweitenmodulierten Signal als Stellgröße angesteuert wird.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im
Schritt des Auswählens (920) die Periodendauer (τ) als Stellgröße in Abhängigkeit von der zeitlichen Veränderung der Temperaturdifferenz (ΔT) ausgewählt wird, wobei die Perlodendauer (τ) derart ausgewählt wird, dass eine betragsmäßige Vergrößerung der zeitlichen Veränderung eine Reduzierung der Periodendauer (t) bewirkt und eine betragsmäßige Verringerung der zeitlichen Veränderung eine Erhöhung der Periodendauer (τ) bewirkt.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem im Schritt des Auswählens (920) vor einer Bestimmung der zeitlichen Veränderung der Temperaturdifferenz ( j δΔT/δt I ) eine Tiefpassfilterung der Temperaturdifferenz (ΔT) erfolgt.
Verfahrer» (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daaa im Schritt des Auswählens (920) als Stellgröße eine Einschalttemperatur (Tm) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz (ΔT) bestimmt wird, wobei im Schritt des Ansteuerns (930) die Reglereinheit (150) eine Durchströmung der Kühleinheit (130) mit Kühl- und/oder Kältemittel (140) bewirkt, wenn die Temperatur (Tßaitmax) der Primärmessstelle über der Einschalttemperatur (T8n) Hegt und/oder wobei im Schritt des Auswählens (920) als Stellgröße eine Abschalttemperatur (Tai») in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz (ΔT) bestimmt wird, wobei im Schritt des Ansteuerns (930) das Stellglied (160) derart angesteuert wird, dass eine Durchströmung der Kühleinheit (130) mit Kühl- und/oder Kältemittel verhindert wird, wenn die Temperatur (TBaa.max) der Primärmessstelle niedriger als die Abschalttemperatur (Taus) Ist. Regel Vorrichtung (150), die zur Durchführung und/oder Anstβuerung der Schritte des Verfahrens (900) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens (900) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wenn das Computerprogramm auf einem Steuergerät (150) oder einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.
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