DE102017217523A1 - Verfahren zur Bereitstellung einer Schutzfunktion bei einem Energiespeicher eines Fahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bereitstellung einer Schutzfunktion bei wenigstens einer Zelle (11) für einen Energiespeicher (10) eines Fahrzeuges (1), wobei bei einem Betriebszustand eine Energieversorgung bei dem Fahrzeug (1) durch die Zelle (11) erfolgt und bei einem Ruhezustand diese Energieversorgung unterbunden ist.Hierbei ist vorgesehen, dass die nachfolgenden Schritte im Ruhezustand durchgeführt werden:a) Durchführen einer Überwachung durch eine Überwachungsvorrichtung (20), bei welcher wiederholt Messwerte erfasst werden, welche jeweils für eine Zellspannung bei der Zelle (11) spezifisch sind,b) Durchführen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme zur Deaktivierung der Zelle (11), wenn anhand eines Vergleichs von wenigstens zwei der erfassten Messwerte ein Fehlerzustand bei der Zelle (11) detektiert wird, um die Schutzfunktion bereitzustellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der im Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs näher definierten Art.
  • Stand der Technik
  • Aus der US 2016/0103188 ist es bekannt, eine Batterie mit einem internen Kurzschluss zu identifizieren, wenn die Leerlaufspannung der Batterie nach einer längeren Aufladung absinkt.
  • Aus der DE 10 2015 200 406 A1 ist ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten bekannt.
  • In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen können herkömmlicherweise als elektrische Energiespeicher auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren eingesetzt werden, da diese im Vergleich zu nickel- oder bleibasierten Akkumulatoren eine sehr große Energiedichte bei geringem Gewicht aufweisen. Oft werden diese elektrischen Energiespeicher in einem Batteriepack kombiniert, was z. B. durch eine Reihenschaltung von Einzelzellen oder als Kombination von Reihen- und Parallelschaltung von Zellen realisiert wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Dabei dient ein erfindungsgemäßes Verfahren der Bereitstellung einer Schutzfunktion bei wenigstens einer Zelle für einen Energiespeicher eines Fahrzeuges. Bei einer solchen Schutzfunktion kann es sich z. B. um eine Sicherheitsabschaltung der Zelle handeln, um einen kritischen Zustand bei der Zelle zu verhindern. Ein solcher kritischer Zustand kann bspw. durch einen Kurzschluss der Zelle hervorgerufen werden. Der Energiespeicher kann wenigstens eine Zelle (insbesondere wiederaufladbare Batteriezelle) aufweisen, wobei ggf. auch mehrere Zellen in einem Batteriepack kombiniert werden, um bspw. ein Bordnetz des Fahrzeuges mit Energie zu versorgen. So kann ein Betriebszustand vorgesehen sein, bei welchem eine Energieversorgung des Fahrzeugs, z. B. des Bordnetzes mit elektrischen Verbrauchern, durch die Zelle bzw. die Zellen des Energiespeichers erfolgt. Das Gegenstück hierzu bildet ein Ruhezustand, bei welchem diese Energieversorgung unterbunden ist, und sich die Zelle insbesondere im Leerlauf befindet. Bei den Batteriezellen kann es sich um auf Lithiumchemie basierende Batteriezellen handeln, die eine hohe elektrische Energiedichte aufweisen.
  • Im Rahmen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die nachfolgenden Schritte im Ruhezustand - und vorzugsweise ausschließlich außerhalb des Betriebszustands - durchgeführt werden:
    1. a) Durchführen einer Überwachung durch eine Überwachungsvorrichtung, bei welcher wiederholt (d. h. insbesondere zyklisch) Messwerte, insbesondere Spannungsmesswerte erfasst werden, welche jeweils für eine Zellspannung bei der Zelle, vorzugsweise für eine Leerlaufspannung der Zelle, spezifisch sind, also in anderen Worten jeweils Spannungsmesswerte sein können,
    2. b) Durchführen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme zur Deaktivierung der Zelle, wenn anhand eines Vergleichs von wenigstens zwei der erfassten Messwerte ein Fehlerzustand bei der Zelle detektiert wird, um die Schutzfunktion bereitzustellen, wobei vorzugsweise auch der Vergleich und/oder die Sicherheitsmaßnahme durch die Überwachungsvorrichtung durchgeführt werden.
  • Somit wird ein Vorteil dadurch erzielt, dass eine technische Komplexität bei der Erkennung eines Fehlerzustands, wie eines zellinternen Kurschlusses, reduziert werden kann. Denn herkömmlicherweise sind ein hoher Rechenaufwand und eine entsprechend leistungsfähige Elektronik notwendig, um eine frühzeitige Erkennung z. B. auf Basis eines Zellspannungsverlaufes durchzuführen. Entsprechend kann gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung auch auf eine Ausführung der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine zentrale Batterieelektronik (BCU), insbesondere eines Batteriemanagementsystems (BMS), verzichtet werden. Daher ist es möglich, dass auch dann eine Überwachung gemäß Schritt a) und/oder eine Sicherheitsmaßnahme gemäß Schritt b) erfolgt, wenn die BCU nicht (z. B. vom Bordnetz des Fahrzeuges) versorgt ist und/oder die BCU abgeschaltet ist. In anderen Worten kann die Überwachung unabhängig von einer Energieversorgung des BCU erfolgen, z. B. in einer Parkphase des Fahrzeuges mit minimalem Energieverbrauch. Bspw. wird unter der Deaktivierung der Zelle die Überführung der Zelle in einen sicheren Zustand verstanden, z. B. durch ein Isolieren und/oder ein kontrolliertes Entladen oder dergleichen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Fehlerzustand um einen Kurzschluss bei dem Energiespeicher, vorzugsweise einem zellinternen Kurschluss, handelt. Dabei kann die Sicherheitsmaßnahme eine Ansteuerung eines Sicherheitsschalters, z. B. eines elektrischen oder elektrochemischen Schalters, umfassen. Der Sicherheitsschalter ist bspw. als irreversibler Sicherheitsschalter ausgeführt, kann also somit nur einmalig (zum Unterbrechen oder zum Herstellen eines Stromkreises) geschaltet werden. Bspw. ist der Sicherheitsschalter als Leistungshalbleiterschalter oder als Relais oder als Fast-Discharge-Element oder als Antifuse-Element ausgebildet. Insbesondere ist der Sicherheitsschalter in einen Strompfad mit der Zelle integriert, z. B. seriell oder parallel zur Zelle geschaltet.
  • Bspw. umfasst der Energiespeicher wenigstens eine Zelle (insbesondere Batteriezelle), wobei vorzugsweise mehrere Zellen in einer Reihenschaltung oder als Kombination von einer Reihen- und Parallelschaltung elektrisch angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher als wiederaufladbare Batterie (Akkumulator), vorzugsweise Batteriepack, ausgebildet. Darüber hinaus kann der Energiespeicher als Traktionsbatterie des Fahrzeuges ausgebildet sein, und bevorzugt zur Energieversorgung eines Bordnetzes des Fahrzeuges dienen, besonders bevorzugt sowohl eines 12 V (Volt) Bordnetzes oder eines 48 V Bordnetzes als auch eines Hochvoltnetzes größer 60V. Gemäß einem weiteren Vorteil ist der Energiespeicher als (wiederaufladbare) Batterie, mit einer Systemspannung über 40 V oder über 60 V ausgeführt bspw. als Traktionsbatterie mit 360V oder < 770V Nominalspannung.
  • Bei Traktionsbatterien (bspw. mit einer Systemspannung größer als 60 V) und/oder bei 48 V BRS-Batterien (BRS = Boost-Rekuperations-System) kann die Batterie bei Nichtnutzung des Fahrzeuges vom jeweiligen Bordnetz des Fahrzeuges getrennt werden, und z. B. Teile der Batterieelektronik abgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch ggf. die Teile der Batterieelektronik, welche aus den Batteriezellen direkt versorgt werden, in einen energiesparenden Modus geschaltet werden. Durch das Abtrennen vom Hochvolt- oder 48 V Bordnetz kann sichergestellt werden, dass keine Energie von der Batterie ins Fahrzeug fließen kann, d. h. es kann in diesem Zustand zu keinem Stromfluss über die Zellen kommen.
  • Gemäß einem weiteren Vorteil ist das Fahrzeug als ein Kraftfahrzeug und/oder Personenkraftfahrzeug und/oder Lastkraftfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
  • Außerdem kann es im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, dass gemäß Schritt b) der Fehlerzustand dadurch detektiert wird, dass ein Spannungsverlust bei der Zelle anhand der Messwerte detektiert wird, wobei vorzugsweise hierzu ein jeweiliger aktuell erfasster Messwert mit einer (bspw. zyklisch bestimmten bzw. nachgeführten oder vordefinierten und/oder vorgespeicherten) Erkennungsschwelle verglichen wird. Auch ein solcher Vergleich wird somit als der Vergleich von wenigstens zwei der erfassten Messwerte im Sinne von Schritt b) verstanden. Damit kann ein Spannungsverlust bei der Zelle erkannt werden, welcher über die normale Selbstentladung der Zelle hinausgeht, um den Fehlerzustand zu detektieren. Da in dieser Situation im Ruhezustand kein Strom über die Zelle fließen kann, kann somit in einfacher Weise durch die Analyse des zeitlichen Verlaufs der Messwerte der Fehlerzustand, z. B. ein interner Kurzschluss der Zelle, detektiert werden.
  • Es ist ferner möglich, dass zur Detektion gemäß Schritt b) ein zeitlicher Verlauf der Messwerte analysiert wird, wobei die Analyse anhand wenigstens einer Differenz wenigstens zweier Messwerte durchgeführt wird. Bspw. kann hierbei der Fehlerzustand positiv detektiert werden, wenn eine Differenz von zwei Messwerten (z. B. dem aktuellen und dem vorherigen Messwert) größer als 30 mV ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Lösung für eine Überwachung einer Zellspannung.
  • Optional ist es vorgesehen, dass die Messwerte in einem zeitlichen Abstand von 100 ms bis 500 ms erfasst werden (insbesondere gemäß einer ersten Rate). In anderen Worten kann ein zeitlicher Abstand zur Erfassung der Messwerte gewählt werden, welcher im Vergleich zu einer optionalen Spannungsmessung im Betriebszustand sehr groß ist (z. B. mindestens 2 bis 100fach größer). Dadurch kann die Messwerterfassung mit sehr geringem Energieaufwand erfolgen, wodurch eine kontinuierliche Überwachung ohne signifikante Erhöhung der Selbstentladung der Batterie auch im Ruhezustand möglich ist.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn zeitlich nach jeder Erfassung gemäß Schritt a) eine (bspw. arithmetische) Mittelung von erfassten Messwerten durchgeführt wird, sodass jeweils ein Mittelwert bestimmt wird, und bei Schritt b) ein jeweils aktuell erfasster Messwert mit dem jeweils aktuell bestimmten Mittelwert verglichen wird, um den Fehlerzustand zu detektieren. Auch ein solcher Vergleich wird somit als der Vergleich von wenigstens zwei der erfassten Messwerte im Sinne von Schritt b) verstanden. Es kann ein Vorteil sein, wenn dabei nach jeder wiederholten, insbesondere zyklisch durchgeführten, Erfassung gemäß Schritt a) die Mittelung von einer bestimmten Anzahl von Messwerten erfolgt, z. B. von 2 bis 5 Messwerten, um den aktuellen Mittelwert zu bestimmen. Anschließend kann bei Schritt b) der jeweils (zuvor bei Schritt a)) aktuell erfasste Messwert mit dem jeweils aktuell (zuvor) bestimmten Mittelwert verglichen werden, bspw. die Differenz zwischen dem Messwert und dem Mittelwert gebildet werden. Hierdurch kann die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht und entsprechend eine Fehlauslösung der Sicherheitsvorrichtung vermieden werden.
  • In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass zeitlich nach Schritt a) eine Erkennungsschwelle anhand einer Mittelung von erfassten Messwerten bestimmt wird, und vorzugsweise bei Schritt b) ein aktuell erfasster Messwert mit der Erkennungsschwelle verglichen wird. Alternativ oder zusätzlich kann es möglich sein, dass auch ein Ergebnis des Vergleichs gemäß Schritt b) über mehrere Erfassungszyklen gemittelt wird, bspw. über zwei bis fünf Messwerte bzw. Zyklen, und nur dann der Fehlerzustand positiv detektiert wird, wenn dieses gemittelte Ergebnis ein Detektionskriterium erfüllt. Das Detektionskriterium (z. B. zur Erkennung eines Kurzschlusses) ist bspw. erfüllt, wenn das gemittelte Ergebnis kleiner (oder gleich) als der Mittelwert und/oder kleiner als die Erkennungsschwelle (somit als Auslöseschwelle) ist.
  • Auch kann es möglich sein, dass das Detektionskriterium dann erfüllt ist, wenn wenigstens ein aktueller Messwert (oder auch die aktuellen letzten Messwerte) kleiner als der Mittelwert der vorangegangenen Messwerte abzüglich eines festen Wertes für eine Erkennungsschwelle ist. Zum Beispiel kann der vorangegangene Messwert 3,89 V und der feste Wert für die Erkennungsschwelle 0,3 V betragen, sodass ein Messwert der zur Erkennung führt 3,58 V beträgt.
  • Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn im Rahmen der Erfindung die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer ersten (zeitlichen) Rate durchgeführt wird, insbesondere nur dann, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert größer ist als die Erkennungsschwelle ist, und ggf. die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer zweiten Rate größer als die erste Rate durchgeführt wird, insbesondere nur dann, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert kleiner als die oder gleich der Erkennungsschwelle ist. Insbesondere kann dabei die Erkennungsschwelle kein fester Wert sein, sondern z. B. der Mittelwert der vorangegangenen Messwerte abzüglich eines festen Wertes für die Erkennungsschwelle. Somit kann ein weiterer Vorteil erzielt werden, da nach einem erkannten Unterschreiten der Erkennungsschwelle (also das auslösende Ereignis) die Abtastrate der Zellspannungsmessung erhöht wird, und so eine hinreichend schnelle Erkennung und eine ausreichende Robustheit gegen Fehlauslösen gewährleistet werden kann. Insbesondere kann nur dann der Fehlerzustand positiv detektiert werden und/oder die Sicherheitsmaßnahme durchgeführt werden, z. B. die Sicherheitsvorrichtung aktiviert werden, wenn sich bei der Erfassung mit der zweiten (höheren) Rate der Fehlerzustand bestätigt. Dies ist bspw. dann der Fall, wenn auch bei der zyklischen Erfassung mit der zweiten Rate die Messwerte über mehrere Zyklen, also bspw. mindestens 4 oder mindestens 6 Messwerte, stets unterhalb der Erkennungsschwelle liegen (also jeweils kleiner oder gleich der Erkennungsschwelle sind). Dies ermöglicht ein sog. Entprellen des auslösenden Ereignisses.
  • Es ist von weiterem Vorteil, wenn die Schritte a) und b) durch die Überwachungsvorrichtung durchgeführt werden, welche hierzu als eine der Zelle zugeordnete Elektronik (zellenzugeordnete Elektronik) unabhängig von einem Batteriemanagementsystem ausgebildet ist. Der Begriff „zellenzugeordnet“ bezieht sich vorteilhafterweise darauf, dass die Elektronik (also die Überwachungsvorrichtung) an der Zelle angeordnet ist und/oder an der Zelle befestigt ist und/oder in einen Stromkreis mit der Zelle elektrisch integriert ist und/oder, vorzugsweise vollständig und/oder ausschließlich, durch die Zelle mit Energie versorgt wird. Bspw. ist die Überwachungsvorrichtung als eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet, welche auf der Zelle angebracht ist. Bei mehreren Zellen des Energiespeichers kann eine Überwachungsvorrichtung auf jeder der Zellen angebracht sein, und umfasst z. B. einen Analog-Digital-Converter (ADC) zur Zellspannungserfassung und ggf. weitere Logikelemente, z. B. zur Aktivierung einer Sicherheitsvorrichtung der Zelle. Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Überwachungsvorrichtung daher auch als Steuerungsvorrichtung ausgebildet sein. Bspw. wird die Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung vollständig durch die Zellspannung hergestellt, sodass die Überwachungsvorrichtung autark (d. h. unabhängig vom BMS) betrieben werden kann, um die Zellspannung zu messen.
  • Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) im Ruhezustand durchgeführt werden, in welchem die Zelle mit weiteren Zellen verbunden ist, und außerdem in einem Transportzustand der Zelle durchgeführt werden, in welchem die Zelle elektrisch von weiteren Zellen galvanisch getrennt ist, wobei vorzugsweise sowohl im Ruhezustand als auch im Transportzustand die Zelle im Leerlauf (und/oder lastfrei) geschaltet ist. Lastfrei geschaltet bezieht sich hierbei darauf, dass ein elektrischer Schalter, z. B. ein Schütz oder Halbleiterschalter oder dergleichen, zur Verbindung mit einer Last des Fahrzeuges (z. B. einem Bordnetz mit elektrischen Verbrauchern) geöffnet ist, sodass ggf. die Zelle in einen Leerlauf überführt wird. Im Ruhezustand kann dabei die Zelle stets lastfrei geschaltet sein, wobei ggf. nur aus dem Ruhezustand heraus (und nicht im Transportzustand) ein Umschalten in den Betriebszustand möglich ist. Im Betriebszustand kann der elektrische Schalter entsprechend geschlossen sein, um die Energieversorgung der Last zu ermöglichen. Insbesondere ist es hierbei ein Vorteil, wenn die Überwachungsvorrichtung die Überwachung gemäß Schritt a) durchführen und/oder die Detektion gemäß Schritt b) durchführen und/oder die Durchführung der Sicherheitsmaßnahme gemäß Schritt b) initiieren kann, da dann die Schritte unabhängig von einem Batteriemanagementsystem und somit auch im Transportzustand durchgeführt werden können. Bspw. ist die Zelle im Transportzustand nicht mit weiteren Zellen verbunden, und befindet sich somit (anders als ggf. im Ruhezustand und Betriebszustand) nicht in einem Batteriepack. In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) kontinuierlich im Ruhezustand und im Transportzustand durchgeführt werden. Damit kann zuverlässig durch eine dauerhafte Überwachung eine Schutzfunktion bereitgestellt werden, wobei ggf. ausschließlich im Betriebszustand die Schritte a) und/oder b) ausgesetzt werden, wenn die Schutzfunktion stattdessen durch das BMS bereitgestellt wird.
  • Bspw. kann sowohl die Überwachung gemäß Schritt a) als auch die Detektion gemäß Schritt b) kontinuierlich und zyklisch im Ruhezustand und/oder im Transportzustand durchgeführt werden, z. B. kann zeitlich nach Schritt a) stets Schritt b) durchgeführt werden. Damit wird eine dauerhafte Überwachung und somit eine Erhöhung der Sicherheit ermöglicht.
  • Es kann des Weiteren möglich sein, dass bei positiver Detektion des Fehlerzustands, wenn also ein Spannungseinbruch größer der Erkennungsschwelle erkannt und/oder bestätigt ist, eine Sicherheitsvorrichtung der betroffenen Zelle aktiviert wird, um eine kritische lokale Überhitzung innerhalb der Zelle zu verhindern.
  • Gemäß einem weiteren Vorteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Überwachung und/oder Detektion gemäß Schritt a) bzw. gemäß Schritt b) vor einem Zuschalten des Energiespeichers an ein Fahrzeugnetz (Bordnetz) deaktiviert (bspw. pausiert) wird. Dies ist erforderlich, da die Erkennungsschwelle für eine Erkennung von internen Kurzschlüssen deutlich geringer ist, als die Spannungsänderungen, die bei der Nutzung des Energiespeichers durch einen Entladestrom hervorgerufen werden. Als weiteren Vorteil kann hierbei eine Kommunikation der Überwachungsvorrichtung mit der zentralen Batterieelektronik durchgeführt werden, bei welcher Befehle zur Abschaltung und Aktivierung der zellnahen Überwachung (z. B. der Detektion und/oder Erfassung gemäß Schritt a) bzw. b)) genutzt werden. Insbesondere kann hierbei die BCU der Befehlsgeber sein. Wird dann bspw. der Bedarf des Fahrzeuges nach Hochvolt-Versorgung erkannt, kann zunächst die zellnahe Überwachung von internen Kurzschlüssen deaktiviert werden, und ggf. anschließend die Erkennung von zellinternen Kurzschlüssen durch eine Software der BCU durchgeführt werden. Es kann vorgesehen sein, dass erst dann der Energiespeicher zum Fahrzeug-Bordnetz zugeschaltet wird, also mit einer Last (z. B. dem Bordnetz mit einem Verbraucher) verbunden wird.
  • Des Weiteren kann es möglich sein, dass nach einem Ende der Batterienutzung (des Fahrzyklus) bei vom Fahrzeug-Bordnetz getrenntem Energiespeicher die Erkennung von internen Kurzschlüssen per Software in der BCU aktiv bleibt, bis Relaxations- und Abkühlprozesse weitestgehend abgeschlossen sind. Ist hier keine signifikante Spannungsänderung für eine fehlerfreie Zelle mehr zu erwarten, kann die Erkennungsfunktion (also die Detektion) in der zellnahen Elektronik (Überwachungsvorrichtung) aktiviert und die zentrale Elektronik (die BCU) abgeschaltet werden.
  • Optional ist es möglich, dass die Überwachungsvorrichtung zur zellnahen Überwachung bei Aktivierung eines resistiven Zell-Balancings deaktiviert wird, da das Zuschalten des Balancing-Widerstands zu einem Einbruch des Zellspannungsmesswertes führen kann. Weiter kann es optional möglich sein, dass für die gesamte Dauer des resistiven Balancings (d.h. eines sog. resistiven Zellausgleichs) die zellnah implementierte Erkennung von internen Kurzschlüssen durch die Überwachungsvorrichtung auf eine zweite (z. B. niedrigere) Erkennungsschwelle umgeschaltet wird, welches insbesondere auch größere Änderungen z. B. der Zellspannung toleriert. Alternativ oder zusätzlich kann es möglich sein, dass eine Durchführung der Schritte a) und/oder b) im Betriebszustand verhindert ist, und insbesondere die Durchführung vor einem Zuschalten der Zelle zur Energieversorgung des Fahrzeuges, vorzugsweise durch ein Batteriemanagementsystem, bevorzugt durch eine Deaktivierung der Überwachungsvorrichtung und/oder Umschaltung der Erkennungsschwelle, deaktiviert wird.
  • Weiter ist es optional vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung und/oder eine zellnahe implementierte Erkennung von internen Kurzschlüssen (also die Überwachung gemäß Schritt a) und/oder Detektion gemäß Schritt b)) auf einer Modul-Elektronik implementiert wird. Auch hierbei kann dann ggf. eine andere Erkennungsschwelle genutzt werden. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf eine Überwachungsvorrichtung gerichtet, bei der das erfindungsgemäße Verfahren in einem Speicher der Überwachungsvorrichtung hinterlegt ist, wobei die Überwachungsvorrichtung insbesondere dazu dient, dass erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Auch umfasst die Erfindung zumindest einen Energiespeicher, insbesondere in Form wenigstens einer Batteriezelle und/oder eines Batteriepacks basierend auf Lithiumchemie mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 einen Verlauf erfasster Messwerte zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2 einen Verlauf erfasster Messwerte zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 ein Fahrzeug mit einem Energiespeicher.
  • 1 zeigt schematisch zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 einen möglichen zeitlichen Zellspannungsverlauf bei Auftreten eines zellinternen Kurzschlusses. Vorteilhafterweise wird eine Erfassung der Messwerte 110 gemäß Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 durchgeführt und nach jeder Erfassung eine nachgeführte Erkennungsschwelle 120 berechnet. Dabei kann die Erkennungsschwelle 120 als der Mittelwert der letzten 5 Messwerte 110 nach dem aktuell erfassten Messwert 110 berechnet werden. Die erfassten Messwerte 110 werden hier beispielhaft zur verbesserten Visualisierung der erfindungsgemäßen Idee einer Ist-Spannung 130 gegenübergestellt.
  • Es ist eine Zellspannungsermittlung mit einer ersten Rate und dementsprechend niedriger Messfrequenz durch einen Pfeil 150 gekennzeichnet. Bei einem Auftreten eines Ereignisses 154, welches für einen Fehlerfall spezifisch ist (z. B. einem internen Kurzschluss), wirkt sich das Ereignis 154 auf die Zellspannung 130 aus. Es kommt zum Spannungsabfall der Zellspannung 130, was durch entsprechend niedrigere und abfallende Messwerte 110 gekennzeichnet ist. Beim erstmaligen Unterschreiten des Messwertes 110 unter die Erkennungsschwelle 120 erfolgt eine Umschaltung zu einer Zellspannungsermittlung mit einer zweiten Rate (zur Entprellung des Ereignisses 154 mit hoher Messfrequenz). Die Umschaltung ist hierbei durch einen Pfeil 153 gekennzeichnet, und die Zellspannungsermittlung mit der zweiten Rate durch einen weiteren Pfeil 151. Da im Beispiel gemäß 1 der Fehlerfall bestätigt wird (d. h. auch die weiteren Messwerte 110 liegen unterhalb der Erkennungsschwelle 120), wird sodann eine Sicherheitsmaßnahme ausgelöst (dargestellt durch einen Pfeil 152). Hierzu muss bspw. eine Bestätigung über 4 bis 6 Messwerte 110 erfolgen, sodass bei dem 6. Messwert, der in Folge unterhalb der Erkennungsschwelle 120 liegt, die Sicherheitsmaßnahme initiiert wird. Zur Durchführung der Sicherheitsmaßnahme wird bspw. eine Sicherheitsvorrichtung 30 angesteuert, z. B. ein Sicherheitsschalter geöffnet oder geschlossen, um einen Stromkreis zu unterbrechen bzw. zu schließen. Dies bewirkt z. B. das Trennen der Zelle vom Bordnetz und/oder eine Überführung der Zelle in einen gesicherten Zustand (z. B. durch ein kontrolliertes Entladen der Zelle). In 1 ist dies durch ein weiteres schnelleres Absinken der Zellspannung 130 gekennzeichnet.
  • In 2 ist ein Verlauf der Messwerte dargestellt, bei dem ein Messwert 110 durch eine außergewöhnliche Störung die Erkennungsschwelle 120 unterschreitet, ohne dass ein zellinterner Kurzschluss, also ein Ereignis 154, vorliegt. Da bei dem ersten Unterschreiten nicht direkt die Sicherheitsmaßnahme ausgelöst wird, sondern stattdessen zunächst die Rate der Zellspannungsermittlung (also der Erfassung der Messwerte 110) erhöht wird, kann relativ schnell diese Störung als eine solche erkannt werden. Es wird dann wieder zur Zellspannungsermittlung gemäß der ersten Rate zurückgekehrt (Pfeil 150).
  • 3 zeigt beispielhaft ein Fahrzeug 1 mit einem Energiespeicher 10. Der Energiespeicher 10 umfasst insbesondere mehrere Zellen 11, welchen jeweils eine Überwachungsvorrichtung 20 und eine Sicherheitsvorrichtung 30 zugeordnet sein kann. Es ist weiter ein Batteriemanagementsystem 3 gezeigt, welches separat von den Überwachungsvorrichtungen 20 ausgebildet sein kann.
  • Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • 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 2016/0103188 [0002]
    • DE 102015200406 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Verfahren (100) zur Bereitstellung einer Schutzfunktion bei wenigstens einer Zelle (11) für einen Energiespeicher (10) eines Fahrzeuges (1), wobei bei einem Betriebszustand eine Energieversorgung bei dem Fahrzeug (1) durch die Zelle (11) erfolgt und bei einem Ruhezustand diese Energieversorgung unterbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgenden Schritte im Ruhezustand durchgeführt werden: a) Durchführen einer Überwachung durch eine Überwachungsvorrichtung (20), bei welcher wiederholt Messwerte (110) erfasst werden, welche jeweils für eine Zellspannung bei der Zelle (11) spezifisch sind, b) Durchführen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme zur Deaktivierung der Zelle (11), wenn anhand eines Vergleichs von wenigstens zwei der erfassten Messwerte (110) ein Fehlerzustand bei der Zelle (11) detektiert wird, um die Schutzfunktion bereitzustellen.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Schritt b) der Fehlerzustand dadurch detektiert wird, dass ein Spannungsverlust bei der Zelle (11) anhand der Messwerte (110) detektiert wird, wobei hierzu ein jeweiliger aktuell erfasster Messwert (110) mit einer Erkennungsschwelle (120) verglichen wird.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion gemäß Schritt b) ein zeitlicher Verlauf der Messwerte (110) analysiert wird, wobei die Analyse anhand wenigstens einer Differenz wenigstens zweier Messwerte (110) durchgeführt wird.
  4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (110) in einem zeitlichen Abstand von 100 ms bis 500 ms erfasst werden.
  5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nach jeder Erfassung gemäß Schritt a) eine Mittelung von erfassten Messwerten (110) durchgeführt wird, sodass jeweils ein Mittelwert bestimmt wird, und bei Schritt b) ein jeweils aktuell erfasster Messwert mit dem jeweils aktuell bestimmten Mittelwert verglichen wird, um den Fehlerzustand zu detektieren.
  6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nach Schritt a) eine Erkennungsschwelle (120) anhand einer Mittelung von erfassten Messwerten (110) bestimmt wird, und bei Schritt b) ein aktuell erfasster Messwert (110) mit der Erkennungsschwelle (120) verglichen wird.
  7. Verfahren (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer ersten Rate durchgeführt wird, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert (110) größer ist als die Erkennungsschwelle (120), und die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer zweiten Rate größer als die erste Rate durchgeführt wird, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert (110) kleiner als die oder gleich der Erkennungsschwelle (120) ist.
  8. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) durch die Überwachungsvorrichtung (20) durchgeführt werden, welche hierzu als eine der Zelle (11) zugeordnete Elektronik unabhängig von einem Batteriemanagementsystem (3) ausgebildet ist.
  9. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) im Ruhezustand durchgeführt werden, in welchem die Zelle (11) mit weiteren Zellen (11) verbunden ist, und außerdem in einem Transportzustand der Zelle (11) durchgeführt werden, in welchem die Zelle (11) elektrisch von weiteren Zellen (11) galvanisch getrennt ist, wobei vorzugsweise sowohl im Ruhezustand als auch im Transportzustand die Zelle (11) lastfrei geschaltet ist.
  10. Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) kontinuierlich im Ruhezustand und im Transportzustand durchgeführt werden.
  11. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchführung der Schritte a) und/oder b) im Betriebszustand verhindert ist, und insbesondere die Durchführung vor einem Zuschalten der Zelle (11) zur Energieversorgung des Fahrzeuges (1), vorzugsweise durch ein Batteriemanagementsystem (3), deaktiviert wird.
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