DE102018200145A1

DE102018200145A1 - Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102018200145A1
Application number: DE102018200145.6A
Authority: DE
Inventors: Chrysanthos Tzivanopoulos; Johannes Swoboda; Sven Bergmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-07-11
Also published as: US20190214689A1; US11125786B2; CN110031715A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers beschrieben, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten, die erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit, umfasst, die in dem elektrischen Energiespeicher elektrisch parallel geschaltet sind, mit den Schritten:- Erfassen eines in die oder aus der ersten elektrischen Energiespeichereinheit fließenden elektrischen Stromes und Erfassen eines in die oder aus der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit fließenden elektrischen Stromes;- Ermitteln eines Kurzschlussstromes in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der erfassten mindestens zwei elektrischen Ströme;- Erkennen eines internen Kurzschlusses, wenn der Kurzschlussstrom betragsmäßig einen vordefinierten Kurzschlussstromschwellenwert überschreitet.Weiterhin werden eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium und ein entsprechender elektrischer Energiespeicher beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten, eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit, umfasst, welche in dem elektrischen Energiespeicher elektrisch parallel geschaltet sind.
Stand der Technik
Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, werden zunehmend große elektrische Energiespeicher, welche aus einer Vielzahl an kleineren Einheiten bestehen, eingesetzt. Meist handelt es sich um Batteriepacks, welche aus einer Vielzahl von Batteriemodulen beziehungsweise Batteriezellen gebildet werden. Um die Sicherheit dieser Energiespeicher zu gewährleisten, werden meist Größen wie ein elektrischer Strom und eine elektrische Spannung des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der ihn konstituierenden kleineren Einheiten überwacht. Überschreiten oder unterschreiten diese Größen bestimmte Schwellenwerte beziehungsweise Grenzwerte, bedeutet dies meist ein Risiko für die Sicherheit des elektrischen Energiespeichers. Daher werden, wenn dieser Fall eintritt, beispielsweise sogenannte Schütze geöffnet, um einen Stromfluss in den elektrischen Energiespeicher zu unterbinden. In weniger kritischen Fällen wird beispielsweise ein maximaler Stromwert reduziert.
Die kleineren Einheiten sind dabei meist in serieller Verschaltung miteinander verbunden. Bei in Parallelschaltung verbundenen Einheiten stellt sich aufgrund der Parallelschaltung zwischen den Einheiten die gleiche elektrische Spannung ein. Eine Erkennung eines internen Kurzschlusses beispielsweise in parallel geschalteten Batteriezellen ist daher über eine Spannungsmessung und einen resultierenden Spannungseinbruch nicht einfach möglich.
In der Druckschrift DE 11 2011 101 823 T5 wird ein Kontrollsystem für eine parallele Batterieanschlussschaltung geschrieben, welches Anomalitäten feststellt durch Feststellen und Vergleichen von Zuständen einer Vielzahl von Sekundärbatteriepacks.
In der Druckschrift WO 2011/003251 A1 wird ein Batteriemanagementsystem beschrieben, welches ein Batteriesystem mit seriell-paralleler Verschaltung umfasst, in welchem Messpunkte über einen Widerstand an das Batteriemanagementsystem angebunden sind und die Detektion von Fehlern in dem Batteriesystem ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Offenbart wird ein Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers, wobei der elektrische Energiespeicher mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten, eine erste elektrische Energiespeichereinheit und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit, umfasst, welche in dem elektrischen Energiespeicher elektrisch parallel geschaltet sind.
Dabei wird der in die oder aus der ersten elektrischen Energiespeichereinheit fließende elektrische Strom erfasst, beispielsweise mit einem Hallstromsensor oder einem Shuntstromsensor. Weiterhin wird der in die oder aus der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit fließende elektrische Strom erfasst. In Abhängigkeit dieser erfassten Ströme wird ein Kurzschlussstrom in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von Innenwiderstandswerten der parallel geschalteten elektrischen Energiespeichereinheiten und einer Summenbildung über Änderungen der erfassten elektrischen Ströme erfolgen. Entsprechende Berechnungsvorschriften finden sich beispielsweise weiter unten. Dieser Kurzschlussstrom wird im Falle eines Kurzschlusses innerhalb der ersten elektrischen Energiespeichereinheit dadurch verursacht, dass der Kurzschluss wie ein parallelgeschalteter elektrischer Widerstand in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit wirkt. Dadurch sinkt der nach außen sichtbare Innenwiderstand der ersten elektrischen Energiespeichereinheit. Weiterhin verändert sich indirekt die Leerlaufspannungskurve durch eine stärkere Entladung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit. Wenn der Kurzschlussstrom betragsmäßig einen vordefinierten Kurzschlussstromschwellenwert überschreitet, wird dies als Vorliegen eines internen Kurzschlusses in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit erkannt. Das Verfahren erlaubt somit in vorteilhafter Weise die Erkennung eines Kurzschlusses und hilft dadurch, Gefahrensituationen, die aus einem internen Kurzschluss resultieren können, beispielsweise eine unkontrollierte Entladung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und im Zusammenhang damit ein kontrolliertes Erhitzen, zu vermeiden.
Vorteilhafterweise wird der Stromfluss in die erste elektrische Energiespeichereinheit dann so gesteuert, dass ein entsprechender Stromwert betragsmäßig einen vordefinierten Notfallstromwert nicht mehr überschreitet. Alternativ kann der Stromfluss in die erste elektrische Energiespeichereinheit auch vollständig unterbrochen werden. Dazu können in dem elektrischen Energiespeicher beispielsweise entsprechende leistungselektronische Bauteile, beispielsweise unter Verwendung von Leistungstransistoren, oder mechanische Bauteile, beispielsweise Schütze, vorgesehen sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise werden aus den erfassten, in die oder aus den mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten fließenden Strömen jeweils entsprechende Differenzstromwerte ermittelt. Dies bedeutet, dass aus den erfassten Stromwerten der ersten elektrischen Energiespeichereinheit entsprechende erste Differenzstromwerte durch Differenzenbildung ermittelt werden und aus den erfassten Stromwerten der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit entsprechende zweite Differenzstromwerte ermittelt werden. Anschließend wird der Kurzschlussstrom in Abhängigkeit dieser ermittelten Differenzstromwerte ermittelt beziehungsweise berechnet. Dies kann beispielsweise mit der weiter unten angegebenen Formel (1) durchgeführt werden, wobei aus diskreten Stromwerten entsprechende Differenzwerte berechnet werden und auf geeignete Weise der Faktopr k₃ ermittelt wird. Entsprechende Möglichkeiten sind weiter unten angegeben.
Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Verwendung von Differenzen keine absoluten Werte des jeweiligen Stromes in die Berechnung beziehungsweise Ermittlung einfließen. Somit ist das Verfahren relativ unempfindlich gegenüber einem Offsetstrom in der Stromerfassung mittels eines Stromsensors.
Zweckmäßigerweise wird ein Innenwiderstandsverhältnis der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Dies kann beispielsweise über die konkrete Bestimmung der Innenwiderstandswerte der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten erfolgen oder über das Verhältnis einer Summe von Quotienten, welche den ersten Differenzstromwert der ersten elektrischen Energiespeichereinheit zu einem aus einem Gesamtstromwert gebildeten Differenzgesamtstromwert ins Verhältnis setzen. Dabei kann das Innenwiderstandsverhältnis das Verhältnis eines Innenwiderstandswertes der ersten elektrischen Energiespeichereinheit zu der Summe der Innenwiderstandswerte der ersten und zweiten elektrischen Energiespeichereinheit wiedergeben. Der Kurzschlussstrom wird anschließend in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstandsverhältnisses ermittelt, wobei dazu beispielsweise die Formel (1) eingesetzt werden kann, in der der Faktor k₃ das entsprechende Innenwiderstandsverhältnis abbildet. Dabei können auch die oben erwähnten Differenzstromwerte zusätzlich Verwendung finden. Dies erhöht in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit und Robustheit des Verfahrens durch die Berücksichtigung des Innenwiderstandsverhältnisses der elektrischen Energiespeichereinheiten.
Zweckmäßigerweise werden die Innenwiderstände der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt. Aus den ermittelten Innenwiderstandswerten wird anschließend der Kurzschlussstrom ermittelt, beispielsweise über das oben beschriebene Innenwiderstandsverhältnis. Dies erlaubt eine sehr genaue Ermittlung des Kurzschlussstromes, da die entsprechenden Innenwiderstandswerte zuverlässig und präzise ermittelt werden können.
Zweckmäßigerweise wird das Innenwiderstandsverhältnis unter Verwendung zumindest der ersten Differenzstromwerten ermittelt. Dabei kann auch nur ein Teil der ermittelten Differenzstromwerte eingesetzt werden. Somit müssen in vorteilhafter Weise gegebenenfalls keine Innenwiderstände der entsprechenden Energiespeichereinheiten ermittelt werden. Das Verfahren wird dadurch beispielsweise weniger rechenintensiv, wodurch sich sein Einsatzbereich vergrößert.
Zweckmäßigerweise wird der Kurzschlussstrom mittels Summenbildung über eine vordefinierte Anzahl an Differenzstromwerten ermittelt. Dies kann beispielsweise unter Verwendung der weiter unten angebenen Formeln (2), (3) und (4) erfolgen, in die nur Differenzstromwerte einfließen. Dies hat den Vorteil, dass, im Gegensatz zu einer Integralbildung, mögliche Offsets nicht zu stark ins Gewicht fallen und den Integralwert nicht sehr stark verzerren. Weiterhin liegen die Differenzstromwerte in einem technischen System bereits meist in zeitdiskreter Form vor. Somit kann die Berechnung der endlichen Summe in vorteilhafter Weise sehr einfach durchgeführt werden.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers, wobei die Vorrichtung mindestens ein Mittel umfasst, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren durchzuführen. Somit werden durch die Vorrichtung unmittelbar die im vorstehenden beschriebenen Vorteile realisiert.
Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z. B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die vorgenannte Vorrichtung das offenbarte Verfahren ausführt. Somit werden in vorteilhafter Weise bei Ausführung des Computerprogramms auf einer entsprechenden technischen Einrichtung, beispielsweise einem Computer, die Vorteile des Verfahrens realisiert.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Somit sind in vorteilhafter Weise eine einfache Verbreitung und der einfache Einsatz des beschriebenen Computerprogramms möglich.
Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrischer Energiespeicher, welcher mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten umfasst und weiterhin die offenbarte Vorrichtung aufweist. Somit werden in vorteilhafter Weise die bei dem Verfahren beschriebenen Vorteile realisiert.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
Figurenliste
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung zur Erkennung eines internen Kurzschlusses.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
1 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichers 10 mit drei elektrischen Energiespeichereinheiten 107, 108, 109, welche elektrisch in Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Mittels Stromsensoren 102, 103, 104 wird jeweils ein Strom, der in die entsprechende elektrische Energiespeichereinheit fließt, erfasst. Die erfassten Stromgrößen werden anschließend an ein hier nicht dargestelltes Batteriemanagementsteuergerät weitergeleitet. Ebenso wird mittels eines Stromsensors 105 der Gesamtstrom, welcher sich aus den einzelnen Strängen konstituiert, erfasst. Auch diese erfasste Stromgröße wird an das hier nicht dargestellte Batteriemanagementsteuergerät weitergeleitet. Mittels eines Spannungssensors 106 wird eine elektrische Spannung der parallel geschalteten elektrischen Energiespeichereinheiten erfasst. Aufgrund der Parallelschaltung ist die erfasste Spannung für alle elektrischen Energiespeichereinheiten 107, 108, 109 im Wesentlichen identisch. Die erfasste Spannungsgröße wird ebenso an das hier nicht dargestellte Batteriemanagementsteuergerät weitergeleitet. Das Batteriemanagementsteuergerät führt zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer der elektrischen Energiespeichereinheiten das offenbarte Verfahren aus.
2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S11 wird ein die erste elektrische Energiespeichereinheit 107 fließender elektrischer Strom erfasst. Weiterhin wird in dem ersten Schritt S11 ein in die zweite elektrische Energiespeichereinheit 108 fließender elektrischer Strom erfasst. Weiterhin wird in dem ersten Schritt S11 ein in die dritte elektrische Energiespeichereinheit 109 fließender elektrischer Strom erfasst. Es kann auch noch ein Gesamtstrom erfasst werden, welcher sich dann in die entsprechenden Teilströme aufteilt, wie oben beschrieben. Die drei elektrischen Energiespeichereinheiten sind dabei Teil des elektrischen Energiespeichers 10 und einander parallel geschaltet.
Die Ermittlung des Kurzschlussstromes erfolgt in einem zweiten Schritt S12 modellbasiert, wobei die Herleitung der grundlegenden Zusammenhänge nachstehend ausführlich beschrieben wird und somit auch für spätere Ausführungsformen gilt.
Dazu wird vereinfachend angenommen, dass eine reale elektrische Energiespeichereinheit modellhaft als Serienschaltung einer Ersatzspannungsquelle und eines ohmschen Widerstands als Innenwiderstand darstellt werden kann. Die einzelnen Ströme der ersten, zweiten und dritten elektrischen Energiespeichereinheit 107, 108, 109 lassen sich daher wie folgt beschrieben: $I_{c e l l 1} = G_{1} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 2} \cdot G_{2} + U_{O C V 3} \cdot G_{3} - U_{O C V 1} \cdot (G_{2} + G_{3})}{G_{1} + G_{2} + G_{3}},$
$I_{c e l l 2} = G_{2} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 1} \cdot G_{1} + U_{O C V 3} \cdot G_{3} - U_{O C V 2} \cdot (G_{1} + G_{3})}{G_{1} + G_{2} + G_{3}},$
$I_{c e l l 3} = G_{3} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 1} \cdot G_{1} + U_{O C V 2} \cdot G_{2} - U_{O C V 3} \cdot (G_{1} + G_{2})}{G_{1} + G_{2} + G_{3}},$
wobei G₁ bis G₃ jeweils für den Leitwert steht, also den Kehrwert des ohmschen Widerstands, I_pack den Gesamtstrom bezeichnet und U_ocv jeweils die Spannung der jeweiligen Ersatzspannungsquelle, auch Leerlaufspannung genannt, bezeichnet.
Durch einen internen Kurzschluss, beispielhaft in der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 109, ändert sich der Spannungswert der Ersatzspannungsquelle sowie des ohmschen Widerstands der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 109. Dadurch ändern sich die Zellströme wie folgt: $I_{c e l l 1} = G_{1} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 2} \cdot G_{2} + U'_{O C V 3} \cdot G'_{3} - U_{O C V 1} \cdot (G_{2} + G'_{3})}{G_{1} + G_{2} + G'_{3}},$
$I_{c e l l 2} = G_{2} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 1} \cdot G_{1} + U'_{O C V 3} \cdot G'_{3} - U_{O C V 2} \cdot (G_{1} + G'_{3})}{G_{1} + G_{2} + G'_{3}},$
$I_{c e l l 3} = G'_{3} \cdot \frac{I_{p a c k} + U_{O C V 1} \cdot G_{1} + U_{O C V 2} \cdot G_{2} - U'_{O C V 3} \cdot (G_{1} + G_{2})}{G_{1} + G_{2} + G'_{3}},$
wobei die durch den Kurzschluss geänderten Werte durch einen Apostroph gekennzeichnet sind.
Die Änderung beziehungsweise der Differenzstrom dI_cell3 von I_cell3 hängt von der Änderung des Gesamtstromes I_pack ab. Im Falle eines Kurzschlusses ist eine zusätzliche Abhängigkeit vom Wert des entsprechenden Innenwiderstandes beziehungsweise Leitwertes G₃ und der Spannung der entsprechenden Ersatzspannungsquelle U_ocv3 gegeben: $d I_{c e l l 3} = \frac{\partial I_{c e l l 3}}{\partial I_{p a c k}} d I_{p a c k} + \frac{\partial I_{c e l l 3}}{\partial G_{3}} d G_{3} + \frac{\partial I_{c e l l 3}}{\partial U_{O C V 3}} d U_{O C V 3},$
$d I_{c e l l 3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} d I_{p a c k} + \frac{G_{1} + G_{2}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} (\frac{I_{c e l l 3}}{G_{3}} d G_{3} - G_{3} \cdot d U_{O C V 3}) .$
Mit ${dG}_{3} = {dGshort und U}_{ocv3} = U_{O C V 3} \frac{- d G_{s h o r t}}{d G_{s h o r t} + G_{3}}$
folgt für dl_cell3: $\begin{matrix} d I_{c e l l 3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} d I_{p a c k} \\ + \frac{G_{1} + G_{2}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} (\frac{d G_{s h o r t}}{G_{3}} I_{c e l l 3} + U_{O C V 3} \cdot d G_{s h o r t} \frac{G_{3}}{d G_{s h o r t} + G_{3}}), \end{matrix}$
wobei U_OCV3 · dG_short = dI_short gilt und somit folgt: $d I_{c e l l 3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} d I_{p a c k} + \frac{G_{1} + G_{2}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} (\frac{d G_{s h o r t}}{G_{3}} I_{c e l l 3} + d I_{s h o r t} \frac{G_{3}}{d G_{s h o r t} + G_{3}}) .$
Diese Gleichung lässt sich in zwei Schritten vereinfachen: Zum einen gilt meist annähernd $\frac{d G_{s h o r t}}{G_{3}} = 0,$
wodurch dieser Term vernachlässigt werden kann. Zum zweiten gilt meist annähernd $\frac{G_{3}}{d G_{s h o r t} + G_{3}} = 1,$
wodurch dieser Term als Faktor vernachlässigt werden kann.
Aus dieser Vereinfachung folgt: $d I_{c e l l 3} = k_{3} \cdot d I_{p a c k} + (1 - k_{3}) \cdot d I_{s h o r t} {mit k}_{3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} .$
Eine Umstellung nach dI_short liefert: $d I_{s h o r t} = \frac{d I_{c e l l 3} - k_{3} \cdot d I_{p a c k}}{1 - k_{3}} .$
Durch eine Integration dieser Gleichung lässt sich der Kurzschlussstrom, der in der dritten elektrischen Energiespeichereinheit fließt, ermitteln. Er resultiert zu: $I_{s h o r t} = \frac{1}{1 - k_{3}} \int (d I_{c e l l 3} - k_{3} \cdot d I_{p a c k}) d t .$
In Zeit diskreter Form lautet er wie folgt: $I_{s h o r t} = \frac{1}{1 - k_{3}} \sum (d I_{c e l l 3} - k_{3} \cdot d I_{p a c k}) .$
Eine Fensterung mit der Fensterbreite g, d.h. unter Berücksichtigung von g Summentermen, kann sich in der Praxis als nützlich erweisen um ein Wegdriften des Integrals zu vermeiden, wobei n die Gesamtzahl an bisher aufgezeichneten Summentermen ist: $I_{s h o r t} = \frac{1}{1 - k_{3}} \sum_{t = n - g}^{n} (d I_{c e l l 3} (t) - k_{3} \cdot d I_{p a c k} (t)), mit n \geq g,$
$\begin{matrix} d I_{p a c k} = \sum_{x = 1}^{n_{c e l l}} d I_{c e l l x}, \\ k_{3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} . \end{matrix}$
Hierbei kann die Änderung des Gesamtstromes dI_pack mittels einer Summenbildung über die Änderungen der in die einzelnen elektrischen Energiespeichereinheiten fließenden Ströme dI_cell1, dI_cell2, dI_cell3 ermittelt werden, wobei hier n_cell = 3 gilt.
Da sich die Innenwiderstände der elektrischen Energiespeichereinheiten 107, 108, 109 im Laufe ihrer Nutzungszeit ändern und sich somit auch die entsprechenden elektrischen Leitwerte G ändern, ist ein Adaptieren des Faktors k3 sinnvoll. Da die einzelnen Ströme in die entsprechenden elektrischen Energiespeichereinheiten 107, 108, 109 im Wesentlichen proportional zum Innenwiderstand der elektrischen Energiespeichereinheiten sind, lässt sich über das Verhältnis eines entsprechenden Einzelstromes zum Gesamtstrom der Faktor k₃ bestimmen. Eine Mitteilung über eine Anzahl h von insgesamt f Werten, wobei f >= h gilt, ist dabei eine sinnvolle Maßnahme, um unerwünschte Einflüsse wie Rauschen und Messungenauigkeiten abzumildern. Daraus folgt beispielsweise: $k_{3} = \frac{G_{3}}{G_{1} + G_{2} + G_{3}} ≅ \frac{1}{h} \sum_{t = f - h}^{f} \frac{d I_{c e l l 3} (t)}{d I_{p a c k} (t)} .$
In dem zweiten Schritt S12 wird unter Verwendung der in dem ersten Schritt S11 erfassten elektrischen Ströme und mittels der Formel (1) ein elektrischer Kurzschlussstrom ermittelt, der aus einem internen Kurzschluss in der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 109 resultiert. Dabei kann die in der Formel (1) verwendete Größe k₃ beispielsweise mittels einer Ermittlung der Innenwiderstandswerte beziehungsweise der Leitwerte G erfolgen. Dazu können Strom- und Spannungswerte der elektrischen Energiespeichereinheiten 107, 108, 109 verwendet werden, beispielsweise mittels einfacher Quotientenbildung. Die Größe k₃ ergibt sich dann wie angegeben. Der Differenzstrom dl_cell3 berechnet sich in diskreter Form mittels Differenzenbildung aus erfassten, diskreten Werten des in die dritte elektrische Energiespeichereinheit 109 fließenden Zellstroms. Gleiches gilt für den Differenzgesamtstrom dI_pack.
Der Kurzschlussstrom ist somit ermittelt und kann zur Erkennung eines internen Kurzschlusses eingesetzt werden. Dazu wird der ermittelte Kurzschlussstrom beziehungsweise sein diskreten Werte betragsmäßig in einem dritten Schritt S13 mit einem vordefinierten Kurzschlussstromschwellenwert verglichen. Wenn der ermittelte Kurzschlussstrom kleiner ist als der Kurzschlussstromschwellenwert, so wird angenommen, dass kein Kurzschluss vorliegt, und es wird mit dem ersten Schritt S11 fortgefahren. Wenn der ermittelte Kurzschlussstrom betragsmäßig größer ist als der vordefinierte Kurzschlussstromschwellenwert, so wird in einem vierten Schritt S14 ein interner Kurzschluss in der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 109 detektiert. Danach kann ein elektrisches Batteriemanagementsteuergerät verschiedene Schritte ausführen. Beispielsweise kann bei einer nur geringfügigen Überschreitung ein zulässiger maximaler Gesamtstrom beziehungsweise ein zulässiger Durchschnittsgesamtstrom reduziert werden, um zumindest einen reduzierten Fahrbetrieb zu ermöglichen, beispielsweise um eine Werkstatt aufzusuchen. Alternativ kann durch Öffnung geeigneter Schalter, beispielsweise Schütze, in dem elektrischen Energiespeicher 10 der Gesamtstromfluss vollständig unterbrochen werden, um die dritte elektrische Energiespeichereinheit 109 nicht weiter zu belasten.
Alternativ kann in dem zweiten Schritt S12 der Differenzgesamtstrom dI_Pack mittels der Formel (3) über die Summe der einzelnen Differenzzellströme ermittelt werden. Somit kann gegebenenfalls auf eine Gesamtstrommessung zur Ermittlung von I_pack verzichtet werden.
Eine Alternative zur Ermittlung des Faktors k₃ über die jeweiligen Leitwerte G₁ bis G₃ ist in dem zweiten Schritt S12 mittels der Formel (4) möglich. Somit kann gegebenenfalls auf eine Ermittlung der einzelnen Leitwerte G₁, G₂, G₃ verzichtet werden. Dies kann sich als vorteilhaft für die Rechenzeit und den Speicherbedarf des offenbarten Verfahrens erweisen.
3 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 70, die eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit eines elektrischen Energiespeichers auszuführen. Dabei werden mittels geeigneter Sensoren 71, beispielsweise Strom- und Spannungssensoren in einer Anordnung wie in 1, elektrische Ströme und elektrische Spannungen erfasst und an ein Batteriemanagementsteuergerät 72 übermittelt. Das Batteriemanagementsteuergerät 72 führt anschließend die Ermittlung des Kurzschlussstromes in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit durch. Wenn es einen internen Kurzschluss erkennt, steuert das Batteriemanagementsteuergerät 72 eine Leistungselektronik 73, beispielsweise einen Wechselrichter, entsprechend an, um einen Gesamtstromfluss in dem elektrischen Energiespeicher zu verringern beziehungsweise zu unterbrechen. Dadurch wird eine sicherheitskritische Situation, welche sich durch eine weitere elektrische Belastung der ersten elektrischen Energiespeichereinheit ergibt, vermieden.
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

DE 112011101823 T5 [0004]
WO 2011/003251 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit (107, 108, 109) eines elektrischen Energiespeichers (10), wobei der elektrische Energiespeicher (10) mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten (107, 108, 109), die erste elektrische Energiespeichereinheit (107, 108, 109) und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit (107, 108, 109), umfasst, die in dem elektrischen Energiespeicher (10) elektrisch parallel geschaltet sind, mit den Schritten: a) Erfassen eines in die oder aus der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (107, 108, 109) fließenden elektrischen Stromes und Erfassen eines in die oder aus der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit (107, 108, 109) fließenden elektrischen Stromes; b) Ermitteln eines elektrischen Kurzschlussstromes in der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (107, 108, 109) in Abhängigkeit der erfassten mindestens zwei elektrischen Ströme; c) Erkennen eines internen Kurzschlusses, wenn der Kurzschlussstrom betragsmäßig einen vordefinierten Kurzschlussstromschwellenwert überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: d) Ermitteln von Differenzstromwerten für mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit (107, 108, 109) aus den erfassten, in die oder aus den mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten (107, 108, 109) fließenden Strömen, wobei in Schritt b) das Ermitteln des elektrischen Kurzschlussstromes zusätzlich in Abhängigkeit der ermittelten Differenzstromwerte erfolgt.
Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: e) Ermitteln eines Innenwiderstandsverhältnisses der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten (107, 108, 109), wobei in Schritt b) das Ermitteln des elektrischen Kurzschlussstromes zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstandsverhältnisses erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: f) Ermitteln der Innenwiderstände der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten (107, 108, 109), wobei in Schritt b) das Ermitteln des elektrischen Kurzschlussstromes zusätzlich in Abhängigkeit der ermittelten Innenwiderstände der mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten (107, 108, 109) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Innenwiderstandsverhältnis unter Verwendung der Differenzstromwerte ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kurzschlussstrom mittels einer Summenbildung über eine vordefinierte Anzahl an Differenzstromwerten ermittelt wird.
Vorrichtung (70) zur Erkennung eines internen Kurzschlusses in einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit (107, 108, 109) eines elektrischen Energiespeichers 10, umfassend mindestens ein Mittel (71, 72, 73), insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät (72), welches eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach Anspruch 7 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Elektrischer Energiespeicher (10), umfassend mindestens zwei elektrische Energiespeichereinheiten (107, 108, 109) und eine Vorrichtung (70) nach Anspruch 7.