DE102010045514A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einem elektrischen Energiespeicher (10) zum Bereitstellen einer Spannung für eine elektrische Maschine des Kraftwagens, wobei der Energiespeicher (10) eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) umfasst, für welche jeweils eine Klemmenspannung und/oder eine Zellentemperatur mittels jeweiligen, den elektrochemischen Zellen zugeordneten Spannungs- (28, 30, 32, 34) und/oder Temperatursensoren (20, 22, 24, 26) gemessen werden, wobei bei Ausfall eines Sensors (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) die Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur der dem Sensor (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) auf Grundlage der Klemmenspannung und/oder der Zellentemperatur wenigstens einer weiteren elektrochemische Zelle (12, 14, 16, 18) des Energiespeichers (10) abgeschätzt wird. Dies ermöglicht es, den Kraftwagen auch bei einem Sensorausfall so lange sicher weiter zu betreiben, bis eine Reparatur durchgeführt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einem elektrischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Für Kraftwagen mit elektrischem Antriebsaggregat, wie beispielsweise rein elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, sind elektrische Energiespeicher mit hoher Speicherkapazität und der Fähigkeit zu hoher Leistungsabgabe notwendig. Solche Energiespeicher bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die in Reihe geschaltet sind, um die notwendigen hohen Spannungen von bis zu 650 V bereitzustellen. Auch Reihenschaltung von parallel geschalteten Zellen zur Erhöhung der Kapazität sind bekannt.
  • Aufgrund der hohen Leistungsabgabe des Energiespeichers im Betrieb eines solchen Kraftwagens müssen die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers überwacht werden, um Beschädigungen durch Überhitzung, Tiefentladung oder dergleichen zu vermeiden. Den einzelnen elektrochemischen Zellen sind daher üblicherweise Sensoren zum Messen ihrer Klemmenspannung und/oder ihrer Zellentemperatur zugeordnet. Beim Ausfall eines solchen Sensors stehen der Batteriesteuerung keine Informationen über die betreffende Zelle mehr zur Verfügung. Um in diesem Zustand zuverlässig Beschädigungen zu vermeiden, wird der Kraftwagen üblicherweise in einen kurzfristigen Notlaufzustand versetzt oder gleich vollständig deaktiviert. Selbst wenn ein Notlaufbetrieb vorgesehen ist, so genügt dieser oftmals nicht, den Kraftwagen zu einer Werkstatt zu bringen und das Problem beheben zu lassen. Für den Fahrer des Kraftwagens sind solche Sensorausfälle daher mit erheblichem Aufwand, Kosten und Komforteinbußen verbunden.
  • Ein Verfahren zum Überwachen von Einzelzellen einer Batterie ist beispielsweise aus der US 6 563 291 B2 bekannt. Die Einzelzellen der Batterie werden durch Vergleich jeder Klemmenspannung mit Spannungsgrenzwerten auf Über- bzw. Unterladung überwacht. Wird von einer einzelnen Zelle ein solcher Grenzwert über- bzw. unterschritten, so wird zunächst versucht, die Zelle entsprechend verstärkt zu laden oder zu entladen. Bleibt der Fehler trotzdem nach einer vorgegebenen Zeit bestehen, so geht die Batteriesteuerung von einem dauerhaften Fehler aus und schaltet die Batterien ab.
  • Ferner ist aus der US 7 173 396 B2 ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie eines Hybridfahrzeugs bekannt, bei welchem bei einem Sensorausfall ein angenommener Ladezustand der Batterie auf einen vorgegebenen Minimalwert gesetzt wird, so dass das Fahrzeug noch kurzfristig fahrtauglich bleibt. Ausgehend von diesem vorgegebenen Wert wird der Ladezustand der Batterie während dieses Notlaufbetriebs weiter abgeschätzt, wobei bei Erreichen eines unteren Grenzwerts für den Ladezustand das Fahrzeug stillgelegt wird. Auch dieses Verfahren kann nicht gewährleisten, dass bei einem Sensorausfall das Fahrzeug eine Werkstatt erreichen kann, ohne abgeschleppt werden zu müssen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches einen sicheren und hinreichend langen Weiterbetrieb des Kraftwagens bei Ausfall eines Sensors für eine elektrochemische Zelle ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Ausfall eines Sensors zum Messen einer Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur einer elektrochemischen Zelle eines elektrischen Energiespeichers für einen Kraftwagen die Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur der dem Sensor zugeordneten Zelle auf Grundlage der Zellenspannung und/oder der Zellentemperatur wenigstens einer weiteren elektrochemischen Zelle des Energiespeichers abgeschätzt. Da sich die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers gegenseitig beeinflussen, ist es so möglich, zumindest einen Näherungswert für die Klemmenspannung oder die Zellentemperatur der Zelle mit dem ausgefallenen Sensor zu erhalten. Solange sich dieser Näherungswert innerhalb eines vorgegebenen Rahmens bewegt, ist es daher nicht nötig, den Kraftwagen sofort stillzulegen. Damit kann gewährleistet werden, dass auch bei einem Sensorausfall im Energiespeicher des Kraftwagens genügend sichere Betriebszeit für den Kraftwagen verbleibt, dass dieser vom Benutzer zum Service gebracht werden kann. Ein Liegenbleiben des Kraftwagens allein wegen eines Sensorausfalls wird daher vermieden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird bei Ausfall eines Temperatursensors die Zellentemperatur der zugeordneten Zelle als Mittelwert der Zellentemperaturen der zu dieser Zelle benachbarten Zelle abgeschätzt. Dies ist möglich, da innerhalb des Energiespeichers ein Wärmeübergang zwischen benachbarten Zellen stattfindet. Auf diese Art kann ohne großen rechnerischen oder sensorischen Aufwand die Temperatur einer Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor zuverlässig weiter überwacht werden.
  • Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Zellentemperaturen der benachbarten Zellen in Abhängigkeit von deren Position im Energiespeicher gewichtet werden. Auf diese Art kann ein genauerer Schätzwert für die Temperatur der Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor erzielt werden. Es ist beispielsweise möglich, hierbei den zusätzlichen Wärmeverlust von randständigen Zellen des Energiespeichers in Betracht zu ziehen oder die Einflüsse unterschiedlicher Wärmeübergangsflächen zwischen einzelnen Zellen und einem Kühlsystem des Energiespeichers zu kompensieren.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus einer vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperatur oder einem vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperaturverlauf der dem ausgefallenen Temperatursensor zugeordneten Zelle ein Korrekturfaktor zum Korrigieren des Mittelwerts der Temperatur der benachbarten Zellen bestimmt. Hierdurch wird ein besonders guter Schätzwert für die Zelltemperatur der Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor erzielt. Insbesondere können auf diese Art spezifische Eigenschaften der Zelle mit ausgefallenem Sensor in die Abschätzung mit eingehen. So würde beispielsweise der Mittelwert der benachbarten Zellen nach oben korrigiert, wenn die Zelle mit ausgefallenem Sensor vor Ausfall des Sensors bereits eine erhöhte Temperatur gezeigt hat. Hierdurch kann zuverlässig eine Überhitzung dieser Zelle verhindert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Ausfall eines Spannungssensors die Klemmenspannung der zugeordneten Zelle als Differenz zwischen der Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers und den Klemmenspannungen der übrigen Zellen abgeschätzt. Auch dies ist eine besonders einfache und rechnerisch sowie sensorisch nicht aufwändige Methode, um zumindest einen Schätzwert für die Klemmenspannung der Zelle mit ausgefallenem Spannungssensor zu erhalten, welche darauf beruht, dass die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers in Reihe geschaltet sind, so dass die Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers der Summe der Klemmenspannungen aller elektrochemischen Zellen im Energiespeicher entspricht.
  • Auch hier ist es zweckmäßig, aus einer vor Ausfall des Spannungssensors gemessenen Klemmenspannung oder einem vor Ausfall des Spannungssensors gemessenen Klemmenspannungsverlauf der zugeordneten Zelle einen Korrekturfaktor zum Korrigieren der geschätzten Klemmenspannung der zugeordneten Zelle zu bestimmen. Dies ermöglicht es, Fehler, die beispielsweise durch den Widerstand der elektrischen Leitungen im Energiespeicher hervorgerufen werden, zu kompensieren, sodass ein sehr genauer Schätzwert erhalten wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Ausfall eines Temperatur- und/oder Spannungssensors eine maximale Leistungsabgabe des Energiespeichers auf einen vorgegebenen Wert beschränkt. Hierdurch wird vermieden, dass die Zelle mit ausgefallenem Sensor überlastet wird, so dass ein sicherer Notlaufbetrieb mit nur geringem Beschädigungsrisiko für den Energiespeicher gewährleistet ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung einer Batterie eines Kraftwagens zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Batterie zur Spannungsversorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftwagens umfasst mehrere elektrochemische Zellen 12, 14, 16, 18, denen jeweils ein Spannungssensor 20, 22, 24, 26 zugeordnet ist, mittels welchem die Klemmenspannung der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 überwacht wird. Zusätzlich ist jeder elektrochemischen Zelle 12, 14, 16, 18 ein Temperatursensor 28, 30, 32, 34 zugeordnet, mit denen die Zellentemperaturen gemessen werden. Die Spannungssensoren 20, 22, 24, 26 sowie die Temperatursensoren 28, 30, 32, 34 sind über Leitungen 36, 38 mit einem Batteriesteuergerät 40 verbunden, welches die Messwerte der Sensoren 20 bis 34 registriert und speichert. Über- bzw. unterschreiten die Zellentemperaturen oder Klemmenspannungen der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 vorgegebene Grenzwerte, so wird durch das Batteriesteuergerät 40 ein Warnsignal generiert und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen. Hierzu kann beispielsweise die Leistungsentnahme durch die Verbraucher des Kraftwagens limitiert werden, um die Belastung der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 zu senken. Auch eine verstärkte Kühlung der Batterie 10, Änderungen im Ladezyklus der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18, und dergleichen sind denkbar.
  • Bei Ausfall eines der Sensoren 20 bis 34 besteht die Gefahr, dass derartige Grenzwertüber- bzw. -unterschreitungen für eine der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 nicht erkannt werden, wodurch es zu Beschädigungen der Batterie 10 kommen kann. Aus diesem Grund versucht das Batteriesteuergerät 40 in diesem Fall auf Grundlage der Messwerte der übrigen Sensoren 20 bis 34 einen Schätzwert für die normalerweise vom ausgefallenen Sensor gemessene Größe zu ermitteln.
  • Fällt beispielsweise der Spannungssensor 22 der elektrochemischen Zelle 14 aus, so kann für die Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 noch immer ein Schätzwert ermittelt werden, indem die Klemmenspannungen der übrigen Zellen 12, 16, 18 addiert und dieser Wert von einer Gesamtklemmenspannung der Batterie 10 subtrahiert wird. Der so ermittelte Wert ist nur eine Näherung, da aufgrund der Leitungswiderstände der elektrischen Leitungen in der Batterie 10 Abweichungen auftreten können. Das Batteriesteuergerät 40 kann daher in diesem Fall auf Grundlage der vor dem Ausfall des Sensors 22 gemessenen Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 Korrekturfaktoren ermitteln, um so einen genaueren Schätzwert für die Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 zu erhalten. Auch eine Messung der Stromstärke kann genutzt werden, um die Schätzung zu verbessern.
  • Beim Ausfall des Temperatursensors 30, der der elektrochemischen Zelle 14 zugeordnet ist, kann das Batteriesteuergerät 40 einen Schätzwert für die Zellentemperatur der elektrochemischen Zelle 14 durch Mittelung der von den Sensoren 28 und 32 erfassten Zellentemperaturen der elektrochemischen Zellen 12 und 16 bestimmen. Dies ist möglich, da die Zellen 12, 14, 16 in der Batterie 10 geometrisch benachbart zueinander angeordnet sind, so dass ein Wärmeübergang zwischen ihnen stattfindet. Auch hier ist eine Korrektur auf Grundlage der vom Sensor 30 vor seinem Ausfall gemessenen Zellentemperatur der elektrochemischen Zelle 14, bzw. auf Grundlage eines vom Sensor 30 gemessenen Temperaturverlaufes möglich, um so genauere Werte zu erhalten.
  • Bei einem derartigen Sensorausfall kann es zudem sinnvoll sein, wenn durch das Batteriesteuergerät 40 die maximale Leistungsabgabe der Batterie 10 beschränkt wird, sodass Überlastungen der einzelnen Zellen, die nicht mehr genau überwacht werden können, vermieden werden. Auf diese Art wird sichergestellt, dass der Kraftwagen mit der Batterie 10 noch in einem Notlaufbetrieb weiterbetrieben werden kann, bis ein Serviceeingriff zur Reparatur des defekten Sensors 22 oder 30 möglich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6563291 B2 [0004]
    • US 7173396 B2 [0005]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einem elektrischen Energiespeicher (10) zum Bereitstellen einer Spannung für eine elektrische Maschine des Kraftwagens, wobei der Energiespeicher (10) eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) umfasst, für welche jeweils eine Klemmenspannung und/oder eine Zellentemperatur mittels jeweiligen, den elektrochemischen Zellen zugeordneten Spannungs- (28, 30, 32, 34) und/oder Temperatursensoren (20, 22, 24, 26) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Sensors (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) die Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur der dem Sensor (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) auf Grundlage der Klemmenspannung und/oder der Zellentemperatur wenigstens einer weiteren elektrochemische Zelle (12, 14, 16, 18) des Energiespeichers (10) abgeschätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Temperatursensors (28, 30, 32, 34) die Zellentemperatur der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) als Mittelwert der Zellentemperaturen der zu dieser Zelle (12, 14, 16, 18) benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) abgeschätzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, die Zellentemperaturen der benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) in Abhängigkeit von deren Position im Energiespeicher (10) gemittelt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer vor Ausfall des Temperatursensors (28, 30, 32, 34) gemessenen Zellentemperatur oder einem vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperaturverlauf der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) ein Korrekturfaktor zum Korrigieren des Mittelwerts der benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Spannungssensors (20, 22, 24, 26) die Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) als Differenz zwischen einer Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers (10) und den Klemmenspannungen der übrigen Zellen (12, 14, 16, 18) abgeschätzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannung oder einem vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannungsverlauf der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) ein Korrekturfaktor zum Korrigieren der geschätzten Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Temperatur- (28, 30, 32, 34) und/oder Spannungssensors (20, 22, 24, 26) eine maximale Leistungsabgabe des Energiespeichers (10) auf einen vorgegebenen Wert beschränkt wird.
DE102010045514.8A 2010-09-15 2010-09-15 Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, der eine elektrische Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt Active DE102010045514B4 (de)

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