EP3942644A1 - Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher - Google Patents

Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher

Info

Publication number
EP3942644A1
EP3942644A1 EP20712910.7A EP20712910A EP3942644A1 EP 3942644 A1 EP3942644 A1 EP 3942644A1 EP 20712910 A EP20712910 A EP 20712910A EP 3942644 A1 EP3942644 A1 EP 3942644A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
cylinder
temperature
energy store
hollow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20712910.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Thannhuber
Michael Sternad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Einhell Germany AG
Original Assignee
Einhell Germany AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Einhell Germany AG filed Critical Einhell Germany AG
Publication of EP3942644A1 publication Critical patent/EP3942644A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/443—Methods for charging or discharging in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/623—Portable devices, e.g. mobile telephones, cameras or pacemakers
    • H01M10/6235—Power tools
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/633—Control systems characterised by algorithms, flow charts, software details or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/643—Cylindrical cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/647—Prismatic or flat cells, e.g. pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/651—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by parameters specified by a numeric value or mathematical formula, e.g. ratios, sizes or concentrations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • This spatial grid which may be coarser, can in particular reduce the computational effort required to determine the temperature distribution or heat distribution.
  • each hollow cylinder or partial cylinder is viewed as a homogeneous body. This approximation can easily be made and does not usually represent a disadvantage with the typical layer structures.
  • each hollow cylinder or partial cylinder is determined by modeling a cylindrical dissipation body on both end faces of the energy store for heat dissipation.
  • the heat dissipation can also be determined easily and reliably at the end faces of the energy store.
  • heat absorption can of course also be modeled by the dissipation body if the environment is warmer than the energy store. This can be the case if the energy storage device has to be heated up externally in order to achieve optimal operating conditions.
  • the respective temperature or amount of heat in each hollow cylinder or partial cylinder as a function of a charging current, a discharge current, a cell voltage, a total voltage of the energy store, a change in the state of charge, a change in the discharge current, a change in the cell voltage or the total voltage, a measured temperature of one or more cells of the energy store, an age and or a SOH (state of health; based on the ratio between residual capacity and nominal capacity) is determined.
  • the temperature or amount of heat of each cylinder or in each cylinder can thus be determined as a function of one or more parameters of the amount described above. Not only static currents or voltages are of interest, but also their dynamics, i.e. the changes in currents and voltages.
  • a numerical simulation is carried out when determining the respective temperature or amount of heat of each hollow cylinder or partial cylinder.
  • Such a numerical simulation usually has advantages over an analytical solution.
  • real-time conditions can thereby be maintained in which, for example, switching processes must take place in fractions of a second (in particular 0.1 s to 1 s).
  • Such numerical simulations can be carried out in a management system of the energy store. In particular, corresponding processors can be designed for this.
  • the energy store can have several cells, each of which is modeled by several of the hollow cylinders or partial cylinders. In this way, even in complex energy storage systems that have a multi-cell structure, a spatial temperature distribution or heat distribution can be determined with the desired accuracy.
  • Fig. 2 shows a further model for another cylindrical energy store for
  • a technical approach according to FIG. 1 would be, for example, a model that is built up in its spatial expression from coaxial hollow cylinders, which already have their inner and outer radius, the cylinder length, the cylinder mass and the axial and radial thermal conductivity are defined.
  • the temperature model 1 can also be subdivided in its geometrical form in the axial direction.
  • the circular cylindrical temperature model has four cylinders 3 arranged axially one behind the other in the axial direction, which in turn consist of several hollow cylinders 2 lying one inside the other.
  • the number of cylinders in the axial direction can be selected as desired. If, for example, no resolution in the axial direction is desired, the temperature model can also consist of just a single cylinder 3.
  • the temperature model 1 has four cylinders 3 arranged axially one behind the other. The number of cylinders 3 can also be larger or smaller in the axial direction, depending on the desired spatial resolution.
  • FIG. 2 shows another embodiment of a cylindrical temperature model for a corresponding cylindrical energy store.
  • a rectangular cylinder is selected here.
  • the end faces of this cylindrical temperature model are rectangular.
  • the end faces can of course also be elliptical, triangular, hexagonal, octagonal or the like.
  • the end faces can also take any other shape as long as they are the same and parallel to one another. In any case, they form a corresponding cylinder.
  • a cuboid temperature model 4 results for a cuboid energy store. It has a stacking axis 5 along which numerous small plates are stacked here. Each plate here represents a rectangular partial cylinder 6.
  • the individual partial cylinders 6 are not hollow here, but are also arranged coaxially one behind the other, with the stacking axis 5 forming the common axis. If an energy storage device has a stacked layer structure, the heat or temperature model of FIG. 2 could be used to determine the spatial temperature or heat distribution. Here, too, it is of particular advantage if the number of partial cylinders corresponds to the number of actual layers of the stacked energy store. If necessary, several parallel temperature models 4 of this type can be used in order to generate a larger cuboid overall temperature model.
  • a layer corresponds, for example, to an anode, a cathode or a separator. If necessary, the anode is further subdivided into a metal foil and an anode mass. In a similar way, the cathode can also be divided into a cathode foil and a cathode mass.
  • a single winding layer can have three or five sub-layers (without any sheathing). Each sub-layer can be represented in the model by a layer (e.g. a Flohl cylinder 2 or a sub-cylinder 6).
  • Fig. 3 shows a battery pack that can be used, for example, for an electric tool such as a cordless screwdriver or an electric garden tool. It has a receptacle 7 with which it can be plugged into the respective power tool. In the interior of its housing 8 there are, for example, several cylindrical energy stores. Each individual energy storage device can be a wound lithium-ion cell, for example.
  • the respective associated thermal model 1 can be similar to that of FIG. 1 in its geometric configuration.
  • the temperature model of the battery management system can supply a temperature or heat distribution in accordance with the current operating parameters, which can be used to control the operation of the energy store and / or an electrical device operated with the energy store.
  • FIG. 4 schematically shows a process sequence according to which an electrical device can be operated.
  • the process steps that are used to determine the temperature distribution or heat distribution are an essential part of this.
  • a heat balance according to step S2 can be established for each of these cylinders according to an overall heat model (see below).
  • Such operating parameters possibly detected by corresponding sensors of the energy store, for example the charge current, the discharge current, a cell voltage, a total voltage of the energy store, a change in the charge current, a change in the discharge current, a change in the cell voltage or the total voltage and / or a change in a be measured temperature of one or more cells of the energy storage.
  • R m is the thermal conductivity of the hollow cylinder
  • I is the length
  • ra is the outer radius
  • ri is the inner radius of the hollow cylinder
  • Ti and T a is the inner and outer temperature of the hollow cylinder.
  • T z and T s mean the central temperature in the wall of the hollow cylinder and the end face temperature.
  • m denotes the mass of the respective hollow cylinder
  • c P its specific heat capacity and DT the temperature difference.
  • I denotes the current, U the voltage, t the time, T the temperature, Etot the total electrical energy input, h the efficiency, Vi the volume of the respective hollow cylinder and Vtot the total volume of the cylinder arrangement.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Eine Temperatur- oder Wärmeverteilung soll in einem zylindrischen Energiespeicher (1) auf einfache Weise ermittelt werden. Dazu wird die Struktur des Energiespeichers (1) durch eine Anordnung von mehreren koaxial ineinander und/oder aneinander liegenden Hohlzylindern (2) oder von mehreren koaxial und/oder bezüglich ihrer Achsen parallel aneinander liegender Teilzylinder beschrieben. Eine jeweilige Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders (2) oder Teilzylinders wird ermittelt, wobei entlang einer Zeitreihe zu jedem einzelnen Betrachtungszeitpunkt ein quasi-statischer Zustand in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder angenommen wird.

Description

Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen
Energiespeicher
BESCHREIBUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperaturverteilung oder einer Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiespeicher mit einer Steuereinrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie ein entsprechendes Elektrowerkzeug und ein Com puterprogramm produkt.
Bislang erfolgte die Regelung und Steuerung in Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Akkus im Wesentlichen anhand von Strömen, Spannungen und Temperaturen, welche alle als Messparameter erhoben werden. Die Problematik besteht darin, dass vor allem Temperaturmessungen ausschließlich durch außenliegende Thermosensoren zu erfassen sind und die Temperaturmessung stets nur träge erfolgt.
Die in eine Lithium-Ionen-Zelle eingetragene thermische Energie ist entscheidend für die Belastung der Elektrochemie der Zelle, da sie sich schlussendlich zur Ausbildung des räumlichen Temperaturfelds über die dreidimensionale Zelle hinweg verantwortlich zeichnet. Je nach situativem Kontext, d.h. vorangegangene Belastungssituationen oder sich bereits eingestellte Temperaturfelder, führt ein weiterer Wärmeeintrag zu einer Veränderung des Temperaturfelds ebenso wie die Dissipation von Wärme über das Zellgehäuse an die Umgebung auch das Temperaturfeld verändert. Neben den elektrischen Potentiallagen, den in der Zelle vorhandenen elektrochemischen Stoffen oder Trägermaterialien (strukturbildend, stützend, et cetera), welche den entscheidenden Antrieb für chemische und mikrophysikalische Reaktionen darstellt, ist die lokale Temperatur der wesentliche Faktor, der elektrochemischen Reaktionen (hier z.B. die Reaktionsgeschwindigkeit), aber auch mikrophysikalische Prozesse (z.B. die lonen- Diffusivität) unterstützt, hemmt oder gar Materialkonfigurationen verändert und zerstört.
Aus der Druckschrift DE 10 201 1 080 512 A1 ist bekannt, die erwartete Soll-Temperatur eines Betriebssystems für den aktuellen Betriebszustand anhand von modellbasierten Berechnungen zu ermitteln, beispielsweise anhand eines mathematischen Temperaturmodells für das Batteriesystem. Dabei können Werte des Temperaturmodells mit gemessenen Werten von Temperaturen verglichen werden. Bei Betriebsarten, in denen ein Temperierungssystem nicht aktiv ist, kann ein Temperaturmodell die Erwärmung der Batteriezellen und des Batteriesystems dynamisch berechnen und mit den gemessenen Werten der Temperatursensoren des Batteriesystems vergleichen.
Weiterhin befasst sich auch die Druckschrift US 8 829 904 B2 mit der Modellierung interner Temperaturen einer Lithium-Ionen-Zelle. Die modellierte interne Temperatur enthält ein dreidimensionales Temperaturprofil.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift CN 105206888 A ein Überwachungsverfahren für die innere Temperatur einer Lithium-Ionen-Batterie. Es werden Lade-Entlade-Tests der Lithium-Ionen-Batterie bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen durchgeführt, um eine Änderungskurve der Batterieoberflächentemperatur zu erhalten. Diesbezügliche Parameter wie der Innenwiderstand der Batterie und ein Leerlaufspannungs- Temperaturkoeffizient werden überprüft. Ein Wärmekopplungsmodell der Lithium-Ionen- Batterie wird basierend auf der Wärmeproduktionsrate aufgestellt. Eine Temperaturänderung bei einem Entladeprozess kann somit simuliert werden. Die Temperaturmodellierung basiert auf der Lösung entsprechender Differenzialgleichungen.
Die oben dargestellten Modelle für die Simulation der inneren Temperaturen der jeweiligen Zelle sind in der Regel sehr aufwendig und rechenintensiv. Zeitkritische Steuerungen des jeweiligen Energiespeichers oder des damit verbundenen Elektrogeräts innerhalb von Sekundenbruchteilen sind folglich kaum realisierbar. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Konzept zu schaffen, auf dessen Basis eine rasche Temperatursteuerung eines Energiespeichers möglich sein kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, einen Energiespeicher, ein Elektrowerkzeug und ein Computerprogrammprodukt entsprechend den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach bereitgestellt ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher, durch
Beschreiben einer Struktur des Energiespeichers durch eine Anordnung o von mehreren koaxial ineinander und/oder aneinander liegenden
Hohlzylindern oder
o von mehreren koaxial und/oder bezüglich ihrer Achsen parallel aneinander liegenden Teilzylindern,
Ermitteln einer jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders oder Teilzylinders, wobei entlang einer Zeitreihe zu jedem einzelnen
Betrachtungszeitpunkt ein quasistatischer Zustand in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder angenommen wird.
Die vorliegende Erfindung basiert also auf dem Gedanken, die Ermittlung der Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in geeigneter Weise zu vereinfachen, wodurch sich zwangsläufig eine Reduzierung der Simulations- beziehungsweise Modellierungsgeschwindigkeiten ergeben. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung darauf ab, zylindrische Energiespeicher in zylindrische Substrukturen zu unterteilen, wobei jede Substruktur in Bezug auf thermische Prozesse zu einem gegebenen Betrachtungszeitpunkt quasi statisch angenommen wird.
Speziell wird in dem vorgeschlagenen Verfahren eine Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher ermittelt. Es wird also die räumliche Verteilung der Temperatur oder der Wärmemenge im Inneren des Energiespeichers geschätzt. Dazu wird die Struktur, d.h. der geometrische Aufbau, des Energiespeichers in einer Alternative durch eine Anordnung von mehreren koaxial ineinander und/oder aneinander liegenden Hohlzylindern beschrieben, wodurch sich ein geometrischer Teil eines thermischen Gesamtmodells bzw. Temperaturmodells ergeben kann. Die unterschiedlich großen, ineinander und/oder aneinander liegenden Hohlzylinder ergeben dann die genaue geometrische Form des Energiespeichers. Damit besitzt das thermische Energiespeichermodell in etwa eine Zwiebelstruktur, bei der jede Schale für sich betrachtet werden kann. Vorliegend sind die Schalen jedoch zylindrisch gestaltet.
Beispielsweise kann ein Energiespeicher so aus mehreren radial übereinander liegenden Zylinderschalen bestehen. Gegebenenfalls ist die Länge der einzelnen Hohlzylinder gleich der Länge des gesamten Energiespeichers. Dies ist beispielsweise günstig, wenn sich über die gesamte Länge des Energiespeichers eine einheitliche Temperaturverteilung einstellt. Falls dem nicht so ist, kann der Energiespeicher auch mit koaxial aneinander liegenden Hohlzylindern modelliert werden. Somit liegen dann in Längsrichtung mehrere Hohlzylinder koaxial aneinander. Sämtliche Hohlzylinder besitzen in diesem Fall eine gemeinsame Achse. Diese Art der Modellierung des Energiespeichers stellt insbesondere auf gewickelte Energiespeicher ab.
In einer zweiten Alternative kann die Struktur des Energiespeichers durch eine Anordnung von mehreren koaxial und/oder bezüglich ihrer Achsen parallel aneinander liegender Teilzylinder beschrieben werden. Diese Struktur zielt eher darauf ab, Energiespeicher mit Stapelstruktur zu modellieren. Bei den Teilzylindern handelt es sich nicht um Hohlzylinder, sondern jeweils um Vollzylinder. Sie sind in einer bevorzugten Ausgestaltung koaxial aneinander beziehungsweise übereinander liegend angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können derartige Teilzylinder auch parallel nebeneinander angeordnet sein, sodass beispielsweise mehrere parallel nebeneinander angeordnete Stäbe (z.B. quaderförmig) die Modellstruktur ergeben. Es können somit beliebige Strukturen mit Teilzylindern gebildet werden, die koaxial übereinander beziehungsweise axial nebeneinander parallel angeordnet sind.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln einer jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders oder Teilzylinders. Es wird also für jeden einzelnen Teil- oder Hohlzylinder eine jeweils eigene (mittlere) Temperatur ermittelt. Damit ergibt sich entsprechend der räumlichen Verteilung der Zylinder eine korrespondierende räumliche Temperatur- oder Wärmeverteilung. Für dieses Ermitteln der jeweiligen Temperatur beziehungsweise Wärmemenge in jedem Teil- oder Hohlzylinder wird ein quasi statischer Zustand in jedem Teil- beziehungsweise Hohlzylinder angenommen, und zwar entlang einer Zeitreihe zu jedem einzelnen (Betrachtungs-) Zeitpunkt. Dies bedeutet, dass jeder Hohlzylinder oder Teilzylinder für einen jeweiligen Zeitpunkt als in einem Gleichgewichtszustand befindend betrachtet wird. Jedem Teilzylinder oder Hohlzylinder kann somit zu einem bestimmten Zeitpunkt eine mittlere Temperatur oder mittlere Wärmemenge zugeschrieben werden. Auf diese Weise lässt sich entsprechend der durch die Teilzylinder oder Hohlzylinder gegebene Struktur des Energiespeichers eine entsprechende räumliche Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung gewinnen. Durch dieses gegebenenfalls gröbere räumliche Raster kann insbesondere der Rechenaufwand zur Ermittlung der Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung reduziert werden.
In einer speziellen Ausgestaltung besitzt der Energiespeicher die Form eines geraden Zylinders und die Hohlzylinder oder Teilzylinder sind ebenfalls gerade. Zwar ist ein gerader Zylinder die meist übliche Form eines Zylinders, aber es sind auch schräge Zylinder denkbar, deren Zylinderachse einen von Null verschiedenen Winkel zur Normalen der Zylinderstirnseiten einnimmt. Auf diese Weise können gegebenenfalls auch schräg geschnittene zylindrische Energiespeicher in ihrer Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung modelliert werden.
In speziellen Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher die Form eines Kreiszylinders, eines elliptischen Zylinders oder eines Prismas, insbesondere eines Quaders, besitzt und die Hohlzylinder oder Teilzylinder ebenfalls entsprechend kreiszylindrisch, ellipsenzylindrisch oder prismatisch sind. Die Stirnflächen der jeweiligen Zylinder können also unterschiedliche Gestalt besitzen. Sie können nicht nur kreisrund oder elliptisch sein, sondern auch in beliebiger Weise mehreckig. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass auch unterschiedlichste Formen von zylindrischen Energiespeichern in geeigneter Weise durch Hohlzylinder oder Teilzylinder modelliert werden können. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher aus einer Schichtanzahl an in radialer Richtung übereinander befindlichen Schichten gewickelt ist und eine Anzahl der mehreren Hohlzylinder der Schichtanzahl entspricht. Besitzt also beispielsweise der Energiespeicher 30 (gewickelte) Schichten, so ist es günstig, wenn das korrespondierende Temperatur- beziehungsweise Wärmemodell ebenfalls 30 Schichten besitzt. Hierdurch kann jede einzelne Schicht für sich betrachtet werden. Auch wenn die Energiespeicher in der Regel spiralförmig gewickelt sind, ist die näherungsweise Modellierung mit ineinander liegenden koaxialen Hohlzylindern in der Regel hinreichend genau. Die einzelnen Schichten können den Elektroden einschließlich des Elektrolyts und den Separatoren entsprechen. Damit sind genaue Aussagen über die Temperatur und die Wärmemenge in den Elektroden und Separatoren möglich.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist der Energiespeicher als Stapel einer Vielzahl an Schichten in einer Stapelrichtung gebildet und eine Anzahl der mehreren Hohlzylinder oder Teilzylinder in der Stapelrichtung entspricht der Vielzahl der gleichförmigen Schichten. Wenn also beispielsweise der Schichtspeicher aus einem Stapel von 60 Schichten besteht, so sollte auch das korrespondierende Modell in Stapelrichtung 60 Zylinder aufweisen. Somit kann wiederum eine genaue Temperatur beziehungsweise Wärmeaussage über die jeweilige Schicht getroffen werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass bei dem Ermitteln einer jeweiligen Temperatur des oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder individuelle Wärmekapazitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten zugeordnet werden oder sind. Dabei wird jeder Hohlzylinder oder Teilzylinder als homogener Körper betrachtet. Diese Näherung kann ohne Weiteres getroffen werden und stellt bei den typischen Schichtaufbauten in der Regel keinen Nachteil dar.
In einer speziellen Ausgestaltung kann die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder dadurch ermittelt werden, dass ein hohlzylindrischer Dissipationskörper am Außenumfang des Energiespeichers zur Wärmeableitung modelliert wird. Darin kann eine Konditionierung des Randwertproblems gesehen werden. Am Mantel des zylindrischen Energiespeichers besteht nämlich die Problematik, dort den jeweiligen Temperaturübergang zur Umgebung zu berücksichtigen. Daher wird die Umgebung hier durch einen hohlzylindrischen Dissipationskörper simuliert, der thermisch die Eigenschaften ähnlich der Umgebung besitzt. Beispielsweise fließt ihm diejenige Wärmemenge zu, die der Energiespeicher auch an die Umgebung abgeben würde. Auf diese Weise lässt sich die von dem zylindrischen Energiespeicher nach außen abgegebene Wärmemenge auf einfache Weise in das Temperatur beziehungsweise Wärmemodell einbringen.
Eine weitere Konditionierung des Randwertproblems ist für die Stirnseiten des Energiespeichers von Relevanz. So ist es von Vorteil, wenn die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder dadurch ermittelt wird, dass jeweils ein zylindrischer Dissipationskörper an beiden Stirnseiten des Energiespeichers zur Wärmeableitung modelliert wird. Auf diese Weise lässt sich auch an den Stirnseiten des Energiespeichers die Wärmeableitung einfach und zuverlässig ermitteln. Prinzipiell kann durch den Dissipationskörper natürlich auch eine Wärmeaufnahme modelliert werden, wenn die Umgebung wärmer als der Energiespeicher ist. Dies kann der Fall sein, wenn der Energiespeicher von außen aufgeheizt werden muss, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders zeitdiskret durch eine Wärmebilanz ermittelt wird, bei der je eine in Bezug auf den zylindrischen Energiespeicher axiale Wärmeleitung, eine radiale Wärmeleitung, eine Wärmespeicherung und ein Wärmeeintrag für jeden Hohlzylinder oder Teilzylinder bestimmt wird. Diese vier verschiedenen physikalischen Größen sind in der Regel ausreichend, um die Wärmebilanz jedes Teilzylinders oder Hohlzylinders in erforderlicher Genauigkeit zeitdiskret zu beschreiben. Dabei kann die radiale Wärmeleitung bei Hohlzylindern noch differenziert werden in radiale Wärmeleitung nach innen und radiale Wärmeleitung nach außen. Bei gestapelten Teilzylindern kann eine Differenzierung der axialen Wärmeleitung in die entgegengesetzten axialen Richtungen erfolgen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder in Abhängigkeit von einem Ladestrom, einem Entladestrom, einer Zellspannung, einer Gesamtspannung des Energiespeichers, einer Änderung des Ladezustands, einer Änderung des Entladestroms, einer Änderung der Zellspannung oder der Gesamtspannung, einer gemessenen Temperatur einer oder mehrerer Zellen des Energiespeichers, eines Alters und oder eines SOH (state of health; beruht auf Verhältnis zwischen Residualkapazität und Nominalkapazität) bestimmt wird. Es kann also die Temperatur oder Wärmemenge jedes Zylinders beziehungsweise in jedem Zylinder abhängig von einem oder mehreren Parametern der oben geschilderten Menge ermittelt werden. Dabei sind nicht nur statische Ströme beziehungsweise Spannungen von Interesse, sondern gegebenenfalls auch deren Dynamik, also die Änderungen von Strömen und Spannungen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei dem Ermitteln der jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder oder Teilzylinder einmal oder mehrmals ein Kalibrieren anhand einer jeweiligen Messung einer Oberflächentemperatur des Energiespeichers. Die Temperatur des Energiespeichers kann in der Regel nur an der Oberfläche des Energiespeichers komfortabel gemessen werden. Da das Temperatur- beziehungsweise Wärmemodell auch eine Aussage über die Manteltemperatur des Energiespeichers liefern kann, ist somit eine Kalibrierung des Modells mithilfe des Messwerts möglich. Ein derartiges Kalibrieren kann einmal bei Inbetriebnahme oder aber auch mehrmals in bestimmten Zeitintervallen oder bei Bedarf erfolgen. Auf diese Weise können beispielsweise Alterungsprozesse berücksichtigt werden, bei denen beispielsweise der Innenwiderstand des Energiespeichers und damit gegebenenfalls der Wärmeeintrag steigt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei dem Ermitteln der jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders oder Teilzylinders eine numerische Simulation durchgeführt wird. Eine derartige numerische Simulation hat in der Regel Vorteile gegenüber einer analytischen Lösung. Insbesondere können dadurch Echtzeitbedingungen eingehalten werden, bei denen beispielsweise Schaltprozesse in Bruchteilen von Sekunden (insbesondere 0,1 s bis 1 s) erfolgen müssen. Derartige numerische Simulationen können in einem Managementsystem des Energiespeichers ausgeführt werden. Insbesondere können entsprechende Prozessoren dafür ausgelegt sein.
Speziell können ein oder mehrere Parameter für die numerische Simulation durch künstliche Intelligenz anhand von Temperaturmessungen ermittelt werden. Die künstliche Intelligenz kann beispielsweise auf einem neuronalen Netzwerk, einer Support-Vektor-Maschine, einem Entscheidungsbaum, eine Bayes'schen Netzwerk, einem kinetischen Algorithmus und/oder Assoziationsregeln oder dergleichen basieren. Das neuronale Netzwerk oder die anderen Algorithmen können für die numerische Simulation entsprechend trainiert werden. Somit können beispielsweise in einem Labor auch im Inneren des Energiespeichers Temperaturmessungen durchgeführt werden, die für das Trainieren der künstlichen Intelligenz verwendet werden. Die im Labor trainierte künstliche Intelligenz kann anschließend für die Simulation verwendet werden, um in kürzester Zeit die gesuchte Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung im Energiespeicher während des Betriebs des Energiespeichers zu ermitteln. Die numerische Simulation, die durch die künstliche Intelligenz durchgeführt wird, kann somit durch Temperaturmessungen insbesondere im Labor trainiert werden, wobei entsprechende Parameter beziehungsweise Gewichte der künstlichen Intelligenz gewonnen werden.
Ein oben beschriebenes Verfahren zum Ermitteln einer Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher kann dazu genutzt werden, den Betrieb des Energiespeichers in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung zu steuern oder zu regeln. Da nämlich die räumliche Temperaturverteilung beziehungsweise Wärmeverteilung unter den aktuellen Konditionen (z.B. aktuelle Gesamtspannung des Energiespeichers und aktueller Entladestrom) bekannt ist, ist auch bekannt, an welcher Stelle (z.B. Elektrode, Separator oder dergleichen) eine kritische Temperatur vorherrscht. Aufgrund entsprechender Temperaturvorgaben kann der Betrieb des Energiespeichers (z.B. das Entladen) entsprechend gesteuert oder geregelt werden. So lässt sich beispielsweise der Entladevorgang rechtzeitig stoppen oder reduzieren, wenn oder bevor eine vorbestimmte Temperatur an einer gewissen Stelle erreicht wird. Selbstverständlich kann die Steuerung beziehungsweise Regelung auch in Abhängigkeit von mehreren Temperaturbedingungen erfolgen. So können beispielsweise sämtliche Orte von Anoden bezüglich einer Maximaltemperatur überwacht werden. Gleiches gilt für andere Komponenten des Energiespeichers. Somit kann der Betrieb des Energiespeichers automatisch so angepasst werden, dass gewisse Maximaltemperaturen nicht überschritten werden. Ähnliches kann auch für Minimaltemperaturen gelten. Auch können Wärmemengen überwacht werden, die in bestimmten Schichten vorhanden sind. So kann beispielsweise die Wärmemenge in der Kathode beim Steuern des Ladestroms von besonderer Relevanz sein. Speziell kann vorgesehen sein, dass eine Leistungsabgabe des Energiespeichers an einen Verbraucher oder ein Ladestrom oder eine Ladespannung des Energiespeichers in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung gesteuert wird. Dies bedeutet nicht nur, dass der Energiespeicher selbst derart geregelt oder gesteuert werden kann, sondern auch der entsprechende Verbraucher oder das Ladegerät. Somit kann aufgrund der innerhalb des Energiespeichers ermittelten Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung ein Steuer- beziehungsweise Regelsignal für eine externe Einrichtung außerhalb des Energiespeichers bereitgestellt werden.
Wie oben bereits angedeutet wurde, kann ein Energiespeicher eine Steuereinrichtung aufweisen, um ein oben geschildertes Verfahren durchzuführen. Speziell kann also ein Lithium-Ionen-Akku eine spezifische Steuerungs- beziehungsweise Überwachungselektronik aufweisen. Diese Steuereinrichtung kann Teil eines sogenannten Batteriemanagementsystems sein, das als integrierte Elektronik in dem Energiespeicher vorgesehen ist.
Der Energiespeicher kann mehrere Zellen aufweisen, von denen jede durch mehrere der Hohlzylinder oder Teilzylinder modelliert wird. Somit kann auch in komplexen Energiespeichern, die einen mehrzelligen Aufbau besitzen, eine räumliche Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung mit gewünschter Genauigkeit ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Elektrowerkzeug bereitgestellt, das einen oben genannten Energiespeicher mit der Steuereinrichtung aufweist, um die oben genannten Verfahren auszuführen. Derartige akkubetriebene Elektrowerkzeuge sind beispielsweise Akkuschrauber, Akkubohrer, Akku-Kreissägen, Akku-Gartengeräte und dergleichen.
Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bewirken, dass der oben genannte Energiespeicher oder das oben genannte Elektrowerkzeug die ebenfalls oben geschilderten Verfahrensschritte ausführt. Ein derartiges Com puterprogramm produkt kann ein Speichermedium umfassen, auf dem ein korrespondierendes Computerprogramm mit den genannten Befehlen gespeichert ist. Ein Speichermedium kann beispielsweise eine DVD, ein RAM, ein SSD-Speicher oder jeder andere geeignete Speicher für Computerprogramme sein.
Die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten Vorteile und Variationsmöglichkeiten können analog auch bei dem Energiespeicher beziehungsweise Elektrowerkzeug realisiert werden. Dies gilt gleichermaßen für entsprechende Kombinationen von Merkmalen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Modell eines zylindrischen Energiespeichers zur Ermittlung der
Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung;
Fig. 2 ein weiteres Modell für einen anderen zylindrischen Energiespeicher zur
Ermittlung der Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung;
Fig. 3 einen Akkupack für ein Elektrowerkzeug oder Gartengerät; und
Fig. 4 einen schematischen Verfahrensablauf eines Ausführungsbeispiels.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Die Einlastung von thermischer Energie (Wärme) in einen Energiespeicher ergibt sich physikalisch rechnerisch insbesondere durch den Stromfluss über die beiden Innenwiderstände der dielektrischen und elektrochemischen Kapazitäten. Die dielektrische Kapazität ergibt sich aus dem Schichtaufbau und die elektrochemische Kapazität aus der Ladungsspeicherung in der elektrochemischen Struktur. Räumlich erfolgt der Energieeintrag in Abhängigkeit von dem Schichtaufbau des Energiespeichers. So erfolgt der Energieeintrag bei einer gewickelten Zelle anders als bei einer gestapelten Zelle. In der Regel wird der Energieeintrag verteilt über die einzelnen Schichten in die Zelle stattfinden. Dies gilt zumindest so lange, wie sich ein homogener Stromfluss über die Elektrodenbahnen und deren Oberflächen ausbildet. Kommt es zu inhomogenen Strompfaden bei sehr hohen Strombelastungen, so erfolgt eine erhöhte Wärmeabgabe punktuell entlang dieser Strompfade.
Bei einer gewickelten Zelle verteilt sich die eingetragene Wärmemenge durch eine radiale Wärmeleitung vom Zentrum der Zelle hin zum radialen Abschluss der Zelle, den Zellmantel, und über eine axiale Wärmeleitung vom Zentrum zu den beiden Polkappen der Zelle. Die Wärme wird von allen Masseelementen der Zelle über das Zellvolumen hinweg entsprechend ihrer Wärmekapazität gespeichert. Derartige Masseelemente sind insbesondere die Elektroden, der Elektrolyt, der Separator, das Gehäuse und die Stromleiter.
Wie leicht zu verstehen ist, resultiert selbst ein homogener Wärmeeintrag in die Zelle damit unmittelbar in einer inhomogenen Temperaturverteilung des Temperaturfelds in der Zelle, da die Transportprozesse axial und radial zentrumsnahe Bereiche nur schlechter wärmemengenmäßig entfrachten können. Damit ist mehr Wärme in den zentralen räumlichen Regionen zu speichern, was unmittelbar zu einer Temperaturerhöhung führt.
Für eine solide Steuerung z.B. der Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere in dynamischen Situationen (quasi-stationäre Betriebszustände), sind die situativen Temperaturen an allen Raumpunkten der Zelle zu berücksichtigen. Verwendet man lediglich einen außenliegenden Temperaturmesspunkt, so ist für den sicheren Betrieb der Zelle stets genügend kalorischer Puffer vorzusehen und gleichzeitig die Strommenge zu begrenzen, damit in Kernbereichen der Zelle die Temperaturen nicht über kritische Schwellwerte steigen. Eine Zelle kann auf diese Art und Weise ihre tatsächliche elektrochemische Leistungsfähigkeit nicht ausspielen. Hierfür wird erfindungsgemäß ein einfaches (numerisches) Simulationsmodell bereitgestellt, welches vorteilhafterweise zeitlich hochaufgelöst die tatsächliche Temperatursituation in der Zelle simuliert und damit ein sicheres, rechtzeitiges Abschalten anliegender Verbraucher ermöglicht, gleichzeitig diesen aber eine maximale Leistung aus der Zelle heraus zur Verfügung stellt.
Ein technischer Ansatz gemäß Fig. 1 wäre beispielsweise ein Modell, das in seiner räumlichen Ausprägung aufgebaut ist aus koaxialen Hohlzylindern, welche bereits über ihren Innen- und Außenradius, die Zylinderlänge, die Zylindermasse sowie die axiale und die radiale Wärmeleitfähigkeit definiert sind.
In dem konkreten Beispiel von Fig. 1 soll eine zylindrische, gewickelte Zelle als Energiespeicher modelliert werden. Die Modellierung 1 erfolgt durch eine Vielzahl an koaxialen Hohlzylindern 2. Die Hohlzylinder 2 besitzen unterschiedliche Außendurchmesser und sind ineinander angeordnet. Dabei schmiegt sich in radialer Richtung jeweils ein Hohlzylinder an den benachbarten Hohlzylinder. Ganz innen kann sich ebenfalls ein Hohlzylinder 2 befinden oder aber auch ein Vollzylinder. Die Anzahl der Hohlzylinder in radialer Richtung entspricht vorzugsweise der Anzahl der Schichten der gewickelten Zelle, sodass prinzipiell ein Hohlzylinder einer Schicht entlang des gesamten Umfangs entspricht. Dabei ist es unerheblich, dass die Zelle spiralförmig gewickelt ist, während das Modell aus vollkommen kreisförmigen Hohlzylindern gestaltet ist.
Auch in axialer Richtung kann das Temperaturmodell 1 in seiner geometrischen Ausprägung unterteilt sein. Im vorliegenden Beispiel besitzt das kreiszylindrische Temperaturmodell in axialer Richtung vier axial hintereinander angeordnete Zylinder 3, die ihrerseits wieder aus mehreren ineinander liegenden Hohlzylindern 2 bestehen. Die Anzahl der Zylinder in axialer Richtung kann beliebig gewählt werden. Wenn beispielsweise keine Auflösung in axialer Richtung gewünscht ist, kann das Temperaturmodell auch nur aus einem einzigen Zylinder 3 bestehen. In dem Beispiel von Fig. 1 besitzt das Temperaturmodell 1 vier axial hintereinander angeordnete Zylinder 3. Die Anzahl der Zylinder 3 kann je nach gewünschter örtlicher Auflösung in axialer Richtung auch größer oder kleiner sein.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines zylindrischen Temperaturmodells für einen korrespondierenden zylindrischen Energiespeicher. Anstelle eines Kreiszylinders ist hier ein Rechteckzylinder gewählt. Dies bedeutet, dass die Stirnseiten dieses zylindrischen Temperaturmodells rechteckförmig sind. Alternativ können die Stirnseiten natürlich auch elliptisch, dreieckig, sechseckig, achteckig oder dergleichen sein. Die Stirnseiten können aber auch beliebige andere Formen einnehmen, solange sie nur gleich und zueinander parallel sind. In jedem Fall bilden sie einen entsprechenden Zylinder. Im Beispiel von Fig. 2 ergibt sich ein quaderförmiges Temperaturmodell 4 für einen quaderförmigen Energiespeicher. Er besitzt eine Stapelachse 5, entlang der hier zahlreiche Plättchen gestapelt sind. Jedes Plättchen stellt hier einen rechteckförmigen Teilzylinder 6 dar. Die einzelnen Teilzylinder 6 sind hier nicht hohl, aber ebenfalls koaxial hintereinander angeordnet, wobei die Stapelachse 5 die gemeinsame Achse bildet. Besitzt also ein Energiespeicher einen gestapelten Schichtaufbau, so könnte das Wärme- beziehungsweise Temperaturmodell von Fig. 2 zur Ermittlung der räumlichen Temperatur- oder Wärmeverteilung herangezogen werden. Auch hier ist es von besonderem Vorteil, wenn die Anzahl der Teilzylinder der Anzahl der tatsächlichen Schichten des gestapelten Energiespeichers entspricht. Gegebenenfalls können mehrere parallele solcher Temperaturmodelle 4 verwendet werden, um ein größeres quaderförmiges Gesamttemperaturmodell zu generieren.
Hier wie auch zuvor bei dem Temperaturmodell 1 von Fig. 1 entspricht eine Schicht beispielsweise einer Anode, einer Kathode oder einem Separator. Gegebenenfalls wird die Anode weiter unterteilt in eine Metallfolie und eine Anodenmasse. In ähnlicher Weise kann auch die Kathode in eine Kathodenfolie und eine Kathodenmasse unterteilt werden. Somit kann beispielsweise eine einzige Wickelschicht drei oder fünf Teilschichten (ohne etwaige Ummantelungen) besitzen. Jede Teilschicht kann in dem Modell durch eine Schicht (z.B. einen Flohlzylinder 2 oder einen Teilzylinder 6) repräsentiert werden.
Fig. 3 zeigt ein Akkupack, das beispielsweise für ein Elektrowerkzeug wie etwa einen Akkuschrauber oder ein elektrisches Gartengerät verwendet werden kann. Er besitzt eine Aufnahme 7, mit der er an das jeweilige Elektrowerkzeug angesteckt werden kann. Im Inneren seines Gehäuses 8 befinden sich beispielsweise mehrere zylindrische Energiespeicher. Bei jedem einzelnen Energiespeicher kann es sich etwa um eine gewickelte Lithium-Ionen-Zelle handeln. Das jeweils zugehörige thermische Modell 1 kann in seiner geometrischen Ausgestaltung demjenigen von Fig. 1 gleichen.
In den Akkupack kann auch ein Batteriemanagementsystem integriert sein, das eine Schnittstelle 9 für einen Bediener besitzt. Beispielsweise kann diese Schnittstelle 9 den Ladezustand des Akkupacks anzeigen oder eine Bedienmöglichkeit realisieren. Das Batteriemanagementsystem kann eine geeignete Sensorik zur Erfassung eines Ladestroms, eines Entladestroms, einer Zellspannung, einer Gesamtspannung des Akkupacks, einer Temperatur einer oder mehrerer Zellen des Energiespeichers und/oder dergleichen aufweisen. Damit können einer oder mehrere der oben genannten Gruppe von Parametern erfasst und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Insbesondere können so auch Änderungen der Zellspannung oder der Gesamtspannung sowie Änderungen des Ladestroms und Änderungen des Entladestroms ermittelt werden. Ein geeignetes Temperaturmodell auf der Basis der geometrischen Struktur, wie sie etwa in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt ist, erlaubt es dann, eine räumliche Temperatur- oder Wärmeverteilung innerhalb jedes Energiespeichers oder jeder Zelle zu ermitteln. Das Temperaturmodell des Batteriemanagementsystems kann entsprechend den aktuellen Betriebsparametern eine Temperatur- oder Wärmeverteilung liefern, welche zum Steuern des Betriebs des Energiespeichers und/oder eines mit dem Energiespeicher betriebenen Elektrogeräts genutzt werden kann.
Fig. 4 gibt schematisch einen Verfahrensablauf wieder, gemäß dem ein Elektrogerät betrieben werden kann. Dabei sind ein wesentlicher Bestandteil diejenigen Verfahrensschritte, die zur Ermittlung der Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung dienen.
In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Beschreiben einer Struktur des Energiespeichers durch eine Anordnung von Zylindern. Dieses Beschreiben bedeutet, dass die Struktur beziehungsweise die Außenkontur des Energiespeichers virtuell in mehrere Hohlzylinder beziehungsweise Teilzylinder unterteilt wird. Diese einzelnen Zylinder liegen aneinander und vollführen einen thermischen Austausch durch Wärmeübertragung. Speziell wird eine Anordnung von mehreren koaxial ineinander und/oder aneinander liegenden Hohlzylindern oder von mehreren koaxial und/oder bezüglich ihrer Achsen parallel aneinander liegender Teilzylindern beispielsweise entsprechend den Fig. 1 und 2 für das thermische Modell gefunden. Vorzugsweise richtet sich diese geometrische Modellierung nach dem tatsächlichen Schichtaufbau des Energiespeichers.
Optional werden die thermischen Modelle nach außen mit ebenso einfachen geometrischen Formen abgeschlossen, die bereits für das Innere des Energiespeichers verwendet wurden. So empfiehlt es sich, das thermische Modell des Energiespeichers gemäß Fig. 1 geometrisch ebenfalls durch Hohlzylinder oder Teilzylinder abzuschließen (Konditionierung des Randwertproblems). So ist es beispielsweise günstig, wenn ein hohlzylindrischer Dissipationskörper am Mantel beziehungsweise Außenumfang des Energiespeichers zur Wärmeableitung modelliert wird. In ähnlicher Weise dürfte es von Vorteil sein, wenn jeweils ein zylindrischer Dissipationskörper an beiden Stirnseiten des Energiespeichers zur Wärmeableitung modelliert wird.
Mithilfe der geometrischen Modellierung des Energiespeichers auf der Basis von Hohl beziehungsweise Teilzylindern kann entsprechend einem Gesamtwärmemodell für jeden dieser Zylinder eine Wärmebilanz gemäß Schritt S2 aufgestellt werden (vergleiche unten). Dazu ist es in der Regel notwendig, entsprechend Schritt S3 aktuelle Betriebsparameter zu erfassen und für das Gesamtwärmemodell (geometrisches Modell und Wärmebilanzmodell) zur Verfügung zu stellen. Derartige Betriebsparameter, gegebenenfalls von entsprechender Sensorik des Energiespeichers erfasst, können etwa der Ladestrom, der Entladestrom, eine Zellspannung, eine Gesamtspannung des Energiespeichers, eine Änderung des Ladestroms, eine Änderung des Entladestroms, eine Änderung der Zellspannung oder der Gesamtspannung und/oder eine Änderung einer gemessenen Temperatur einer oder mehrerer Zellen des Energiespeichers sein.
In Schritt S4 wird insbesondere auf der Basis der Wärmebilanzen die einzelnen Hohl beziehungsweise Teilzylinder eine räumliche Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung ermittelt. Die Ortsauflösung dieser Temperatur- oder Wärmeverteilung ergibt sich entsprechend der geometrischen Struktur des thermischen Modells. Dabei kann angenommen werden, dass jeder Hohl- oder Teilzylinder eine individuelle mittlere Temperatur und/oder Wärmemenge besitzt. Somit kann beispielsweise für jede einzelne Schicht eine separate Temperatur in Abhängigkeit von den Betriebsparametern gewonnen beziehungsweise simuliert werden.
Die in Schritt S4 modellierte beziehungsweise simulierte Temperatur- oder Wärmeverteilung kann optional durch eine Messung in Schritt S5 überprüft werden. Beispielsweise lässt sich die Temperatur am Außenmantel des Energiespeichers komfortabel messen. Die modellierte Temperatur am Außenmantel sollte der gemessenen Temperatur entsprechen. Ist dem nicht der Fall, so kann in Schritt S6 eine Kalibration durchgeführt werden. Nach dieser Kalibration kann eine neue Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in Schritt S4 ermittelt werden.
Die gegebenenfalls nachkalibrierte Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung, die in Schritt S4 zur Verfügung gestellt wird, kann für das Steuern oder Regeln (nachfolgend kurz„Steuern“) des Energiespeichers oder des damit betriebenen Elektrogeräts gemäß Schritt S7 benutzt werden. Speziell kann beispielsweise bei Überschreiten einer Temperatur in einer Schicht des Energiespeichers dieser oder das Elektrogerät abgeschaltet werden. Gegebenenfalls wird in Abhängigkeit davon auch nur die Leistung des Elektrogeräts oder die Leistungsabgabe des Energiespeichers reduziert.
Nachfolgend wird das thermische Modell näher beschrieben. Bei einer geometrischen Ausprägung des Modells gemäß Fig. 1 erfolgt die Wärmeleitung in radialer Richtung von einem Hohlzylinder zum nächsten sowie für den letzten äußeren Zylinder eine Wärmeabgabe an einen Dissipationskörper (in Fig. 1 nicht dargestellt). Vorteilhafterweise wird dieser Dissipationskörper ebenfalls als Zylinder modelliert und stellt die thermodynamische Konnektivität zur Umgebung her (Umgebungstemperatur). In axialer Richtung verläuft der Wärmestrom jeweils von der halben Zylinderlänge hin zu den Polkappen. Dort wird der Wärmestrom an einen ebenfalls zylindrischen Dissipationskörper übergeben, der wiederum den Kontakt zur Umgebung herstellt. Für jeden Hohlzylinder gilt dabei folgendes:
Radiale Wärmeleitung:
Axiale Wärmeleitung:
Wärmespeicherung:
Qs = m cp DT
Wärmeeintrag (hier nur beispielhaft für homogene Eintragssituationen) Dabei bedeutet Rm die Wärmeleitfähigkeit des Hohlzylinders, I die Länge, ra den Außenradius, ri den Innenradius des Hohlzylinders sowie Ti und Ta die Innen- und Außentemperatur am Hohlzylinder. Tz und Ts bedeuten die Zentraltemperatur in der Wand des Hohlzylinders und die Stirnseitentemperatur. Ferner bedeutet m die Masse des jeweiligen Hohlzylinders, cP dessen spezifische Wärmekapazität und DT die Temperaturdifferenz. Schließlich bedeuten I der Strom, U die Spannung, t die Zeit, T die Temperatur, Etot der gesamte elektrische Energieeintrag, h der Wirkungsgrad, Vi das Volumen des jeweiligen Hohlzylinders und Vtot das Gesamtvolumen der Zylinderanordnung.
Für jeden Zeitabschnitt dt gilt zugleich die Wärmebilanz für jeden einzelnen Hohlzylinder:
Qain + Qrin + Qe = Qs + Qrout + Q aout
Die einzelnen Wärmemengen ergeben sich aus den oben dargestellten differenziellen Größen jeweils für einen Zeitabschnitt dt. Dabei ist jeweils eine eingetragene Menge durch„in“ und eine ausgetragene Wärmemenge durch„out“ gekennzeichnet. Außerdem bedeutet Qe den Wärmeeintrag mittels des elektrischen Stroms durch den jeweiligen Innenwiderstand.
Die oben dargestellten Formeln für die Wärmeleitung, Wärmespeicherung, Wärmeeintrag und Wärmebilanz können analog auch für Vollzylinder ermittelt werden. Damit können auch Temperaturmodelle auf der Basis des Stapelmodells von Fig. 2 erstellt werden.
Ein auf diese Art und Weise verkettetes Modell einzelner Hohlzylinder erlaubt bei Festhalten der Randbedingungen die Errechnung der Temperaturen der einzelnen Zylinder sowohl radial als auch axial zeitaufgelöst für jedes Zeitelement dt und den darin auftretenden Spannungsabfall bU/dt. Sinnvoll ist es, das Modell jeweils zeitlich durch die Messung einer Oberflächentemperatur nachzukalibrieren, sodass eine präzise räumliche Temperaturaussage zeitlich aufgelöst für jeden Raumpunkt der Zelle modellmäßig möglich ist. Dies erlaubt es, beispielsweise durch die Zelle angetriebene Verbraucher rechtzeitig zu entkoppeln ebenso wie beispielsweise anliegende Ladespannungen zu trennen oder Ladeströme den errechneten Temperaturen innerhalb der Zelle nachzuführen (z.B. Laden bei tiefen Temperaturen).
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 Temperaturmodell
2 Hohlzylinder
3 Zylinder
4 Temperaturmodell
5 Stapelachse
6 Teilzylinder
7 Aufnahme
8 Gehäuse
9 Schnittstelle
51 erster Schritt
52 zweiter Schritt
53 dritter Schritt
S4 vierter Schritt
55 fünfter Schritt
56 sechster Schritt
57 siebter Schritt

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Ermitteln einer Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher,
gekennzeichnet durch
- Beschreiben (S1 ) einer Struktur des Energiespeichers durch eine
Anordnung
o von mehreren koaxial ineinander und/oder aneinander
liegenden Hohlzylindern (2) oder
o von mehreren koaxial und/oder bezüglich ihrer Achsen parallel aneinander liegenden Teilzylindern (6),
- Ermitteln (S4) einer jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders (2) oder Teilzylinders (6), wobei entlang einer Zeitreihe zu jedem einzelnen Betrachtungszeitpunkt ein quasistatischer Zustand in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) angenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher die Form eines geraden Zylinders besitzt und die
Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) ebenfalls gerade sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher die Form eines Kreiszylinders, eines elliptischen Zylinders oder eines Prismas, insbesondere Quaders, besitzt und die Hohlzylinder oder Teilzylinder ebenfalls entsprechend kreiszylindrisch, ellipsenzylindrisch oder prismatisch sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher aus einer Schichtanzahl an in radialer Richtung
übereinander befindlichen Schichten gewickelt ist und eine Anzahl der mehreren Hohlzylinder (2) der Schichtanzahl entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher als Stapel einer Vielzahl an Schichten in einer
Stapelrichtung gebildet ist und eine Anzahl der mehreren Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) in der Stapelrichtung der Vielzahl der gleichförmigen
Schichten entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Ermitteln einer jeweiligen Temperatur des, oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6), jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) individuelle Wärmekapazitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten zugeordnet werden oder sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) dadurch ermittelt wird, dass ein hohlzylindrischer
Dissipationskörper am Außenumfang des Energiespeichers zur
Wärmeableitung modelliert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) dadurch ermittelt wird, dass jeweils ein zylindrischer
Dissipationskörper an beiden Stirnseiten des Energiespeichers zur
Wärmeableitung modelliert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders (2) oder Teilzylinders (6) zeitdiskret durch eine Wärmebilanz ermittelt wird (S2), bei der je eine in Bezug auf den zylindrischen Energiespeicher axiale Wärmeleitung, eine radiale Wärmeleitung, eine Wärmespeicherung und ein Wärmeeintrag für jeden Hohlzylinder oder Teilzylinder bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) in Abhängigkeit von(S3) einem Ladestrom, einem
Entladestrom, einer Zellspannung, einer Gesamtspannung des
Energiespeichers, einer Änderung des Ladestroms, einer Änderung des Entladestroms, einer Änderung der Zellspannung oder der Gesamtspannung, einer gemessenen Temperatur einer oder mehrerer Zellen des
Energiespeichers, eines Alters und/oder eines SOH bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Ermitteln (S4) der jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge in jedem Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) einmal oder mehrmals ein Kalibrieren (S6) anhand einer jeweiligen Messung (S5) einer Oberflächentemperatur des Energiespeichers erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Ermitteln (S4) der jeweiligen Temperatur oder Wärmemenge jedes Hohlzylinders (2) oder Teilzylinders (6) eine numerische Simulation
durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
Parameter für die numerische Simulation durch künstliche Intelligenz anhand von Temperaturmessungen ermittelt werden.
14. Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Betriebs eines Energiespeichers durch Ermitteln(S4) einer Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung des Energiespeichers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und Steuern oder Regeln (S7) des Betriebs des Energiespeichers in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung.
15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Leistungsabgabe des
Energiespeichers an einen Verbraucher oder ein Ladestrom oder eine Ladespannung des Energiespeichers in Abhängigkeit von der
Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung gesteuert wird (S7).
16. Energiespeicher mit einer Steuereinrichtung zum Durchführen eines
Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
17. Energiespeicher nach Anspruch 16 mit mehreren Zellen, von denen jede durch mehrere der Hohlzylinder (2) oder Teilzylinder (6) modelliert wird.
18. Elektrowerkzeug mit einem Energiespeicher nach Anspruch 16 oder 17.
19. Com puterprogramm produkt, umfassend Befehle, die bewirken, dass der Energiespeicher des Anspruchs 16 oder 17, oder das Elektrowerkzeug des Anspruchs 18 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausführt.
EP20712910.7A 2019-03-22 2020-03-18 Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher Pending EP3942644A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019107470.3A DE102019107470A1 (de) 2019-03-22 2019-03-22 Temperaturverteilung oder Wärmeverteilung in einem zylindrischen Energiespeicher
PCT/EP2020/057416 WO2020193306A1 (de) 2019-03-22 2020-03-18 Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3942644A1 true EP3942644A1 (de) 2022-01-26

Family

ID=69903147

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20712910.7A Pending EP3942644A1 (de) 2019-03-22 2020-03-18 Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3942644A1 (de)
CN (1) CN113950767B (de)
DE (1) DE102019107470A1 (de)
WO (1) WO2020193306A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112117515B (zh) * 2020-10-21 2025-08-15 东莞市创明电池技术有限公司 电池控温环、电池轴向均温控制装置及电池结构
EP4191721A1 (de) * 2021-12-01 2023-06-07 Hilti Aktiengesellschaft Akkumulator mit verbesserter kühlleistung, akkupack und werkzeugmaschine

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10346706B4 (de) * 2003-10-08 2006-11-09 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Regelung einer Kühlung einer Batterie
US7589529B1 (en) 2005-11-14 2009-09-15 Active Spectrum, Inc. Method of and apparatus for in-situ measurement of degradation of automotive fluids and the like by micro-electron spin resonance (ESR) spectrometry
CN100440614C (zh) * 2007-01-26 2008-12-03 清华大学 一种实时估计镍氢动力电池内外温差的方法
JP2008249459A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Mazda Motor Corp バッテリの温度推定装置
CN201057537Y (zh) * 2007-03-30 2008-05-07 杜永红 输电线路接点超温监测器
JP6001823B2 (ja) * 2011-01-24 2016-10-05 株式会社豊田中央研究所 二次電池のシミュレーション装置
DE102011080512B4 (de) 2011-08-05 2023-11-30 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Funktionsüberwachung von Temperatursensoren eines Batteriesystems
US10468642B2 (en) * 2012-05-18 2019-11-05 Iterna, Llc Rechargeable storage battery with improved performance
DE102014208865A1 (de) * 2014-05-12 2015-11-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie
CN105206888B (zh) 2015-08-31 2018-04-06 浙江工业大学之江学院 一种锂离子电池内部温度监测方法
CH711926A1 (de) * 2015-12-17 2017-06-30 Greenteg Ag Messaufbau zur Funktionskontrolle von wiederaufladbaren Batterien.
JP6528897B2 (ja) * 2016-03-18 2019-06-12 株式会社村田製作所 二次電池充電装置、温度情報取得装置及び二次電池の充電方法、並びに、電気化学インピーダンス・スペクトルのその場計測方法
CN107687908B (zh) * 2017-08-24 2020-03-10 重庆大学 一种获取干式空心电抗器的温升热点及温度监测的方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020193306A1 (de) 2020-10-01
DE102019107470A1 (de) 2020-09-24
CN113950767B (zh) 2025-04-29
CN113950767A (zh) 2022-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4010837A1 (de) Simulation einer batterie
EP2487499A1 (de) Echtzeitfähige Batteriezellensimulation
DE102015111952A1 (de) Elektrochemisches Batteriemodell reduzierter Ordnung zur Fahrzeugsteuerung
DE102015111953A1 (de) Temperaturabhängiges elektrochemisches Batteriemodell zur Fahrzeugsteuerung
DE102015109290B4 (de) Vereinfachte Modellierung der Thermodynamik von Batterien für Steuerungen
EP3017496B1 (de) Verfahren zum batteriemanagement und batteriemanagementsystem
WO2014184338A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum laden von wiederaufladbaren zellen
DE102009036083A1 (de) Verfahren zum Steuern einer Batterie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE112013006931T5 (de) Akkusystem
DE102015111954A1 (de) Batterieleistungsfähigkeitsschätzung basierend auf elektrochemischem Modell reduzierter Ordnung
DE102020113829B3 (de) Kerntemperatur in einem zylindrischen Energiespeicher
DE102023101677A1 (de) Verfahren und system zum laden einer batterie
EP2586090B1 (de) Verfahren zur feststellung wenigstens eines zustandes einer mehrzahl von batteriezellen, computerprogramm, batterie und kraftfahrzeug
WO2012150017A1 (de) Messverfahren für eine elektrochemische energiespeichereinrichtung und messvorrichtung
DE102021125478B4 (de) Bestimmung eines alterungswerts für batterien mit strom-spannungs-zeitreihen in zeitdomäne und belastungsdomäne
DE102013214821A1 (de) Elektrochemisches Speichermodul und Verfahren zur Untersuchung einer elektrochemischen Speicherzelle in einem Modul
DE112022001905T5 (de) Schätzvorrichtung, Schätzverfahren und Computerprogramm
EP3942644A1 (de) Temperaturverteilung oder wärmeverteilung in einem zylindrischen energiespeicher
Kumar et al. Lithium-ion ferrous phosphate prismatic cell aging analysis and assessment for the development of battery management systems
DE102010001529A1 (de) Adaptives Verfahren zur Bestimmung der Leistungsparameter einer Batterie
DE10103848A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung oder zumindest eines vorgewählten Anteils der Alterung einer Batterie
DE102021108085A1 (de) Aufladen eines lithiumbasierten elektrischen Energiespeichers
DE102021130047A1 (de) Verfahren und system für eine batteriezelle
DE202019101393U1 (de) Kalorimeter und Messanordnung mit einem derartigen Kalorimeter
EP4184189A1 (de) Computergestütztes verfahren zum bestimmen eines kapazitätsverlusts eines batteriespeichers, computerprogrammprodukt und batteriespeicher

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20211019

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20230215