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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren, ein Betriebsverfahren für eine Batterieanordnung, ein Betriebsverfahren für eine Vorrichtung, eine Steuereinheit sowie eine Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Diagnoseverfahren für eine Batterieanordnung, ein Betriebsverfahren für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.
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Bei vielen Betriebsvorrichtungen und insbesondere bei Fahrzeugen werden vermehrt Batterieanordnungen für die Bereitstellung der für den Betrieb notwendigen Energie eingesetzt. Um die Funktionssicherheit derartiger Energieversorgungskonzepte zu gewährleisten, müssen Situationen berücksichtigt werden, bei welchen eine Erhöhung des Innenwiderstandes und/oder des Kontaktwiderstandes führt, insbesondere im Zusammenhang mit Zellverbindern, bei einzelnen Batteriezellen einer Batterieanordnung oder eines Batteriemoduls lokal zu einem erhöhten Wärmeeintrag und damit lokal zu einem Temperaturanstieg an oder in einer Batteriezelle, die als Hotspot bezeichnet werden. Bei Nichtbeachtung derartiger Situationen, das heißt also beim Überschreiten des erlaubten, thermischen Budgets, kann es zu Schädigungen der zugrundeliegenden Batteriezellen bis hin zu einem Totalausfall mit Gefahr für umgebende Komponenten kommen.
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Es ist daher ein erheblicher, messtechnischer Aufwand notwendig, nämlich durch den Einsatz von Temperatursensoren und dergleichen, um die einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls oder einer Batterieanordnung während des Betriebs überwachen zu können. Der entsprechende, messtechnische Aufwand ist mit erheblichen Investitionskosten verbunden, um die notwendige Sensorik bereitzustellen und instand zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei verringertem, messtechnischem Aufwand und insbesondere ohne das Vorsehen von Temperatursensoren die Gefahr der Erhöhung der Betriebstemperatur von Batteriezellen in einer Batterieanordnung, einem Batteriepaket oder einem Batteriemodul erfasst werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass ein Diagnoseverfahren für eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von Batteriezellen geschaffen wird mit den Schritten: (A) Messen der Lastspannung einer jeweiligen Batteriezelle, (B) Vergleichen eines oder mehrerer Werte der Lastspannung einer jeweiligen Batteriezelle mit mindestens einem Referenzwert und (C) – insbesondere bedingtes – Erzeugen eines für den resistiven und/oder thermischen Zustand einer jeweiligen Batteriezelle repräsentativen Diagnosesignales auf der Grundlage des Vergleichens und insbesondere eines Vergleichsergebnisses aus Schritt (B). Dadurch, dass auf der Grundlage des Vergleichs der Lastspannung einer jeweiligen Batteriezelle mit mindestens einem Referenzwert direkt auf den resistiven, d. h. den auf einen Innen- und/oder einen Kontaktwiderstand bezogenen Zustand und/oder einen thermischen Zustand einer jeweiligen Batteriezelle geschlossen wird und ein dafür repräsentatives Diagnosesignal – ggf. bedingt – erzeugt wird, kann auf das Vorsehen und die Verwendung aufwendiger Temperatursensoren verzichtet werden, ohne dass die Zuverlässigkeit des Diagnoseverfahrens leidet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Um die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens zu steigern, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass beim Schritt (A) des Messens der Lastspannung die Lastspannung einer jeweiligen Batteriezelle zu mehreren Zeitpunkten und/oder die Lastspannung mehrerer oder sämtlicher Batteriezellen der Batterieanordnung einzeln und/oder gruppenweise gemessen wird.
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Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, einen Lastzustand für die zu Grunde liegende Batterieanordnung zu erzeugen.
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So ist es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens möglich, den Schritt (A) des Messens der Lastspannung mit einem Aufprägen eines Laststromes durchzuführen.
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Im Hinblick auf den Laststrom ergeben sich ebenfalls verschiedene Möglichkeiten, die je nach Situation und Anwendung der zu Grunde liegenden Batterieanordnung ergriffen werden können.
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So ist es denkbar, dass als Laststrom (I) verwendet werden:
- (a) ein Ladestrom,
- (b) ein Entladestrom,
- (c) ein Strompuls,
- (d) ein im normalen Betrieb auftretender Betriebsstrom und/oder
- (e) ein für einen Test erzeugter Teststrom,
insbesondere jeweils mit einer vorbestimmten minimalen Stromstärke, einer vorbestimmten maximalen Stromstärke, einer vorbestimmten minimalen Zeitspanne und/oder einer vorbestimmten maximalen Zeitspanne.
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Nicht jeder für die zu Grunde liegende Batterieanordnung als Last fungierender Strom ist geeignet, als Laststrom im Sinne der vorliegenden Erfindung zu dienen. Es müssen ggf. gewisse Rahmenbedingungen in Bezug auf die Zeitdauer und/oder die Stromamplitude erfüllt sein.
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So ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein Laststrom und insbesondere sein vorbestimmter minimaler Wert in Beziehung gesetzt werden (a) zum Aufbau und/oder zur Struktur einer jeweiligen Batteriezelle und/oder (b) zum zu erwartenden thermischen Verhalten und insbesondere zu einer Temperatur einer jeweiligen Batteriezelle und/oder (c) zu einem Schwellenwert von Ith = 40 A nicht unterschreitet, zumindest abschnittsweise und/oder in einem zeitlichen Mittel.
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Auch hinsichtlich des zu verwendenden Referenzwertes Uth für die Lastspannung U beim Schritt (B) des Vergleichens bieten sich verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung an.
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So ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens vorgesehen, dass im Schritt (B) des Vergleichens als Referenz verwendet werden:
- (a) die Lastspannung U einer Referenzzelle, insbesondere als Teil der Batterieanordnung, und/oder
- (b) die Lastspannung U, gemittelt über einen Teil oder über die Gesamtheit der Batteriezellen der Batterieanordnung,
insbesondere jeweils zu einem oder zu mehreren bestimmten Zeitpunkten oder aktuell deren zeitlichen Verlauf.
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Um die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens weiter zu steigern, muss verhindert werden, dass auf Grund von Fluktuationen, die temporär einen zu Grunde gelegten Referenzwert übersteigen, sofort die Diagnose eines kritischen Zustandes hinsichtlich des thermischen Budgets oder des Innen- und/oder Kontaktwiderstands angezeigt wird.
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Folglich ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens vorgesehen, dass im Schritt (C) des Erzeugens eines Diagnosesignales ein einen thermisch kritischen Zustand anzeigendes Diagnosesignal oder ein Diagnosesignal für eine Batteriezelle überhaupt nur erzeugt wird, wenn die Lastspannung U einer jeweiligen Batteriezelle den Referenzwert Uref – zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten oder zeitlich abschnittsweise um einen Schwellenwert Uth betragsmäßig überschreitet.
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Um eine bessere Anpassbarkeit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens an die jeweilige Anwendungssituation und/oder den Aufbau und die Struktur der zu Grunde liegenden Batterieanordnung und der sie bildenden einzelnen Batteriezellen zu gewährleisten, kann es vorgesehen sein, dass der Schwellenwert Uth in Beziehung gesetzt wird
- (a) zu einem Aufbau und/oder einer Struktur einer jeweiligen Batteriezelle,
- (b) zum zu erwartenden thermischen Verhalten einer jeweiligen Batteriezelle, insbesondere einer Temperatur, und/oder
- (c) zu einer vorbestimmten minimalen Stromstärke, einer vorbestimmten maximalen Stromstärke, einer vorbestimmten minimalen Zeitspanne und/oder einer vorbestimmten maximalen Zeitspanne des Laststromes I und/oder
einen Wert von Uth = 40 mV nicht unterschreitet.
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Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens lässt sich weiter steigern, wenn initial im lastfreien Zustand die Leerlaufspannungen der Batteriezellen der Batterieanordnung gemessen und als Korrekturwert oder im Zusammenhang mit einem Korrekturwert bereitgehalten und verwendet werden, insbesondere in Bezug auf eine über alle Batteriezellen der Batterieanordnung gemittelte Leerlaufspannung.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Betriebsverfahren für eine Batterieanordnung, insbesondere für ein Batteriepaket oder ein Batteriemodul, bei welchem zur Steuerung des Betriebs der Batterieanordnung das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren eingesetzt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Betriebs-/Steuerverfahren für eine Vorrichtung und insbesondere für ein Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug, geschaffen, bei welchem im Zusammenhang mit der Energieversorgung der Vorrichtung das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren und/oder das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Batterieanordnung verwendet wird.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit für eine Batterieanordnung und insbesondere für eine Vorrichtung, ein Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, welche ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Batterieanordnung und/oder das erfindungsgemäße Betriebs-/Steuerverfahren für eine Vorrichtung auszuführen, und dazu entsprechende Mittel aufweist.
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Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug, welches zur Steuerung des Betriebs eine erfindungsgemäße Steuereinheit aufweist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 bis 3 zeigen in Form von Graphen Messergebnisse aus Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens bei verschiedenen Werten des Innen- und/oder Kontaktwiderstands einer Batteriezelle in einer Batterieanordnung.
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4 zeigt in Form eines Graphen die aus den Experimenten zu den 1 bis 3 gewonnenen Spannungsdifferenzen im größeren Detail und im Vergleich zueinander.
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5 zeigt in Form eines Graphen im Vergleich zu den Ergebnissen aus den Experimenten zu den 1 bis 4 eine in der Anwendung auftretende Temperaturentwicklung in der Zeit in einer Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von Batteriezellen.
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6 zeigt in schematischer Ansicht eine Batterieanordnung, bei welcher eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Zunächst werden unter Bezugnahme auf 6 strukturelle Aspekte der Erfindung erläutert:
6 zeigt in schematischer Draufsicht eine Ausführungsform einer Batterieanordnung 1, wie sie im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren und einer entsprechenden Betriebsvorrichtung zur Anwendung kommen kann.
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Die Batterieanordnung 1 gemäß 6 wird aus einer Mehrzahl von hier 16 einzelnen Batteriezellen 10 aufgebaut. Jede der Batteriezellen 10 befindet sich im Inneren eines Gehäuses 2 der Batterieanordnung 1, besitzt jeweils ein eigenes Gehäuse 5 und in dessen Inneren eine elektrochemische Zelle 6 zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie.
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Jede der Batteriezellen 10 besitzt einen ersten oder positiven Zellanschluss 7 und einen zweiten oder negativen Zellanschluss 8.
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In der in 6 gezeigten Darstellung ist ein erster oder positiver Zellanschluss 7 einer vorangehenden Batteriezelle 10 mit einem zweiten oder negativen Zellanschluss 8 einer nachfolgenden Batteriezelle 10 über einen Zellverbinder 9 elektrisch kontaktiert.
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Somit entsteht in der Anordnung gemäß 6 eine Reihenschaltung der Gesamtheit der 16 einzelnen Batteriezellen 10 der Batterieanordnung 1.
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Nach außen hin wird die Modulspannung, welche in diesem Zusammenhang bei gleichen zu Grunde liegenden einzelnen Batteriezellen 10 das 16-fache der einzelnen Zellenspannung ist, nach außen hin über einen ersten oder positiven Modulanschluss 3 und einen zweiten oder negativen Modulanschluss 4 abgreifbar.
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Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren dient dazu, das Temperaturbudget und/oder die Widerstandsverhältnisse im Hinblick auf Innenwiderstand und/oder Kontaktwiderstand der einzelnen Batteriezellen 10 der Batterieanordnung 1 zu überwachen und Maßnahmen zu ergreifen, falls eine oder mehrere der Batteriezellen 10 in einen thermisch kritischen Zustand geraten, sofern dieser durch eine Änderung des Innenwiderstands und/oder des Kontaktwiderstands hervorgerufen wird.
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Die 1 bis 3 zeigen in ihren jeweiligen Teilen A, B und C die Spannungsantwort einer Mehrzahl von Batteriezellen 10 einer Batterieanordnung 1 im Sinne einer Zellspannung auf einen aufgeprägten Strompuls als Laststrom I sowie den Strompuls als Laststrom I in seiner zeitlichen Entwicklung und die Differenz ΔU einer im Hinblick auf ihren Innen-/Kontaktwiderstand verdächtigen Batteriezelle 1 zu einer Referenzspannung.
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Die Darstellungen der 1 bis 3 sind einer Simulation auf der Grundlage des so genannten Stuttgart-Zyklus entnommen.
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In jedem Teil A der 1, 2 und 3 ist mit den jeweiligen Graphen 10-1, 20-1, 30-1 der zeitliche Verlauf des Strompulses I mit einem Startzeitpunkt 17, 27, 37 und einem Endzeitpunkt 18, 28, 38 in seinem zeitlichen Verlauf grafisch dargestellt, wobei auf der Abszisse 11, 21, 31 die Zeit t in s und auf der jeweiligen Ordinate 12-1, 22-1, 32-1 die Stromstärke I in A aufgetragen ist. Zum Startzeitpunkt 17, 27, 37 bei etwa 5 Sekunden steigt die Stromstärke I vom Wert im Bereich von 0 A sprunghaft auf einen Wert um 100 A an und bleibt dann etwa nach 12 Sekunden bis zum Endzeitpunkt 18, 28, 38, welcher bei 30 Sekunden liegt, bei einem Wert von etwa 50 A.
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Im Teil B der 1, 2 und 3 sind in den Graphen 10-2, 20-2, 30-2 die Spannungsantworten als Zellspannung U einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 in ihrer zeitlichen Entwicklung dargestellt.
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Die Abszissen 11, 21, 31 tragen wieder die Zeit t in s, die Ordinaten 12-2, 22-2, 32-2 nunmehr die Werte der Zellspannung U in V.
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Zu erkennen ist jeweils eine Schar 15, 25, 35 von Spannungsantworten sowie eine einzelne Spannungsantwort in jede der Spuren 14, 24, 34, die jeweils oberhalb der Spannungsantworten der jeweiligen Schar 15, 25, 35 liegt.
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Die jeweilige Schar 15, 25, 35 wird von den Spannungsantworten einer Mehrzahl normal arbeitender einzelner Batteriezellen 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 gebildet.
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Die jeweilige einzelne Spur 14, 24, 34 gehört zu einer einzelnen Batteriezelle 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 mit einem erhöhtem Innen-/Kontaktwiderstand und ist daher als Antwort auf denselben Laststrom 13, 23, 33 gegenüber den Spannungsantworten der jeweiligen Schar 25, 35, 45 in ihrer Amplitude gesteigert.
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Erfindungsgemäß wird dem Diagnoseverfahren ein Referenzwert zu Grunde gelegt.
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Dieser kann zum Beispiel aus dem Mittelwert der Spannungsantworten der zu der jeweiligen Schar 15, 25, 35 gehörigen Einzelzellen 10 oder aus den Spannungsantworten sämtlicher Einzelzellen 10 oder der Spannungsantwort einer vorgegebenen Referenzzelle gebildet werden.
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In den Teilen C der 1 bis 3 zeigen die jeweiligen Graphen 10-3, 20-3, 30-3 die Spannungsdifferenzen ΔU in V zwischen der jeweiligen Spur 14, 24, 34 und dem jeweils gewählten Referenzwert.
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Die Spuren 16, 26, 36 zeigen also mit der Spannungsdifferenz ΔU die Abweichung der zur jeweiligen Spur 14, 24, 34 gehörigen einzelnen Batteriezelle 10 vom Normalverhalten des übrigen Kollektivs der einzelnen Batteriezellen 10 in der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 in ihrem zeitlichen Verlauf und insbesondere zwischen dem Startzeitpunkt 17, 27, 37 bei 5 Sekunden und dem Endzeitpunkt 18, 28, 38 bei 30 Sekunden, bezogen auf den zu Grunde liegenden Laststrom I.
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Die Unterschiede der Simulation zu den 1 bis 3 bestehen in dem jeweils zu Grunde gelegten Wert für den Innenwiderstand oder Kontaktwiderstand. Wenn der Innenwiderstand und/oder Kontaktwiderstand im Normalfall, zum Beispiel für die den Scharen 15, 25, 35 zu Grunde liegenden, einzelnen Batteriezellen 10 mit R bezeichnet wird, so liegen für die Simulationen zu den 1 bis 3 in aufsteigender Reihenfolge für die der einzelnen Spur 14, 24, 34 zu Grunde liegenden, einzelnen Batteriezelle 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 die Werte 1,5 R, 1,9 R bzw. 2,0 R als Innenwiderstand und/oder Kontaktwiderstand zu Grunde.
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Zu erkennen ist im Vergleich der Teile C der 1 bis 3 und der entsprechenden Graphen 10-3, 20-3, 30-3 mit den Spuren 16, 26, 36, dass mit steigendem Wert für den Innenwiderstand und/oder Kontaktwiderstand von 1,5 R über 1,9 R bis 2,0 R die Anfangsspannungsdifferenzen zum Anfangszeitpunkt 17, 27, 37 bei 5 Sekunden von etwa 50 mV, über etwa 80 mV auf etwa 110 mV und dass die sich nach etwa 10 Sekunden anschließenden Plateauwerte für die Spannungsdifferenzen ΔU von etwa 35 mV über etwa 50 mV auf etwa 70 mV steigern.
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Die Ergebnisse aus den Teilen C der 1 bis 3 mit den Graphen 10-3, 20-3, 30-3 sind noch einmal im Graphen 40 der 4 mit den Spuren 43, 44 und 45 zusammengefasst.
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Dabei wurde ein Schwellenwert 46, der auch mit Uth bezeichnet wird, im Bereich von 40 mV als Sicherheitswert zu Grunde gelegt. In der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass die Werte und der Verlauf der Spuren 43, 44, 45 im Vergleich zum Schwellenwert 46, Uth betrachtet werden, um den konstruktions- und/oder betriebsbedingten Schwankungen der Innen- und/oder Kontaktwiderstände und des damit einhergehenden thermischen Budgets Rechnung tragen zu können, solange also die Werte in einem nicht kritischen Bereich schwanken.
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Zusätzlich werden entsprechende erste und zweite Schalt- oder Reaktionszeiten 46 und 49, die auch mit t1 und t2 bezeichnet werden, für eine ausweichende Reaktion auf ein erscheinendes thermisches Verhalten zu Grunde gelegt.
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Der Schwellenwert 46, Uth, im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 bei 40 mV, ist bereits ausreichend, um für eine 1,5-fache Erhöhung des Innen- und/oder Kontaktwiderstandes einer Einzelzelle 10 einen kritischen Wert zu entnehmen, wie dies im Zusammenhang mit der Spur 43 aus dem Graphen 40 der 4 im Vergleich zum Pegel des Schwellenwertes 46 deutlich wird.
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Im Graphen 40 der 4 ist auf der Abszisse 41 wieder die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate 42 die Spannungsdifferenz ΔU in V aufgetragen. Auch sind die Start- und Endzeitpunkte 47 bzw. 48 bei 5 s bzw. bei 30 s für den Laststrom I gemäß den Spuren 13, 23 und 33 aus den 1 bis 3 und für die entsprechenden Spannungsantworten U eingezeichnet.
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5 zeigt in einem Graphen 50 mit der auf der Abszisse 51 aufgetragenen Zeit t in Sekunden und der auf der Ordinate 52 aufgetragenen Temperatur T in °C die zeitliche Entwicklung der Temperatur T für eine Schar 53 einer Mehrzahl von im normalen Betrieb befindlichen Einzelzellen 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1 im Vergleich zur Spur 54 für eine Batteriezelle 10 mit doppeltem Innen-/Kontaktwiderstand im Vergleich zu den im normalen Betrieb befindlichen Batteriezellen 10 der zu Grunde liegenden Batterieanordnung 1.
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Zu erkennen ist, dass nach anfänglicher identischer Temperatur bei etwa 45 °C im laufenden Betrieb nach etwa 10 bis 20 Sekunden die Schar 53 und die einzelne Spur 54 sich voneinander trennen, zwar einen parallelen Verlauf aufweisen, aber mit einem konstanten Temperaturabstand im Bereich von etwa 5 K.
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Die im Zusammenhang mit 5 erhobenen Daten beruhen ebenfalls auf dem so genannten Stuttgart-Zyklus.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zur Diagnose von Kontakt- oder Innenwiderständen bei Batteriemodulen und bei Batteriezellanordnungen im Allgemeinen und insbesondere Verfahren der Funktionssicherheitsdiagnose, bei welchen die Erhöhung von Kontakt- oder Innenwiderständen auf Grund damit verbundener Temperaturerhöhungen bei Batteriemodulen und bei Batteriezellanordnungen von Relevanz sind.
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Es besteht ein Problem dahingehend, dass erhöhte Innenwiderstände und/oder erhöhte Zellverbinderkontaktwiderstände zu lokalen Wärme- und Temperatureinträgen in Batteriezellen führen können. Diese lokalen Wärmeeinträge werden auch als Hot-Spots bezeichnet.
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Bekannt ist, das Auftreten möglicher Hot-Spots durch das Vorsehen von Temperatursensoren zu detektieren. Dazu müsste zu jeder oder zumindest zu jeder zweiten Batteriezelle ein Temperatursensor ausgebildet sein.
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Auf Grund des damit verbundenen Aufwandes wäre ein Vorgehen vorteilhaft, bei welchem der apparative Umfang reduziert ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht unter anderem darin, Maßnahmen zum Messen der Lastspannung aller Batteriezellen zu ergreifen und die erfassten Lastspannungen einem Vergleich mit einem Referenzwert zuzuführen. Der Referenzwert kann die Lastspannung einer – insbesondere ausgezeichneten – Referenzzelle sein und/oder ein Mittelwert von Lastspannungen einer ausgewählten Gruppe von Batteriezellen aus allen Batteriezellen oder ein Mittelwert der Lastspannungen aller Batteriezellen der zu überwachenden Batteriezellenanordnung.
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Dabei wird insbesondere initial die Differenz der Zellen im Ruhezustand (Leerlaufspannung, OCV: open circuit voltage) gemessen und als Korrekturwert verwendet.
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Ein Kernaspekt ist dabei, auf Grund des Auftretens einer Erhöhung in der Lastspannung einer Zelle auf einen möglichen Anstieg im Innenwiderstand und/oder im Kontaktwiderstand der betreffenden Zelle und damit auf einen möglichen Wärmeeintrag und somit auf einen Temperaturanstieg zu schließen, ohne dass es eines Temperatursensors bedarf.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, ist eine Kernidee der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum Auffinden und Bewerten eines möglichen Temperaturanstiegs einer Batteriezelle in einem Modul oder in einer Zellenanordnung, das heißt in einem Batteriepack, ohne die Verwendung von Temperatursensoren an einer Vielzahl von Batteriezellen – womöglich an allen Zellen – eines Batteriemoduls. Erfindungsgemäß ist es somit ausreichend, wenn in einem Batteriemodul aus einer Mehrzahl von Batteriezellen zur Überwachung ein oder zwei Temperatursensoren für das gesamte Batteriemodul vorgesehen sind. Damit kann eine Überhitzung festgestellt werden, die sich nicht über die Änderung des Innenwiderstands und/oder des Kontaktwiderstands manifestiert.
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Das vorliegende Verfahren kann im Zusammenhang mit den nachfolgend aufgelisteten, algorithmischen Schritten charakterisiert werden:
- (1) Sämtliche Leerlaufspannungen der einzelnen Batteriezellen werden gemessen.
- (2) Die Spannungsdifferenz zwischen einer gegebenen Batteriezelle, einem Referenzwert, zum Beispiel einer Referenzzelle oder einem Mittelwert sämtlicher Batteriezellen, wird bestimmt und als Wert gespeichert.
- (3) Es wird ein Strompuls aufgeprägt, zum Beispiel mit oder oberhalb eines Schwellenwertes von 40 Ampère. Der Strompuls wird an eine jeweilige Batteriezelle angelegt und es werden die Spannungsänderungen aufgrund des angelegten Strompulses ermittelt. Dabei kann es sich um einen Ladestrompuls oder Entladestrompuls handeln.
- (4) Es wird der im Schritt (2) gespeicherte Wert aufgerufen und zu diesem der im Schritt (3) erhaltene Wert mit dem entsprechenden Vorzeichen addiert.
- (5) Dann wird der im Schritt (4) erhaltene Wert mit einem Sicherheitsschwellenwert verglichen. Dieser kann auf Erfahrungswerten beruhen und zum Beispiel den Wert 40 mV betragen, wie dies im Folgenden weitererläutert wird.
- (6) Liegt der im Schritt (4) ermittelte Wert oberhalb des Sicherheitsschwellenwertes, so ist die Erhöhung des Innenwiderstands oder Kontaktwiderstands der betreffenden Zelle und somit ein Temperaturanstieg für diese betrachtete Zelle wahrscheinlich.
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Es stellen sich Vorteile gegenüber dem herkömmlichen SoH-R-Algorithmus ein, weil das erfindungsgemäße Vorgehen neben einem verringerten apparativen Aufwand auch selbst einen wesentlich einfacheren Ablauf mit sich bringt und damit geeignet ist für eine Funktion der so genannten funktionalen Sicherheit (z.B.: der Ebene 2). Der SoH-R-Algorithmus ist eines von vielen bekannten Verfahren zur Berechnung des Widerstands einer Zelle. Im Hinblick auf Bedingungen für eine funktionale Sicherheit ist dabei eine Widerstandsüberwachung notwendig.
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Optional ist es möglich, dass eine Diagnose nur erstellt und eine Messung also nur dann ausgewertet wird, wenn ein bestimmter Stromschwellenwert überschritten wird.
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Den Darstellungen der 1 bis 4 liegt eine Simulation auf der Basis des so genannten Stuttgart-Zyklus zu Grunde.
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Es ist ersichtlich, dass ein erhöhter Innenwiderstand durch und/oder Kontaktwiderstand bei der Auswertung der Spannungsdifferenz der unterschiedlichen Batteriezellen 10 zuverlässig erkannt werden kann. Eine mögliche Bedatungsgrenze für Spannungsdifferenz liegt z.B. bei einem Wert von 40 mV.
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Bereits bei einem Strom von 40 Ampère der Batteriezellenanordnung kann ein Schwellenwert von 40 mV für eine Zelle detektiert werden, deren Innen- und/oder Kontaktwiderstand das 1,5-Fache des normalen Zellenwiderstandes, zum Beispiel einer Referenzzelle, beträgt. Ein 1,5-facher Widerstand führt zu einer Temperaturdifferenz der Batteriezelle in der Batteriezellenanordnung von 5 K. Simulationen zeigen, dass in einem derartigen Fall eine ausreichende Zeit, nämlich im Bereich von Sekunden, wie dies mit den Zeitpunkten t1 und t2 in 4 dargestellt ist, für eine entsprechende, sicherheitsrelevante Reaktion vorliegt. Das bedeutet, dass innerhalb einer derartigen Sicherheitszeitspanne das gesamte Batteriemodul abgeschaltet oder in einen Sicherheitszustand überführt werden kann. Durch einen derartigen Sicherheitsbetrieb wird entweder das Modul heruntergefahren oder eine andere sicherheitsrelevante Maßnahme wird ergriffen.
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Im Zusammenhang mit 5 ergibt sich, dass für den Stuttgart-Zyklus inklusive Laden für einen verdoppelten Innenwiderstand eine Temperaturdifferenz von bis zu 5K auftritt, welche erfindungsgemäß mit dem zu Grunde liegenden Algorithmus sicher erkannt werden kann.
