EP4348755A1 - Verfahren zur überwachung einer temperatur einer batterie - Google Patents

Verfahren zur überwachung einer temperatur einer batterie

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EP4348755A1
EP4348755A1 EP22727268.9A EP22727268A EP4348755A1 EP 4348755 A1 EP4348755 A1 EP 4348755A1 EP 22727268 A EP22727268 A EP 22727268A EP 4348755 A1 EP4348755 A1 EP 4348755A1
Authority
EP
European Patent Office
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temperature
battery
heating
charging
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP22727268.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen REINACHER
Christian Zielke
Bernd FREUDENMANN
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4348755A1 publication Critical patent/EP4348755A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • 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
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    • H01M10/617—Types of temperature control for achieving uniformity or desired distribution of temperature
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/635—Control systems based on ambient temperature

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a temperature of a battery, a method for charging a battery, and a battery system.
  • the monitoring of temperatures in batteries by means of temperature sensors is known. Such monitoring is useful in order to be able to prevent harmful operating conditions for the battery. For example, a charging process can damage the battery if it is carried out at a very low battery temperature. In particular during a temperature change in the battery, however, it is problematic to reliably determine a temperature of the entire battery, since different temperatures can be present in different areas of the battery at a specific point in time due to heat transfer.
  • the method according to the invention with the features of claim 1 is distinguished by a particularly simple and reliable possibility of monitoring a temperature within the battery at a specific point at which no temperature sensor is or cannot be arranged. This is achieved by a method for monitoring a temperature of a battery, comprising the steps of:
  • the heating data is stored information based on a model test with a comparison battery.
  • the comparison battery can, for example, be a battery that is structurally identical or structurally similar. Alternatively, the comparison battery can also be the battery with which the method is carried out.
  • the sensor temperature is detected by means of a temperature sensor, which can be an ordinary temperature sensor, for example.
  • the temperature sensor is set up to detect an instantaneous temperature at a first point of the battery, preferably inside the battery, for example between a battery cell and a battery housing. Based on this detected sensor temperature and the previously known heating data, the core temperature is determined at a second point within the battery, which preferably differs from the first point.
  • the heating data can include information determined in a laboratory test using the comparison battery, which defines a connection between the sensor temperature and the core temperature.
  • the heating data can include temperature characteristics of the battery recorded by temperature sensors in each case in the first point and also in the second point.
  • the method offers the advantage that the core temperature can also be estimated at another point in a particularly simple and cost-effective manner based on a single temperature sensor, which can be optimally placed due to the installation space and/or installation.
  • this allows the core temperature to be monitored at the respective coldest point of the battery.
  • a dynamic heating process of the battery is mapped by using the slope of the temperature profile of the sensor temperature over time. That is to say, while the battery is heating up, during which the heat transfer behavior of the battery has a particularly clear effect on different temperatures different points of the battery, this dynamic can be taken into account by means of the slope.
  • This is particularly advantageous, for example, during a passive heating process of the battery.
  • Such a passive heating process occurs, for example, when the battery is moved from a cold environment, in which the battery has assumed the appropriate ambient temperature, to a warmer environment.
  • the method is preferably suitable for use in batteries for electric bicycles.
  • the batteries of electric bicycles for example, can often experience spontaneous temperature changes due to high temperature differences due to transport between the interior of buildings and exterior areas or rooms with outside temperatures, such as garages.
  • the process allows temperature compensation processes within the battery to be monitored easily and reliably.
  • the method can preferably also be used in alternative battery systems, such as in power tools or vehicles.
  • the heating data for a predefined model temperature difference of an environment surrounding the battery includes a first heating curve at the first point and a second heating curve at the second point.
  • the heating curves thus describe heating processes of the comparison battery at a corresponding first or second point when the temperature environment increases by the predefined model temperature difference, preferably abruptly. Based on the two heating curves, it is thus possible, for example by means of interpolation, and based on the slope of the temporal temperature profile of the sensor temperature, to estimate which current core temperature is present.
  • the heating data further includes a maximum model temperature hysteresis between the first heating curve and the second heating curve.
  • a maximum difference between respective temperature values of the two is used as the maximum model temperature hysteresis Warming curve viewed at a specific point in time.
  • the step of determining the core temperature also includes the following step: estimating a current minimum core temperature by subtracting the maximum model temperature hysteresis from the detected sensor temperature. This makes it particularly easy to estimate which core temperature is to be expected at least based on the previously known heating data.
  • the heating data preferably includes first and second heating curves for at least two, preferably at least four, in particular at most ten, different model temperature differences of the environment.
  • first and second heating curves for at least two, preferably at least four, in particular at most ten, different model temperature differences of the environment.
  • the previously known heating data for the comparison battery are recorded for a number of different heating processes over different temperature jumps, with a first heating curve and a second heating curve being stored for each of these heating processes.
  • the different model temperature differences each differ by at least 5°C, preferably 10°C.
  • the core temperature can be determined particularly precisely for different heating processes of the battery via different temperature jumps.
  • the heating data also includes a hysteresis curve, which defines a profile of the maximum model temperature hysteresis as a function of the model temperature differences.
  • a hysteresis curve defines a profile of the maximum model temperature hysteresis as a function of the model temperature differences. This means that the respective maximum model temperature hysteresis is determined for each previously known heating process via each of the several different model temperature differences. The hysteresis curve is then determined from these, which forms a ratio of the maximum model temperature hysteresis to the respective model temperature difference.
  • the hysteresis curve is preferably obtained by interpolating the determined values.
  • the method particularly preferably also comprises the steps:
  • Determining the core temperature includes the step of estimating the current minimum core temperature by subtracting the determined current temperature hysteresis from the determined sensor temperature. This means that based on the gradient determined, it is first estimated what overall warming the battery is currently experiencing. In particular, this can be estimated by the fact that the slope is greater, the higher the current total temperature difference of the battery due to faster heating of the battery. In this case, the gradient is preferably monitored for a predefined period of time, for example 5 s. As a result, the core temperature can be determined in a particularly simple manner, which, for example, requires little computing capacity. Due to the relatively accurate estimation of the current temperature hysteresis based on the slope, the maximum temperature hysteresis to be expected between the first point and the second point can be estimated relatively accurately.
  • the method preferably also includes the step of determining whether the determined core temperature is greater than or equal to a predefined minimum temperature.
  • the predefined minimum temperature is preferably 0°C. The method can thus be used particularly advantageously in a charging method for the battery, for example to be able to identify whether each area of the battery has at least a temperature equal to the predefined minimum temperature.
  • the method is preferably carried out when the ambient temperature increases, preferably abruptly.
  • there is no active heating of the battery for example through self-heating, which occurs, for example, as a result of a charging process or a current drain.
  • the battery is passively heated by the, in particular sudden, increase in ambient temperature.
  • the second point corresponds to a coldest point during the heating of the battery.
  • the second point particularly preferably corresponds to a center of gravity of the battery.
  • the step of determining the core temperature based on the slope and the prior heating data is performed only if the gradient determined is greater than or equal to a predefined minimum gradient.
  • the core temperature is determined to be equal to the sensor temperature.
  • the predefined minimum increase is preferably a maximum of 0.1° C. per minute, preferably a maximum of 0.05° C. per minute, particularly preferably a maximum of 0.01° C. per minute.
  • the invention leads to a method for charging a battery, comprising the steps:
  • Supplying the battery with electrical energy is regarded as a charging process, so that the state of charge of the battery increases.
  • the temperature monitoring has a particularly advantageous effect in order to carry out the charging process optimally adapted to the minimum temperature inside the battery.
  • the method for charging the battery preferably also includes the step of starting the charging process when the determined core temperature is greater than or equal to a predefined minimum temperature, which is preferably 0°C. This ensures that the charging process only starts when the core temperature, which is preferably the minimum temperature of the battery, is at least equal to the predefined minimum temperature. This can prevent the battery from being damaged by charging at too low a temperature.
  • the method for charging the battery also includes the step: regulating a charging current and/or a charging voltage based on the determined core temperature.
  • charging can preferably take place by means of a target charging current if the determined core temperature is greater or is equal to the predefined minimum temperature.
  • charging can preferably take place using a reduced charging current, which preferably has 20% of a current intensity of the target charging current, if the determined core temperature is lower than the minimum temperature, but is greater than or equal to a predefined critical temperature, which, for example - 5 °C.
  • the invention leads to a battery system, comprising a battery, a temperature sensor, and a control device, wherein the control device is set up to carry out the method described above for monitoring a temperature of the battery.
  • the battery system is therefore characterized by a particularly simple and cost-effective design, which can allow minimum temperatures within the battery to be estimated.
  • the battery system is particularly preferably a battery system of an electric bicycle, alternatively preferably a battery system of a hand tool or a vehicle.
  • the battery system preferably also includes a charging device.
  • the charging device can be integrated into the battery, for example, or alternatively be provided externally to the battery.
  • the control device of the battery system is also set up to carry out the described method for charging the battery.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic view of a battery system in which a temperature is measured using a method according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic view of heating data used in carrying out the method according to the preferred embodiment.
  • FIG. 3 is a simplified schematic view of further details of the heating data.
  • FIG. 4 is a simplified schematic view of further details of the heating data.
  • FIG. 5 shows a simplified schematic view of an alternative battery system in which the method according to the preferred exemplary embodiment is carried out
  • FIG. 6 shows a simplified schematic view of a charging method which is based on the method for monitoring the temperature according to the preferred embodiment.
  • FIG. 7 shows a further simplified schematic view of the loading process
  • FIG. 8 shows a simplified schematic view of an implementation of the charging method
  • FIG. 9 shows a further simplified schematic view of a detail of an alternative embodiment of the charging method.
  • FIG. 1 shows a battery system 20 in a simple embodiment with exactly one battery 10.
  • the battery 10 includes a battery cell 4 which is accommodated within a battery housing 3.
  • FIG. The battery cell 4 is preferably of cylindrical design, with FIG. 1 showing a cross section in a plane perpendicular to a longitudinal axis of the battery cell 4 .
  • the battery 10 includes a temperature sensor 11 which is arranged between the battery cell 4 and the battery housing 3 .
  • a temperature at a first point 1 between the battery cell 4 and the battery housing 3 can be detected with the temperature sensor 11 .
  • FIG. 2 shows heating data 50 which occurred in a model test with a comparison battery structurally identical to the battery 10 in FIG.
  • FIG. 2 shows a diagram with a temperature 52 over a period of time 51.
  • Several heating curves 21, 22, 26 are shown which are present during a heating of the comparison battery caused by a temperature jump in the ambient temperature 27.
  • the first heating curve 21 describes a temperature profile at the first point 1
  • the second heating curve 22 describes a temperature profile at a second point 2, which corresponds to a point in the center of the battery cell 4 (cf. Figure 1)
  • the heating curve 26 describes a temperature profile on the outside of the housing 6 (see Figure 1).
  • the battery 10 is placed in an environment 7 which is warmer by the temperature difference 53 .
  • the environment 7 suddenly heats up at the point in time 56 by the temperature difference 53 from a low temperature 65, for example minus 20° C., to a higher one Temperature 66, for example plus 20 °C. Due to different heat transfers to the environment 7, the temperature at the different points 1, 2, 6 in the battery 10 follows the temperature jump at different speeds and only reaches a static state again at a later point in time 58, namely at the temperature 66.
  • the battery 10 is to be charged as a function of its current temperature (as described later), it is advantageous to monitor the temperature at the coldest point of the battery 10. This is the second point 2 in the center of the cell, at which a temperature referred to below as the core temperature 22a is present.
  • the core temperature 22a is determined using the method according to the preferred exemplary embodiment of the invention.
  • a gradient 5 of the temperature curve 21 over time of the sensor temperature is determined (also marked in the heating data 50 in FIG. 2 for better comprehensibility). Based on the current sensor temperature 21a, the slope 5 and the first heating curve 21 in the first point 1 and the second heating curve 22 in the second point 2, in a first variant of the method, the core temperature 22a can be directly inferred.
  • core temperature 22a is determined by subtracting a maximum model temperature hysteresis 54 from sensor temperature 22a.
  • the maximum model temperature hysteresis 54 is a maximum value of a difference between the first heating curve 21 and the second heating curve 22.
  • This difference 67 is shown in diagram 60 in FIG. 3 over time 68 as an example for the comparison battery.
  • the Y-axis of the diagram 60 indicates the value for the temperature difference.
  • a maximum value which corresponds to the maximum model temperature hysteresis 54 is present at a specific point in time 57 .
  • heating data 50 are used, which additionally include the data 70 shown in FIG.
  • This data 70 includes first and second heating curves 21, 22 (see FIG. 2) for a total of four different model temperature differences 53 of the environment 7.
  • the maximum model temperature hysteresis 54 is determined analogously to FIG. 3 and in the diagram 70 of FIG. 4 plotted against the corresponding model temperature difference 53.
  • the model temperature differences are plotted on the axis 71 and the corresponding model temperature hystereses are plotted on the axis 72 .
  • the corresponding four discrete points can be interpolated as indicated by the dotted line 75a. This interpolation results in a hysteresis curve 73a.
  • the third variant of the method based on the ascertained gradient 5, it can be estimated which overall temperature difference 53a is currently present when the battery 10 is heated.
  • a current temperature hysteresis 54a can be estimated by means of the hysteresis curve 73a based on the estimated total temperature difference 53a.
  • This ascertained current temperature hysteresis 54a can then be subtracted from the current sensor temperature 21a in order to determine the core temperature 22a.
  • the core temperature 22a can be determined more precisely, since the level of the entire temperature jump is also taken into account.
  • FIG. 5 shows a simplified schematic view of an alternative battery system 20.
  • This alternative operating system 20 of FIG. FIG. 5 shows a cross section of the battery 10.
  • a plurality of battery cells 4 can be stacked in each case along an axial direction of the battery 10, which is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the battery system 20 also includes a control device 15 which is arranged on an inside of the battery housing 3 .
  • the temperature sensor 11 is integrated into the control device 15 .
  • the control device 15 is set up to carry out the method for monitoring the temperature.
  • the sensor temperature 21a is measured at the first point 1, which is located in the control device 15.
  • core temperature 22a is determined at second point 2, which is in the center of battery 10, that is, in the center of middle battery cell 4.
  • the battery system in FIG. 5 also includes a charging device 16 which is set up to charge the battery 10 .
  • the charging device 16 comprises a connection device 16a, which is set up for connection to a power source for electrical energy, and a line 16b, which can be connected to the control device 15.
  • the connection device 16a can be designed for connection to a power grid.
  • the control device 15 of the battery 10 is set up to start or interrupt a charging process of the battery 10 depending on the determined core temperature 22a.
  • the charging process only starts if the core temperature 22a determined according to the variants of the method for monitoring the temperature described above is greater than or equal to a predefined minimum temperature of preferably 0°C.
  • FIGS. 6 and 7 show simplified schematic views of a charging method in which the method for monitoring the temperature of battery 10 is used.
  • FIG. 6 shows a diagram 80 in which a charging voltage 82 as a function of a temperature 81 is shown.
  • the determined core temperature 22a is considered as the temperature 81 .
  • FIG. 7 shows a diagram 90 in which a charging current 92 is shown as a function of a temperature 91, with the determined core temperature 22a also being considered as the temperature 91.
  • FIGS. 6 and 7 each show three different states of charge A, B, C, each of which extends over a predefined temperature range.
  • Area C represents a charging process with the maximum possible charging current and maximum possible charging voltage. This charging process in area C is carried out when the determined core temperature 22a is sufficiently high, for example greater than 5°C. If the core temperature 22a is below this, charging can take place with a reduced charging voltage and reduced charging current, as in areas A and B.
  • Area A preferably begins at a minimum temperature of minus 5 °C and extends to 0 °C. In area A, charging can take place with a very low charging current 92 (cf. FIG. 7). In a temperature range with higher temperatures, preferably from 0° C. to 5° C., lies range B, in which charging takes place with a charging voltage of approximately 90% of the maximum charging voltage and with approximately 70% of the maximum charging current.
  • the special regulation of charging current and charging voltage as a function of the determined core temperature 22a allows the battery 10 to be charged particularly efficiently and at the same time gently.
  • FIG. 8 shows a sequence of an implementation of the charging method 100.
  • the gradient 15 determined for the sensor temperature 21a is compared with a predefined one Minimum gradient to recognize whether a static or a dynamic case is present.
  • a simple temperature comparison (not shown) can preferably also be carried out before the first step 101, on the basis of which charging can be started if the current sensor temperature is greater than the sum of the maximum model temperature hysteresis to be expected and a predefined temperature limit value, for example 0 °C For example, if the current sensor temperature is greater than this sum, it can be assumed that every area of the battery has a sufficiently high temperature that charging can be started.
  • the static case in FIG. 8 is recognized when the gradient 15 determined is less than the minimum gradient, identified by the arrow 101b. In this case it can be assumed that there is no significant temperature difference between the first point 1 and the second point 2 .
  • the determined sensor temperature 21a is compared with the predefined minimum temperature 62, for example 0°C. If the sensor temperature 21a is lower than the minimum temperature 62, the battery 10 is not charged or charging is prevented (step 104). Otherwise, if the sensor temperature 21a is greater than or equal to the minimum temperature 62, charging is permitted (step 103).
  • the dynamic case is recognized when the gradient determined is greater than or equal to the minimum gradient, identified by the arrow 101a.
  • the above-described determination of the core temperature 22a is then carried out.
  • the further subsequent steps 102' and 104 or 103 are analogous to steps 102, 104 and 103 of the static case, wherein in step 102', in contrast to the static case, the determined core temperature 22a is considered instead of the sensor temperature 21a.
  • Step 103 of loading can each include a further differentiation of the temperature according to regions B and C described in connection with FIGS. 6 and 7 (not shown).
  • FIG. 9 also shows a possible extension of the charging method 100 of FIG. 8, in which charging below the minimum temperature 62 can also be made possible. This corresponds to area A of FIGS. 6 and 7.
  • step 104 of the dynamic case (cf. FIG. 8) also includes a further temperature comparison 106, in which the
  • Sensor temperature 21a in the static case or the determined core temperature 22a (in the dynamic case) is compared with a predefined limit temperature below the minimum temperature. If the sensor temperature 21a or core temperature 22a is lower than the limit temperature, charging is prevented in step 104'. If the temperature is higher, in step 107 charging takes place with a reduced charging current and reduced charging voltage in accordance with area A of FIGS. 6 and 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Temperatur einer Batterie (10), umfassend die Schritte: Erfassen einer Sensortemperatur (21a) mittels eines Temperatursensors (11) in einem ersten Punkt (1) der Batterie (10), Ermitteln einer Steigung (5) eines zeitlichen Temperaturverlaufs (21) der Sensortemperatur, und Ermitteln einer Kerntemperatur (22a) in einem zweiten Punkt (2) innerhalb der Batterie (10) basierend auf der Steigung (5) und vorbekannten Erwärmungsdaten (50) der Batterie (10), wobei die Erwärmungsdaten (50) gespeicherte Informationen sind, welche auf einem Modellversuch mit einer Vergleichsbatterie basieren.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Überwachung einer Temperatur einer Batterie
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Temperatur einer Batterie, ein Verfahren zum Laden einer Batterie, und ein Batteriesystem.
Bekannt ist die Überwachung von Temperaturen in Batterien mittels Temperatursensoren. Eine solche Überwachung ist sinnvoll, um schädliche Betriebsbedingungen für die Batterie verhindern zu können. Beispielsweise kann ein Ladevorgang zu einer Schädigung der Batterie führen, wenn dieser bei einer sehr niedrigen Temperatur der Batterie durchgeführt wird. Insbesondere während einer Temperaturänderung der Batterie ist es jedoch problematisch, zuverlässig eine Temperatur der gesamten Batterie zu bestimmen, da aufgrund von Wärmeübertragung zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Bereichen der Batterie vorliegen können.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine besonders einfache und zuverlässige Möglichkeit aus, um eine Temperatur innerhalb der Batterie an einer bestimmten Stelle zu überwachen, an welcher kein Temperatursensor angeordnet ist oder angeordnet werden kann. Dies wird erreicht durch ein Verfahren zur Überwachung einer Temperatur einer Batterie, welches die Schritte umfasst:
- Erfassen einer Sensortemperatur mittels eines Temperatursensors in einem ersten Punkt der Batterie, - Ermitteln einer Steigung eines zeitlichen Temperaturverlaufs der Sensortemperatur, und
- Ermitteln einer Kerntemperatur in einem zweiten Punkt innerhalb der Batterie basierend auf der Steigung und basierend auf vorbekannten Erwärmungsdaten der Batterie.
Die Erwärmungsdaten sind dabei gespeicherte Informationen, welche auf einem Modellversuch mit einer Vergleichsbatterie basieren. Die Vergleichsbatterie kann beispielsweise eine baugleiche oder konstruktiv ähnliche Batterie sein. Alternativ kann die Vergleichsbatterie auch diejenige Batterie, mit welcher das Verfahren durchgeführt wird, sein.
Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren die Sensortemperatur mittels eines Temperatursensors erfasst, welcher beispielsweise ein gewöhnlicher Temperatursensor sein kann. Der Temperatursensor ist eingerichtet, eine momentane Temperatur an einem ersten Punkt der Batterie, vorzugsweise innerhalb der Batterie, beispielsweise zwischen einer Batteriezelle und einem Batteriegehäuse, zu erfassen. Basierend auf dieser erfassten Sensortemperatur und den vorbekannten Erwärmungsdaten wird die Kerntemperatur in einem zweiten Punkt innerhalb der Batterie, welcher sich vorzugsweise vom ersten Punkt unterscheidet, ermittelt. Die Erwärmungsdaten können dabei in einem Laborversuch mittels der Vergleichsbatterie ermittelte Informationen umfassen, welche einen Zusammenhang zwischen der Sensortemperatur und der Kerntemperatur definieren. Beispielsweise können die Erwärmungsdaten mittels Temperatursensoren jeweils im ersten Punkt und auch im zweiten Punkt erfasste Temperaturkennwerte der Batterie umfassen.
Das Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass auf besonders einfache und kostengünstige Weise basierend auf einem einzigen Temperatursensor, welcher bauraum- und/oder montagebedingt optimal platziert werden kann, auch die Kerntemperatur an einem anderen Punkt abgeschätzt werden kann. Vorteilhafterweise kann hierdurch die Kerntemperatur am jeweils kältesten Punkt der Batterie überwacht werden. Durch Verwendung der Steigung des zeitlichen Temperaturverlaufs der Sensortemperatur wird dabei ein dynamischer Erwärmungsvorgang der Batterie abgebildet. Das heißt, während einer Erwärmung der Batterie, bei welcher sich das Wärmeübergangsverhalten der Batterie besonders deutlich auf unterschiedliche Temperaturen an unterschiedlichen Punkten der Batterie auswirkt, kann mittels der Steigung diese Dynamik mitberücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft ist dies beispielsweise während eines passiven Erwärmungsvorgangs der Batterie. Ein derartiger passiver Erwärmungsvorgang tritt beispielsweise auf, wenn die Batterie aus einer kalten Umgebung, in welcher die Batterie die entsprechende Umgebungstemperatur angenommen hat, in eine wärmere Umgebung bewegt wird.
Vorzugsweise eignet sich das Verfahren zur Anwendung an Batterien von Elektrofahrrädern. Die Batterien von Elektrofahrrädern können beispielsweise durch Transport zwischen Innenräumen von Gebäuden und Außenbereichen oder Räumen mit Außentemperaturen, wie Garagen, häufig spontane Temperaturwechsel über hohe Temperaturdifferenzen erfahren. Durch das Verfahren können dabei Ausgleichsvorgänge der Temperaturen innerhalb des Batterie einfach und zuverlässig überwacht werden. Bevorzugt kann das Verfahren auch bei alternativen Batteriesystem verwendet werden, wie beispielweise von Elektrowerkzeugen oder Fahrzeugen.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Bevorzugt umfassen die Erwärmungsdaten für eine vordefinierte Modell- Temperaturdifferenz einer Umgebung der Batterie eine erste Erwärmungskurve im ersten Punkt und eine zweite Erwärmungskurve im zweiten Punkt. Insbesondere beschreiben die Erwärmungskurven somit Erwärmungsvorgänge der Vergleichsbatterie in einem entsprechenden ersten bzw. zweiten Punkt, wenn sich die Umgebung der Temperatur um die vordefinierte Modell- Temperaturdifferenz, vorzugsweise sprunghaft, erhöht. Basierend auf den beiden Erwärmungskurven kann somit, beispielsweise mittels Interpolation, und basierend auf der Steigung des zeitlichen Temperaturverlaufs der Sensortemperatur abgeschätzt werden, welche aktuelle Kerntemperatur vorliegt.
Besonders bevorzugt umfassen die Erwärmungsdaten ferner eine maximale Modell-Temperaturhysterese zwischen der ersten Erwärmungskurve und der zweiten Erwärmungskurve. Als maximale Modell-Temperaturhysterese wird eine maximale Differenz zwischen jeweiligen Temperaturwerten der beiden Erwärmungskurve zu einem bestimmten Zeitpunkt angesehen. Der Schritt des Ermittelns der Kerntemperatur umfasst dabei zusätzlich den folgenden Schritt: Abschätzen einer aktuellen Mindest-Kerntemperatur durch Subtraktion der maximalen Modell-Temperaturhysterese von der erfassten Sensortemperatur. Dadurch kann besonders einfach abgeschätzt werden, welche Kerntemperatur mindestens basierend auf den vorbekannten Erwärmungsdaten zu erwarten ist.
Vorzugsweise umfassen die Erwärmungsdaten jeweils erste und zweite Erwärmungskurven für mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier, insbesondere maximal zehn, unterschiedliche Modell-Temperaturdifferenzen der Umgebung. Das heißt, die vorbekannten Erwärmungsdaten der Vergleichsbatterie sind für mehrere verschiedene Erwärmungsvorgänge über unterschiedliche Temperatursprünge aufgenommen, wobei für jeden dieser Erwärmungsvorgänge jeweils eine erste Erwärmungskurve und eine zweite Erwärmungskurve gespeichert ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die unterschiedlichen Modell-Temperaturdifferenzen jeweils um mindestens 5 °C, bevorzugt 10 °C. Dadurch kann für unterschiedliche Erwärmungsvorgänge der Batterie über verschiedene Temperatursprünge die Kerntemperatur besonders präzise ermittelt werden.
Weiter bevorzugt umfassen die Erwärmungsdaten ferner eine Hysteresekurve, welche einen Verlauf der maximalen Modell-Temperaturhysterese in Abhängigkeit der Modell-Temperaturdifferenzen definiert. Das heißt, für jeden vorbekannten Erwärmungsvorgang über jede der mehreren unterschiedlichen Modell-Temperaturdifferenzen wird die jeweilige maximale Modell- Temperaturhysterese ermittelt. Aus diesen wird anschließend die Hysteresekurve bestimmt, welche ein Verhältnis der maximalen Modell-Temperaturhysterese zur jeweiligen Modell-Temperaturdifferenz bildet. Vorzugsweise wird die Hysteresekurve durch Interpolation der ermittelten Werte erhalten.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner die Schritte:
- Abschätzen einer aktuellen Gesamt-Temperaturdifferenz der Batterie basierend auf der ermittelten Steigung, und
- Ermitteln einer aktuellen Temperaturhysterese basierend auf der Hysteresekurve und der aktuellen Gesamt-Temperaturdifferenz. Das Ermitteln der Kerntemperatur umfasst dabei den Schritt: Abschätzen der aktuellen Mindest-Kerntemperatur durch Subtraktion der ermittelten aktuellen Temperaturhysterese von der ermittelten Sensortemperatur. Das heißt, zunächst wird basierend auf der ermittelten Steigung abgeschätzt, welche Gesamt- Erwärmung die Batterie gerade erfährt. Insbesondere kann dies dadurch abgeschätzt werden, dass die Steigung größer ist, je höher die aktuell vorliegende Gesamt-Temperaturdifferenz der Batterie aufgrund einer schnelleren Erwärmung der Batterie. Vorzugsweise wird die Steigung hierbei für einen vordefinierten Zeitraum, beispielsweise von 5 s, überwacht. Dadurch kann eine besonders einfache Ermittlung der Kerntemperatur durchgeführt werden, welche beispielsweise eine geringe Rechenkapazität erfordert. Durch die relativ genaue Abschätzung der aktuellen Temperaturhysterese basierend auf der Steigung kann relativ genau die maximal zu erwartende Temperaturhysterese zwischen erstem Punkt und zweitem Punkt abgeschätzt werden.
Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ermitteln, ob die ermittelte Kerntemperatur größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Temperatur ist. Vorzugsweise beträgt die vordefinierte Mindest-Temperatur 0 °C. Damit kann das Verfahren besonders vorteilhaft bei einem Ladeverfahren der Batterie eingesetzt werden, um beispielsweise erkennen zu können, ob jeder Bereich der Batterie mindestens eine Temperatur gleich der vordefinierten Mindest-Temperatur aufweist.
Vorzugsweise wird das Verfahren bei einer, bevorzugt sprunghaften, Erhöhung einer Umgebungstemperatur durchgeführt. Besonders bevorzugt erfolgt dabei keine aktive Erwärmung der Batterie, beispielsweise durch Eigenerwärmung, welche z.B. durch einen Ladevorgang oder eine Stromentnahme auftritt. Mit anderen Worten erfolgt eine passive Erwärmung der Batterie durch den, insbesondere sprunghaften, Anstieg der Umgebungstemperatur.
Weiter bevorzugt entspricht der zweite Punkt einem kältesten Punkt während der Erwärmung der Batterie. Besonders bevorzugt entspricht der zweite Punkt einem Schwerpunkt der Batterie.
Vorzugsweise wird der Schritt des Ermittelns der Kerntemperatur basierend auf der Steigung und den vorbekannten Erwärmungsdaten nur durchgeführt, wenn die ermittelte Steigung größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Steigung ist. Für den Fall, dass die ermittelte Steigung kleiner als die vordefinierte Mindest-Steigung ist, wird die Kerntemperatur als gleich der Sensortemperatur bestimmt. Mit anderen Worten erfolgt anhand der ermittelten Steigung eine Erkennung, ob sich die Sensortemperatur statisch oder dynamisch verhält, wobei der dynamische Fall dann vorliegt, wenn die Steigung größer oder gleich der Mindest-Steigung ist. In dem statischen Fall kann dabei angenommen werden, dass die Batterie im Wesentlichen überall dieselbe Temperatur aufweist. Vorzugsweise beträgt die vordefinierte Mindeststeigung maximal 0,1 °C pro Minute, bevorzugt maximal 0,05°C pro Minute, besonders bevorzugt maximal 0,01 °C pro Minute.
Weiterhin führt die Erfindung zu einem Verfahren zum Laden einer Batterie, umfassend die Schritte:
- Überwachen einer Temperatur der Batterie mittels des oben beschriebenen Verfahrens, und
- Betätigen, vorzugsweise Starten und/oder Unterbrechen, eines Ladevorgangs der Batterie in Abhängigkeit der ermittelten Kerntemperatur. Als Ladevorgang wird dabei ein Versorgen der Batterie mit elektrischer Energie angesehen, sodass sich ein Ladezustand der Batterie erhöht. Die Temperaturüberwachung wirkt sich dabei besonders vorteilhaft aus, um den Ladevorgang optimal auf die Mindest-Temperatur innerhalb der Batterie angepasst durchzuführen.
Bevorzugt umfasst das Verfahren zum Laden der Batterie ferner den Schritt: Starten des Ladevorgangs, wenn die ermittelte Kerntemperatur größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Temperatur, welche vorzugsweise 0 °C beträgt, ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Ladevorgang erst gestartet wird, wenn die Kerntemperatur, welche bevorzugt die minimale Temperatur der Batterie ist, mindestens gleich der vordefinierten Mindest- Temperatur ist. Dadurch kann vermieden werden, dass durch ein Laden bei zu niedriger Temperatur eine Beschädigung der Batterie erfolgt.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zum Laden der Batterie ferner den Schritt: Regeln eines Ladestroms und/oder einer Ladespannung basierend auf der ermittelten Kerntemperatur. Vorzugsweise kann hierbei ein Laden mittels eines Soll-Ladestroms erfolgen, wenn die ermittelte Kerntemperatur größer oder gleich der vordefinierten Mindest-Temperatur ist. Bevorzugt kann zusätzlich ein Laden mittels eines reduzierten Ladestroms, welcher vorzugsweise 20 % einer Stromstärke des Soll-Ladestroms aufweist, erfolgen, wenn die ermittelte Kerntemperatur kleiner als die Mindest-Temperatur ist, aber größer oder gleich einer vordefinierten kritischen Temperatur ist, welche beispielsweise - 5 °C beträgt.
Weiterhin führt die Erfindung zu einem Batteriesystem, umfassend eine Batterie, einen Temperatursensor, und eine Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren zur Überwachung einer Temperatur der Batterie durchzuführen. Das Batteriesystem zeichnet sich somit durch einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, welcher ermöglichen kann, dass Mindest-Temperaturen innerhalb der Batterie abgeschätzt werden können.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Batteriesystem um ein Batteriesystem eines Elektrofahrrads, alternativ bevorzugt um ein Batteriesystem eines Handwerkzeugs oder eines Fahrzeugs.
Bevorzugt umfasst das Batteriesystem ferner eine Ladevorrichtung. Die Ladevorrichtung kann beispielsweise in die Batterie integriert sein, oder alternativ extern von der Batterie bereitgestellt sein. Die Steuervorrichtung des Batteriesystems ist dabei ferner eingerichtet, das beschriebene Verfahren zum Laden der Batterie durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
Figur 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Batteriesystems, bei welchem eine Temperatur mittels eines Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird, Figur 2 eine vereinfachte schematische Ansicht von Erwärmungsdaten, welche bei der Durchführung des Verfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden,
Figur 3 eine vereinfachte schematische Ansicht von weiteren Details der Erwärmungsdaten,
Figur 4 eine vereinfachte schematische Ansicht von weiteren Details der Erwärmungsdaten,
Figur 5 eine vereinfachte schematische Ansicht eines alternativen Batteriesystems, bei welchem das Verfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird,
Figur 6 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Ladeverfahrens, welches auf dem Verfahren zur Überwachung der Temperatur gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel basiert,
Figur 7 eine weitere vereinfachte schematische Ansicht des Ladeverfahrens,
Figur 8 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Durchführung des Ladeverfahrens, und
Figur 9 eine weitere vereinfachte schematische Ansicht eines Details einer alternativen Ausgestaltung des Ladeverfahrens.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird mit Bezug auf die Figuren 1 bis 9 ein Verfahren zur
Überwachung einer Temperatur einer Batterie 10 gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das Verfahren findet
Anwendung bei einem Batteriesystem 20, welches zumindest eine Batterie 10 umfasst. Figur 1 zeigt ein Batteriesystem 20 in einer einfachen Ausführungsform mit genau einer Batterie 10. Die Batterie 10 umfasst eine Batteriezelle 4, welche innerhalb eines Batteriegehäuses 3 aufgenommen ist. Die Batteriezelle 4 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, wobei die Figur 1 einen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Batteriezelle 4 zeigt.
Die Batterie 10 umfasst einen Temperatursensor 11, weicher zwischen Batteriezelle 4 und Batteriegehäuse 3 angeordnet ist. Mit dem Temperatursensor 11 kann eine Temperatur an einem ersten Punkt 1 zwischen Batteriezelle 4 und Batteriegehäuse 3 erfasst werden.
Wenn sich eine Umgebungstemperatur 27 einer Umgebung 7 der Batterie 10 schlagartig ändert, so liegen in der Batterie 10 zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Temperaturen an unterschiedlichen Orten vor, während sich die Temperatur der Batterie 10 an die Umgebungstemperatur 27 anpasst. Dies ist in der Figur 2 dargestellt.
Figur 2 zeigt dabei Erwärmungsdaten 50, welche auf einem Modellversuch mit einer zur Batterie 10 der Figur 1 baugleichen Vergleichsbatterie passieren. Figur 2 zeigt ein Diagramm mit einer Temperatur 52 über einer Zeit 51. Dargestellt sind dabei mehrere Erwärmungskurven 21, 22, 26 welche während einer durch einen Temperatursprung der Umgebungstemperatur 27 verursachten Erwärmung der Vergleichsbatterie vorliegen. Die erste Erwärmungskurve 21 beschreibt dabei einen Temperaturverlauf im ersten Punkt 1, die zweite Erwärmungskurve 22 einen Temperaturverlauf in einem zweiten Punkt 2, welcher einem Punkt im Zentrum der Batteriezelle 4 entspricht (vgl. Figur 1), und die Erwärmungskurve 26 einen Temperaturverlauf an einer Gehäuseaußenseite 6 (vgl. Figur 1).
Zu einem Zeitpunkt 55 befindet sich die Batterie 10 in einem statischen Zustand, und weist überall eine konstante, der Umgebungstemperatur entsprechende, Temperatur 65 auf.
Zu einem Zeitpunkt 56 wird die Batterie 10 in eine um die Temperaturdifferenz 53 wärmere Umgebung 7 gestellt. Das heißt, aus Sicht der Batterie 10 erwärmt sich die Umgebung 7 zum Zeitpunkt 56 schlagartig um die Temperaturdifferenz 53 von einer niedrigen Temperatur 65, beispielsweise minus 20 °C, auf eine höhere Temperatur 66, beispielsweise plus 20 °C. Aufgrund von unterschiedlichen Wärmeübergängen zur Umgebung 7 folgt die Temperatur an den unterschiedlichen Punkten 1, 2, 6 in der Batterie 10 unterschiedlich schnell dem Temperatursprung und erreicht erst zu einem späteren Zeitpunkt 58 wieder einen statischen Zustand, nämlich auf der Temperatur 66.
Insbesondere wenn die Batterie 10 in Abhängigkeit dessen aktueller Temperatur geladen werden soll (wie später beschrieben) ist es vorteilhaft, die Temperatur am kältesten Punkt der Batterie 10 zu überwachen. Dies ist der zweite Punkt 2 im Zellmittelpunkt, an welchem eine im Folgenden als Kerntemperatur 22a bezeichnete Temperatur vorliegt.
Die Kerntemperatur 22a wird dabei mittels des Verfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt.
Hierbei erfolgt ein Ermitteln einer Steigung 5 des zeitlichen Temperaturverlaufs 21 der Sensortemperatur (zur besseren Nachvollziehbarkeit ebenfalls in den Erwärmungsdaten 50 in Figur 2 gekennzeichnet). Basierend auf der der aktuellen Sensortemperatur 21a, der Steigung 5 und der ersten Erwärmungskurve 21 im ersten Punkt 1 und der zweiten Erwärmungskurve 22 im zweiten Punkt 2 kann dabei in einer ersten Variante des Verfahrens direkt auf die Kerntemperatur 22a geschlossen werden.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird die Kerntemperatur 22a dadurch ermittelt, dass eine maximale Modell-Temperaturhysterese 54 von der Sensortemperatur 22a subtrahiert wird. Die maximale Modell- Temperaturhysterese 54 ist ein Maximalwert einer Differenz zwischen der ersten Erwärmungskurve 21 und der zweiten Erwärmungskurve 22.
Diese Differenz 67 ist in dem Diagramm 60 in Figur 3 über der Zeit 68 beispielhaft für die Vergleichsbatterie dargestellt. Die Y-Achse des Diagramms 60 gibt dabei den Wert für die Temperatur-Differenz an. Wie in Figur 3 zu erkennen, liegt dabei zu einem bestimmten Zeitpunkt 57 ein Maximalwert vor, welcher der maximalen Modell-Temperaturhysterese 54 entspricht. Durch Subtraktion dieser maximalen Modell-Temperaturhysterese 54 von der Sensortemperatur 21a kann zumindest bei einem vergleichbaren Temperatursprung zu den aktuell verwendeten Erwärmungsdaten 50 ein Mindestwert für die Kerntemperatur 22a relativ genau abgeschätzt werden.
In einer dritten Variante des Verfahrens werden Erwärmungsdaten 50 verwendet, welche zusätzlich die in Figur 4 dargestellten Daten 70 umfassen. Diese Daten 70 umfassen erste und zweite Erwärmungskurven 21, 22 (vgl. Figur 2) für insgesamt vier unterschiedliche Modell-Temperaturdifferenzen 53 der Umgebung 7. Für jede dieser vier Datensätze wird die maximale Modell- Temperaturhysterese 54 analog der Figur 3 ermittelt und in dem Diagramm 70 der Figur 4 über der entsprechenden Modell-Temperaturdifferenz 53 aufgetragen. Über der Achse 71 sind dabei die Modell-Temperaturdifferenzen und über der Achse 72 die entsprechenden Modell-Temperaturhysteresen aufgetragen. Die entsprechenden vier einzelnen Punkte können interpoliert werden, wie mit der gepunkteten Linie 75a angedeutet. Diese Interpolation ergibt eine Hysteresekurve 73a.
Bei der dritten Variante des Verfahrens kann basierend auf der ermittelten Steigung 5 abgeschätzt werden, welche Gesamt-Temperaturdifferenz 53a aktuell bei der Erwärmung der Batterie 10 vorliegt. Mittels der Hysteresekurve 73a kann dabei basierend auf der abgeschätzten Gesamt-Temperaturdifferenz 53a eine aktuelle Temperaturhysterese 54a abgeschätzt werden. Anschließend kann diese ermittelte aktuelle Temperaturhysterese 54a von der aktuellen Sensortemperatur 21a subtrahiert werden, um die Kerntemperatur 22a zu bestimmen.
Bei der dritten Variante des Verfahrens kann die Kerntemperatur 22a genauer bestimmt werden, da zusätzlich das Niveau des gesamten Temperatursprungs mitberücksichtigt wird.
Figur 5 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines alternativen Batteriesystems 20. Dieses alternative Betriebssystem 20 der Figur 5 umfasst eine Batterie 10 mit insgesamt sieben Batteriezellen 4, welche innerhalb eines im wesentlichen hexagonalen Batteriegehäuses 3 angeordnet sind. Figur 5 zeigt dabei einen Querschnitt der Batterie 10. Beispielsweise können entlang einer Axialrichtung der Batterie 10, welche senkrecht zur Zeichenebene ist, jeweils mehrere Batteriezellen 4 gestapelt sein.
Das Batteriesystem 20 umfasst zudem eine Steuervorrichtung 15, welche an einer Innenseite des Batteriegehäuses 3 angeordnet ist. Der Temperatursensor 11 ist dabei in die Steuervorrichtung 15 integriert.
Die Steuervorrichtung 15 ist dabei eingerichtet, das Verfahren zu Überwachung der Temperatur durchzuführen. Dabei wird die Sensortemperatur 21a im ersten Punkt 1, welcher in der Steuervorrichtung 15 liegt, gemessen. Basierend auf der Sensortemperatur 21a und den vorbekannten Erwärmungsdaten 50 wird die Kerntemperatur 22a im zweiten Punkt 2, welcher im Mittelpunkt der Batterie 10, das heißt, im Mittelpunkt der mittleren Batteriezelle 4 liegt, ermittelt.
Das Batteriesystem der Figur 5 umfasst weiterhin eine Ladevorrichtung 16, welche eingerichtet ist, die Batterie 10 zu laden. Die Ladevorrichtung 16 umfasst eine Verbindungsvorrichtung 16a, welche eingerichtet ist zur Verbindung mit einer Energiequelle für elektrische Energie, und eine Leitung 16b, welche mit der Steuervorrichtung 15 verbindbar ist. Beispielsweise kann die Verbindungvorrichtung 16a ausgebildet sein, zur Verbindung mit einem Stromnetz.
Die Steuervorrichtung 15 der Batterie 10 ist dabei eingerichtet, einen Ladevorgang der Batterie 10 in Abhängigkeit der ermittelten Kerntemperatur 22a zu starten oder zu unterbrechen.
Im einfachsten Fall erfolgt das Starten des Ladevorgangs nur, wenn die gemäß der oben beschrieben Varianten des Verfahren zu Überwachung der Temperatur ermittelte Kerntemperatur 22a größer oder gleich einer vordefinierten Mindest- Temperatur von vorzugsweise 0 °C ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei dem Ladeverfahren ein Regeln eines Ladestroms und/oder einer Ladespannung während des Ladevorgangs erfolgt. Dies wird nachfolgend in Bezug auf die Figuren 6 bis 9 näher beschrieben. Die Figuren 6 und 7 zeigen dabei vereinfachte schematische Ansichten eines Ladeverfahrens, bei welchem das Verfahren zur Überwachung der Temperatur der Batterie 10 eingesetzt wird.
Figur 6 zeigt dabei ein Diagramm 80, in welchem eine Ladespannung 82 in Abhängigkeit einer Temperatur 81 dargestellt ist. Als Temperatur 81 wird dabei die ermittelte Kerntemperatur 22a betrachtet.
Analog zeigt Figur 7 ein Diagramm 90, in welchem ein Ladestrom 92 in Abhängigkeit einer Temperatur 91 dargestellt ist, wobei als Temperatur 91 ebenfalls die ermittelte Kerntemperatur 22a betrachtet wird.
In den Figuren 6 und 7 sind jeweils drei unterschiedliche Ladezustände A, B, C dargestellt, welche sich jeweils über einen vordefinierten Temperaturbereich erstrecken. Der Bereich C stellt jeweils einen Ladevorgang mit maximal möglichem Ladestrom und maximal möglicher Ladespannung dar. Dieser Ladevorgang des Bereichs C wird durchgeführt, wenn die ermittelte Kerntemperatur 22a ausreichend hoch ist, beispielsweise größer als 5 °C. Liegt die Kerntemperatur 22a darunter, kann ein Laden mit verringerter Ladespannung und verringertem Ladestrom erfolgen, wie in den Bereichen A und B.
Der Bereich A beginnt vorzugsweise bei einer Mindest-Temperatur von minus 5 °C und reicht bis 0 °C. Im Bereich A kann ein Laden mit einem sehr niedrigen Ladestrom 92 (vgl. Figur 7) erfolgen. In einem Temperaturbereich mit höheren Temperaturen, vorzugsweise von 0 °C bis 5 °C, liegt der Bereich B, in welchem ein Laden mit einer Ladespannung von etwa 90 % der Maximal-Ladespannung und mit etwa 70 % des Maximal-Ladestroms erfolgt.
Durch das spezielle Regeln von Ladestrom und Ladespannung in Abhängigkeit der ermittelten Kerntemperatur 22a kann ein besonders effizientes und zugleich schonendes Laden der Batterie 10 erfolgen.
Weitere Details des Ladeverfahrens sind in den Figuren 8 und 9 vereinfacht schematisch dargestellt. Figur 8 zeigt dabei einen Ablauf einer Durchführung des Ladeverfahrens 100. In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Vergleich der ermittelten Steigung 15 der Sensortemperatur 21a mit einer vordefinierten Mindest-Steigung, um zu erkennen, ob ein statischer oder ein dynamischer Fall vorliegt.
Bevorzugt kann vor dem ersten Schritt 101 auch ein (nicht dargestellter) einfacher Temperaturvergleich erfolgen, basierend auf welchem das Laden gestartet werden kann, wenn die aktuelle Sensortemperatur größer als eine Summe aus der maximal zu erwartenden Modell-Temperaturhysterese und einem vordefinierten Temperaturgrenzwert, beispielsweise von 0°C. Wenn die aktuelle Sensortemperatur größer als diese Summe ist, kann beispielsweise angenommen werden, dass jeder Bereich der Batterie eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, sodass dass Laden begonnen werden kann.
Der statische Fall in Figur 8 wird erkannt, wenn die ermittelte Steigung 15 kleiner als die Mindest-Steigung ist, gekennzeichnet durch den Pfeil 101b. In diesem Fall kann angenommen werden, dass kein signifikanter Temperaturunterschied zwischen erstem Punkt 1 und zweiten Punkt 2 vorliegt. Dabei wird als nächstes in dem Schritt 102 die ermittelte Sensortemperatur 21a mit der vordefinierten Mindest-Temperatur 62, beispielsweise von 0 °C, verglichen. Wenn die Sensortemperatur 21a kleiner ist als die Mindest-Temperatur 62, erfolgt kein Laden der Batterie 10 bzw. das Laden wird verhindert (Schritt 104). Andernfalls, wenn die Sensortemperatur 21a größer oder gleich der Mindest-Temperatur 62 ist, wird das Laden gestattet (Schritt 103).
Der dynamische Fall wird erkannt, wenn die ermittelte Steigung größer oder gleich der Mindest-Steigung ist, gekennzeichnet durch den Pfeil 101a. Im nachfolgenden Schritt 105 wird dann die oben beschriebene Ermittlung der Kerntemperatur 22a durchgeführt. Die weiteren nachfolgenden Schritte 102' und 104 bzw. 103 sind dabei analog den Schritten 102, 104 und 103 des statischen Falles, wobei im Schritt 102' im Gegensatz zum statischen Fall die ermittelte Kerntemperatur 22a anstatt der Sensortemperatur 21a betrachtet wird.
Der Schritt 103 des Ladens kann jeweils eine weitere Unterscheidung der Temperatur gemäß den in Zusammenhang mit Figur 6 und 7 beschriebenen Bereichen B und C umfassen (nicht dargestellt). Figur 9 zeigt weiterhin eine mögliche Erweiterung des Ladeverfahrens 100 der Figur 8, bei welchem auch ein Laden unterhalb der Mindest-Temperatur 62 ermöglicht werden kann. Dies entspricht dem Bereich A der Figuren 6 und 7. Im Detail umfasst hierbei der Schritt 104 des dynamischen Falles (vgl. Figur 8) zusätzlich einen weiteren Temperaturvergleich 106, in welchem die
Sensortemperatur 21a (im statischen Fall) bzw. die ermittelte Kerntemperatur 22a (im dynamischen Fall) mit einer vordefinierten Grenztemperatur unterhalb der Mindest-Temperatur verglichen wird. Wenn die Sensortemperatur 21a bzw. Kerntemperatur 22a kleiner ist als die Grenztemperatur, wird im Schritt 104' das Laden verhindert. Bei höherer Temperatur erfolgt im Schritt 107 das Laden mit verringertem Ladestrom und verringerter Ladespannung entsprechend dem Bereich A der Figuren 6 und 7.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer Temperatur einer Batterie (10), umfassend die Schritte:
- Erfassen einer Sensortemperatur (21a) mittels eines Temperatursensors (11) in einem ersten Punkt (1) der Batterie (10),
- Ermitteln einer Steigung (5) eines zeitlichen Temperaturverlaufs (21) der Sensortemperatur, und
- Ermitteln einer Kerntemperatur (22a) in einem zweiten Punkt (2) innerhalb der Batterie (10) basierend auf der Steigung (5) und vorbekannten Erwärmungsdaten (50) der Batterie (10), wobei die Erwärmungsdaten (50) gespeicherte Informationen sind, welche auf einem Modellversuch mit einer Vergleichsbatterie basieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erwärmungsdaten (50) für eine vordefinierte Modell-Temperaturdifferenz (53) einer Umgebung (7) der Batterie (10) eine erste Erwärmungskurve (21) im ersten Punkt (1) und eine zweite Erwärmungskurve (22) im zweiten Punkt (2) umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
- wobei die Erwärmungsdaten (50) ferner umfassen: eine maximale Modell- Temperaturhysterese (54) zwischen der ersten Erwärmungskurve (21) und der zweiten Erwärmungskurve (22), und
- wobei das Ermitteln der Kerntemperatur (22a) umfasst:
- Abschätzen einer aktuellen Mindest-Kerntemperatur (22a) durch Subtraktion der maximalen Modell-Temperaturhysterese (54) von der Sensortemperatur (21a).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Erwärmungsdaten (50) jeweils erste und zweite Erwärmungskurven (21, 22) für mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, insbesondere maximal zehn, unterschiedliche Modell-Temperaturdifferenzen (53) der Umgebung (7) umfassen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
- wobei die Erwärmungsdaten (50) ferner umfassen: eine Hysteresekurve (73a), welche einen Verlauf der maximalen Modell-Temperaturhysterese (54) in Abhängigkeit der Modell-Temperaturdifferenzen (53) definiert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst:
- Abschätzen einer aktuellen Gesamt-Temperaturdifferenz (53a) der Batterie (10) basierend auf der ermittelten Steigung (5), und
- Ermitteln einer aktuellen Temperaturhysterese (54a) basierend auf der Hysteresekurve (73a) und der aktuellen Gesamt-Temperaturdifferenz (53a), und wobei das Ermitteln der Kerntemperatur (22a) umfasst:
- Abschätzen der aktuellen Mindest-Kerntemperatur (22a) durch Subtraktion der ermittelten aktuellen Temperaturhysterese (54a) von der Sensortemperatur (21a)
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt:
- Ermitteln, ob die Kerntemperatur (22a) größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Temperatur (62), insbesondere von 0 °C, ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren bei einer Erhöhung einer Umgebungstemperatur (27) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Punkt (2) einem kältesten Punkt während einer Erwärmung der Batterie (10) entspricht, insbesondere wobei der zweite Punkt (2) einem Schwerpunkt der Batterie (10) entspricht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei das Ermitteln der Kerntemperatur (22a) basierend auf der Steigung (5) und den vorbekannten Erwärmungsdaten (50) nur durchgeführt wird, wenn die ermittelte Steigung (5) größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Steigung ist, und
- wobei die Kerntemperatur (22a) als gleich der Sensortemperatur (21a) bestimmt wird, wenn die Steigung (5) kleiner als die vordefinierte Mindest-Steigung ist.
11. Verfahren zum Laden einer Batterie (10), umfassend die Schritte:
- Überwachen einer Temperatur der Batterie (10) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und
- Betätigen, insbesondere Starten und/oder Unterbrechen, eines Ladevorgangs der Batterie (10) in Abhängigkeit der ermittelten Kerntemperatur (22a).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , umfassend den Schritt:
- Starten des Ladevorgangs, wenn die ermittelte Kerntemperatur (22a) größer oder gleich einer vordefinierten Mindest-Temperatur (62), insbesondere von 0 °C, ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend den Schritt:
- Regeln eines Ladestroms und/oder einer Ladespannung basierend auf der ermittelten Kerntemperatur (22 a).
14. Batteriesystem, umfassend:
- eine Batterie (10),
- einen Temperatursensor (11), und
- eine Steuervorrichtung (15), welche eingerichtet ist, ein Verfahren zur Überwachung einer Temperatur der Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
15. Batteriesystem nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Ladevorrichtung (16), wobei die Steuervorrichtung (15) ferner eingerichtet ist, ein Verfahren zum Laden der Batterie (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 durchzuführen.
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