Bestimmung einer Zellkerntemperatur eines Enerqiespeichers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Zellkerntemperatur eines Energiespeichers sowie eine entsprechende Vorrichtung. Weiterhin wird ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen.

Ein zellenbasierter Energiespeicher (z.B. ein Hochleistungs-Energiespeicher oder ein Hochenergie-Speicher) wie er z.B. in Hybrid-Fahrzeugen eingesetzt wird, erzeugt sowohl beim Laden als auch bei Entladen Abwärme. Um eine möglichst hohe

Lebensdauer des Energiespeichers zu gewährleisten, soll die maximale Temperatur der jeweiligen Zelle (die häufig im Zellkern auftritt) eine vorgegebene Grenztemperatur (z.B. in Höhe von 40°C bis 50 ⁰ C) während des Betriebs nicht überschreiten. Somit ist es erforderlich, die Zellen des Energiespeichers aktiv zu kühlen.

Die abzuführende Wärme der Zelle wird im Wesentlichen durch das Verhalten des Hybridfahrzeugs (Beschleunigen, Verzögern, Rekuperieren, usw.) beeinflusst. Der zeitliche Verlauf eines solchen Verhaltens ist kaum vorhersehbar. So unterliegt die von dem Energiespeicher geforderte elektrische Leistung und damit die in der Zelle erzeugte Abwärme starken zeitlichen Schwankungen.

Zur Überprüfung der aktuellen Zelltemperatur können einige Zellen des

Energiespeichers z.B. an der Zellwand oder an dem jeweiligen Zellpol mit

Temperatursensoren versehen werden. Diese Temperatursensoren können über eine Elektronik ausgelesen und ausgewertet werden. Allerdings liefert eine derartige Temperaturmessung nur mangelhaft Aufschluss über die eigentliche Temperatur innerhalb der jeweiligen Zelle, also über die tatsächlich auftretende maximale

Zelltemperatur.

Die Kühlung der Zelle erfolgt über deren Zellwand oder Zellpol. Beispielsweise beträgt bei einer handelsüblichen zylindrischen Zelle für eine Abwärme in Höhe von 10W eine Temperaturdifferenz zwischen dem Zellkern und der Zellwand in etwa 13K. Zwischen dem Zellkern und dem Zellpol beträgt die Temperaturdifferenz in etwa 5K.

Um eine lange Lebensdauer des Energiespeichers zu garantieren und um die einzelnen Zellen sowie das Kühlsystem energetisch effizient nutzen zu können, sind genaue Kenntnisse über die Zellkerntemperatur von wesentlicher Bedeutung. Aufgrund des Aufbaus des Energiespeichers bzw. der Zellen kann jedoch die Zellkerntemperatur nicht direkt gemessen werden. Die einzelne Zelle kann mittels einer Wandkühlung Wärme abführen, die

Wandtemperatur der Zelle ist jedoch nicht konstant und unterliegt zeitlichen

Schwankungen. Durch die thermische Trägheit der Zelle (aufgrund ihrer hohen

Wärmekapazität) und die ständig variierende Wärmeerzeugung in der Zelle lässt sich anhand der momentanen Wandtemperatur nicht ausreichend genau auf die

Zellkerntemperatur rückschließen.

Die Problematik der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Zellwand bzw. Zellpol und Zellkern ist bei zylindrischen Zellen besonders ausgeprägt. Jedoch sind auch andere Geometrien, z.B. prismatische oder Pouch-Geometrien, besonders bei dickeren Ausführungen der Zellen ähnlich problematisch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit für eine optimierte Betriebsstrategie eines Energiespeichers anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Zellkerntemperatur eines Energiespeichers vorgeschlagen, wobei der Energiespeicher mindestens eine Zelle umfasst,

- bei dem eine Temperatur der Zelle gemessen wird;

- bei dem eine volumetrische Wärme bestimmt wird;

- bei dem die Zellkerntemperatur ermittelt wird basierend auf einer Geometrie der Zelle.

Somit kann die Zellkerntemperatur mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Dabei können unterschiedliche Zellen mit verschiedenen Geometrien berücksichtigt werden, z.B. im Wesentlichen zylindrische Zellen, prismatische Zellen oder Zellen mit Pouch-Geometrien. Insbesondere können mehrere Temperaturen gemessen werden. Auch ist es möglich, dass die Temperatur der Zelle über die Zellwand oder den Zellpol gemessen wird.

Auch kann die Zellkerntemperatur ermittelt werden basierend auf

Materialeigenschaften der Zelle.

Durch den hier vorgeschlagenen Ansatz ist es möglich, die Temperatur in dem

Zellkern, also im Inneren der Zelle mit hoher Genauigkeit zu bestimmen bzw.

vorherzusagen und somit z.B. eine Kühlung der Zelle derart auszulegen, dass die Zelle eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschreitet, jedoch gleichzeitig ein hohes Leistungspotential der Zelle ausgeschöpft wird.

Auch ist es von Vorteil, dass durch die verbesserte Bestimmung der

Zellkerntemperatur des Energiespeichers (insbesondere des Hochvolt- Energiespeichers) eine optimierte und bedarfsgerechte Betriebsstrategie zur Kühlung des Energiespeichers ermöglicht wird. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Kühlung nur insoweit erfolgt als diese auch benötigt wird und eine größtenteils unnötige und energetisch nachteilige Kühlung vermieden wird. Eine Weiterbildung ist es, dass der Energiespeicher gekühlt wird abhängig von der ermittelten Zellkerntemperatur des Energiespeichers, wobei insbesondere der

Energiespeicher oder die Zelle über die Zellwand und/oder über mindestens einen Zellpol gekühlt wird. Die Kühlung kann insofern an verschiedenen von außen zugänglichen Stellen der Zelle bzw. des Energiespeichers ansetzen. Insbesondere kann die Kühlung über einen bestehenden Kühlkreislauf, z.B. eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs erfolgen bzw. an diese gekoppelt sein. Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Temperatur an einem Zellpol der Zelle und/oder an einer Zellwand der Zelle gemessen wird.

Vorzugsweise können hierzu Sensoren genutzt werden, die bereits an der Zelle vorhanden sind. Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Energiespeicher ein Hochleistungsenergiespeicher oder ein Hoch-Energiespeicher ist und insbesondere mehrere Zellen umfasst. Beispielsweise können die mehreren Zellen des Energiespeichers mit einer hohen Packungsdichte angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass Zwischenräume zwischen den Zellen zur Kühlung genutzt werden.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die volumetrische Wärme in Abhängigkeit von einem Innenwiderstand der Zelle, einem gemessenen Strom und einem Volumen der Zelle ermittelt wird.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die volumetrische Wärme q ermittelt wird gemäß folgender Beziehung

Q = RiI ² /V, wobei

Ri einen Innenwiderstand,

I einen gemessenen Strom,

V ein Volumen der Zelle

bezeichnen.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Zellkerntemperatur basierend auf einer zeitabhängigen volumetrischen Wärme bestimmt.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Zellkerntemperatur in einem Frequenzraum ermittelt wird. Hierzu wird beispielsweise eine Laplace-Transformation der Signale im kontinuierlichen Zeitbereich durchgeführt. Dies kann beispielsweise über eine Abtastung erfolgen. Die Bestimmung der Zellkemtemperatur bzw. eines Zellkerntemperaturverlaufs umfassend eine Vielzahl aufeinanderfolgender diskreter Zellkerntemperaturen kann dann im Spektralbereich (Frequenzbereich) erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die

Berechnungen, z.B. Filterungen, im Frequenzbereich ohne großen Aufwand

durchführbar sind und somit vorteilhaft Steuergeräte mit geringer Komplexität ausreichen, um die Zellkerntemperatur zu bestimmen. Eine Ausgestaltung ist es, dass die Zellkerntemperatur in dem Frequenzraum anhand der folgenden Beziehung ermittelt wird:

Tκ _eπ1 ( _S ) = ₇ ^ _rl - φ) _{+ 7} ^ _TT - T _mess (4 wobei

S eine Frequenz,

τ eine charakteristische Zeit,

k einen Wärmewiderstand,

q die volumetrische Wärme,

Tkern die Zellkerntemperatur,

T - ¹ mess eine Temperatur an der Position der Messung

bezeichnen.

Im Wesentlichen lassen sich die Parameter τ und k durch bekannte

Materialeigenschaften und Zelldimensionen auch theoretisch bestimmen.

Die vorstehende Beziehung gilt insbesondere für im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltete Zellen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zellkerntemperatur einer Zelle eines Energiespeichers, wobei die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche durchführbar ist.

Die Verarbeitungseinheit kann z.B. eine analoge oder digitale Verarbeitungseinheit sein, sie kann als ein Prozessor und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist.

Besagte Prozessoreinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, EinAusgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen. Weiterhin kann eine festverdrahtete Schaltungseinheit, z.B. ein FPGA oder ein ASIC oder eine sonstige integrierte Schaltung, vorgesehen sein. Eine Ausgestaltung ist es, dass eine Kühlung vorgesehen ist, anhand derer über eine Zellwand und/oder über mindestens einen Zellpol der Zelle der Energiespeicher bzw. die betroffene Zelle kühlbar ist.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Energiespeicher ein Energiespeicher eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs oder eines sogenannten

Elektrofahrzeugs ist. Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Zelle des Energiespeichers eine im

Wesentlichen zylindrische Geometrie, eine im Wesentlichen prismatische Geometrie oder im Wesentlichen eine Pouch-Geometrie aufweist.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, mit einer Vorrichtung wie hierin beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild zur Temperaturregelung eines

zellenbasierten Energiespeichers, wobei die Zellentemperatur des Energiespeichers anhand einer gemessenen Wandtemperatur und einer

Leistungsabgabe des Energiespeichers ermittelt wird;

Fig.2 eine schematische Implementierung der hier vorgestellten Lösung, wobei eine Übertragungsfunktion als Eingangssignal eine erfasste Wärme und Wand- bzw. Poltemperatur erhält und als Ergebnis eine aktuelle

Zellkerntemperatur zu einem diskreten Zeitpunkt n bereitstellt.

Es wird ein Ansatz vorgestellt, der die Bestimmung einer Zellkerntemperatur eines Energiespeichers mit einer hohen Genauigkeit mittels einfach zu erfassender Größen ermöglicht. Oftmals sind Sensoren für die Erfassung dieser Größen bereits in dem Energiespeicher vorhanden. Bei dem Energiespeicher handelt es sich insbesondere um einen Hochleistungs- Energiespeicher bzw. Hoch-Energiespeicher.

Weiterhin hat der vorgeschlagene Ansatz den Vorteil, dass er ressourcenschonend auf einem Steuergerät implementiert werden kann und keine hohen Anforderungen an externe Speicher und/oder Rechenleistung stellt.

Eine allgemeine mehrdimensionale Wärmegleichung lautet p - C _p - ^ = v - (λ - V(T)) + g(t) (1), wobei

p eine Materialdichte,

C _p eine Wärmekapazität,

T eine Temperatur,

λ eine Wärmeleitfähigkeit,

q(t) eine zeitlich abhängige volumetrische Wärme,

V einen Nabla-Operator

bezeichnen.

Gleichung (1) kann in zylindrischen Koordinaten wie folgt wiedergegeben werden:

_Λ dT 1 Ö / ÖT\ 1 d Λ öT\ d f _Λ dT\

" ^{■ c} ' ^■ äf = r S ( ^rA βF j ⁺ 3 w { ^x lθ ) ⁺ T. ( ^A ä ^j j ^{+ ?<} " ^<2) - Unter Berücksichtigung der radialen Komponente ergibt sich aus Gleichung (2):

' ^• * ^■ § ⁼ * ^• ;! ('£) ⁺ '« < ³ >-

Für zylindrische Zellen ergibt sich aus der Gleichung (3) im zylindrischen

Koordinatensystem folgender Zusammenhang in Frequenzraum:

Tκern(s) = ^^ ^• φ) + ^^ ^■ T _mess ( ₅ ) (4) mit s = i - 2π ^■ f und Q = R ₁ PlV wobei

f eine Frequenz,

τ eine charakteristische Zeit,

k einen Wärmewiderstand in (m ³ K)ΛΛ/,

q eine volumetrische Wärme in W/m ³ ,

T eine Temperatur,

R ₁ einen Innenwiderstand,

I einen gemessenen Strom,

Tk _em eine Temperatur an der Position: Kern,

T _mess eine Temperatur an der Position der Messung,

V ein Volumen der Zelle

bezeichnen.

Die Temperatur kann an unterschiedlichen Stellen gemessen werden. Beispielsweise kann die Temperatur der Zellenwand (T _mess = T _Wan d) oder die Temperatur des Pols der Zelle (T _meSs = Tp ₀ O gemessen und gemäß Gleichung (4) entsprechend berücksichtigt werden.

Es wird ein zeitabhängiger Strom l(t) erfasst und daraus werden (bei bekanntem Innenwiderstand R ₁ und bekanntem Volumen V) die zeitabhängige Wärme q(t) sowie die zeitabhängige Temperatur T(t) bestimmt.

Gemäß der aus der Signalverarbeitung bekannten Umformung können mittels einer Laplace-Transformation Abhängigkeiten dieser Größen von der Frequenz in einem Frequenzraum bestimmt werden. Mit der oben beschriebenen Beziehung lässt sich die Kerntemperatur im Frequenzraum T _Kem (s) bestimmen. Durch eine Rücktransformation in den Zeitbereich erhält man die Kerntemperatur in Abhängigkeit von der Zeit T _Kern (t).

Die Kerntemperatur ergibt sich als eine Superposition des Einflusses der

schwankenden Eigenerwärmung k , ,

7τττr ^ρ(s) - Sofern die Wandtemperatur gemessen wird (T _mess = T _Wand ) _> stellt der Term

7ττr ^Twand(s) den Einfluss der sich ändernden Wandtemperatur dar.

Diese Einflüsse können auch unabhängig voneinander betrachtet werden, um beispielsweise bei konstanter Wandtemperatur den Einfluss der zeitlich schwankenden Eigenerwärmung auf die Zellkerntemperatur zu bestimmen.

Der Term τ - s + 1 stellt ein Tiefpassfilter für die Übertragung der Einflüsse der Wärmequelle q und der gemessenen Temperatur (T _Wan d oder T _Pθ ι) auf die Kerntemperatur (T _Kem ) dar.

Aus bekannten Materialgrößen (Materialdichte p, Wärmeleitfähigkeit der Zelle λ, Wärmekapazität C _p ) und geometrischen Größen (Zellradius r) lässt sich der hier vorgeschlagenen Ansatz auf Zellen unterschiedlicher Geometrie anwenden und ist damit durch eine entsprechende Parametrisierung universell einsetzbar.

Beispielhaft können eine charakteristische Zeit sowie ein Wärmewiderstand für zylindrische Zellen bei gemessener Wandtemperatur wie folgt analytisch bestimmt werden:

TKernOO = **** , - ^• q(β) + ¹ -—r ^• T _Wand ( ^β ) (5),

ΛVand ^• S + 1 ΛVand ^• S + 1 mit r ²

k = Tx wobei

τ eine charakteristische Zeit in s,

k einen Wärmewiderstand in (rr» ³ K)/W,

p eine Materialdichte in kg/m ³ ,

C _p eine Wärmekapazität in J/(kg K),

r einen Zellradius in m,

λ eine Wärmeleitfähigkeit in W/(m K)

bezeichnen. Sofern die Poltemperatur anstatt der Wandtemperatur gemessen wird, sind sowohl die charakteristische Zeit als auch der Wärmewiderstand den Zelleigenschaften anzupassen.

Fig.1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Temperaturregelung eines zellenbasierten Energiespeichers 104, wobei die Zellentemperatur des

Energiespeichers anhand einer gemessenen Wandtemperatur T _Wand und einer Leistungsabgabe Q des Energiespeichers 104 ermittelt wird.

Die gemessenen Sensorwerte T _Wand , Q werden einer Verarbeitungseinheit 101 zugeführt, die eine Bestimmung der Zellkerntemperatur T _Ke m gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz durchführt und einem Regler 102 bereitstellt. Der Regler 102 vergleicht die Zellkerntemperatur T _Kem mit einem zulässigen Temperaturbereich und steuert entsprechend eine Kühlung 103, insbesondere eine Zellwandkühlung, an. Insbesondere kann der Regler 102 bei Annäherung an einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert bzw. bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für die Zellkerntemperatur die Kühlung 103 derart ansteuern, dass der Energiespeicher 104 stärker gekühlt wird. Entsprechend beeinflusst die Kühlung 103 die Temperatur des Energiespeichers 104, insbesondere der Zellen des Energiespeichers 104. Die in Fig.1 beispielhaft gezeigte Verarbeitungseinheit 101 kann auch Teil des Reglers 102 sein.

Fig.2 zeigt eine schematische Implementierung der hier vorgestellten Lösung. Eine Übertragungsfunktion 201 erhält als Eingangssignale eine erfasste Wärme q _n und die Wand- bzw. Poltemperatur T _Wa n _d /p _O ι(n) und liefert eine aktuelle Zellkerntemperatur Tκe _m (n) zu einem diskreten Zeitpunkt n. Die Übertragungsfunktion kann wie folgt modelliert werden:

Tκem(n) = (* ^■ Qn - T _Kern (n - I)) ^• j + T _Kern (n - 1) (6), wobei

τ ₃ eine Erfassungsrate,

q eine erfasste Wärme,

n einen Erfassungszeitpunkt (diskret)

bezeichnen.

Insbesondere steht der Term T _Kem (n-1) für den zuletzt abgespeicherten Wert der Kerntemperatur. Durch die Abfolge vieler Erfassungszeitpunkte n ergibt sich der Temperaturverlauf T _Kem (n). Hierbei ist es von Vorteil, dass diese Implementierung nur geringe Anforderungen an die bereitzustellenden Ressourcen stellt und insbesondere auf einem Steuergerät in einem Fahrzeug realisiert werden kann.

Somit ist es möglich, eine Betriebsstrategie so auszulegen als wäre die

Zellkerntemperatur bekannt. Die Kühlung der Zellen kann somit erheblich genauer erfolgen als dies bei einer unbekannten oder weitgehend unbekannten

Zellkerntemperatur möglich wäre. Weiterhin verhindert die energetisch optimierte Kühlung, dass die Zellen ihre Grenztemperaturen erreichen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Zellen aus.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei einer dauerhaften Kühlung und einer schwankenden Leistungsabgabe der Zellen. Da die Zellkerntemperatur mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz bekannt ist, kann nun die maximale Leistung aus dem Energiespeicher so lange abgerufen werden bis die Grenztemperatur der Zelle nicht überschritten wird. Daraus ergibt sich die maximal mögliche elektrische Fahrleistung für das Hybrid- oder Elektrofahrzeug ohne Gefährdung der Zelllebensdauer. Bezugszeichenliste:

101 Verarbeitungseinheit

102 Regler

103 Kühlung (der Zellwand des Energiespeichers)

104 Energiespeicher

201 Übertragungsfunktion