WO2015172953A1 - Verfahren zum ermitteln der temperatur einer batterie - Google Patents

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WO2015172953A1
WO2015172953A1 PCT/EP2015/057925 EP2015057925W WO2015172953A1 WO 2015172953 A1 WO2015172953 A1 WO 2015172953A1 EP 2015057925 W EP2015057925 W EP 2015057925W WO 2015172953 A1 WO2015172953 A1 WO 2015172953A1
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battery
temperature
circuit voltage
determining
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PCT/EP2015/057925
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Alexander Reitzle
Sarmimala Hore
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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

  • the present invention relates to a method for determining the temperature of a battery.
  • the present invention relates to a method for determining the temperature with improved accuracy by accurately determining the cell temperature.
  • Electrochemical energy storage devices such as lithium-ion batteries, are widely used in many daily applications. They are used, for example, in computers such as laptops, mobile phones, smart phones, and other applications. Even with the currently strongly driven
  • the operating temperature of batteries or battery cells is often an important operating parameter. For example, temperature can have a major impact on the efficiency and longevity of the battery, as at elevated temperatures, the efficiency as well as the longevity of the batteries can be reduced. Therefore, measuring the operating temperature of batteries, such as lithium-ion batteries, is important to the operation of the batteries.
  • the document US 6,902,319 B2 describes a method for estimating an internal temperature of a vehicle battery based on a heat transfer between a heat source and the battery. From the document US 2012/0109554 A1 a method for estimating the core temperature of a cell in a battery is known. In such a method, two estimates are made, a weighting factor is applied, and then the core temperature is estimated by a function of the weighted first and second estimates.
  • the present invention is a method for determining the temperature of a battery, comprising the method steps:
  • the method described above makes it possible to determine the temperature of a battery in a particularly accurate and cost-effective manner.
  • the temperature of a battery cell or a plurality of battery cells is determined in detail.
  • the above-described method thus serves the temperature of a
  • the temperature of a battery plays a significant role in the operation of the battery. This may be due, for example, to the fact that when the battery is heated, it can undergo a so-called thermal runaway. An overheated can take place for example by an internal cell defect or by an external temperature influence.
  • such exothermic processes can further accelerate, for example, the processes taking place at the anode, the heat thus produced being able to decompose organic solvents, for example, which may be present in the electrolyte.
  • This in turn can cause flammable gases, such as, for example, ethane, methane or others
  • Hydrocarbons can be released.
  • the formation of such gases by the decomposition of the electrolyte, for example, may further cause a pressure increase inside the cell, which may cause further damage.
  • the method described above comprises
  • Battery cell This process step can be carried out in a manner known per se by a battery control system, as is generally known to the person skilled in the art.
  • the state of charge of a battery is also referred to as SOC (state of charge) and can be determined in a non-limiting way, for example, considering the battery voltage, since this often with the
  • Charge state correlates. Furthermore, for example, the flowing current can be integrated over time or a Kalman filter can be used. However, determining the state of charge of the at least one battery cell is not limited to the above-described methods. In this case, the state of charge of all battery cells can be determined, or the state of charge of each or each of the plurality of, for example, in series connected battery cells can be determined according to method step a). Using the
  • Charge state of the battery cell or the plurality of battery cells can be advantageous for the present method, for example, because of the
  • the present method further comprises determining a change in the open circuit voltage of the at least one
  • Charge states can be determined. If, for example, a discharge current is used for a certain period of time, the open circuit voltage decreasing as a result of the discharge over time, when the discharge current terminates,
  • a drift in the open circuit voltage is observed.
  • a voltage increase of the open circuit voltage can be observed.
  • a charge current of the battery or the cell for a certain period of time and thus a voltage increase over time immediately after termination of the charging current, for example by switching off the cell again a drift of the open circuit voltage can be determined, the open circuit voltage after drops off the termination of the charging current.
  • the no-load voltage can be determined in a manner known per se by terminating the flow of a current through the cell or cells in the case of a cell or a plurality of cells, for example, and thereby terminating the current
  • step c) comprises
  • Determining the temperature of at least one battery cell and thus the battery based on the state of charge and the change in the open circuit voltage is based, in particular, on the fact that the above-described drift of the no-load voltage after termination of a flowing current, irrespective of whether it is a discharge current or a charging current, depends in particular on the state of charge and the temperature of the at least one battery cell.
  • the inventive method is thus based on that in a known or constant
  • Increasing or decreasing the open-circuit voltage can thus serve as an indication of a determination of the temperature of battery cells.
  • the temperature of one or more battery cells can be determined separately, in the event that the no-load voltage of this battery cell or these battery cells was determined individually, or it can be an average temperature of a plurality of battery cells are determined if the
  • the temperature of a battery can be measured very accurately, as can be closed in particular to the temperature, which is in the interior of a battery cell
  • the temperature inside the cell can be determined directly, be particularly dynamic response as an increase in temperature inside the cell often can only be determined with a time delay in a sensor arranged on the outside of a housing.
  • the above-described method may be possible with a reduced number of temperature sensors, or temperature sensors may be completely eliminated. This can be achieved by the
  • the methods described above allow for a significant cost savings. Because on the one hand the costs for sensors can be saved. Furthermore, the present method can be carried out essentially without further expensive installations. On the contrary, the method described above can be carried out in a simple manner with readily determinable measurement data, in particular by the battery control system, so that the method can be implemented in existing systems in a simple manner and at the lowest cost.
  • reducing the number of temperature sensors has the further advantage that weight can be saved. This can be particularly advantageous in mobile applications, such as electrically powered vehicles.
  • the longevity of a battery can be further increased because the lack of additional active parts can always have a reduced service cost and also a reduced potential for damage.
  • a method described above for determining the temperature of a battery thus allows a particularly cost-effective and safe operation and also a particularly high longevity of the battery.
  • method step c) can be carried out by using a time variation of the open-circuit voltage or by using a time constant of the change in the no-load voltage or the entire profile of the change in the Open circuit voltage.
  • the change in the no-load voltage can be determined and evaluated in particular as a function of time.
  • an accurate temperature detection may already be possible because a time constant is often already dependent on the present temperature and thus can already allow an accurate measurement of the temperature.
  • T is the temperature.
  • Design can thus enable a particularly accurate detection of the temperature of the battery cell or the plurality of battery cells.
  • the method can be carried out by a battery control system.
  • a battery control system also referred to as a battery management system, is often present anyway for operating a battery.
  • the battery control system does not need expensive constructions or conversions to the present
  • method step c) can be carried out on the basis of a particular stored in the battery control system
  • the present method can be particularly easily implemented in a battery control system.
  • a battery control system In a simple manner, only data is entered into the memory of a battery control system and stored there, which parameters relate to a temperature of a drift of an open circuit voltage at defined states of charge.
  • Such a data set can be created in a simple manner, since the corresponding parameters are easily obtainable by mere experiments due to the known dependencies.
  • the battery control system can then easily determine the state of charge for the given cell or for a plurality of cells
  • the determined temperature can be verified by using a temperature sensor.
  • a temperature sensor may be present at a simple position of the battery, thereby enabling a comparison of the temperature determined via the temperature sensor and the temperature determined by the method described above. In this case, it can be determined whether a corresponding correlation of the two temperature values remains the same or changes approximately. In this way, a correct temperature measurement can be ensured even after a long working time of the battery.
  • Open circuit voltage can be determined cyclically.
  • the change in the open circuit voltage can thus be determined in order to monitor a longer-term operation of the battery. Can do this
  • the temperature of the battery can be determined correspondingly cyclically, whereby the state of charge of the battery cell or of the battery cells can be estimated or similarly determined cyclically.
  • the temperature of the battery can be done not only at a shutdown or at a standstill of the entire battery, but also, especially when a module having a plurality of battery cells, a provider is still supplied with energy.
  • this may mean, for example, that the temperature of the battery can be determined even when the vehicle is still being operated.
  • Design can thus be designed particularly safe operation of an electrically powered component.
  • Open circuit voltage can be determined during a Rekuperationsphase the battery.
  • this can be temporarily derived, for example via a resistor, and during this period the no-load voltage can be determined.
  • the temperature from the course of the open circuit voltages of the cell can be determined.
  • this type of determination of the open circuit voltage can not be carried out at every option but, for example, after certain time intervals or after the application of certain current loads, such as high charge or discharge loads over an extended period of time.
  • the battery may be a lithium-ion battery.
  • the above-described temperature measuring method can be particularly clearly and effectively possible.
  • the drift of the Leelaufschreib can be a consequence of the inhomogeneity of the
  • lithium ion battery of composite materials including nickel (Ni), cobalt (Co), magnesium (Mg) ⁇ NiCoMg ⁇ or comprising nickel (Ni), manganese (Mn), aluminum (AI) ⁇ NiMnAI ⁇ , cobalt-based oxides or manganese based oxides.
  • Ni nickel
  • Co cobalt
  • Mg magnesium
  • Mn manganese
  • AI aluminum
  • ⁇ NiMnAI ⁇ cobalt-based oxides or manganese based oxides.
  • the anode may have different ones in the case where it has carbon, for example in the form of graphite, or silicon-tin-carbon composite materials or pure silicon
  • the subject matter of the present invention is furthermore a battery system which is designed to carry out a method configured as described above. Accordingly, such a battery system comprises a
  • Battery which at least one battery cell for supplying a
  • the battery may be a lithium-ion battery.
  • the battery system or the battery initially comprises a means for determining the state of charge of at least one battery cell.
  • This can be, for example, the battery control system, which can determine the state of charge based on determined parameters, as is generally known to the person skilled in the art.
  • the battery system comprises a means for determining a change in the open circuit voltage of the at least one battery cell immediately after Terminating the flow of an electrical current through the at least one battery cell. This can be a voltmeter in a manner known per se, which can determine, for example, the voltage at both poles of the battery cell.
  • the battery system comprises a means for determining the temperature of the at least one battery cell on the basis of the state of charge and
  • This agent may in turn be the battery control system, which determines the temperature of the at least one battery cell or the battery based on the determined data and about a stored in a memory record.
  • the above-described battery system allows a particularly simple and inexpensive and particularly accurate determination of the temperature of a battery cell or the battery and the associated a particularly cost-effective and safe operation and also a particularly high longevity.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the process according to the invention.
  • FIG. 1 shows a diagram which shows the change in the
  • V- ⁇ by an amount of (Vi - V min ) results.
  • the voltage rises from the voltage Vi to the maximum voltage V max . If the cell is switched off at a time t2, the no-load voltage ⁇ Z L2 drops to a value V min .
  • the shown drift of the no-load voltage V L i, V L 2 can serve as an indication of the temperature, wherein a time constant of the change of
  • Open circuit voltage V L i, V L 2 or the entire profile of the change in the open-circuit voltage V L i, V L 2 is used.
  • _2 of the at least one battery cell after stopping the flow of an electric current l L , IE by the at least one battery cell, the temperature the at least one battery cell based on the state of charge and the change in the open circuit voltage V L i, V L 2 are determined.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer Batteriezelle; b) Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung (V L1, V L2 ) der wenigstens einen Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fliessens eines elektrischen Stroms (I L, I E ) durch die wenigstens eine Batteriezelle; und c) Ermitteln der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle auf Basis des Ladezustands und der Veränderung der Leerlaufspannung(V L 1, V L2 ). Das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht auf kostengünstige Weise ein besonders sicheres und langzeitstabiles Betreiben der Batterie.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur mit verbesserter Genauigkeit durch ein exaktes Ermitteln der Zelltemperatur.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen
Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
Die Betriebstemperatur von Batterien beziehungsweise Batteriezellen ist dabei oftmals ein wichtiger Betriebsparameter. Beispielsweise kann die Temperatur einen großen Einfluss auf die Effizienz und Langlebigkeit der Batterie haben, da bei erhöhten Temperaturen die Effizienz wie auch die Langlebigkeit der Batterien reduziert werden kann. Daher ist das Messen der Betriebstemperatur von Batterien, wie etwa Lithium-Ionen-Akkumulatoren, für den Betrieb der Batterien von Wichtigkeit.
Das Dokument US 6,902,319 B2 beschreibt ein Verfahren zum Abschätzen einer internen Temperatur einer Fahrzeugbatterie basierend auf einem Hitzetransfer zwischen einer Wärmequelle und der Batterie. Aus dem Dokument US 2012/0109554 A1 ist ein Verfahren zum Abschätzen der Kerntemperatur einer Zelle in einer Batterie bekannt. Bei einem derartigen Verfahren werden zwei Abschätzungen durchgeführt, ein Gewichtungsfaktor angewendet und anschließend durch einen Funktion der gewichteten ersten und zweiten Abschätzung die Kerntemperatur abgeschätzt.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie, aufweisend die Verfahrensschritte:
a) Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer Batteriezelle;
b) Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung der wenigstens einen Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms durch die wenigstens eine Batteriezelle; und c) Ermitteln der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle auf Basis des Ladezustands und der Veränderung der Leerlaufspannung.
Das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht es auf besonders genaue und kostengünstige Weise, die Temperatur einer Batterie zu ermitteln. Dabei wird bei einer Ermittlung der Temperatur der Batterie im Detail die Temperatur einer Batteriezelle oder einer Mehrzahl an Batteriezellen ermittelt.
Das vorbeschriebene Verfahren dient somit dazu, die Temperatur einer
Batteriezelle und damit einer Batterie zu ermitteln. Die Temperatur einer Batterie spielt bei dem Betreiben der Batterie eine signifikante Rolle. Dies kann beispielsweise darin begründet sein, dass bei einem Erhitzen der Batterie diese ein so genanntes thermisches Durchgehen durchlaufen kann. Ein Überhitzten kann dabei erfolgen beispielsweise durch einen internen Zelldefekt oder auch durch eine externe Temperaturbeeinflussung.
Dabei kann ein derartiger Fehlerfall, wie dies grundsätzlich bekannt ist, insbesondere im Inneren der Batteriezelle stattfinden und dabei in mehreren Stufen ablaufen, wobei jede der ablaufenden Stufen einen vergleichsweise größeren Schaden verursachen kann. Bei einem Überhitzten kann es dabei beispielsweise zu einem Beschädigen beziehungsweise zu einem Zersetzen einer etwa auf der Anode angeordneten Elektrolytschicht beziehungsweise einer zwischen Elektrolyt und Anode angeordneten Schutzschicht kommen, wodurch Elektrolytbestandteile mit Anodenmaterialen, wie beispielsweise Kohlenstoff, exotherm reagieren können, was die Temperatur der Zelle weiter erhöhen kann.
Dabei können derartige exotherme Prozesse beispielsweise die an der Anode ablaufenden Prozesse weiter beschleunigen, wobei die so produzierte Wärme etwa organische Lösungsmittel, welche beispielsweise in dem Elektrolyt vorhanden sein können, zersetzen können. Dies kann wiederum dazu führen, dass entzündliche Gase, wie, beispielsweise Ethan, Methan oder andere
Kohlenwasserstoffe, freigesetzt werden können. Das Ausbilden derartiger Gase durch die Zersetzung des Elektrolyten, beispielsweise, kann ferner einen Druckanstieg im Inneren der Zelle hervorrufen, was weitere Beschädigungen mit sich bringen kann.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, dass eine exakte Temperaturmessung für einen sicheren Betrieb einer Batterie und ferner für eine ausreichende
Langlebigkeit der Batterie von großem Interesse ist. Um dies zu erreichen umfasst das vorbeschriebene Verfahren gemäß
Verfahrensschritt a) ein Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer
Batteriezelle. Dieser Verfahrensschritt kann in an sich bekannter Weise durch ein Batterie-Steuersystem erfolgen, wie dies dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Der Ladezustand einer Batterie wird auch als SOC (state of Charge) bezeichnet und kann in nicht beschränkender Weise beispielsweise ermittelbar sein unter Betrachtung der Batteriespannung, da diese oftmals mit dem
Ladezustand korreliert. Weiterhin kann beispielsweise der fließende Strom über die Zeit integriert werden oder ein Kaiman-Filter kann Verwendung finden. Das Ermitteln des Ladezustands der wenigstens einen Batteriezelle ist jedoch nicht auf die vorbeschriebenen Verfahren beschränkt. Dabei kann der Ladezustand sämtlicher Batteriezellen ermittelt werden, oder der Ladezustand jeder oder einzelner der Mehrzahl an beispielsweise in Reihe geschalteten Batteriezellen kann gemäß Verfahrensschritt a) ermittelt werden. Das Verwenden des
Ladezustands der Batteriezelle oder der Mehrzahl an Batteriezellen kann dabei für das vorliegende Verfahren beispielsweise deshalb von Vorteil sein, weil der
Ladezustand bei einem Betreiben der Batterie ohnehin oftmals gemessen wird und somit die hierfür vorliegenden technischen Voraussetzungen in einem Batterie-Steuersystem ohnehin gegeben sind. Darüber hinaus bietet der
Ladezustand einen möglichen Parameter zur Bestimmung der Temperatur der wenigstens eine Batteriezelle, wie dies nachstehend erläutert wird.
Gemäß Verfahrensschritt b) umfasst das vorliegende Verfahren weiterhin das Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung der wenigstens einen
Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms durch die wenigstens eine Batteriezelle. In diesem Verfahrensschritt wird somit ermittelt, wie sich die Leerlaufspannung (Voc) der Batteriezelle nach dem Beenden des Fließen eines Stroms, was beispielsweise realisierbar ist durch das Abschalten der Batteriezelle etwa durch das Trennen einer elektrischen
Verbindung oder das Ausschalten sämtlicher Verbraucher, verändert. Im Detail kann festgestellt werden, dass, wenn ein fließender Strom unterbrochen wird, eine Veränderung der Leerlaufspannung bei im Wesentlichen sämtlichen
Ladezuständen ermittelbar ist. Wird beispielsweise ein Entladestrom für einen gewissen Zeitraum verwendet, wobei die Leerlaufspannung durch die Entladung im Laufe der Zeit sinkt, kann bei einem Beenden des Entladestroms,
beispielsweise bei einem Ausschalten der Zelle, unmittelbar nach dem Beenden des Stroms eine Drift der Leerlaufspannung beobachtet werden. Im Detail kann in diesem Fall ein Spannungsanstieg der Leerlaufspannung beobachtet werden. Auf der anderen Seite kann bei einem Ladestrom der Batterie beziehungsweise der Zelle für einen gewissen Zeitraum und somit einem Spannungsanstieg über die Zeit unmittelbar nach einem Beenden des Ladestroms, beispielsweise durch ein Abschalten der Zelle, wiederum eine Drift der Leerlaufspannung ermittelt werden, wobei die Leerlaufspannung nach dem Beenden des Ladestroms abfällt.
Die Leerlaufspannung kann dabei in an sich bekannter Weise ermittelbar sein, indem bei beispielsweise einer Zelle oder einer Mehrzahl von Zellen das Fließen eines Stroms durch die Zelle oder die Zellen beendet wird und dabei die
Spannung an den entsprechenden offenen Polen gemessen wird. Dabei wird die Spannung insbesondere über einen längeren Zeitraum gemessen, um das Verändern der Spannung beziehungsweise die Spannungsdrift zu ermitteln. Weiterhin umfasst das Verfahren gemäß dem weiteren Verfahrensschritt c) ein
Ermitteln der Temperatur wenigstens einer Batteriezelle und damit der Batterie auf Basis des Ladezustands und der Veränderung der Leerlaufspannung. Dieser Verfahrensschritt beruht insbesondere darauf, dass die vorbeschriebene Drift der Leerlaufspannung nach einem Beenden eines fließenden Stroms, unabhängig ob es sich hierbei um einen Entladestrom oder einen Ladestrom handelt, insbesondere abhängig von dem Ladezustand und der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle ist. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit darauf, dass bei einem bekannten beziehungsweise konstanten
Ladezustand bei einer sich verändernden Temperatur die Veränderung der Leerlaufspannung nach dem Beenden des Fließens eines Stroms sich in Abhängigkeit der Veränderung der Temperatur ebenfalls verändert. Das
Ansteigen oder Abfallen der Leerlaufspannung kann somit als ein Hinweis für eine Ermittlung der Temperatur von Batteriezellen dienen.
Dabei kann die Temperatur einer oder mehrere Batteriezellen separat ermittelt werden, für den Fall dass die Leerlaufspannung dieser Batteriezelle oder dieser Batteriezellen jeweils einzeln ermittelt wurde, oder es kann eine gemittelte Temperatur einer Mehrzahl an Batteriezellen ermittelt werden wenn die
Leerlaufspannung dieser insbesondere in Reihe geschalteter Batteriezellen gemeinsam ermittelt wurde.
Das vorbeschriebene Verfahren zur Ermittlung der Temperatur erlaubt somit eine Ermittlung der Temperatur der Batterie in einer indirekten Weise unter
Verwendung des Ladezustands und einer Veränderung der Leerlaufspannung wenigstens einer Batteriezelle. Dabei weist das vorbeschriebene Verfahren im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren signifikante Vorteile auf.
Durch das vorbeschriebene Verfahren kann die Temperatur einer Batterie besonders genau gemessen werden, da insbesondere auf die Temperatur geschlossen werden kann, welche sich im Inneren einer Batteriezelle
beziehungsweise einer Mehrzahl an Batteriezellen ausbildet. Dies kann insbesondere deshalb von Wichtigkeit sein, da beispielsweise die Temperatur einer Batterie, wenn sie etwa am Äußeren eines Batteriegehäuses ermittelt wird, nicht immer dem im Inneren der Batterie vorliegenden Werten entspricht.
Darüber hinaus kann insbesondere bei einem Fehlerfall, der auf einer erhöhten Temperatur basiert, ein sehr schnelles Reagieren erforderlich sein, um einen größeren Schaden abzuwenden. Dabei kann dadurch, dass die Temperatur im Zellinneren unmittelbar ermittelt werden kann, besonders dynamisch reagiert werden da eine Temperaturerhöhung im Inneren der Zelle oftmals erst mit einer Zeitverzögerung bei einem an der Außenseite eines Gehäuses angeordneten Sensor ermittelbar sein kann.
Darüber hinaus kann das vorbeschriebene Verfahren mit einer verminderten Anzahl von Temperatursensoren möglich sein, oder auf Temperatursensoren kann vollständig verzichtet werden. Dadurch lässt sich durch das
vorbeschriebene Verfahren zum einen eine signifikante Kostenersparnis ermöglichen. Denn zum einen können die Kosten für Sensoren eingespart werden. Weiterhin kann das vorliegende Verfahren im Wesentlichen ohne weitere kostenintensive Einbauten durchgeführt werden. Im Gegenteil hierzu kann das vorbeschriebene Verfahren auf einfache Weise mit problemlos ermittelbaren Messdaten insbesondere durch das Batterie-Steuersystem durchgeführt werden, so dass das Verfahren auf einfache Weise und mit geringsten Kosten in bestehende Systeme implementierbar ist.
Darüber hinaus weist ein Reduzieren der Anzahl von Temperatursensoren den weiteren Vorteil auf, dass Gewicht eingespart werden kann. Dies kann insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, von großem Vorteil sein.
Weiterhin kann die Langlebigkeit eine einer Batterie dadurch weiter gesteigert werden, da das Fehlen zusätzlicher aktiver Teile stets einen verringerten Serviceaufwand und ferner ein verringertes Potential für Beschädigungen aufweisen kann.
Zusammenfassend erlaubt ein vorbeschriebenes Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie somit ein besonders kostengünstiges und sicheres Betreiben und ferner eine besonders hohe Langlebigkeit der Batterie.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden unter Verwendung einer zeitlichen Veränderung der Leerlaufspannung beziehungsweise unter einer Verwendung einer Zeitkonstanten der Veränderung der Leerlaufspannung oder des gesamten Profils der Veränderung der Leerlaufspannung. In dieser Ausgestaltung kann somit insbesondere, wenn die Zeitkonstante (τ) der Drift ermittelt und für das vorliegende Verfahren verwendet wird, die Veränderung der Leerlaufspannung insbesondere als Funktion der Zeit ermittelt und ausgewertet werden. In dieser Ausgestaltung kann bereits eine genaue Temperaturerfassung möglich sein, da eine Zeitkonstante oftmals bereits abhängig ist von der vorliegenden Temperatur und somit bereits ein genaues Messergebnis der Temperatur erlauben kann. Unter einer Zeitkonstante kann dabei insbesondere verstanden werden eine charakteristische Größe der Veränderung der Leerlaufspannung, welche die reine Zeitdauer der Veränderung bis zu einer Konstanz der Leerlaufspannung betrifft, oder auch die Zeitdauer t=T1/e, welche das Verändern der Leerlaufspannung als ein sich oftmals exponentiell absinkender oder ansteigender Prozess benötigt, um auf 1/e seines Ausgangswertes abzusinken oder um sich um diesen Betrag zu steigern. Dabei bezeichnet T die Temperatur.
Weiterhin ist es jedoch möglich, neben einer rein zeitlichen Veränderung der Leerlaufspannung das gesamte Profil der Veränderung der Leerlaufspannung zu betrachten. Bei der Betrachtung des gesamten Profils kann dabei neben einer zeitlichen Komponente zumindest auch die Stärke der Veränderung der
Leerlaufspannung in Betracht gezogen werden. Insbesondere diese
Ausgestaltung kann somit ein besonders genaues Erfassen der Temperatur der Batteriezelle oder der Mehrzahl an Batteriezellen ermöglichen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren durchgeführt werden durch ein Batterie-Steuersystem. Ein derartiges auch als Batterie- Management-System bezeichnetes System ist oftmals zum Betreiben einer Batterie ohnehin vorhanden. Dabei braucht das Batterie-Steuersystem keine kostspieligen Konstruktionen oder Umgestaltungen, um das vorliegende
Verfahren durchführen zu können, da die bei dem vorliegenden Verfahren verwendeten Parameter, wie die Leerlaufspannung und der Ladezustand, meist problemlos im Rahmen eines Betreibens einer Batterie gemessen werden können. Dadurch braucht in das Steuersystem lediglich ein geeigneter Befehl eingebracht zu werden, durch welchen die Temperatur auf Basis der
vorgenannten Parameter detektiert werden kann. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden auf Basis eines insbesondere in dem Batterie-Steuersystem hinterlegten
Datensatzes. In dieser Ausgestaltung kann das vorliegende Verfahren besonders einfach in ein Batterie-Steuersystem implementiert werden. Es brauchen auf einfache Art und Weise lediglich Daten in den Speicher eines Batterie- Steuersystems eingegeben und dort gespeichert werden, welche Parameter bezüglich einer Drift einer Leerlaufspannung bei definierten Ladezuständen einer Temperatur zuordnen. Ein derartiger Datensatz kann dabei auf einfache Weise erstellt werden, da die entsprechenden Parameter aufgrund der bekannten Abhängigkeiten durch bloße Versuche problemlos erhältlich sind. Das Batterie-Steuersystem kann dann auf einfache Weise bei einer Ermittlung des Ladezustands für die gegebene Zelle oder für eine Mehrzahl von Zellen einer
Temperatur zuordnen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die ermittelte Temperatur durch das Verwenden eines Temperatursensors verifiziert werden. In dieser
Ausgestaltung kann ein besonders verlässliches Ermitteln der Temperatur ermöglicht werden. Denn es kann weitestgehend ausgeschlossen werden, dass etwa durch Beschädigungen oder Alterungseffekte im Inneren der Zelle die Abhängigkeit der Temperatur von dem Ladezustand sich verändert hat.
Beispielsweise kann ein Temperatursensor an einfacher Position der Batterie vorhanden sein und dabei einen Abgleich der über den Temperatursensor ermittelten Temperatur sowie der durch das vorbeschriebene Verfahren ermittelten Temperatur ermöglichen. Dabei kann ermittelt werden, ob eine entsprechende Korrelation der beiden Temperaturwerte gleich bleibt ist oder sich etwa verändert. Auf diese Weise kann auch nach einer langen Arbeitszeit der Batterie eine korrekte Temperaturmessung sichergestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Veränderung der
Leerlaufspannung zyklisch ermittelt werden. In dieser Ausgestaltung kann die Veränderung der Leerlaufspannung somit ermittelt werden, um ein auch längerfristiges Betreiben der Batterie zu überwachen. Dazu können
beispielsweise zyklisch einzelne Zellen einer Mehrzahl von Zellen von dem Verbraucher getrennt werden, um so einen Stromfluss durch die Zelle zu verhindern, was einer Ermittlung der benötigten Parameter erlauben kann. Dabei kann weiterhin auf Basis der Veränderung der Leerlaufspannung die Temperatur der Batterie entsprechend zyklisch ermittelt werden, wobei der Ladezustand der Batteriezelle oder der Batteriezellen abgeschätzt oder ebenfalls entsprechend zyklisch ermittelt werden kann.
Somit kann in dieser Ausgestaltung die Temperatur der Batterie nicht nur bei einem Abschalten beziehungsweise bei einem Stillstand der gesamten Batterie erfolgen, sondern auch dann, wenn insbesondere bei einem Modul aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen ein Versorger weiterhin mit Energie versorgt wird. Für den beispielhaften Fall eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs kann dies beispielsweise bedeuten, dass die Temperatur der Batterie auch dann ermittelbar ist, wenn das Fahrzeug weiterhin betrieben wird. In dieser
Ausgestaltung kann somit der Betrieb einer elektrisch versorgten Komponente besonders sicher gestaltet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Veränderung der
Leerlaufspannung ermittelt werden während einer Rekuperationsphase der Batterie. In dieser Ausgestaltung kann während der Rekuperationsphase beziehungsweise Rückspeisephase durch die Rekuparation von Strom dieser temporär beispielsweise über einen Widerstand abgeleitet werden und in diesem Zeitraum die Leerlaufspannung bestimmt werden. Hier kann bei einem Fahrzeug, beispielsweise, theoretisch zu jedem Zeitpunkt, in dem nicht beschleunigt wird, die Temperatur aus dem Verlauf der Leerlaufspannungen der Zelle
beziehungsweise der Zellen bestimmt werden. Praktisch kann diese Art der Bestimmung der Leerlaufspannung nicht bei jeder Möglichkeit, sondern beispielsweise nach bestimmten Zeitintervallen oder nach der Applikation bestimmter Strombelastungen, wie etwa hohen Lade- oder Entladebelastungen über einen längeren Zeitraum, durchgeführt werden..
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Batterie eine Lithium-Ionen- Batterie sein. In dieser Ausgestaltung kann das vorbeschriebene Temperatur- Messverfahren besonders deutlich und effektiv möglich sein. Im Detail kann die Drift der Leelaufspannung eine Konsequenz sein der Inhomogenität der
Diffusionskonstanten in verschiedensten Elektrodenmaterialien, in dem Fall der Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise von Kompositmaterialien umfassend Nickel (Ni), Kobalt (Co), Magnesium (Mg) {NiCoMg} oder umfassend Nickel (Ni), Mangan (Mn), Aluminium (AI) {NiMnAI}, Kobalt-basierten Oxiden oder Manganbasierten Oxiden. Die Drift kann weiterhin eine Konsequenz sein einer
Veränderung der Zusammensetzung in der Kathode oder der Anode. Für den Fall einer Lithium-Ionen-Batterie etwa kann die Anode, für den Fall, dass sie Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Graphit, oder Silizium-Zinn-Kohlenstoff- Kompositmaterialien oder reines Silizium aufweist, bei verschiedenen
Ladezuständen verschiedene Phasen von LixC ausbilden, wobei x die Anzahl an interkalliertem Lithium bedeutet. Dabei ist die vorgenannte Ausbildung
verschiedener Phasen nicht reduziert auf Kohlenstoff sondern kann auch bei weiteren Materialien auftreten, etwa bei Elektroden, welche Titan aufweisen. Wenn der Stromfluss beendet wird, kann eine intrinsischer Veränderung der Diffusion von Lithiumionen (Li+) erfolgen als ein Ergebnis der Veränderung der Diffusionskonstanten von Lithium-Ionen (Li+), als eine Konsequenz der
Inhomogenität der Zusammensetzung der Elektrodenmaterialien.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, den Figuren sowie der
Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriesystem, welches ausgestaltet ist, um ein wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahren durchzuführen. Entsprechend umfasst ein derartiges Batteriesystem eine
Batterie, welche wenigstens eine Batteriezelle zum Versorgen eines
Verbrauchers mit elektrischer Leistung aufweist. Beispielsweise kann die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Um das vorstehend beschriebenen Verfahren durchführen zu können, umfasst das Batteriesystem beziehungsweise die Batterie dabei zunächst ein Mittel zum Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer Batteriezelle. Dies kann beispielsweise das Batterie-Steuersystem sein, welches aufgrund von ermittelten Parametern den Ladezustand ermitteln kann, wie dies dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Weiterhin umfasst das Batteriesystem ein Mittel zum Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung der wenigstens einen Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms durch die wenigstens eine Batteriezelle. Dies kann in an sich bekannter Weise ein Spannungsmesser sein, der beispielsweise die Spannung an beiden Polen der Batteriezelle ermitteln kann.
Schließlich umfasst das Batteriesystem ein Mittel zum Ermitteln der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle auf Basis des Ladezustands und der
Veränderung der Leerlaufspannung. Dieses Mittel kann wiederum das Batterie- Steuersystem sein, welches anhand der ermittelten Daten und etwa eines in einem Speicher hinterlegten Datensatzes die Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle beziehungsweise der Batterie ermittelt.
Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der vorgenannten Mittel wird ferner auf die vorstehende Beschreibung des Verfahrens zum Ermitteln der Temperatur der Batterie verwiesen.
Das vorbeschriebene Batteriesystem erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige und dabei besonders genaue Ermittlung der Temperatur einer Batteriezelle beziehungsweise der Batterie und damit einhergehenden ein besonders kostengünstiges und sicheres Betreiben und ferner eine besonders hohe Langlebigkeit.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Figur sowie der
Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnung
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung erläuternd das erfindungsgemäße Verfahren.
In der Figur 1 ist ein Diagramm gezeigt, welches die Veränderung der
Leerlaufspannung VLi, VL2 (unterer Bereich) nach dem Beenden des Fließen eines Stroms lL, IE (oberer Bereich) bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Ladezustand einer Batterie wie etwa einer Lithium-Ionen-Batterie, zeigt. Im Detail zeigt das Diagramm der Figur 1 den Verlauf der Spannung V und des
Stroms I gegen die Zeit t. Dabei ist zu erkennen, dass wenn ein Ladevorgang (Ladestrom lL) oder auch ein Entladevorgang (Entladestrom lE)etwa zu den Zeiten t1 oder t2 beendet wird, eine Veränderung der Leerlaufspannung VLi, VL2 als Funktion der Zeit bei sämtlichen Werten des Ladezustands ermittelt werden kann. Mit Bezug auf Figur 1 wird ein Entladestrom lE für einen Zeitraum bis zu einem Zeitpunkt t1 verwendet, wobei ein Abfall der Spannung V auftritt, und zwar von einer maximalen Spannung Vmax zu einer minimalen Spannung Vmin. Ein Abschalten der Zelle und damit das Beenden des Fließen des Entladestroms lE bei einer Zeit t1 resultiert sodann in einer Spannungsdrift der Leerlaufspannung V|_i, welche gemäß Figur 1 in einem Anstieg der Leerlaufspannung VLi auf den
Wert V-ι um einen Betrag von (Vi - Vmin) resultiert. Wird auf der anderen Seite die Batterie geladen unter Verwenden eines Ladestroms lL steigt die Spannung von der Spannung Vi zu der maximalen Spannung Vmax. Wird die Zelle abgeschaltet zu einer Zeit t2, sinkt die Leerlaufspannung \ZL2 auf einen Wert Vmin.
Die gezeigte Drift der Leerlaufspannung VLi, VL2 kann dabei als Hinweis auf die Temperatur dienen, wobei eine Zeitkonstante der Veränderung der
Leerlaufspannung VLi, VL2 oder das gesamte Profils der Veränderung der Leerlaufspannung VLi, VL2 verwendbar ist.
Auf diese Weise kann, etwa von einem Batterie-Steuersystem und etwa auf Basis eines insbesondere in dem Batterie-Steuersystem hinterlegten
Datensatzes, bei einem Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer
Batteriezelle und einem Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung VLi, V|_2 der wenigstens einen Batteriezelle nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms lL, IE durch die wenigstens eine Batteriezelle die Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle auf Basis des Ladezustands und der Veränderung der Leerlaufspannung VLi , VL2 ermittelt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Batterie, aufweisend die Verfahrensschritte:
a) Ermitteln des Ladezustands wenigstens einer Batteriezelle;
b) Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung (VLi , VL2) der
wenigstens einen Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms (lL, IE) durch die wenigstens eine Batteriezelle; und
c) Ermitteln der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle auf Basis des Ladezustands und der Veränderung der Leerlaufspannung (VLi , VL2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
Verfahrensschritt c) durchgeführt wird unter Verwendung einer zeitlichen Veränderung der Leerlaufspannung. (VLi , VL2)
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Verfahrensschritt c) durchgeführt wird unter Verwendung des gesamten Profils der Veränderung der Leerlaufspannung (VLi , VL2).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird durch ein Batterie-Steuersystem.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c) durchgeführt wird auf Basis eines insbesondere in dem Batterie-Steuersystem hinterlegten Datensatzes.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Temperatur durch das Verwenden eines Temperatursensors verifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Leerlaufspannung (V|_i , V|_2) zyklisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Leerlaufspannung (V|_i , V|_2) ermittelt wird während einer Rekuperationsphase der Batterie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
10. Batteriesystem, aufweisend eine Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, wobei ferner ein Mittel zum Ermitteln des Ladezustands der Batteriezelle, ein Mittel zum Ermitteln einer Veränderung der Leerlaufspannung (VLi , VL2) der wenigstens einen Batteriezelle unmittelbar nach dem Beenden des Fließens eines elektrischen Stroms (lL, IE) durch die wenigstens eine Batteriezelle und ein Mittel zum Ermitteln der Temperatur auf Basis des Ladezustands und der zeitlichen Veränderung der Leerlaufspannung (VLi, VL2) vorgesehen sind.
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