DE102014223278A1

DE102014223278A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Batteriezellen sowie Batteriemodul, Batterie, Batteriesystem, Fahrzeug, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102014223278A1
Application number: DE102014223278.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rausch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (500) zur Überwachung einer Vielzahl von Batteriezellen (1001, ... 100m; 1001, ... 10018), die miteinander zu einer Vielzahl von Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006) elektrisch verschaltet sind, gekennzeichnet durch: eine Einrichtung (530) zum Empfangen (615) von Messwerten für Gesamtspannungen und Gesamtströme der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006); eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (620) von Parameterwerten der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006) für Parameter der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006) aus den empfangenen Messwerten; eine Einrichtung (510) zum Bilden (625) von Mittelwerten für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006); eine Einrichtung (510) zum Vergleichen (630), für jeden Parameter der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006), der Parameterwerte mit den gebildeten Mittelwerten des Parameters auf einen signifikanten Unterschied; eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (640), wenn sich ein bestimmter Parameterwert einer der Ersatzzellen (2001, ... 200j, ... 200n; 2001, ... 2006) signifikant von dem Mittelwert des Parameters unterscheidet (630.2), dass in der Ersatzzelle (200j) ein möglicher Fehlerfall vorliegt; eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (645), für die Ersatzzelle (200j), in der ein möglicher Fehlerfall vorliegt, von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200j) und Bestimmen von quantitativen Unterschieden zwischen den Parameterwerten der Batteriezellen; eine Einrichtung (510) zum Überprüfen (650), ob die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen; und eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (660), wenn die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen (650.1), dass ein Fehlerfall vorliegt, und Einleiten oder Veranlassen (665) einer für den bestimmten Fehlerfall geeigneten Gegenmaßnahme, ein Batteriemodul (400), eine Batterie, ein Batteriesystem (20; 30), ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Computerprogrammprodukt.

Description

Stand der Technik
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES) vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
Die Batteriesysteme müssen sehr hohe Anforderungen bezüglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade/Entlade-Wirkungsgrads, der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und des unerwünschten Kapazitätsverlusts, zum Beispiel durch häufige Teilentladung, erfüllen.
Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Aufgrund ihres Zelleninnenwiderstands und der stattfindenden elektrochemischen Prozesse erwärmen sich die Batteriezellen während des Ladens und Entladens. Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und/oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom und die Kapazität zu erhöhen. Dabei können die Batteriezellen zu Batterieeinheiten bzw. Batteriemodulen zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden. Bei einem Hochvoltbatteriesystem kann die Gesamtspannung somit beispielsweise 450 V oder sogar 600 V betragen.
Der für den Betrieb der Batteriezellen zulässige Temperaturbereich liegt typischer Weise zwischen –30°C und +70°C, vorzugsweise zwischen +5°C und +40°C wie zwischen +20°C und +35°C. Im unteren Bereich der Betriebstemperatur kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen von unter ca. 0°C steigt der Innenwiderstand der Batteriezellen stark an, und die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad der Batteriezellen nehmen mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich ab. Dabei kann auch eine irreversible Schädigung der Batteriezellen auftreten. Auch wenn die Betriebstemperatur überschritten wird, kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen über ca. 40°C wird die Lebensdauer der Batteriezellen reduziert. Dabei kann ebenfalls eine irreversible Schädigung der Batteriezellen auftreten. Weiterhin liegt der für den Betrieb der Batteriezellen zulässige Temperaturunterschied (Temperaturgradient) in einer Batteriezelle und/oder innerhalb eines Batteriemoduls oder einer Batterie typischer Weise zwischen 5 Kelvin und 10 Kelvin. Bei größeren Temperaturunterschieden können verschiedene Bereiche einer Batteriezelle bzw. verschiedene Batteriezellen eines Batteriemoduls oder einer Batterie unterschiedliche Belastungen erfahren oder sogar (partiell) überlastet und/oder geschädigt werden. Die Schädigung kann zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen oder einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) der Batteriezellen, das eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt, führen.
In einem hybriden Antriebsstrang eines Fahrzeugs werden Li-Ionen-Hochleistungsbatteriezellen mit einer sehr hohen Dynamik betrieben. Während kurzzeitiger Spitzenbelastungen, die beispielsweise durch Rekuperation von Bremsenergie beim Bremsen oder Boostunterstützung beim Beschleunigen entstehen, müssen die Batteriezellen in einer sehr kurzen Zeit eine hohe Leistung (bei Ladung) aufnehmen oder (bei Entladung) abgeben.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriemoduls bzw. Batteriesystems zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, die Batteriezellen innerhalb der vorgegebenen Spezifikation zu betreiben. Dazu werden die Batteriezellen typischerweise bezüglich Temperatur, Spannung, Strom, daraus resultierender Kapazität und/oder resultierendem Innenwiderstand überwacht, um eine kritische oder gefährliche Situation rechtzeitig erkennen bzw. vermeiden zu können.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriesystems 10 mit einer Ersatzzelle 200 und einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Ersatzzelle 200 gemäß des Stands der Technik. Die Ersatzzelle 200 umfasst eine Vielzahl m von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m, deren elektrische Anschlüsse jeweils mittels elektrischer Verbindungen 210 ₁, 210 ₂ miteinander verbunden sind, sodass die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m elektrisch parallel miteinander verbunden sind (Parallelschaltung). Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m werden dann nicht mehr einzeln, sondern einheitlich als Ersatzzelle 200 betrachtet. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Spannungsmesseinrichtung 12 zum Messen einer Spannung U der Ersatzzelle 200, die zwischen den elektrischen Verbindungen 210 ₁, 210 ₂ anliegt, und eine Strommesseinrichtung 14 zum Messen eines Gesamtstroms (Summenstroms) I = I₁ + ... I_k + ... I_m, der die Summe der Einzelströme I₁, ... I_k, ... I_m der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m umfasst, der durch einen elektrischen Verbraucher wie Widerstand 16 fließt. Da aufgrund von Wirtschaftlichkeitsgründen anstelle der Einzelströme I₁, ... I_k, ... I_m der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m lediglich der Gesamtstrom I überwacht wird, muss die Vielzahl m von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) als eine Ersatzzelle 200 mit einer Gesamtkapazität C, die die Summe der Einzelkapazitäten C₁, ... C_k, ... C_m der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m umfasst, betrachtet werden.
Solange die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m ähnlich bzw. gleichartig sind und sich so verhalten (beispielsweise I = 100 A + 100 A + 100 A = 300 A), ist diese Gesamtbetrachtung vertretbar. Wenn die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m jedoch beispielsweise aufgrund unterschiedlich starker Alterung unterschiedlich bzw. ungleichartig sind, ergeben sich unterschiedliche Kapazitäten, Innenwiderstände und daraus resultierend unterschiedliche Einzelströme I₁, ... I_k, ... I_m (beispielsweise (I = 50 A + 125 A + 125 A = 300 A)). Dies kann dazu führen, dass eine oder mehrere der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m außerhalb der vorgegebenen Spezifikation beispielsweise mit einer erhöhten Temperatur und/oder einem unzulässig hohen Strom betrieben werden. Zum einen kann ein unzulässiger, d. h. nicht der Spezifikation genügender Betriebszustand durch die Gesamtbetrachtung der Ersatzzelle 200 gemäß des Stands der Technik nicht erkannt werden. Zum anderen können weitere Messwerte wie Temperaturmesswerte von jeder der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m nicht für eine Einzelbetrachtung herangezogen werden, da Sensoren wie Temperatursensoren aufgrund von Wirtschaftlichkeitsgründen und/oder Zuverlässigkeitsgründen nicht für jede der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m zur Verfügung gestellt werden können.
Aus US 2013/0311115 A1 ist bereits ein Batteriemanagementsystem mit Abschätzung von Parametern für ein Ersatzstromkreismodell (equivalent circuit model) zur Bestimmung eines Ladezustands (state of charge, SoC) und Alterungszustands bzw. Gesundheitszustands (state of health, SoH) einer Batteriezelle bekannt.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) weiter zu erhöhen, ist es jedoch erforderlich, die Überwachung von Batteriezellen weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Batteriezellen einer Vielzahl von Batteriezellen, die beispielsweise parallel oder seriell verbunden sind, überwacht werden können. Dadurch können die Betriebszustände der Batteriezellen bestimmt, unzulässige Betriebszustände erkannt bzw. vermieden und/oder geeignete Maßnahmen veranlasst werden. Weiterhin können Parameter der Batteriezellen bestimmt werden. Somit können Unterschiede bzw. Ungleichheiten zwischen den Batteriezellen quantitativ beschrieben werden. Dabei herrschen aufgrund einer räumlichen Nähe der Batteriezellen zueinander sehr ähnliche klimatische Bedingungen. Insbesondere kann eine Batteriezelle, die sich im Vergleich zu den anderen Batteriezellen schlechter entwickelt, also beispielsweise hochohmiger wird und somit weniger Strom zum Gesamtstrom beiträgt, identifiziert werden. Da alle Batteriezellen zunächst die vorgegebenen Kriterien wie Qualitätskriterien erfüllen müssen, lässt sich somit der Fehler einer einzigen Batteriezelle, der aufgrund einer statistischen Fehlerverteilung der wahrscheinlichste Fehlerfall ist, erkennen. Beispielsweise kann bei einer Parallelschaltung von Batteriezellen die Stromaufteilung auf die einzelnen Batteriezellen dieser Parallelschaltung aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Summenstrom bestimmt werden, um einen unzulässigen Betriebszustand zu erkennen. Weiterhin kann die räumliche Anordnung der Batteriezellen berücksichtigt werden. Weiterhin werden keine zusätzlichen Sensoren wie Stromsensoren, Spannungssensoren oder Temperatursensoren benötigt. Somit kann die Ausfallsicherheit erhöht werden. Außerdem kann die Überwachung in einem Batteriemanagementsystem kostengünstig implementiert oder nachgerüstet werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zweckmäßiger Weise können die Batteriezellen miteinander parallel und/oder seriell verschaltet sind. Dadurch können der Anschlussstrom bzw. die Anschlussspannung erhöht werden. Weiterhin kann ein Batteriemodul bzw. eine Batterie an die Erfordernisse eines Verbrauchers angepasst werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Bilden der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen mittels
erfolgen, wobei n die Anzahl der Ersatzzellen ist. Dadurch kann für einen Vergleich bzw. eine Bewertung eines Parameterwerts jeweils ein Mittelwert bzw. Durchschnittswert bereitgestellt werden, der unter Berücksichtigung aller zu vergleichenden bzw. zu bewertenden Parameterwerte gebildet wird.
Alternativ kann das Bilden der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen mittels
erfolgen, wobei n die Anzahl der Ersatzzellen ist. Dadurch kann für den Vergleich bzw. die Bewertung eines Parameterwerts mit dem Index j jeweils ein Mittelwert bzw. Durchschnittswert bereitgestellt werden, der ohne Berücksichtigung dieses zu vergleichenden bzw. zu bewertenden Parameterwerts gebildet wird. Somit können Abweichungen dieses Parameterwerts vom Mittelwert bzw. Durchschnittswert hervorgehoben bzw. verstärkt werden. Dadurch können die Abweichungen dieses Parameterwerts von den anderen Parameterwerten für den Parameter besser erkannt werden.
Zweckmäßigerweise kann ein signifikanter Unterschied vorliegen, wenn ein vorgegebener Grenzwert, ein vorgegebener Schwellenwert oder ein vorgegebenes Toleranzband überschritten wird. Dadurch kann der Prozess zur Bewertung des Unterschieds verbessert und/oder standardisiert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Bestimmen von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter der Batteriezellen dieser Ersatzzelle mittels

erfolgen, wobei m die Anzahl der Batteriezellen in dieser Ersatzzelle ist, und j der Index einer der Ersatzzellen ist. Dadurch kann die Knotenregel bzw. Maschenregel für miteinander parallel verschaltete Batteriezellen implementiert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Gegenmaßnahme Ausgeben einer Meldung beispielsweise Warnmeldung, Kühlen oder Abschalten einer der Batteriezellen, einer der Ersatzzellen oder des Batteriemoduls oder Umschalten der Batteriezellen umfassen. Dadurch können Auswirkungen des Fehlerfalls, die grundsätzlich negativ zu bewerten sind, da Fehler Abweichungen vom planmäßigen Normfall darstellen, vermieden oder zumindest reduziert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum drahtlosen Übertragen der Messwerte umfassen. Dadurch können Verbindungsleitungen entfallen. Weiterhin können die übertragenen bzw. empfangenen Messwerte außerhalb und entfernt von dem Batteriemodul, der Batterie bzw. einem Fahrzeug beispielsweise in einem zentralen Rechner (Computer) verarbeitet werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Vorverarbeiten, beispielsweise Filtern der empfangenen Messwerte, umfassen. Dadurch kann ein Störsignal, das in den Messwerten enthalten sein kann, entfernt werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen erleichert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen erleichert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Ermitteln eines Grenzwerts, eines Schwellenwerts oder eines Toleranzbands durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie umfassen. Dadurch kann der Grenzwert, der Schwellenwert oder das Toleranzbands unter Berücksichtigung einer großen Datenbasis bzw. Stichprobe ermittelt werden. Weiterhin können Entwicklungen bzw. Veränderungen über die Zeit berücksichtigt werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Bereitstellen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands umfassen. Dadurch kann der Prozess der Berechnung vereinfacht werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum drahtlosen Übertragen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands umfassen. Dadurch kann der Grenzwert, der Schwellenwert oder das Toleranzband außerhalb und entfernt von dem Batteriemodul, der Batterie bzw. einem Fahrzeug beispielsweise in einem zentralen Rechner ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Aktualisieren des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle umfassen. Dadurch können Entwicklungen bzw. Veränderungen über die Zeit berücksichtigt werden. Somit kann der Prozess zur Berechnung angepasst bzw. verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle erleichtert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Auswählen der Gegenmaßnahme aus einer Vielzahl von verfügbaren Gegenmaßnahmen umfassen. Dadurch kann die Gegenmaßnahme an den Fehlerfall angepasst werden. Somit kann die Behandlung des Fehlers verbessert werden. Damit kann die Überwachung der Batteriezellen weiter verbessert werden. Somit können die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batteriezellen erhöht werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriemodul bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder das zuvor beschriebene Batteriemodul umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, das zuvor beschriebene Batteriemodul oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriemodul, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin drahtloses Übertragen der Messwerte umfassen. Dadurch können Verbindungsleitungen entfallen. Weiterhin können die übertragenen bzw. empfangenen Messwerte außerhalb und entfernt von dem Batteriemodul, der Batterie bzw. einem Fahrzeug beispielsweise in einem zentralen Rechner (Computer) verarbeitet werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Vorverarbeiten beispielsweise Filtern der empfangenen Messwerte umfassen. Dadurch kann ein Störsignal, das in den Messwerten enthalten sein kann, entfernt werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen erleichert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen erleichert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Ermitteln eines Grenzwerts, eines Schwellenwerts oder eines Toleranzbands durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie umfassen. Dadurch kann der Grenzwert, der Schwellenwert oder das Toleranzbands unter Berücksichtigung einer großen Datenbasis bzw. Stichprobe ermittelt werden. Weiterhin können Entwicklungen bzw. Veränderungen über die Zeit berücksichtigt werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Bereitstellen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands umfassen. Dadurch kann der Prozess der Berechnung vereinfacht werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin drahtloses Übertragen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands umfassen. Dadurch kann der Grenzwert, der Schwellenwert oder das Toleranzband außerhalb und entfernt von dem Batteriemodul, der Batterie bzw. einem Fahrzeug beispielsweise in einem zentralen Rechner ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Aktualisieren des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle umfassen. Dadurch können Entwicklungen bzw. Veränderungen über die Zeit berücksichtigt werden. Somit kann der Prozess zur Berechnung angepasst bzw. verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Nachbearbeiten beispielsweise Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle umfassen. Dadurch kann die nachfolgende Verarbeitung der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle erleichert bzw. verbessert werden. Somit können die Qualität und Genauigkeit des Prozesses zur Berechnung weiter verbessert werden.
Zweckmäßigerweise kann das Verfahren weiterhin Auswählen der Gegenmaßnahme aus einer Vielzahl von verfügbaren Gegenmaßnahmen umfassen. Dadurch kann die Gegenmaßnahme an den Fehlerfall angepasst werden. Somit kann die Behandlung des Fehlers verbessert werden. Damit kann die Überwachung der Batteriezellen weiter verbessert werden. Somit können die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batteriezellen erhöht werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogramm bereit, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogrammprodukt bereit, das das zuvor beschriebene Computerprogramm umfasst.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrensschritte nicht zwangsläufig in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (Interleaving).
Weiterhin ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen Computer-basierten Instanzen, zum Beispiel Client-Server-Instanzen, zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Modul seinerseits unterschiedliche Sub-Module umfasst.
Somit können Gewicht und/oder Kosten, beispielsweise Herstellungskosten wie Materialkosten, Verarbeitungskosten sowie Montagekosten und Betriebskosten, reduziert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriesystems 10 mit einer Ersatzzelle 200 und einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Ersatzzelle 200 gemäß des Stands der Technik,
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Batteriesystems 20 mit einer Ersatzzelle 200 und einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Ersatzzelle 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine schematische Ansicht eines anderen Batteriesystems 30 mit einer Vielzahl von Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ und einer Überwachungsvorrichtung 500 zur Überwachung der Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens 60 zur Überwachung von Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt zunächst ein Ersatzschaltbild eines Batteriesystems 20 mit einer Ersatzzelle 200 und einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Ersatzzelle 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Ersatzzelle 200 umfasst eine Vielzahl m von räumlich beieinander bzw. nebeneinander angeordneten Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m, deren elektrische Anschlüsse jeweils mittels elektrischer Verbindungen 210 ₁, 210 ₂ miteinander verbunden sind, sodass die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m ähnlichen klimatischen Verhältnissen bzw. Temperaturen ausgesetzt und elektrisch parallel miteinander verbunden sind. Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m können als Primärzellen, die nicht wiederaufladbar sind, oder Sekundärzellen (Akkumulatorzellen), die wieder aufladbar sind, ausgebildet sein. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m sind vorzugsweise vom gleichen Typ.
Gemäß des Ersatzschaltbilds umfasst jedes Modell einer Batteriezelle 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m eine Reihenschaltung, umfassend eine Spannungsquelle 110 ₁, ... 110 _k, ... 110 _m mit einer Leerlaufspannung (open-circuit cell voltage, OCV) U_OCV,1, ... U_OCV,k, ... U_OCV,m, die vom Ladezustand der Batteriezelle abhängig ist, einen Serienwiderstand bzw. eine Serienimpedanz (R_s,k) 120 ₁, ... 120 _k, ... 120 _m und ein RC-Glied (RC-circuit), umfassend einen Widerstand bzw. eine Impedanz (R_f,k) 130 ₁, ... 130 _k, ... 130 _m und einen Kondensator (C_f,k) 140 ₁, ... 140 _k, ... 140 _m. Das RC-Glied beschreibt die elektrochemischen Prozesse der Batteriezelle und hat eine Zeitkonstante τ_f,k = R_f,kC_f,k. Das RC-Glied kann, wie in 2 beispielhaft gezeigt, als Parallelschaltung angeordnet sein.
Eine Batteriezelle 100 _k mit dem Index k kann nun durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
y_k(t) = U_c,k(t) = U_OCV,k(x_2,k(t)) + x_1,k(t) + R_s,k(u_k(t)) (2) wobei:

τ_f,k: = R_f,kC_f,k,
x_1,k(t): die Spannung des RC-Glieds der Batteriezelle 100 _k ist,
x_2,k(t): der Ladezustand der Batteriezelle 100 _k ist,
C_nom,k: die Nennkapazität der Batteriezelle 100 _k ist,
u_k(t): der Strom der Batteriezelle 100 _k ist, und
U_c,k(t): die Ausgangsspannung der Batteriezelle 100 _k ist.

Der Serienwiderstand (R_s,k) 120 _k und der Widerstand (R_f,k) 130 _k der Batteriezelle 100 _k können als Innenwiderstände der Batteriezelle 100 _k, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln und für den Beitrag der Batteriezelle 100 _k zum Strom I bzw. die Verteilung des Stroms I verantwortlich sind, aufgefasst werden.
Das Ersatzschaltbild kann entsprechend auch auf die Ersatzzelle 200 als Ganzes angewendet werden, und die Ersatzzelle 200 kann durch entsprechende Gleichungen beschrieben werden.
Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Spannungsmesseinrichtung 12 zum Erfassen bzw. Messen einer Spannung U der Ersatzzelle 200, die zwischen den elektrischen Verbindungen 210 ₁, 210 ₂ anliegt, und eine Strommesseinrichtung 14 zum Erfassen bzw. Messen eines Gesamtstroms I = I₁ + ... I_k + ... I_m, der die Summe der Einzelströme I₁, ... I_k, ... I_m der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m umfasst, der durch einen elektrischen Verbraucher wie Widerstand 16 fließt.
Die Überwachungsvorrichtung umfasst weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung (nicht in 2 gezeigt), die mit der Spannungsmesseinrichtung 12 und/oder der Strommesseinrichtung 14 elektrisch verbunden ist, zur Verarbeitung von Messwerten wie Spannungsmesswerten der Spannungsmesseinrichtung 12 und/oder Strommesswerten der Strommesseinrichtung 14 und Bestimmung von Parameterwerten der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 _m. Der Aufbau und die Funktionsweise der Überwachungsvorrichtung werden im Folgenden mit Bezug auf die 3 bzw. 4 ausführlich beschrieben.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines anderen Batteriesystems 30 mit einer Vielzahl von Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ und einer Überwachungsvorrichtung 500 zur Überwachung der Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Die sechs Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ entsprechen jeweils der mit Bezug auf 2 beschriebenen Ersatzzelle 200, wobei jede Ersatzzelle 200 ₁, ... 200 ₆ drei Batteriezellen umfasst und die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _k, ... 100 ₁₈ jedoch fortlaufend nummeriert sind (6 × 3P-Schaltung).
Wie in 3 beispielhaft gezeigt, sind die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₉ bzw. 100 ₁₀ ... 100 ₁₈ jeweils mittels elektrischer Verbindungen 210 ₁, ... 210 ₄ bzw. 210 ₅ ... 210 ₈ so miteinander verbunden, dass jeweils drei Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₃ bzw. 200 ₄ ... 200 ₆ elektrisch seriell miteinander verbunden sind und einen Batterieblock 300 ₁ bzw. 300 ₂ bilden (2 × 3S-3P-Schaltung).
Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈ bzw. Batterieblöcke 300 ₁ bzw. 300 ₂ bilden ein Batteriemodul 400, wobei die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈ in dem Batteriemodul 400 räumlich beieinander bzw. nebeneinander angeordnet sind, sodass die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈ ähnlichen klimatischen Verhältnissen bzw. Temperaturen ausgesetzt sind. Das Batteriemodul 400 kann ein Gehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈ und/oder eine Spannvorrichtung zum Verspannen der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈ umfassen.
Die Überwachungsvorrichtung 500 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 510, die beispielsweise als Prozessor, Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein kann, zum programmgesteuerten Verarbeiten von Messwerten, Bestimmen von Parametern und Erkennen von Betriebszuständen der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₁₈, eine Speichereinrichtung 520, die mit der Verarbeitungseinrichtung 510 verbunden ist und beispielsweise als Speicher wie nichtflüchtiger Speicher und/oder flüchtiger Speicher ausgebildet sein kann, zum Speichern von Befehlen und/oder Daten wie Messwerten und/oder Parametern, und eine Verbindungseinrichtung 530, die mit der Verarbeitungseinrichtung 510 verbunden ist und beispielsweise als Schnittstelle ausgebildet sein kann, zum Übertragen von Daten. Die Überwachungsvorrichtung 500 ist über Verbindungen wie Verbindungsleitungen 540 ₁, ... 540 ₆ jeweils mit den Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ verbunden, sodass Messwerte wie Spannungsmesswerte und/oder Strommesswerte der Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ an die Überwachungsvorrichtung 500 übertragen werden können. Die Überwachungsvorrichtung 500 kann in dem Batteriemodul 400 integriert sein. Die Überwachungsvorrichtung 500 kann durch ein Batteriemanagementsystem verwirklicht werden. Alternativ kann die Überwachungsvorrichtung 500 durch einen entfernten Computer bzw. Rechner beispielsweise einen zentraler Server verwirklicht werden. Dabei können die Daten beispielsweise über das Internet oder drahtlos übertragen werden. Die Daten können beispielsweise bei einem Besuch einer Werkstatt oder einem Laden bzw. „Auftanken” des Batteriesystems 30 an einer Stromtankstelle übertragen werden. Die Funktionsweise der Überwachungsvorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf die 4 ausführlich beschrieben.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens 60 zur Überwachung von Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Das Verfahren, das beispielsweise in der Überwachungsvorrichtung und/oder als Computer-implementiertes Verfahren ausgeführt werden kann, beginnt mit Schritt 610. In Schritt 610 werden beispielsweise Befehle, die in der Speichereinrichtung 520 gespeichert sind, in die Verarbeitungseinrichtung 510 übertragen.
In Schritt 615 werden Messwerte wie Spannungsmesswerte und Strommesswerte der Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 ₆ erfasst, und die erfassten Messwerte werden an die Verarbeitungseinrichtung 510 übertragen. Die übertragenen Messwerte werden von der Verarbeitungseinrichtung 510 empfangen. Die Verarbeitungseinrichtung 510 kann die übertragenen Messwerte vorverarbeiten, beispielsweise filtern.
In Schritt 620 werden zunächst die Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n betrachtet, und die Verarbeitungseinrichtung 510 bestimmt aus den übertragenen, empfangenen bzw. vorverarbeiteten Messwerten für die Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n jeweils die Parameter C_nom,j, R_s,j, R_f,j und τ_f,j. Die Verarbeitungseinrichtung 510 kann die bestimmten Werte wie Parameterwerte nachverarbeiten beispielsweise filtern oder runden. Somit ergeben sich für das in 3 gezeigte Batteriesystem 30 für jeden der vier Parameter C_nom,j, R_s,j, R_f,j und τ_f,j jeweils sechs Parameterwerte mit den Indizes j = 1, ... 6, die sich im Normalfall relativ ähnlich sind.
In Schritt 625 bildet die Verarbeitungseinrichtung 510 aus den bestimmten Parameterwerten für die Parameter jeweils Mittelwerte bzw. Durchschnittswerte, die beispielsweise durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden können: R_s,Ø = 1 / nΣ n / i=1R_s,i (3) R_f,Ø = 1 / nΣ n / i=1R_f,i (4) τ_f,Ø = 1 / nΣ n / i=1τ_f,i (5) C_nom,Ø = 1 / nΣ n / i=1C_nom,i (6) wobei:

n: die Anzahl der Ersatzzellen ist.

Alternativ kann jeweils eine Vielzahl Mittelwerten bzw. Durchschnittswerten gebildet werden, die beispielsweise durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden können: R_s,Ø,j = 1 / n – 1Σ n / i = 1, i ≠ jR_s,i (7) R_f,Ø,j = 1 / n – 1Σ n / i = 1, i ≠ jR_f,i (8) τ_f,Ø,j = 1 / n – 1Σ n / i = 1, i ≠ jτ_f,i (9) C_nom,Ø,j = 1 / n – 1Σ n / i = 1, i ≠ jC_nom,i (10)
Dadurch kann für den Vergleich bzw. die Bewertung eines Parameterwerts mit dem Index j im folgenden Schritt 630 jeweils ein Mittelwert bzw. Durchschnittswert bereitgestellt werden, der ohne Berücksichtigung dieses zu vergleichenden bzw. zu bewertenden Parameterwerts gebildet worden ist, sodass Abweichungen dieses Parameterwerts vom Mittelwert bzw. Durchschnittswert hervorgehoben bzw. verstärkt werden. Die Verarbeitungseinrichtung 510 kann die bestimmten Werte wie Mittelwerte bzw. Durchschnittswerte vorverarbeiten bzw. nachverarbeiten.
In Schritt 630 vergleicht die Verarbeitungseinrichtung 510 für jeden der vier Parameter C_nom,j, R_s,j, R_f,j und τ_f,j die Parameterwerte mit den Mittelwerten bzw.
Durchschnittswerten gemäß den Gleichungen (3) bis (6) bzw. (7) bis (10).
Wenn sich die Parameterwerte nicht signifikant von dem jeweiligen Mittelwert bzw. Durchschnittswert unterscheiden (630.1), verzweigt das Verfahren nach Schritt 635, in dem die Verarbeitungseinrichtung 510 bestimmt, dass kein Fehlerfall vorliegt. Das Verfahren wird dann in Schritt 670 fortgesetzt.
Wenn sich ein Parameterwert der Parameter C_nom,j, R_s,j, R_f,j und τ_f,j signifikant von dem jeweiligen Mittelwert bzw. Durchschnittswert unterscheidet (630.2), verzweigt das Verfahren nach Schritt 640, in dem die Verarbeitungseinrichtung 510 bestimmt, dass in dieser Ersatzzelle 200 _j der Ersatzzellen 200 ₁, ... 200 _n möglicherweise ein Fehlerfall vorliegen könnte.
Für die Entscheidung der Verarbeitungseinrichtung 510, ob ein Unterschied signifikant ist oder nicht, können für die Parameter jeweils Grenzwerte, Schwellenwerte bzw. Toleranzbänder, die beispielsweise aus Daten durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie ermittelt worden sind, bereitgestellt werden. Diese Schwellenwerte bzw. Toleranzbänder können beispielsweise bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle aktualisiert werden.
In Schritt 645 bestimmt die Verarbeitungseinrichtung 510 die Parameterwerte für die Parameter der Batteriezellen der Ersatzzelle 200 _j, bei der der signifikante Unterschied erkannt worden ist. Dazu können beispielsweise die folgenden Gleichungen, die sich aufgrund der Knotenregel bzw. Maschenregel ergeben, verwendet werden:
wobei:

m: die Anzahl der Batteriezellen in der Ersatzzelle 200 _j ist.

Zur Berechnung der Parameter einer Batteriezelle 100 _k in der Ersatzzelle 200 _j können die folgenden Gleichungen verwendet werden, wobei die Informationen über die Parameterwerte in den anderen Parallelschaltungen in dem Batteriemodul 400 genutzt werden: C_nom,cell,j = 1 / m(n – 1)Σ n / i = 1, i ≠ jC_nom,i (14) R_s,cell,j = m 1 / (n – 1)Σ n / i = 1, i ≠ jR_s,i (15) R_f,cell,j = m 1 / (n – 1)Σ n / i = 1, i ≠ jR_f,i (16)
Für eine quantitative Bestimmung der Unterschiede der Batteriezelle, bei der ein Unterschied erkannt worden ist, können die Gleichungen (11), (12) und (13) nach den Variablen x, y und z aufgelöst werden:
Die Verarbeitungseinrichtung 510 kann die bestimmten Werte wie Parameterwerte vorverarbeiten bzw. nachverarbeiten.
In Schritt 650 überprüft die Verarbeitungseinrichtung 510, ob die in Schritt 645 bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand wie zu hohem Strom oder zu hoher Temperatur führen. Für die Überprüfung können Grenzwerte, Schwellenwerte bzw. Toleranzbänder, die beispielsweise aus Daten durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie ermittelt worden sind, bereitgestellt werden. Diese Schwellenwerte bzw. Toleranzbänder können beispielsweise bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle aktualisiert werden.
Wenn die bestimmten quantitativen Unterschiede zu keinem unzulässigen Betriebszustand führen (650.1), verzweigt das Verfahren nach Schritt 655, in dem die Verarbeitungseinrichtung 510 bestimmt, dass kein Fehlerfall vorliegt. Das Verfahren wird dann in Schritt 670 fortgesetzt.
Wenn die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen (650.2), verzweigt das Verfahren nach Schritt 660, in dem die Verarbeitungseinrichtung 510 bestimmt, dass ein Fehlerfall vorliegt.
Im folgenden Schritt 665 kann die Verarbeitungseinrichtung 510 eine für den bestimmten Fehlerfall geeignete Gegenmaßnahme oder Gegenmaßnahmen einleiten oder die Einleitung der Gegenmaßnahme veranlassen. Schritt 665 kann zunächst ein Auswählen der Gegenmaßnahme aus einer Vielzahl von verfügbaren Gegenmaßnahmen umfassen. Die Gegenmaßnahmen können beispielsweise Ausgeben einer Meldung wie Warnmeldung, Kühlen oder Abschalten der Batteriezelle 100 _k oder des Batteriemoduls 400 oder Umschalten der Batteriezellen umfassen.
Das Verfahren endet mit Schritt 670.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend” und „aufweisend” oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste”, „zweite” usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0311115 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung (500) zur Überwachung einer Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈), die miteinander zu einer Vielzahl von Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) elektrisch verschaltet sind, gekennzeichnet durch: – eine Einrichtung (530) zum Empfangen (615) von Messwerten für Gesamtspannungen und Gesamtströme der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (620) von Parameterwerten der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) für Parameter (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) aus den empfangenen Messwerten; – eine Einrichtung (510) zum Bilden (625) von Mittelwerten für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – eine Einrichtung (510) zum Vergleichen (630), für jeden Parameter (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆), der Parameterwerte mit den gebildeten Mittelwerten des Parameters (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) auf einen signifikanten Unterschied; – eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (640), wenn sich ein bestimmter Parameterwert einer der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) signifikant von dem Mittelwert des Parameters (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) unterscheidet (630.2), dass in der Ersatzzelle (200 _j) ein möglicher Fehlerfall vorliegt; – eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (645), für die Ersatzzelle (200 _j), in der ein möglicher Fehlerfall vorliegt, von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter (C_nom,cell,j, R_s,cell,j, R_f,cell,j, τ_f,cell,j) der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j) und Bestimmen von quantitativen Unterschieden zwischen den Parameterwerten der Batteriezellen; – eine Einrichtung (510) zum Überprüfen (650), ob die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen; und – eine Einrichtung (510) zum Bestimmen (660), wenn die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen (650.1), dass ein Fehlerfall vorliegt, und Einleiten oder Veranlassen (665) einer für den bestimmten Fehlerfall geeigneten Gegenmaßnahme.
Die Vorrichtung (500) nach Anspruch 1, wobei: – die Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈) miteinander parallel oder seriell verschaltet sind; – das Bilden (625) der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) mittels
erfolgt, wobei: n die Anzahl der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) ist; – das Bilden (625) der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) mittels
erfolgt, wobei: n die Anzahl der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) ist; – ein signifikanter Unterschied vorliegt, wenn ein vorgegebener Grenzwert, ein vorgegebener Schwellenwert oder ein vorgegebenes Toleranzband überschritten wird; – das Bestimmen (645) von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter (C_nom,cell,j, R_s,cell,j, R_f,cell,j) der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j) mittels
erfolgt, wobei: m die Anzahl der Batteriezellen in dieser Ersatzzelle (200 _j) ist, und k der Index einer der Batteriezelle (100 _k) ist; oder – die Gegenmaßnahme Ausgeben einer Meldung oder Warnmeldung, Kühlen oder Abschalten einer der Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈), einer der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) oder des Batteriemoduls (400) oder Umschalten der Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈) umfasst.
Die Vorrichtung (500) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: – eine Einrichtung (530) zum drahtlosen Übertragen der Messwerte (U, I); – eine Einrichtung (510) zum Vorverarbeiten oder Filtern der empfangenen Messwerte (U, I); – eine Einrichtung (510) zum Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – eine Einrichtung (510) zum Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – eine Einrichtung (510) zum Ermitteln eines Grenzwerts, eines Schwellenwerts oder eines Toleranzbands durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie; – eine Einrichtung (520) zum Bereitstellen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands; – eine Einrichtung (530) zum drahtlosen Übertragen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands; – eine Einrichtung (510) zum Aktualisieren des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle; – eine Einrichtung (510) zum Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j); oder – eine Einrichtung (510) zum Auswählen der Gegenmaßnahme aus einer Vielzahl von verfügbaren Gegenmaßnahmen.
Batteriemodul (400), umfassend: – die Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Batterie, umfassend: – die Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder – das Batteriemodul (400) nach Anspruch 4.
Batteriesystem (20; 30), umfassend: – die Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder – das Batteriemodul (400) nach Anspruch 4, – die Batterie nach Anspruch 5.
Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, verbunden mit dem Fahrzeug, – das Batteriemodul (400) nach Anspruch 4, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie nach Anspruch 5, verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem (20; 30) nach Anspruch 6, verbunden mit dem Fahrzeug.
Verfahren zur Überwachung einer Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈), die miteinander zu einer Vielzahl von Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) elektrisch verschaltet sind, gekennzeichnet durch: – Empfangen (615) von Messwerten für Gesamtspannungen und Gesamtströme der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – Bestimmen (620) von Parameterwerten der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) für Parameter (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) aus den empfangenen Messwerten; – Bilden (625) von Mittelwerten für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – für jeden Parameter (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆), Vergleichen (630) der Parameterwerte mit den gebildeten Mittelwerten des Parameters (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) auf einen signifikanten Unterschied; – wenn sich ein bestimmter Parameterwert einer der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) signifikant von dem Mittelwert des Parameters (C_nom,j, R_s,j, R_f,j, τ_f,j) unterscheidet (630.2), Bestimmen (640), dass in der Ersatzzelle (200 _j) ein möglicher Fehlerfall vorliegt; – für die Ersatzzelle (200 _j), in der ein möglicher Fehlerfall vorliegt, Bestimmen (645) von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter (C_nom,cell,j, R_s,cell,j, R_f,cell,j, τ_f,cell,j) der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j) und Bestimmen von quantitativen Unterschieden zwischen den Parameterwerten der Batteriezellen; – Überprüfen (650), ob die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen; und – wenn die bestimmten quantitativen Unterschiede zu einem unzulässigen Betriebszustand führen (650.1), Bestimmen (660), dass ein Fehlerfall vorliegt, und Einleiten oder Veranlassen (665) einer für den bestimmten Fehlerfall geeigneten Gegenmaßnahme.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei: – die Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈) miteinander parallel oder seriell verschaltet sind; – das Bilden (625) der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) mittels
erfolgt, wobei: n die Anzahl der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) ist; – das Bilden (625) der Mittelwerte für die bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) mittels
erfolgt, wobei: n die Anzahl der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) ist; – ein signifikanter Unterschied vorliegt, wenn ein vorgegebener Grenzwert, ein vorgegebener Schwellenwert oder ein vorgegebenes Toleranzband überschritten wird; – das Bestimmen (645) von Parameterwerten der Batteriezellen für die Parameter (C_nom,cell,j, R_s,cell,j, R_f,cell,j) der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j) mittels

erfolgt, wobei: m die Anzahl der Batteriezellen in dieser Ersatzzelle (200 _j) ist, und k der Index einer der Batteriezelle (100 _k) ist; oder – die Gegenmaßnahme Ausgeben einer Meldung oder Warnmeldung, Kühlen oder Abschalten einer der Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈), einer der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆) oder des Batteriemoduls (400) oder Umschalten der Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _m; 100 ₁, ... 100 ₁₈) umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend: – drahtloses Übertragen der Messwerte (U, I); – Vorverarbeiten oder Filtern der empfangenen Messwerte (U, I); – Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆); – Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der gebildeten Mittelwerte der bestimmten Parameterwerte der Ersatzzellen (200 ₁, ... 200 _j, ... 200 _n; 200 ₁, ... 200 ₆)); – Ermitteln eines Grenzwerts, eines Schwellenwerts oder eines Toleranzbands durch Simulation oder aus Forschung, Entwicklung, Vorserie oder Serie; – Bereitstellen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands; – drahtloses Übertragen des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands; – Aktualisieren des Grenzwerts, des Schwellenwerts oder des Toleranzbands bei einem Besuch einer Werkstatt oder Stromtankstelle; – Nachbearbeiten, Filtern oder Runden der bestimmten Parameterwerte der Batteriezellen dieser Ersatzzelle (200 _j); oder – Auswählen der Gegenmaßnahme aus einer Vielzahl von verfügbaren Gegenmaßnahmen.
Computerprogramm, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung des Verfahrens (60) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
Computerprogrammprodukt, das das Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst.