WO2012167811A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb elektrochemischer batterien - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a plurality of electrically interconnected electrochemical batteries, wherein operating temperatures of the batteries are detected and adjusted by means of a tempering.
  • the invention further relates to a device for operating a plurality of electrically interconnected electrochemical batteries, comprising at least one
  • Temperature detection unit for detecting operating temperatures of the batteries and a tempering arrangement for temperature control of the batteries.
  • the invention is based on the object, a comparison with the state improved method and an improved device for operating a plurality of electrically
  • Temperieranaku set. According to the invention, internal electrical resistances of the batteries are detected and the respective operating temperature of the batteries is set such that the internal resistances of the batteries are the same.
  • Fig. 1 shows schematically a profile of an internal electrical resistance of a battery as a function of an operating temperature of the battery
  • Fig. 2 shows an electrical load circuit with several electrically connected in parallel
  • Batteries as an electrical energy source and a device for operating the batteries are provided in all figures with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a profile of an internal electrical resistance R_i_1 of a battery B1 shown in more detail in FIG. 1 as a function of an operating temperature T1 of FIG. 1
  • Figure 2 shows an electrical load circuit with a plurality of electrically connected in parallel batteries B1 to Bn as an electrical energy source for an electrical load R load . Furthermore, a device 1 for operating the batteries B1 to Bn is shown.
  • the batteries B1 to Bn are each high-voltage batteries of the same type for use as energy storage for electrical energy in a vehicle, not shown.
  • the vehicle is in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle, wherein an electric drive motor of the vehicle, which represents the electrical load R Las t, can be operated by means of the electrical energy stored in the batteries B1 to Bn.
  • the batteries B1 to Bn are each characterized by an individual and
  • design-related internal resistance R_i_1 to R_i_n whose course as a function of an operating temperature T1 to Tn of the respective battery B1 to Bn generally corresponds to the course shown in Figure 1.
  • Batteries B1 to Bn same. In the unloaded state of the batteries B1 to Bn equalizing currents form between the batteries B1 to Bn, wherein the
  • a total load current I Las t results from the sum of the load currents I1 to I in the batteries B1 to Bn according to:
  • the operating temperatures T1 to Tn are each by means of a
  • the tempering 4 is in each case of a thermally with one of Batteries B1 to Bn coupled heat conducting 4.1 to 4.n formed, which by a first temperature control medium K and a second temperature control medium W is flowed through.
  • the first temperature control medium K is a cooling medium, which is guided in a cooling circuit 5.
  • the second temperature control medium W is a heat medium, which in a
  • Heat cycle 6 is performed.
  • the device 1 further comprises valves V_k_1 to V_k_n, by means of which a flow rate of the first temperature control medium K is controlled or regulated by the heat conducting plates 4.1 to 4.n.
  • the device 1 For an individual increase in the operating temperatures T1 to Tn, the device 1 includes valves V_w_1 to V_w_n, by means of which a flow rate of the second
  • Temperiermediums W is controlled or regulated by the heat conducting 4.1 to 4.n.
  • Batteries B1 to Bn are the same size.
  • the setting of the operating temperatures T1 to Tn continues to be such that the operating temperatures T1 to Tn of the batteries B1 to Bn are selected in a predetermined range.
  • the range represents a defined range in which the batteries B1 to Bn each have their maximum electrical efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien (B1 bis Bn), wobei Betriebstemperaturen (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) erfasst werden und mittels einer Temperieranordnung (4) eingestellt werden. Erfindungsgemäß werden elektrische Innenwiderstände (R_ i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) erfasst und die jeweilige Betriebstemperatur (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) wird derart eingestellt, dass die Innenwiderstände (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) gleich sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (1) zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien (B1 bis Bn), umfassend zumindest eine Temperaturerfassungseinheit (2.1 bis 2.n) zur Erfassung von Betriebstemperaturen (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) und eine Temperieranordnung (4) zur Temperierung der Batterien (B1 bis Bn). Erfindungsgemäß ist zumindest eine Erfassungseinheit (3.1 bis 3.n) zur Erfassung von elektrischen Innenwiderständen (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) vorgesehen, wobei die Erfassungseinheit (3.1 bis 3.n) mit der Temperieranordnung (4) gekoppelt ist und die jeweilige Betriebstemperatur (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) mittels der Temperieranordnung (4) derart einstellbar ist, dass die Innenwiderstände (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) gleich sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb elektrochemischer Batterien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien, wobei Betriebstemperaturen der Batterien erfasst werden und mittels einer Temperieranordnung eingestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien, umfassend zumindest eine
Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung von Betriebstemperaturen der Batterien und eine Temperieranordnung zur Temperierung der Batterien.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge bekannt, welche eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb aufweisen. Zur Speicherung elektrischer Energie und zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit dieser sind elektrochemische Hochvolt-Batterien vorgesehen, welche aus mehreren elektrisch parallel und/oder in Reihe verschalteten Einzelzellen gebildet sind. Die Batterien sind dabei baugleich ausgebildet. Die Batterien erreichen ihre elektrische Maximalleistung in einem definierten Bereich einer Betriebstemperatur. Bei einer Überschreitung des Bereichs der Betriebstemperatur verstärken sich der Alterungsprozesse der Einzelzellen exponentiell. Bei einer Unterschreitung des Bereichs der Betriebstemperatur verringert sich mit abnehmender Temperatur eine Energieabgabe der Einzelzellen bis zu einem Punkt, in welchem keine Energie mehr abgegeben wird. Aus diesem Grund sind aus dem Stand verschiedene Maßnahmen für eine aktive Kühlung, eine Beheizung und
Maßnahmen zur thermischen Isolierung bekannt, um die Betriebstemperatur der
Batterien einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Betrieb mehrerer elektrisch
verschalteter elektrochemischer Batterien anzugeben. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 3 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien werden Betriebstemperaturen der Batterien erfasst und mittels einer
Temperieranordnung eingestellt. Erfindungsgemäß werden elektrische Innenwiderstände der Batterien erfasst und die jeweilige Betriebstemperatur der Batterien wird derart eingestellt, dass die Innenwiderstände der Batterien gleich sind.
Daraus ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise, dass bei Belastung der Batterien mit einer elektrischen Last alle, insbesondere parallel verschalteten Batterien den gleichen Laststrom aufweisen und somit gleich stark belastet werden. Weiterhin steht bei einer Verwendung der Batterien zur Versorgung einer als elektrische Antriebseinheit eines Fahrzeugs ausgebildeten elektrischen Last stets eine größtmögliche Fahrleistung zur Verfügung, da die Antriebsleistung nicht aufgrund einer Mehrbelastung oder Überlastung einer einzelnen Batterie reduziert wird. Auch ergibt sich aus der gleich starken Belastung der Batterien und der damit einhergehenden gleichmäßigen Verteilung des elektrischen Gesamtstromes auf alle Batterien eine Erhöhung der Lebensdauer der Batterien, da keine der Batterien dauerhaft stärker elektrisch belastet wird, als eine der anderen Batterien.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch einen Verlauf eines elektrischen Innenwiderstandes einer Batterie in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur der Batterie und
Fig. 2 einen elektrischen Lastkreis mit mehreren elektrisch parallel verschalteten
Batterien als elektrische Energiequelle sowie eine Vorrichtung zum Betrieb der Batterien. Einander entsprechende Figuren sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Verlauf eines elektrischen Innenwiderstandes R_i_1 einer in Figur 1 näher dargestellten Batterie B1 in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur T1 der
Batterie B1 dargestellt. Mit steigender Betriebstemperatur T1 der Batterie B1 sinkt deren Innenwiderstand R_i_1 , wobei der Verlauf nicht linear ist.
Figur 2 zeigt einen elektrischen Lastkreis mit mehreren elektrisch parallel verschalteten Batterien B1 bis Bn als elektrische Energiequelle für eine elektrische Last RLast. Weiterhin ist eine Vorrichtung 1 zum Betrieb der Batterien B1 bis Bn gezeigt.
Bei den Batterien B1 bis Bn handelt es sich jeweils um Hochvolt-Batterien gleichen Typs zur Verwendung als Energiespeicher für elektrische Energie in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei mittels der in den Batterien B1 bis Bn gespeicherten elektrischen Energie ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs, welcher die elektrische Last RLast darstellt, betreibbar ist.
Die Batterien B1 bis Bn zeichnen sich jeweils durch einen individuellen und
bauartbedingten Innenwiderstand R_i_1 bis R_i_n aus, dessen Verlauf in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur T1 bis Tn der jeweiligen Batterie B1 bis Bn im Allgemeinen dem in Figur 1 dargestellten Verlauf entspricht.
In Abhängigkeit des jeweiligen Innenwiderstandes R_i_1 bis R_i_n stellen sich bei Anlegen einer elektrischen Last an die parallel verschalteten Batterien B1 bis Bn unterschiedliche Lastströme 11 bis In ein.
Dabei ist die elektrische Spannung U aufgrund der Parallelschaltung für alle
Batterien B1 bis Bn gleich. Im unbelasteten Zustand der Batterien B1 bis Bn bilden sich Ausgleichsströme zwischen den Batterien B1 bis Bn aus, wobei deren
Innenwiderstand R_i_1 bis R_i_n dann keine Rolle mehr spielt, wenn keine
Ausgleichsströme mehr fließen.
Die jeweiligen Lastströme 11 bis In ergeben sich, wie am Beispiel des Laststromes 11 der Batterie B1 im Folgenden dargestellt: (R i l + R, . ) [1]
Ein Gesamtlaststrom lLast ergibt sich aus der Summe der Lastströme 11 bis In der Batterien B1 bis Bn gemäß:
I\ + I2 + ... + In
Unter Berücksichtigung der Gleichung ergibt sich für den Gesamtlaststrom lLast
U u
^ Last ~ ' ■ + - + ... + - u
(R _;_i + ^,) AR - 2 + RLO,, ) (R - " + RU, und
Figure imgf000006_0001
Insbesondere aufgrund der bauartbedingten Individualität der
Innenwiderstände RJ_1 bis R_i_n und abweichenden Temperaturen der
Batterien B1 bis Bn in deren Umgebung innerhalb des Fahrzeugs weisen die
Innenwiderstände R_i_1 bis R_i_n der Batterien B1 bis Bn unterschiedliche Größen auf, so dass es bei der elektrischen Belastung der Batterien B1 bis Bn mit der elektrischen Last RLast zu einer ungleichmäßigen Belastung der Batterien B1 bis Bn kommen kann.
Um diese ungleichmäßige Belastung der Batterien B1 bis Bn, d. h. Differenzen zwischen den einzelnen Lastströmen 11 bis In zu vermeiden, wird die jeweilige
Betriebstemperatur T1 bis Tn der Batterien B1 bis Bn derart eingestellt, dass die
Innenwiderstände R_i_1 bis R_i_n der Batterien B1 bis Bn gleich groß sind.
Hierzu werden die Betriebstemperaturen T1 bis Tn jeweils mittels einer
Temperaturerfassungseinheit 2.1 bis 2.n erfasst. Weiterhin werden die
Innenwiderstände R_i_1 bis R_i_n mittels einer geeigneten Erfassungseinheit 3.1 bis 3.n erfasst.
Zur Einstellung der Betriebstemperaturen T1 bis Tn ist eine Temperieranordnung 4 vorgesehen. Die Temperieranordnung 4 ist jeweils aus einer thermisch mit einer der Batterien B1 bis Bn gekoppelten Wärmeleitplatte 4.1 bis 4.n gebildet, welche von einem ersten Temperiermedium K und einem zweiten Temperiermedium W durchströmbar ist.
Das erste Temperiermedium K ist ein Kühlmedium, welches in einem Kühlkreislauf 5 geführt wird.
Das zweite Temperiermedium W ist ein Wärmemedium, welches in einem
Wärmekreislauf 6 geführt wird.
Zum individuellen Senken der Betriebstemperaturen T1 bis Tn umfasst die Vorrichtung 1 des Weiteren Ventile V_k_1 bis V_k_n, mittels welchen eine Durchflussmenge des ersten Temperiermediums K durch die Wärmeleitplatten 4.1 bis 4.n gesteuert oder geregelt wird.
Zur individuellen Erhöhung der Betriebstemperaturen T1 bis Tn umfasst die Vorrichtung 1 Ventile V_w_1 bis V_w_n, mittels welchen eine Durchflussmenge des zweiten
Temperiermediums W durch die Wärmeleitplatten 4.1 bis 4.n gesteuert oder geregelt wird.
Somit ist die Einstellung der Betriebstemperatur T1 bis Tn in der Art möglich, dass die Innenwiderstände R_i_1 bis R_i_n und somit die Lastströme 11 bis In aller
Batterien B1 bis Bn gleich groß sind.
Die Einstellung der Betriebstemperaturen T1 bis Tn erfolgt dabei weiterhin derart, dass die Betriebstemperaturen T1 bis Tn der Batterien B1 bis Bn in einem vorgegebenen Bereich gewählt werden. Der Bereich stellt einen definierten Bereich dar, in welchem die Batterien B1 bis Bn jeweils ihren maximalen elektrischen Wirkungsgrad aufweisen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2.1 bis 2.n Temperaturerfassungseinheit
3.1 bis 3.n Erfassungseinheit
4 Temperieranordnung
4.1 bis 4. n Wärmeleitplatte
5 Kühlkreislauf
6 Wärmekreislauf
B1 bis Bn Batterie
Last Gesamtlaststrom
11 bis In Laststrom
K erstes Temperiermedium
T1 bis Tn Betriebstemperatur
R_i_1 bis R_i_n Innenwiderstand
R_ast elektrische Last
U Spannung
V_k_1 bis V_k_n Ventil
V_w_1 bis V_w_n Ventil
W zweites Temperiermedium

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer
Batterien (B1 bis Bn), wobei Betriebstemperaturen (T1 bis Tn) der
Batterien (B1 bis Bn) erfasst werden und mittels einer Temperieranordnung (4) eingestellt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
elektrische Innenwiderstände (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) erfasst werden und die jeweilige Betriebstemperatur (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) derart eingestellt wird, dass die Innenwiderstände (R_i_1 bis R_i_n) der
Batterien (B1 bis Bn) gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebstemperaturen (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) in einem
vorgegebenen Bereich gewählt werden.
Vorrichtung (1 ) zum Betrieb mehrerer elektrisch verschalteter elektrochemischer Batterien (B1 bis Bn), umfassend zumindest eine
Temperaturerfassungseinheit (2.1 bis
2.n) zur Erfassung von
Betriebstemperaturen (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) und eine
Temperieranordnung (4) zur Temperierung der Batterien (B1 bis Bn),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Erfassungseinheit (3.1 bis
3.n) zur Erfassung von elektrischen Innenwiderständen (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) vorgesehen ist, wobei die Erfassungseinheit (3.1 bis 3.n) mit der Temperieranordnung (4) gekoppelt ist und die jeweilige Betriebstemperatur (T1 bis Tn) der Batterien (B1 bis Bn) mittels der Temperieranordnung (4) derart einstellbar ist, dass die
Innenwiderstände (R_i_1 bis R_i_n) der Batterien (B1 bis Bn) gleich sind.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperieranordnung (4) Ventile (V_k_1 bis V_k_n, V_w_1 bis V_w_n) zur Einstellung einer Durchflussmenge eines ersten Temperiermediums (K) eines Kühlkreislaufs (5) und eines zweiten Temperiermediums (W) eines
Wärmekreislaufs (6) durch Wärmeleitplatten (4.1 bis 4.n) der Batterien (B1 bis Bn) umfasst.
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