DE102020203004A1

DE102020203004A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, Computerprogramm-Produkt

Info

Publication number: DE102020203004A1
Application number: DE102020203004.9A
Authority: DE
Inventors: Anna Szardenings; Robert WENDLAND
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (1), insbesondere einer elektrische Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen (5) und ein den Speicherzellen (5) zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem (7) zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen (5) aufweist, mit folgenden Schritten:a) Erzeugen eines numerischen Modells des Energiespeichers (1) zur Bestimmung einer Temperatur (T) der jeweiligen Speicherzelle (5),b) wobei die Speicherzellen (5) durch ein thermisches, lineares Teilmodell der jeweiligen Speicherzelle (5) dargestellt werden,c) und wobei das Kühlsystem (7) durch ein thermisches, nicht-lineares Teilmodell dargestellt wird,d) Reduzieren des linearen Teilmodells aus Schritt b) durch zumindest eine lineare Modellreduktionsmethode,e) Reduzieren des nicht-linearen Teilmodells aus Schritt c) durch zumindest eine nicht-lineare Reduktionsmethode,f) Bilden eines reduzierten Modells aus den in Schritten d) und e) erzeugten Teilmodellen zur Bestimmung der Temperaturwerte jeder Speicherzelle (5),g) Vergleichen der in Schritt f) ermittelten Temperaturwerte mit einem oder jeweils einem vorgegebenen Grenzwert und Einleiten zumindest einer Sicherungsmaßnahme, wenn einer der ermittelten Temperaturwerte von den zugehörigen Grenzwert über ein vorgegebenes Maß hinaus abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer elektrische Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen und ein den Speicherzellen zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm-Produkt zur Ausführung durch eine Recheneinheit oder eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer elektrischen Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen und ein den Speicherzellen zugeordnetes und von Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen aufweist.
Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sowohl für die Entwicklung elektrischer Energiespeicher als auch für die Überwachung dieser im Betrieb werden Simulationsverfahren eingesetzt, mit deren Hilfe das reale Verhalten des Energiespeichers rechnerisch vorhergesagt werden soll, um beispielsweise durch einen Vergleich des simulierten Ergebnisses mit dem tatsächlichen Verhalten des Energiespeichers den ordnungsgemäßen Betrieb des Energiespeichers feststellen zu können. Aus der Offenlegungsschrift WO 2017/151500 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Verarbeitung von Temperaturdaten eines elektrischen Energiespeichers bekannt, bei welchem an einem oder mehreren Punkten an dem Energiespeicher Temperaturdaten erhoben werden, die zeitvariable Wärmeeinflüsse auf den Energiespeicher sowie variable Temperatursignale des Energiespeichers umfassen, und wobei die Temperaturdaten zur Herstellung eines kontinuierlichen thermischen Modells zur Vorhersage des thermischen Verhaltens des Energiespeichers für eine Mehrzahl von Wärmeflüssen verarbeitet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, durch welches ein vorteilhaftes Modell des Energiespeichers sowie eine vorteilhafte Nutzung dieses Modells zur Überwachung der Temperatur des Energiespeichers geschaffen werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses hat den Vorteil, dass durch eine vorteilhafte Vereinfachung und Reduzierung eines numerischen Modells des Energiespeichers ein vorteilhaft reduziertes Modell bereitgestellt wird, das es erlaubt, mit einem geringen Rechenaufwand auch im laufenden Betrieb eines den Energiespeicher aufweisenden Kraftfahrzeugs diesen vorteilhaft zu überwachen.
Erfindungsgemäß werden hierzu folgende Schritte durchgeführt: Zunächst wird in einem Schritt a) ein numerisches Modell des Energiespeichers zur Bestimmung einer Temperatur der jeweiligen Speicherzelle erzeugt. Dabei werden die Speicherzellen durch ein thermisches, lineares Teilmodell der jeweiligen Speicherzelle in einem Schritt b) dargestellt und das Kühlsystem durch ein thermisches, nicht-lineares Teilmodell in einem Schritt c). Beide Teilmodelle werden reduziert, wobei das lineare Teilmodell aus Schritt b) durch zumindest eine lineare Reduktionsmethode in Schritt d) reduziert wird und das nicht-lineare Teilmodell aus Schritt c) durch zumindest eine nicht-lineare Reduktionsmethode in Schritt e). Mithilfe der beiden reduzierten Teilmodelle aus den Schritten d) und e) wird in einem darauffolgenden Schritt f) ein reduziertes (Gesamt-)Modell zur Bestimmung der Temperaturwerte der Speicherzellen gebildet. Damit steht ein reduziertes Modell zur Verfügung, das dazu dient, die Temperaturentwicklung des Energiespeichers nachzubilden, wobei aufgrund der vorteilhaften Reduzierung der Teilmodelle das reduzierte Modell im Vergleich zu dem numerischen Modell aus Schritt a) einen wesentlich geringeren Speicherbedarf und einen deutlich geringeren Rechenaufwand zur Durchführung und Nutzung erfordert. In einem Schritt g) werden die in Schritt f) ermittelten Temperaturwerte des reduzierten Modells mit einem oder jeweils einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und zumindest eine Sicherungsmaßnahme eingeleitet, wenn einer der ermittelten Temperaturwerte den vorgegebenen Grenzwert beziehungsweise den jeweils zugehörigen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet, beziehungsweise von dem Grenzwert um ein vorgegebenes Maß abweicht. Damit bietet das Verfahren und das durch das Verfahren erzeugte, reduzierte Modell die Möglichkeit, im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs mit geringem Rechenaufwand den Energiespeicher und dessen Temperaturverhalten zu simulieren und bei Erfassen, dass ein Temperaturwert den zugehörigen Grenzwert überschreitet, eine Sicherungsmaßnahme eingeleitet wird. Insbesondere mit einem Vergleich durch tatsächlich vorliegende Temperaturen, die beispielsweise mithilfe von Sensoren an den Speicherzellen überwacht werden, ist dadurch ein besonders sicherer Betrieb des Energiespeichers gewährleistet. Während bei einer Reduktion des gesamten numerischen Modells im Vorfeld für alle Parameterkombinationen Simulationen des vollständigen Systems durchgeführt werden müssten, was bei einem entsprechend großen System zu einem sehr hohen Aufwand, insbesondere in Bezug auf die Zeit, die zur Durchführung der Simulation notwendig ist, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass eine Aufteilung des Gesamtsystems in ein lineares und nicht-lineares Teilsystem beziehungsweise Modell erfolgt, die jeweils für sich reduziert werden, wodurch die Gesamtrechenzeit für die Simulation stark verringert wird. Insbesondere weil ein nicht-lineares Teilmodell nur für die Fluidströmungen des Kühlsystems angewendet wird, ist die Anzahl von Inputparametern von Temperaturen und Verlustleistungen aus den Modulen auf die Fluideinlasstemperatur und den Massenstrom begrenzt. Weiterhin wird die Rechenzeit die Systemsimulation durch eine bevorzugt stationäre Annahme der Fluidströmung stark verringert. Durch die Vernachlässigung der Strömung des Kühlmediums im restlichen Batteriesystem wird durch das lineare Gleichungssystem, auf das die linearen Reduktionsmethoden angewendet werden, die Rechenzeit für die notwendige Simulation des vollständigen Systems für jeden Parameter deutlich verringert. Vorzugsweise wird als nicht-lineare Reduktionsmethode die sogenannte „proper orthogonal decomposition“ angewandt, die weiterhin die Möglichkeit gewährleistet, eine nicht-lineare Approximation der Fluidströmung beziehungsweise Kühlmedienströmung durchzuführen, während die linearen Zusammenhänge des Energiespeichers mit anderen effizienten Reduktionsmethoden approximiert können. Das Aufteilen des Gesamtsystems beziehungsweise des numerischen Modells des Energiespeichers in die Teilmodelle hat den Vorteil, dass unterschiedliche Methoden, spezifisch für das jeweilige Modell optimiert und angepasst werden, wodurch eine insgesamt hohe Effizienzsteigerung ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das thermische, lineare Modell außerdem ein Gehäuse des Energiespeichers, das beispielsweise Rahmen, Quer- und Längsträger und/oder einen Deckel aufweist, sowie, sofern vorhanden, thermische Leitpaste oder Pasten, die zwischen einzelnen Komponenten des Energiespeichers wirken, insbesondere zwischen den Speicherzellen und dem Kühlsystem beziehungsweise der Kühlplatte des Kühlsystems.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden im Schritt b) nur Gleichungen verwendet, die linear von Temperaturen der Speicherzellen abhängig sind. Dadurch wird das thermische Teilmodell in Schritt b) mit einfach zu lösenden Gleichungen, insbesondere Energiegleichungen, erstellt, mithilfe derer eine vorteilhafte Reduzierung in Schritt d) durch die lineare Reduktionsmethode ermöglicht ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt b) eine Verlustleistung der jeweiligen Speicherzelle als Abwärme zumindest in Abhängigkeit von der Temperatur der jeweiligen Speicherzelle, einem elektrischen Ladezustand der jeweiligen Speicherzelle und einem angeforderten Laststrom an die jeweilige Speicherzelle ermittelt. Die einzelnen Werte werden insbesondere aus einem Batteriemanagementsystem entnommen, das zum Betrieb des Energiespeichers genutzt wird und diese Werte ohnehin kennt beziehungsweise zur Verfügung stellen kann. Insbesondere ergeben sich die Werte aus dem thermischen ROM. Durch das Ermitteln der Verlustleistung sind Wärmeströme der jeweiligen Speicherzelle in vorteilhafter Weise bestimmbar und zur Bestimmung der Temperaturwerte der jeweiligen Speicherzelle berücksichtigbar. Bei der Bestimmung der Verlustleistung werden optional außerdem zusätzlich die Abwärmeströme weiterer elektrischer/elektronischer Komponenten des Energiespeichers berücksichtigt, wie beispielsweise von Schalteinrichtungen, Schützen, elektrischen Widerständen, wie beispielsweise neben Widerständen zur Spannungsmessung, Sicherungen, die beispielsweise zu Nebenaggregaten oder Hauptstrompfad führen, Kontroller, insbesondere Zellmanagementkontroller, die bevorzugt Ausgleichsregelwiderstände aufweisen, Hochvoltverbinder zwischen Speicherzellen sowie ein Steuergerät, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, das in den elektrischen Speicher integriert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden in Schritt b) in Abhängigkeit von den ermittelten Verlustleistungen eine Temperaturverteilung der Temperaturen der Speicherzellen in Bezug auf das Kühlsystem, insbesondere in Bezug auf eine den Speicherzellen zugeordnete Kühlplatte des Kühlsystems, ermittelt und sich daraus ergebende Wärmeströme zu dem Kühlsystem bestimmt. Damit wird insbesondere zu jedem Zeitschritt eine neue Temperaturverteilung über den gesamten Energiespeicher berechnet sowie ein Wärmestrom, der von dem Energiespeicher beziehungsweise den Speicherzellen an das Kühlsystem abgegeben werden soll. Das lineare Teilmodell generiert aus den Zustandsvariablen T (Temperatur) die gewünschte Ausgangsgröße T(x), also die räumliche Auflösung der Temperatur T über den Energiespeicher (x = Ort der Temperatur oder Speicherzelle), beispielsweise auch die maximale oder die mittlere Temperatur spezifischer Bauteile des Energiespeichers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden in Schritt c) nicht-lineare Navier-stokes-Gleichungen und Turbulenzmodelle zur Masken- und Impulserhaltung verwendet. Hierdurch ist das thermisch, nicht-lineare Teilmodell in vorteilhafter Weise darstellbar.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in Schritt c) die im Folgenden genannten Parameter, insbesondere nur die im Folgenden genannten Parameter, zur Bestimmung einer Kühlmediumendtemperatur des Kühlmediums berücksichtigt werden: Ein Kühlmedium-Volumenstrom, eine Temperatur des Kühlmediumstroms an einem Kühlmediumstromeinlass und die ermittelten Abwärmeströme der Speicherzelle. Unter der Kühlmediumendtemperatur wird die Temperatur des Kühlmediums verstanden, welche das Kühlmedium aufweist, wenn es das Kühlsystem, insbesondere die Kühlplatte, verlässt. Durch die ermittelten Abwärmeströme der Speicherzellen ist der Temperatureinfluss der Speicherzellen auf das Kühlmedium feststellbar und damit die Kühlmediumendtemperatur in Abhängigkeit vom Kühlmedium-Volumenstrom und der Temperatur beim Eintreten in das Kühlsystem beziehungsweise in die Kühlplatte in vorteilhafter Weise feststellbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in einem Schritt f) in Abhängigkeit von einer Strömungsverteilung und/oder einem Strömungsverlauf des Kühlmediums in Bezug auf die Speicherzelle und der ermittelten Kühlmedienendtemperatur ein Wärmeübertragungskoeffizient von der Speicherzelle zu dem Kühlsystem, insbesondere zu der Kühlplatte ermittelt. Mithilfe des Wärmeübertragungskoeffizienten ist eine vorteilhafte Überwachung des Energiespeichers und Bestimmung der Temperaturwerte durchführbar.
Bevorzugt werden in Schritt c) Zustandsaufnahmen, insbesondere mittels Parametervariation, zur Erstellung des reduzierten Teilmodells erzeugt. Um Systeminformationen aus dem nicht-linearen Kühlsystem-Teilmodell zu extrahieren, werden sogenannte Snapshots beziehungsweise Zustandsaufnahmen des Systems erstellt. Mithilfe von Parametervariation beziehungsweise einer Vielzahl von Parametervariationen wird ein sogenanntes Design of Experiments (DOE) durchgeführt, indem Ein- und Ausgangsgrößen verknüpft und berechnet werden, und indem die Zustandsvariablen Temperatur-, Druck- und Fluidgeschwindigkeit für jede der Zustandsaufnahmen für alle Volumenelemente des numerischen Modells beziehungsweise des Teilmodells ausgeschrieben werden. Welche Zustandsvariablem im Einzelfall notwendig ist, hängt insbesondere von der verwendeten Reduktionsmethode ab. Vorzugsweise werden zur Reduktion des nicht-linearen Teilmodells die Zustandsaufnahmen der Zustandsvariablen zu den einzelnen Eingangsgrößen in einer Korrelationsmatrix zusammengefasst, aus welcher durch Eigenwertzerlegung sogenannte POD-Moden extrahiert werden. Aus den r-Moden (r = Anzahl der Moden) mit größten Eigenvektoren kann das reduzierte Teilmodell zusammengesetzt werden, welches die zugehörigen Ausgangsgrößen korrekt abbildet. Weil das Kühlsystem als stationäres System betrachtet wird, ergibt sich für die Zustandsaufnahme ein stationärer Zustand, sodass die Zeit bei der Modellierung nicht als Parameter einfließt.
Vorzugsweise wird als Sicherungsmaßnahme eine Warnmeldung ausgegeben, die Laststromanforderung an die Speicherzellen verändert und/oder die Leistung des Kühlsystems verändert. Die Sicherungsmaßnahmen kann zum Gegenstand haben, dass der Benutzer lediglich auf das Vorliegen einer Warnmeldung aufmerksam gemacht wird, beispielsweise durch eine akustische und/oder visuelle Warnmeldung, oder dass eine systeminterne Warnmeldung ergeht, die beispielsweise bewirkt, dass die Laststromanforderung an die Speicherzellen verändert wird, um beispielsweise ein Überhitzen der Speicherzellen zu vermeiden, oder die Leistung des Kühlsystems wird angepasst, um beispielsweise eine erhöhte Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass es bei Ausführung das in Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte reduzierte Modell verwendet beziehungsweise ausgeführt, um Temperaturwerte von Speicherzellen des Energiespeichers zu bestimmen und zumindest eine Sicherungsmaßnahme einleitet, wenn eine der ermittelten Temperaturwerte einen zugehörigen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Aufgrund der Verwendung des reduzierten Modells ist eine reduzierte Rechenleistung und Speicherleistung notwendig, sodass das Computerprogramm-Produkt insbesondere auch mit reduziertem Aufwand in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs durchführbar ist, um eine Live-Überwachung beziehungsweise Online-Überwachung des Energiespeichers zu ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch eine Recheneinheit aus, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ein Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 ausführt. Es ergeben sich auch hierdurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist die Vorrichtung als Steuergerät des Energiespeichers, insbesondere eines den Energiespeicher aufweisenden Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt. Somit dient die Vorrichtung insbesondere auch zur Erzeugung des reduzierten Modells, wobei dann die Vorrichtung bevorzugt ein Rechenzentrum mit einer hohen Rechenleistung ist, um das reduzierte Modell herzustellen.
Die elektrische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch die Vorrichtung nach Anspruch 11 aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Insbesondere weist das Kühlsystem der Antriebseinrichtung eine Kühlplatte auf, auf welche die Speicherzellen verteilt angeordnet sind, wobei die Kühlplatte von dem insbesondere flüssigen Kühlmedium durchströmbar ist, sodass Wärme von den Speicherzellen in das Kühlmedium abgegeben werden kann. Durch den Einsatz der vorteilhaften Vorrichtung in der Antriebseinrichtung ist ein Zustand des Energiespeichers vorteilhaft simulierbar, sodass eine Überwachung des Energiespeichers durch das Einleiten von Sicherungsmaßnahmen in vorteilhafter Weise durchführbar sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 einen elektrischen Energiespeicher in einer vereinfachten Explosionsdarstellung,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Überwachen des Energiespeichers und
3 eine vereinfachte Modelldarstellung des Verfahrens.

1 zeigt in einer vereinfachten Explosionsdarstellung einen elektrischen Energiespeicher 1 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Der Energiespeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das zumindest ein Oberteil 3 und ein Unterteil 4, beispielsweise in Form eines Unterbodenschutzelements, aufweist. Seitenwände des Gehäuses 2 sind in dem Ausführungsbeispiel von 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt. Der Energiespeicher 1 weist mehrere in dem Gehäuse 2 angeordnete Speicherzellen 5 auf, die vorliegend in zwei Reihen nebeneinanderliegend angeordnet sind. Zwischen den Speicherzellen 5 ist eine Steckerleiste 6 angeordnet, durch welche die Speicherzellen 5 elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Steckerleiste 6 aus dem Gehäuse 2 im montierten Zustand herausragt, und außenseitig Anschlussmöglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung des Energiespeichers 1 bereitstellt. In dem Gehäuse 2 ist weiterhin ein Kühlsystem 7 angeordnet, das eine Kühlplatte 8 aufweist, die mit zumindest einem, insbesondere mehreren, Kühlmittelkanälen durchsetzt ist, die von einem insbesondere flüssigen Kühlmedium durchströmbar sind. Im montierten Zustand liegen die Speicherzellen 5 auf der Kühlplatte 8 auf, optional unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitpaste, um eine verbesserte Wärmeabfuhr von den Speicherzellen in das Kühlmedium zu ermöglichen. Optional ist in dem Gehäuse 2 außerdem ein Steuergerät 9 angeordnet, das ein Batteriemanagementsystem aufweist, durch welches die Speicherzellen im Betrieb überwacht und angesteuert werden, um die Effizienz des Energiespeichers 1 zu maximieren und eine vorzeitige Alterung und/oder eine Beschädigung des Energiespeichers 1 zu verhindern. Batteriemanagementsysteme sind grundsätzlich bekannt, sodass an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden soll.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur vereinfachten Darstellung eines vorteilhaften Verfahrens zum Überwachen des oben beschriebenen Energiespeichers 1. Durch das vorteilhafte Verfahren wird eine Überwachung des Energiespeichers mithilfe von Simulationsergebnissen ermöglicht, um beispielsweise den simulierten Energiespeicher mit dem realen Energiespeicher vergleichen zu können, um beispielsweise einen Defekt des Energiespeichers schnell und ohne großen Aufwand erfassen und die Anzahl eingesetzter Sensoren reduzieren zu können.
Das Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Schritt S1 ein numerisches Modell des Energiespeichers 1 zur Bestimmung einer Temperatur der jeweiligen Speicherzelle erzeugt wird. Dazu wird beispielsweise ein detailliertes CFD-Simulationsmodell des Energiespeichers erstellt. Dazu wird der gesamte Energiespeicher 1 in einem geeigneten CFD-Resolver in Volumenelemente diskretisiert und gelöst. Anschließend wird in einem Schritt S2 ein rein thermisches, lineares Teilmodell des Energiespeichers 1 ohne das Kühlsystem 7 und in einem Schritt S3 ein nicht-lineares Teilmodell nur des Kühlsystems 7 erstellt.
Im Schritt S2 wird das thermische Teilmodell nur mit Energiegleichungen zwischen den einzelnen Volumenelementen gelöst, die rein linear von der Temperatur in den einzelnen Volumenelementen des Modells abhängen.
In dem Schritt S3 werden bezogen auf die Kühlplatte 8 sowohl Energiegleichungen als auch nicht-lineare navier-stokes-Gleichungen und zusätzliche Turbulenzmodelle zur Massen- und Impulserhaltung des Kühlmediums in den einzelnen Volumenelementen des Teilmodells gelöst.
Aus dem thermischen System werden in Schritt S2 vorzugsweise die Systemmatrizen herausgeschrieben beziehungsweise extrahiert, um daraus ein Zustandsraummodell nach folgender Form zu generieren: $\dot{x} (t) = A x (t) + B u (t); y (t) = C^{T} x (t)$
Um in dem Schritt S3 die Systeminformationen aus dem nicht-linearen Teilmodell zu extrahieren, werden sogenannte Zustandsaufnahmen oder Snapshots des Teilmodells erstellt. Vorzugsweise wird dabei ein Design of Experiments (DOE) beziehungsweise eine Parametervariation durchgeführt, in dem Ein- und Ausgangsgrößen verknüpft und berechnet werden, wobei die Zustandsvariablen Temperatur T, Druck p, und Fluidgeschwindigkeit v̇ für jede Parametervariation für alle Volumenelemente des Modells ausgeschrieben werden. Vorzugsweise werden die Zustandsvariablen in Abhängigkeit von dem im Folgenden verwendeten Reduktionsmodell gewählt.
In einem folgenden Schritt S4 wird aus dem linearen thermischen Teilmodell aus Schritt S2 durch eine geeignete Reduktionsmethode ein reduziertes Teilmodell erzeugt. In einem Schritt S5 wird aus dem in Schritt S3 erzeugten nicht-linearen Teilmodell ein reduziertes nicht-lineares Teilmodell erzeugt.
Für den Schritt S4 können grundsätzlich verschiedene lineare Modellreduktionsmethoden angewendet werden. Insbesondere wird ein balanciertes Abschneiden oder eine Pade-Approximation ausgeführt. Beim balancierten Abschneiden wird vorzugsweise eine Projektionsmatrix W gefunden, welche die Systemmatrizen so transformiert, dass die größten Energieanteile im System erhalten bleiben: A_r = TAT^-1
Bei der Pade-Approximation wird die Übertragungsfunktion bevorzugt durch sogenanntes „Moment Matching“ an ausgewählten Frequenzbereichen approximiert. Anschließend wird durch eine Rücktransformation in den Zeitbereich das reduzierte Teilmodell erstellt.
Für die Erstellung des reduzierten nicht-linearen Teilmodells in Schritt S5 werden die Snapshots beziehungsweise Zustandsaufnahmen der Zustandsvariablen zu den einzelnen Eingangsgrößen in einer Korrelationsmatrix zusammengefasst, aus welcher durch Eigenwertzerlegung die sogenannten POD-Moden extrahiert werden. Aus den Moden mit größten Eigenvektoren kann das reduzierte Teilmodell zusammengesetzt werden, welches die zugehörigen Ausgangsgrößen korrekt abbildet. Bevorzugt wird das Kühlsystem 7 rein stationär betrachtet, sodass sich für jeden Design-Punkt beziehungsweise für jede Zustandsaufnahme ein stationärer Zustand ergibt, wobei die Zeit t bei dieser (Teil-)Modellierung nicht als Parameter einfließt.
In einem folgenden Schritt S6 werden die beiden in Schritten S4 und S5 erzeugten reduzierten Teilmodelle zu einem reduzierten Modell des Energiespeichers 1 zusammengefügt. Dies wird beispielsweise in dem Batteriemanagementsystem des Steuergeräts 9 eingesetzt. Die beiden reduzierten Teilmodelle werden über die Abwärme des Energiespeichers 1 und den Wärmeübertragungskoeffizient α_pl, an der Kühlplatte 8, sowie die ermittelten Temperaturen gekoppelt und iterativ für jeden Zeitschritt über folgende Gleichung gelöst: $(T_{p l} - T_{s p}) * α_{p l} * A_{c o o l}$
In der Gleichung (3) bedeuten die Parameter T_pl die Temperatur der Kühlplatte 8, T_sp die Temperatur eines oder mehrerer ausgewählter Speichermodule, α_pl den Wärmeübertragungskoeffizienten an der Kühlplatte und A_cool die zur Verfügung stehende Kühlfläche, beispielsweise einer der Speicherzellen 5. Das thermische System wird weiterhin an ein elektrothermisches System zur Berechnung der elektrischen Verlustleistungen in dem Energiespeicher und insbesondere einer Leistungselektronik herangezogen. Das elektrische Modell enthält beispielsweise ein elektrisches Ersatzschaltbild des Energiespeichers 1 mit Kapazitäts- und Widerstandsgliedern, die das elektrische Verhalten des Energiespeichers darstellen. Das elektrische Modell erhält vorzugsweise weiterhin Daten aus dem Batteriemanagementsystem BMS über Temperatursensoren und Fahrzeuginformationen, wie die angefragte Fahrleistung und daraus resultierenden Strom, aktueller Ladezustand (SOC) und Umgebungstemperatur des Energiespeichers 1. Die Ausgangsgrößen des Systems können im Batteriemanagementsystem zur Regelung der Kühlleistung und Leistungsbegrenzung des Energiespeichers, insbesondere auch einzelner Speicherzellen 5 des Energiespeichers 1 genutzt werden.
3 zeigt vereinfacht das Zusammenwirken der reduzierten Teilmodelle mit dem Batteriemanagementsystem BMS. Dabei sind die oben genannten einzelnen Schritte nochmals gezeigt, mit einer Vereinfachung der darin erstellten Modelle und Zusammenhänge, wobei insbesondere das Zusammenwirken des reduzierten nicht-linearen Teilmodells mit dem reduzierten linearen Teilmodell zur Herstellung des reduzierten Modells vereinfacht dargestellt ist. Dabei werden folgende Variablen berücksichtigt:

T(x) = ein Temperaturwert T im Batteriesystem an der Stelle x (Entspricht dem Outputvektor des linearen Modells)
A_r = Systemmatrix mit reduzierter Dimension r
B_r = Eingangsmatrix mit reduzierter Dimension r
u = Eingangsvektor mit allen Eingangswerten
Ṫ = Temperaturänderung über die Zeit:
C_r ^T = Ausgangsmatrix mit reduzierter Dimension r
T_cell = Temperatur einer Speicherzelle j
Tⁱ _plate = Temperatur der Kühlplatte 8 an der Stelle i
αⁱ = Wärmeübertragungskoeffizient an der Kühlplatte 8 an der Stelle i
Tⁱ _Cell _at _plate = Temperatur einer Speicherzelle 5 an der Kühlplatte an der Stelle i
Q̇ⁱ _c = Wärme die an das Kühlsystem 7 abgeführt wird
ṁ_in = Massenstrom des Kühlfluids am Einlass
T_fluid _inlet = Temperatur der Fluids am Einlass
µ = Input-Parameter für die Parametervariation
v = Strömungsgeschwindigkeit Kühlmedium
v () = Geschwindigkeitsverteilung der Kühlplatte in Abhängigkeit von Inoutparametern
T() = Temperaturverteilung der Kühlplatte in Abhängigkeit von Inoutparametern
a = Parameterabhängiger Faktor aus der POD Methode
b = Parameterabhängiger Faktor aus der POD Methode
φ_i = POD Basis i der Geschwindigkeit
ψ_i = POD Basis i der Temperatur
y = Outputvektor (Beinhaltet alle outputvariablen des reduzierten Modells)
I_cell = Betriebsstrom einer ausgewählten Speicherzelle 5
R0 bis R2: Widerstandsglieder des Ersatzschaltbildes
C1, C2: Kapazitätsglieder der Ersatzschaltbildes
SOC = State of Charge = Ladezustand einer ausgewählten Speicherzelle 5
I_cell = Strom der durch eine ausgewählte Speicherzelle 5 fließt
T_ambient = Umgebungstemperatur
Q_el = elektrische Verlustleistung einer Hochvoltkomponente, insbesondere einer ausgewählten Speicherzelle

Dabei wird basierend auf der Strömungsverteilung v und der berechneten Fluidtemperatur T_fl als Output der Wärmeübertragungskoeffizient α an der Kühlplatte 8 berechnet. Das in Schritt 6 erzeugte Modell wird bevorzugt auf einem Datenträger als Computerprogramm-Produkt gespeichert und bevorzugt in einem Steuergerät zum Betreiben beziehungsweise zum Überwachen des Energiespeichers eingesetzt. In dem Steuergerät wird dann das reduzierte Modell ausgeführt, um das Temperaturverhalten des Energiespeichers 1 zu simulieren. Hierzu wird das Modell in einem Schritt S7 beispielsweise in dem Steuergerät 9 gestartet. In einem darauffolgenden Schritt S8 werden die von dem reduzierten Modell ermittelten Temperaturwerte der Speicherzellen 5 oder des Energiespeichers 1 insgesamt mit jeweils vorgegebenen Grenztemperaturwerten verglichen. Dabei wird insbesondere geprüft, ob die berechneten Temperaturwerte von den vorgegebenen Grenztemperaturwerten über einen vorbestimmten Betrag (positiv oder negativ) abweichen. Liegen die ermittelten Temperaturwerte innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs, so wird auf den fehlerfreien Betrieb des Energiespeichers 1 erkannt. Weichen die ermittelten Werte jedoch von den Grenztemperaturwerten über den vorgegebenen Betrag hinaus ab, wird darauf erkannt, dass ein Fehler in dem Energiespeicher 1 vorliegt. In diesem Fall (n), wenn also die ermittelten Temperaturwerte nicht den erwarteten Werten entsprechen, wird in einem Schritt S9 eine Warnmeldung ausgegeben. Bei dieser Warnmeldung handelt es sich gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel um eine akustische und visuelle Warnmeldung an einen Benutzer des Energiespeichers 1, beispielsweise an den Fahrer des den Energiespeicher 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das Kühlsystem 7 dazu angesteuert, seine Kühlleistung zu erhöhen oder zu reduzieren, um ein Überhitzen und/oder Unterkühlen des Energiespeichers 1 zu verhindern. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass bei Überschreiten des Toleranzbereichs durch eine oder mehrere der Speicherzellen 5 die elektrische Leistungsanforderung an diese Speicherzellen 5 begrenzt oder reduziert wird, um eine Überanspruchung und überhöhte Wärmeentwicklung zu vermeiden.
Optional werden bevorzugt im Schritt S2 neben den Temperaturen der Speicherzellen 5 selbst auch Temperaturen aus der Peripherie der Speicherzellen 5, wie beispielsweise Temperaturwerte von elektrischen/elektronischen Komponenten des Energiespeichers, wie beispielsweise elektrische Widerstände, Schalter, wie beispielsweise Hochvoltverbinder zwischen den Zellspeichern, Sicherungselemente, Schütze, Kontroller und/oder das Steuergerät 9 selbst berücksichtigt. Vorzugsweise werden außerdem in das thermische, lineare Teilmodell im Schritt S2 zusätzlich zu den Speicherzellen und den oben genannten Peripherieelementen das Gehäuse 2 des Energiespeichers, beispielsweise Oberteil 3, Unterteil 4 sowie die hier nicht dargestellten Seitenwände und/oder Quer- und Längsträger, und/oder, soweit vorhanden, thermische Leitpasten in dem Energiespeicher 1 berücksichtigt.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Gehäuse
3: Oberteil
4: Unterteil
5: Speicherzelle
6: Steckerleiste
7: Kühlsystem
8: Kühlplatte
9: Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/151500 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (1), insbesondere einer elektrische Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen (5) und ein den Speicherzellen (5) zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem (7) zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen (5) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines numerischen Modells des Energiespeichers (1) zur Bestimmung einer Temperatur (T) der jeweiligen Speicherzelle (5), b) wobei die Speicherzellen (5) durch ein thermisches, lineares Teilmodell der jeweiligen Speicherzelle (5) dargestellt werden, c) und wobei das Kühlsystem (7) durch ein thermisches, nicht-lineares Teilmodell dargestellt wird, d) Reduzieren des linearen Teilmodells aus Schritt b) durch zumindest eine lineare Modellreduktionsmethode, e) Reduzieren des nicht-linearen Teilmodells aus Schritt c) durch zumindest eine nicht-lineare Reduktionsmethode, f) Bilden eines reduzierten Modells aus den in Schritten d) und e) erzeugten Teilmodellen zur Bestimmung der Temperaturwerte jeder Speicherzelle (5), g) Vergleichen der in Schritt f) ermittelten Temperaturwerte mit einem oder jeweils einem vorgegebenen Grenzwert und Einleiten zumindest einer Sicherungsmaßnahme, wenn einer der ermittelten Temperaturwerte von den zugehörigen Grenzwert über ein vorgegebenes Maß hinaus abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) nur Gleichungen verwendet werden, die linear von Temperaturen der Speicherzellen (5) abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Verlustleistung der jeweiligen Speicherzelle (5) als Abwärme zumindest in Abhängigkeit von der Temperatur (T) der jeweiligen Speicherzelle (5), einem elektrischen Ladezustand der jeweiligen Speicherzelle (5) und einem angeforderten Laststrom an die jeweilige Speicherzelle (5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in Abhängigkeit von den ermittelten Verlustleistungen eine Temperaturverteilung der Temperaturen der Speicherzellen (5) in Bezug auf das Kühlsystem (7), insbesondere in Bezug auf eine den Speicherzellen (5) zugeordnete Kühlplatte (8) des Kühlsystems (7), ermittelt und sich daraus ergebende Wärmeströme zu dem Kühlsystem (7) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) nicht-lineare Navier-Stokes-Gleichungen und Turbulenzmodelle zur Massen- und Impulserhaltung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die folgenden Parameter, insbesondere nur die folgenden Parameter, zur Bestimmung einer Kühlmediumendtemperatur des Kühlmediums berücksichtigt werden: Ein Kühlmedium-Volumenstrom, eine Temperatur des Kühlmediumstroms an einem Kühlmediumstromeinlass und die ermittelten Abwärmeströme der Speicherzellen (5).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt f) in Abhängigkeit von einer Strömungsverteilung und/oder einem Strömungsverlauf des Kühlmediums in Bezug auf die Speicherzellen (5) und der ermittelten Kühlmedienendtemperatur ein Wärmeübertragungskoeffizient von den Speicherzellen (5) zu dem Kühlsystem (7), insbesondere zu der Kühlplatte (8), ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) Zustandsaufnahmen, insbesondere mittels Parametervariation, zur Erstellung des reduzierten Teilmodells erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sicherungsmaßnahme eine Warnmeldung ausgegeben, die Laststromanforderung an die Speicherzellen (5) verändert und/oder die Leistung des Kühlsystems (7) verändert werden.
Computerprogramm-Produkt zur Ausführung durch eine Recheneinheit einer Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (1), insbesondere einer elektrischen Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen (5) und ein den Speicherzellen (5) zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem (7) zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Ausführung das in Schritt f) von Anspruch 1 erzeugte reduzierte Modell verwendet, um Temperaturwerte von Speicherzellen (5) des Energiespeichers (1) zu bestimmen.
Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer elektrischen Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der mehrere Speicherzellen (5) und ein den Speicherzellen (5) zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem (7) zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen (5) aufweist, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ein Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.
Elektrische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine und einem elektrischen Energiespeicher (1), wobei der Energiespeicher (1) mehrere Speicherzellen (5) und ein den Speicherzellen (5) zugeordnetes und von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlsystem (7) zur Abfuhr von Wärme aus den Speicherzellen (5) aufweist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 11.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7) eine Kühlplatte (8) aufweist, auf welcher die Speicherzellen (5) verteilt angeordnet sind, wobei die Kühlplatte (8) von dem Kühlmedium durchströmbar ist.