DE102020132584A1 - Zweistufiges verfahren zur erkennung thermischer ausreisser - Google Patents

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Fiona E. Meyer-Teruel
Tao Wang
Thomas Timpf
Andrew C. Baughman
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Abstract

Ein Batteriesystem umfasst ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) mit Batteriezellen und ein Batteriesteuerungsnetzwerk, das so konfiguriert ist, dass es eine zweistufige Logik ausführt, um einen thermischen Ausreißerzustand zu erkennen. Das Netzwerk umfasst in RESS eingebettete Zellüberwachungseinheiten (CMUs), die elektrisch mit einer entsprechenden Zellgruppe verbunden sind und Zelldaten messen und drahtlos übertragen. Ein Batteriesteuerungsmodul (BCM) steht in Kommunikation mit den CMUs. Auf den CMUs und/oder dem BCM sind thermische Auslaufsensoren montiert. Ein mit dem BCM verbundener Master-Controller enthält einen Algorithmus zur Erkennung thermisch bedingter Ausreißer, der so konfiguriert ist, dass er einen thermischen Ausreißerzustand erkennt, der innerhalb des RESS auftritt. Der BCM verwendet Daten von den CMUs und den thermischen Runaway-Sensoren, um die erste Logikstufe auszuführen, die bestimmt, wann der Master-Controller aufzuwecken ist. Der Master-Controller führt als Reaktion auf den Empfang eines Aufwecksignals eine zweite Logikstufe aus, um den Algorithmus auszuführen.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die laufende Leistungsüberwachung und Steuerlogik zur Verwendung mit einem mehrzelligen elektrochemischen Batteriesystem mit integrierten oder eingebetteten Zellenerfassungsschaltungen. Insbesondere bieten die offenbarten Lösungen eine verbesserte Methodik und ein Steuerungsnetzwerk, die zusammenwirken, um die Erkennung und Handhabung eines thermischen Ausreißzustands in einem solchen Batteriesystem zu erleichtern.
  • Wie diejenigen mit gewöhnlichen handwerklichen Fähigkeiten zu schätzen wissen, werden Lithium-Ionen-Batteriepacks und Batteriepacks, die aus Batteriezellen mit anderer Hochenergiezellenchemie hergestellt werden, als Stromversorgungen in einer Reihe von elektrischen und elektromechanischen Systemen verwendet. Zum Beispiel wird eine Batteriespannung, die von einer Antriebsbatterie an Bord eines Hybrid- oder batterieelektrischen Fahrzeugs geliefert wird, an phasenspezifische Abschnitte von Halbleiterschaltern gespeist, die in einem Wechselrichter angeordnet sind. Die Steuerung der Schaltzustände der Halbleiterschalter wird verwendet, um einzelne Phasenwicklungen einer oder mehrerer mehrphasiger rotierender elektrischer Maschinen elektrisch zu erregen. Wie hier verwendet, umfasst der Begriff „rotierende elektrische Maschine“ im weitesten Sinne Elektromotoren, elektrische Generatoren und kombinierte Motor-Generator-Einheiten der Typen, die ein stationäres Bauteil/Stator und ein koaxial angeordnetes drehbares Bauteil/Rotor aufweisen.
  • Insbesondere bei der Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine als Elektromotor bewirkt das koordinierte Zusammenwirken der jeweiligen Stator- und Rotormagnetfelder eine Rotation und ein Drehmoment auf den Rotor und eine angeschlossene Rotorwelle. Die Rotorwelle kann mit einer angetriebenen Last gekuppelt werden, z.B. über ein zwischengeschaltetes Getriebe oder eine Kraftübertragungsbaugruppe, wobei das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors an die angetriebene Last geleitet wird, um Arbeit zu verrichten. Der entgegengesetzte Leistungsfluss kann zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, wenn der Rotor gegenüber dem Stator mechanisch rotiert, wobei die Rotation des Rotors Strom innerhalb der Statorwicklungen erzeugt. Der erzeugte Strom wird danach in den einzelnen Batteriezellen des Batteriesatzes gespeichert.
  • In einem elektrischen Antriebsstrang, der die oben beschriebene rotierende elektrische Maschine in ihrer Eigenschaft als elektrischer Antriebs- oder Fahrmotor verwendet, wird den Zellen des Batteriesystems immer dann Energie entzogen, wenn der elektrische Antriebsstrang in einem Antriebs- oder Vortriebsmodus arbeitet, d.h. wenn die Batteriezellen aktiv entladen werden. Abhängig von der jeweiligen Konfiguration der elektrischen Maschine können die Batteriezellen über eine Außenbord-Ladestation und/oder über eine bordeigene Regeneration aufgeladen werden. Zelldaten wie die Spannungen der einzelnen Zellen oder Zellgruppen, die elektrischen Lade- und Entladeströme zu und von den Batteriezellen oder Zellgruppen sowie Temperaturmessungen, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Batteriesystems abgetastet werden, werden gesammelt und von einer Batteriesteuereinheit über die Zeit genau überwacht und gesteuert. Die Batteriesteuereinheit ist so konfiguriert, dass sie die Batteriesteuerparameter auf der Grundlage der gesammelten Zelldaten automatisch anpasst.
  • Eine typische Anordnung eines Batteriesystems umfasst ein Batteriepaket, das in mehrere Zellstapel oder Module unterteilt ist, wobei jedes der Batteriemodule mit einer anwendungsgerechten Anzahl von Batteriezellen und einer dedizierten Zellenerfassungsplatine (CSB) ausgestattet ist. Jedes entsprechende CSB ist so konfiguriert, dass es die entsprechenden Zelldaten für ein bestimmtes Akkumodul misst und die gemessenen Zelldaten als Teil einer laufenden Leistungsfluss-Kontrollstrategie an das BSM übermittelt. Die verschiedenen CSBs sind traditionell über elektrische Kabel, Kabelbäume und Endverbinder in einer Daisy-Chain-Weise mit dem BSM verbunden, um die erforderliche Kommunikation und elektrische Konnektivität zu gewährleisten. Neu aufkommende Batteriesysteme verzichten jedoch auf festverdrahtete Kommunikationswege zwischen dem BSM und den verschiedenen CSBs zugunsten von drahtlosen Kanälen.
  • BESCHREIBUNG
  • Hierin werden ein Batteriesystem und ein zugehöriges Steuerungsverfahren offenbart, die zusammen eine vereinfachte Steuerungsarchitektur zur Erkennung eines thermischen Ausreißzustands im Batteriesystem ermöglichen. Die offenbarte Strategie verwendet eine variable Abtastrate mit einem Batteriesteuerungsnetzwerk während verschiedener Batteriebetriebsarten. Insbesondere sind verschiedene Controller des Batteriesteuerungsnetzes so konfiguriert, dass sie verschiedene Teile einer zweistufigen Verfahren ausführen, um die gewünschten Leistungsverbesserungen zu erzielen.
  • Als Teil des vorliegenden zweistufigen Verfahrens wird eine erste Logikebene, d.h. die Logik der Stufe 1, kontinuierlich in einem eingebetteten Batteriesteuerungsmodul (BCM) in drahtloser oder festverdrahteter Kommunikation mit mehreren eingebetteten Zellenmesseinheiten (CMUs) während eines Low-Power/ OFF-Betriebsmodus des Batteriesystems ausgeführt. Ein solcher Modus tritt typischerweise auf, wenn das Batteriesystem nicht aktiv Strom an eine elektrische Last liefert oder nicht aktiv überwacht wird. In einer beispielhaften Ausführungsform eines batterieelektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeugs kann ein solcher AUS-Modus z.B. immer dann ausgeführt werden, wenn das Fahrzeug für längere Zeit in einem AUS-Zustand geparkt ist und das Batteriesystem, z.B. ein Hochenergie-Antriebsbatterie-Pack des Fahrzeugs, nicht anderweitig aktiv geladen wird oder eine andere Batteriefunktion ausführt, die nicht in den Anwendungsbereich der vorliegenden Verfahren fällt.
  • Eine zweite Logikebene (Level-2-Logik) läuft während des ON-Modus des Batteriesystems und wird von einem Master-Controller ausgeführt, der mit dem eingebetteten Batteriesteuerungsmodul verbunden ist. Die Level-2-Logik und ihre Ausführung durch Hardware-Komponenten des Master-Controllers wird selektiv durch den BCM ausgelöst, möglicherweise unter Verwendung eines binären Wecksignals, als Reaktion auf die Ausführungsergebnisse der Level-1-Logik. Der Master-Controller verbleibt ansonsten während des AUS-Modus des Batteriesystems in einem Niedrigleistungs-/Schlafmodus, bis er vom BCM entsprechend der Verfahren aufgeweckt wird oder bis er von anderen Systemen aufgeweckt wird, z.B. auf einem CAN-Bus, wenn das Batteriesystem an Bord eines Fahrzeugs verwendet wird.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform des Batteriesystems umfasst ein mehrzelliges wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die in mehreren Zellgruppen angeordnet sind, und ein Batteriesteuerungsnetzwerk, das so konfiguriert ist, dass es eine zweistufige Logik ausführt, um einen thermischen Ausreißerzustand im RESS zu erkennen. Das Batteriesteuerungsnetzwerkenthält eine Vielzahl von CMUs, die in das RESS eingebettet sind, wobei jede der CMUs elektrisch mit jeweils einer der Zellgruppen verbunden und so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zur Zellabtastung und eines Transceivers Zelldaten für die jeweilige Zellgruppe misst bzw. überträgt.
  • Das Netzwerk umfasst auch ein Batteriesteuerungsmodul (BCM) mit einer Stromversorgung, einen weiteren Transceiver, der mit der Mehrzahl von CMUs kommuniziert, und einen Prozessor sowie eine Mehrzahl von thermischen Ausreißsensoren, die auf den CMUs und/oder dem BCM montiert oder positioniert sind. Ein Master-Controller wird als Teil des Netzwerks verwendet. Der Master-Controller ist über Niederspannungsleitungen und eine isolierte Kommunikationsleitung mit dem BCM verbunden und mit einem vorbestimmten Algorithmus zur Erkennung thermisch bedingter Ausreißer programmiert, der, wenn er vom Master-Controller ausgeführt wird, so konfiguriert ist, dass er einen thermischen Ausreißerzustand erkennt, der innerhalb des RESS auftritt. Der BCM in dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass er unter Verwendung von Zelldaten von den CMUs und gesammelten Daten von den thermischen Runaway-Sensoren eine erste logische Ebene (L-1) der Zwei-Ebenen-Logik ausführt, um zu bestimmen, wann der Master-Controller aufzuwecken ist, und danach ein Aufwecksignal an ihn sendet. Der Master-Controller ist so konfiguriert, dass er als Reaktion auf den Empfang des Aufwecksignals vom BCM einen zweiten Logikpegel (L-2) der Zwei-Ebenen-Logik ausführt, um dadurch den vorbestimmten Algorithmus zur Erkennung thermischer Ausreißer auszuführen.
  • Der isolierte Kommunikationspfad kann ein Controller Area Network (CAN)-Bus oder eine isoSPI-Verbindung in verschiedenen Ausführungsformen sein.
  • Jeweils einer der thermischen Weglaufsensoren kann an einer der CMUs montiert oder auf einer CMUs positioniert sein, und/oder ein Paar der thermischen Weglaufsensoren kann am BCM montiert oder auf diesem positioniert sein.
  • In einigen Konfigurationen enthält das RESS eine Reihe von Schützen, die so konfiguriert sind, dass sie sich öffnen und dadurch das RESS von einer elektrischen Last trennen. Das Batteriesystem in einer solchen Ausführung umfasst ein Batterie-Trenn-Servicebrett (BDSB), das über Niederspannungsleitungen und eine isoSPI-Verbindung mit dem BCM verbunden ist. Das BDSB ist so konfiguriert, dass es als Reaktion auf einen vorbestimmten elektrischen Fehler das Öffnen der Schütze zum Trennen des RESS anfordert.
  • Der Master-Controller kann so konfiguriert werden, dass er den Schützen befiehlt, sich zu öffnen, wenn der vorgegebene Algorithmus zur Erkennung des thermischen Ausreißens anzeigt, dass der thermische Ausreißzustand aktiv ist.
    Der BCM kann als Teil der L-1-Logik so konfiguriert werden, dass er einen Unterspannungszustand jeder der Batteriezellen des RESS erkennt und als Reaktion auf den Unterspannungszustand das Aufwecksignal an den Master-Controller sendet.
  • Zusätzlich kann der BCM als Teil der L-1-Logik selektiv eine maximale Temperaturdifferenz der Zellentemperaturen der Batteriezellen über mehrere Messperioden berechnen und das Aufwecksignal als Reaktion auf die maximale Temperaturdifferenz, die einen kalibrierten Temperaturschwellenwert überschreitet, an den Master-Controller senden. Der BCM kann auch eine Datendifferenz von den thermischen Weglaufsensoren mit einer kalibrierten Fehlerschwelle vergleichen und danach einen Fehlercode aufzeichnen, wenn die Datendifferenz von den thermischen Weglaufsensoren eine kalibrierte Fehlerschwelle überschreitet.
    Der Master-Controller als Teil der L-2-Logik kann so konfiguriert werden, dass er in einen energiesparenden Schlafmodus übergeht, wenn der vorgegebene Algorithmus zur Erkennung des thermischen Ausreißens anzeigt, dass der thermische Ausreißzustand nicht aktiv ist und dass ein aktueller Betriebsmodus des Batteriesystems kein aktiver Betriebsmodus ist.
  • Das Batteriesystem kann in einigen Ausführungsformen als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs verwendet werden, bei dem ein Leistungsumrichtermodul mit dem RESS verbunden ist und eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine mit dem Leistungsumrichtermodul verbunden ist.
  • Ein elektrischer Antriebsstrang wird hierin ebenfalls offenbart, der in einer möglichen Ausführungsform ein Leistungsumrichtermodul, einen mehrphasigen Elektromotor, der mit dem Leistungsumrichtermodul verbunden ist und von diesem gespeist wird, sowie das oben zusammengefasste RESS- und Batteriesteuerungsnetzwerk aufweist.
  • Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr bietet die vorstehende Zusammenfassung lediglich eine Veranschaulichung einiger der hier dargelegten neuartigen Aspekte und Merkmale. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einem Batteriesystem und einem Batteriesteuerungsnetzwerk, das so konfiguriert ist, dass es ein zweistufiges Verfahren zur Erkennung eines thermischen Ausreißzustands im Batteriesystem, wie hier dargelegt, implementiert.
    • 2 und 3 zeigen beispielhafte Schaltungstopologien für die Implementierung des vorliegenden zweistufigen Verfahren zur thermischen Runaway-Erkennung.
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahren beschreibt.
  • Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für verschiedene Modifikationen und alternative Formen, und einige repräsentative Ausführungsformen wurden als Beispiel in den Zeichnungen gezeigt und werden hier ausführlich beschrieben. Neuartige Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt. Vielmehr soll die Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen oder Alternativen umfassen, die in den Geist und den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Anwendung und den Gebrauch nicht einschränken. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin in Form von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben. Solche Blockkomponenten können durch eine Reihe verschiedener Hardwarekomponenten realisiert werden, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie die angegebenen Funktionen erfüllen. Darüber hinaus werden diejenigen, die sich auf diesem Gebiet auskennen, zu schätzen wissen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft in Verbindung mit einer Reihe von Systemen praktiziert werden können und dass die hierin beschriebenen Systeme lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um gleiche oder identische Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu identifizieren, ist in 1 schematisch ein Batteriesystem 10 mit einem mehrzelligen wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS) 12 und einem verteilten Batteriesteuerungsnetzwerk (C) 50 dargestellt. Das hier beschriebene Batteriesystem 10 ist als mehrere eingebettete Steuermodule ausgeführt, die gemeinsam den Datentransfer innerhalb des Batteriesystems 10 ermöglichen, entweder über festverdrahtete Verbindungen oder drahtlos in verschiedenen Ausführungsformen. Das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 ist in 1 nur der Einfachheit und Anschaulichkeit halber schematisch als ein einheitliches Gerät dargestellt, mit beispielhaften Hardware-Implementierungsbeispielen, die in 2 und 3 dargestellt und nachstehend beschrieben sind.
  • 1 veranschaulicht ebenfalls Speicher (M) und einen Prozessor (P), wobei die Beispielimplementierungen der 2 und 3 oder andere Hardware-Implementierungen, die nicht speziell in den Abbildungen dargestellt sind, möglicherweise mehrere Speicher- und/oder Prozessorgeräte, Standorte und Hardware-Konfigurationen im Rahmen der Offenbarung umfassen. Die verschiedenen Steuermodule, aus denen sich das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 zusammensetzt, sind gemeinsam so programmiert, dass sie den laufenden thermischen und elektrischen Betrieb des Batteriesystems 10 über ein im Speicher programmiertes Verfahren 100 (M) regeln, wobei ein Beispiel für ein solches Verfahren 100 in 4 dargestellt ist. Die konstituierenden Steuermodule des Batteriesteuerungsnetzwerks 50 können selektiv andere Softwareprogramme ausführen, die außerhalb des Anwendungsbereichs des Verfahrens 100 liegen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf Zellausgleich, Zustandsüberwachung, Schätzung der elektrischen Reichweite und/oder Antriebsstrangsteuerungsoperationen, wobei solche Anwendungen nach dem Stand der Technik verstanden und daher hier nicht beschrieben werden.
  • Das in 1 gezeigte Batteriesteuerungsnetzwerk 50 empfängt Eingangssignale (Pfeil CCI) und sendet als Reaktion darauf Ausgangssignale (Pfeil CCo), um einen aktuellen Betriebszustand des Batteriesystems 10 zu ändern oder aufrechtzuerhalten. Das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 besteht, wie oben erwähnt, aus mehreren Steuermodulen, d.h. elektronischen Steuereinheiten und/oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), die jeweils den erforderlichen Speicher (M) und Prozessor (P) sowie andere zugehörige Hard- und Software, z.B. eine Uhr oder einen Timer, Ein-/Ausgangsschaltungen usw., besitzen oder darauf zugreifen können. Der Speicher (M) kann ausreichende Mengen an Festwertspeicher, z.B. magnetischen oder optischen Speicher, enthalten.
  • Das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 enthält eine computerausführbare Logik oder einen Code, der das Verfahren 100 verkörpert, wobei diese Logik so konfiguriert ist, dass sie einen sich anbahnenden oder andauernden thermischen Runaway-Zustand erkennt, der innerhalb des RESS 12 auftritt. Das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 tut dies unter Verwendung der offenbarten zweistufigen Logik, wie sie von spezifischen Steuermodulen innerhalb des Netzwerks 50 ausgeführt wird. Wie diejenigen mit gewöhnlichen Fachkenntnissen wissen werden, handelt es sich bei thermischem Runaway um einen unerwünschten thermischen Batteriezustand, der in Lithium-Ionen-Batteriezellen und Zellen oder Zellgruppen mit anderer Batteriechemie auftreten kann, z.B. aufgrund von Überladung oder Zellschäden. Ein thermischer Runaway tritt auf, wenn die Wärmeerzeugung innerhalb eines Batteriepacks, wie z.B. beim vorliegenden RESS 12, eine Rate übersteigt, bei der die erzeugte Wärme durch bordeigene Wärmeregulierungstechniken oder Leistungssteuerungsmaßnahmen effektiv abgeführt werden kann.
  • Im beispielhaften Batteriesystem 10 von 1 sind mehrere elektrochemische Batteriezellen 14 dicht nebeneinander angeordnet oder gestapelt. Sollte es bei einer bestimmten Batteriezelle 14 zu einem raschen Temperaturanstieg kommen, könnte sich ein kaskadierender Dominoeffekt ergeben, da sich die rasch ansteigende Temperatur der Batteriezelle 14 auf die benachbarten Batteriezellen 14 ausbreitet. Daher ist das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 von 1 so konfiguriert, dass es den RESS 12 gemäß des Verfahrens 100 von 4 genau auf einen thermischen Ausreißerzustand überwacht. Um die Ausführung des Verfahrens 100 zu erleichtern, ist das RESS 12 so konfiguriert, dass die Zellabtast- und Zelldatenkommunikationsfunktionen an Bord direkt in die Struktur des RESS 12 integriert sind, wobei die Kommunikation der Zelldaten in einigen Ausführungsformen möglicherweise drahtlos erfolgt. Beispielsweise kann das RESS 12 optional so konfiguriert werden, wie es im United States Patent Nr. 10,411,306 an Kim et al. offenbart wurde, das hiermit durch Bezugnahme vollständig in die Struktur des RESS 12 integriert wird.
  • Darüber hinaus kann das Batteriesystem 10 in Bezug auf das in 1 schematisch dargestellte Batteriesystem 10 in einer Vielzahl von vorteilhaften Anwendungen oder Systemen eingesetzt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Straßen-, Luft-, Wasser- oder Schienenfahrzeuge, landwirtschaftliche Geräte, Roboter, stationäre oder mobile Kraftwerke und andere mobile oder stationäre Systeme. Eine mögliche Anwendung des vorliegenden Batteriesystems 10, insbesondere des RESS 12, ist eine Hochenergie-Gleichstrom-(DC)-Energieversorgung zur Verwendung in einem elektrischen Antriebsstrang 16. Ein solcher elektrischer Antriebsstrang 16 kann in einigen Ausführungsformen zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs 18 verwendet werden, z.B. eines bedienergetriebenen oder autonom angetriebenen Personen- oder Nutzfahrzeugs. Zu diesem Zweck kann der elektrische Antriebsstrang 16 so gesteuert werden, dass er ein Ausgangsdrehmoment (Pfeil TO) erzeugt und an entsprechende vordere und/oder hintere Straßenräder 20F und/oder 20R abgibt, die in Bezug auf eine Karosserie 22 des Kraftfahrzeugs 18 montiert sind. Die Drehung der Straßenräder 20F und/oder 20R in einem elektrischen oder hybridelektrischen Antriebsmodus treibt somit das Kraftfahrzeug 18 entlang einer Straßenoberfläche 24 an.
  • In der dargestellten Beispielkonfiguration von 1 wird das RESS 12 als Hochenergie-/Hochspannungsstromversorgung an Bord des Kraftfahrzeugs 18 eingesetzt. In einer solchen Ausführungsform kann das RESS 12 über einen Satz Hochspannungsschütze 11 selektiv abgeschaltet und so konfiguriert werden, dass es ein Traktionsstromrichter-Modul (TPIM) 26 mit elektrischer Energie versorgt. Obwohl aus Gründen der Einfachheit der Veranschaulichung weggelassen, werden diejenigen, die sich in der Technik auskennen, es zu schätzen wissen, dass Leistungsumrichter wie das TPIM 26 mehrere Sätze von Halbleiterschaltern und Filterkomponenten enthalten, die in phasenspezifischen Schaltschenkeln angeordnet sind, wobei die EIN/AUS-Zustände der einzelnen IGBT-, MOFSET- oder anderen Halbleiterschalter mit einer bestimmten Rate geändert werden, z.B. durch Pulsbreitenmodulation. Die Schaltsteuerung ermöglicht es dem TPIM 26 somit, eine Gleichspannung (VDC) vom RESS 12 zu empfangen und eine Polyphase/Wechselspannung (VAC) auszugeben. Phasenwicklungen einer rotierenden elektrischen Maschine (ME) 28 können, wie oben erwähnt, elektrisch an das TPIM 26 angeschlossen werden, so dass das Ausgangsdrehmoment (Pfeil To) der elektrischen Maschine 28 letztlich an eine gekoppelte Last, in diesem Fall die Laufräder 20F und/oder 20R, abgegeben wird.
  • Als Teil des vorliegenden Verfahrens 100, das nun anhand der nicht limitierenden Beispiel-Controller-Architekturen von 2-4 beschrieben wird, können konstituierende Steuermodule des in 1 gezeigten beispielhaften Batteriesteuerungsnetzwerks 50 in das Batteriesystem 10 eingebettet und zur Bestimmung von Zellendaten für jede entsprechende Batteriezelle 14 und/oder deren Stapel verwendet werden. Diese Zelldaten werden dann als Teil der Eingangssignale (Pfeil CCI) über eine festverdrahtete oder eine drahtlose/Funkfrequenz-(RF)-Übertragung gemeldet, z.B. über ein sicheres RF-Netzwerk bei 2,4 GHz oder einer anderen anwendungsgerechten Frequenz. Die eingebetteten Steuermodule, die zum Aufbau des Batteriesteuerungsnetzwerks 50 verwendet werden, können in einem Abstand voneinander positioniert werden, z.B. zwischen 0,1m und 0,5m, und daher sollten beim Einsatz von drahtlosen/HF-Kommunikationen die speziellen Kommunikationsprotokolle, die zur Umsetzung der vorliegenden Lehren verwendet werden, in enger Übereinstimmung mit dem Abstand dieser Trennung und unter gebührender Berücksichtigung elektromagnetischer Interferenz und anderer potentieller Quellen von Signalstörungen ausgewählt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 und 3 kann das in 1 schematisch dargestellte Batteriesteuerungsnetzwerk 50 optional als drahtloses Netzwerk mit den oben erwähnten eingebetteten Steuermodulen konfiguriert werden, oder die dargestellten drahtlosen Pfade können mit Kupferdrähten oder anderen geeigneten Übertragungsleitern fest verdrahtet sein. Im vorliegenden Ansatz werden insbesondere Zellabtast-Steuermodule oder Zellmessungseinheiten (CMUs) 50A in RESS 12 eingebettet, wobei der kollektive Satz von Steuermodulen 50A kollektiv unter C1 angezeigt wird. Zum Beispiel kann das RESS 12 aus einer Vielzahl (n) von Batteriezellengruppen aufgebaut sein, wobei jede Batteriezellengruppe eine anwendungsspezifische Anzahl von Batteriezellen 14 und eine entsprechende CMU, d.h. CMU1, CMU2, CMU3, ..., CMUn, aufweist.
  • Jede CMU 50A ist mit einem entsprechenden Transceiver (TX) 32 und einem damit kommunizierenden Cell Sense ASIC (CS-ASIC) 34 ausgestattet. Zusammen ermöglichen die Transceiver 32 und CS-ASIC 34 einer gegebenen eingebetteten drahtlosen CMU 50A die direkte Zellabtastung und die drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation der abgetasteten Zelldaten an ein Batteriesteuerungsmodul (BCM) 50B, gekennzeichnet mit C2, das sich auf oder in unmittelbarer Nähe des RESS 12 befinden kann. Das BCM 50B wiederum ist mit einem Batterie-Trenn-Service-Board (BDSB) 50C und einem Master-Controller 50D verbunden und von diesen magnetisch isoliert, wobei das BDSB 50C und der Master-Controller 50D in 2 und 3 mit C3 bzw. C4 gekennzeichnet sind.
  • Die CMUs 50A und der BCM 50B in der dargestellten Topologie arbeiten bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens 100 in zwei spezifischen Batteriebetriebsarten zusammen: (1) ein „normaler“ Modus, wenn der Master-Controller 50D wach ist oder wenn sich das Kraftfahrzeug 18 in einem Fahr-/Lademodus befindet, und (2) ein „langsamer“ Modus mit geringer Leistung, in dem der Master-Controller 50D schläft oder wenn sich das Kraftfahrzeug 18 in einem AUS-Modus befindet. Die verschiedenen Batteriebetriebsmodi während verschiedener entsprechender Modi des Fahrzeugs 18 oder eines anderen Systems, in dem das Batteriesteuerungsnetzwerk 50 verwendet wird, können den Gesamtenergieverbrauch während der laufenden Bemühungen zur Erkennung thermischer Ausreißer reduzieren, die, wie zu schätzen sein wird, in der Regel in Kraftfahrzeuganwendungen kontinuierlich überwacht werden müssen.
  • Wie in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf 4 erläutert wird, arbeitet das vorliegende Verfahren 100 auf zwei logischen Ebenen: Level-1-Logik, die vom BCM 50B ausgeführt wird, und Level-2-Logik, die selektiv vom Master-Controller 50D auf der Grundlage der Ergebnisse der Level-1-Logik ausgeführt wird. Die Level-1-Logik basiert nicht nur auf Messwerten von dedizierten thermischen Runaway-Sensoren 41, die im BCM 50B und/oder den CMUs 50A in verschiedenen Ausführungsformen eingebettet sein können, sondern auch auf verfügbaren Zellspannungs- und Temperaturmesswerten und anderen drahtlos gemeldeten Zelldaten der eingebetteten CMUs 50A während eines bestimmten Messzyklus, d.h. mit einem gemeinsamen Zeitstempel. Die Level-1-Logik verwendet auch Messungen, die von derselben Batteriezelle 14 oder Zellgruppe/Ort innerhalb des RESS 12 während verschiedener Messzyklen vorgenommen wurden. Die Wiederverwendung verfügbarer Zellspannungs- und Temperaturdaten aus laufenden Zellabtastungsaktivitäten des CS-ASICs 34 als Gegenprüfung mit Daten von den dedizierten thermischen Ausreißsensoren 41 soll die Genauigkeit der Level-1-Erfassungsbemühungen erhöhen und kann auch die Anzahl der Sensoren 41 innerhalb des Batteriesystems 10 reduzieren.
  • Wie bereits erwähnt, befindet sich die grundlegende Erkennungslogik der Stufe 1 auf der Ebene der CMUs 50A und des BCM 50B und wird im AUS-Modus des Batteriesystems 10 betrieben. Die CMUs 50A und BCM 50B wecken auch selektiv den Master-Controller 50D auf, wenn während der Level-1-Verarbeitung eine Anomalie erkannt wird, wie unten mit Bezug auf 4 erläutert. Die anspruchsvollere Level-2-Logik befindet sich in dem Master-Controller 50D und wird ausgeführt, wenn der Master-Controller 50D wach ist. Dort kann ein geeigneter Prozess zur Erkennung thermischer Ausreißer auf der Grundlage von Steuerparametern ausgeführt werden, möglicherweise einschließlich eines gemeldeten und/oder berechneten Ladezustands (SOC) und Gesundheitszustands (SOH) der verschiedenen Batteriezellen 14 und/oder des RESS 12, des aktuellen Betriebsmodus Antrieb/Laden/Überwachung, der Umgebungstemperatur und möglicherweise anderer Faktoren.
  • In einer möglichen Ausführungsform könnte die Kommunikation zwischen den CMUs 50A und dem BCM 50B über ein sicheres drahtloses Netzwerk mit einem 2,4 GHz-Protokoll erfolgen, so dass die von den einzelnen CMUs 50A gemessenen Zelldaten mit Funkwellen niedriger Leistung an den BCM 50B übertragen werden. Wie zu begrüßen ist, umfasst das 2,4-GHz-Protokoll im Allgemeinen einen Frequenzbereich von etwa 2,402-2,480 GHz. Andere HF-Frequenzbereiche können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Ebenso können Techniken wie Time Synchronized Channel Hopping (TSCH) zusammen mit dem Standard IEEE 802.15.4e für lokale und Metropolitan Area Networks oder andere geeignete Standards verwendet werden. Zu den beispielhaften Ansätzen, die gern gesehen werden, gehören drahtlose Mote-on-Chip-Lösungen, wobei die CMUs 50A möglicherweise einen mehrkanaligen, mehrzelligen Sensorchip oder jeden anderen geeignet konfigurierten CS-ASIC 34 oder Chipsatz enthalten.
  • Ebenfalls in 2 und 3 dargestellt ist der oben erwähnte BDSB 50C, der zusammen mit dem BCM 50B mit einem eigenen Kommunikations-Chip (COMM) 35 ausgestattet sein kann. Der BDSB 50C kann mit Aufgaben auf Batterieebene programmiert werden, wie z.B. die Überwachung von Spannung, Strom und anderen Werten des gesamten RESS 12-Pakets. Das BDSB 50C kann mit dem Batteriekontrollmodul 50B über 5V oder andere geeignete Niederspannungsleitungen und elektrische Masse (Gnd) elektrisch verbunden werden. Um eine ordnungsgemäße Isolierung zwischen dem BCM 50B und dem BDSB 50C zu gewährleisten, können die Kommunikations-Chips 35 über einen isolierten Kommunikationspfad wie z.B. isoSPI 36 angeschlossen werden. Wie von Fachleuten geschätzt wird, kann eine isoSPI-Verbindung dazu beitragen, Gleichtaktstörungen abzuwehren, die der zwischen dem BCM 50B und dem BDSB 50C verlaufenden Verdrahtung aufgeprägt werden können. Als Teil der programmierten Funktionalität des BDSB 50C kann das BDSB 50C als Reaktion auf vorher festgelegte Bedingungen und/oder erkannte elektrische Fehler das Öffnen der Schütze 11 in befehlen oder anfordern, um dadurch die RESS 12 zu trennen.
  • Darüber hinaus kann dieses Gerät in Bezug auf das Batteriekontrollmodul (BCM) 50B der 2 und 3 als eine Steuerplatine konfiguriert werden, die drahtgebundene oder drahtlos kommunizierte/RF-Daten von den verschiedenen CMUs 50A und zeitweise auch andere kommunizierte Daten vom BDSB 50C empfängt. In der abgebildeten Konfiguration enthält der BCM 50B ein Netzteil (PS) 38, den oben erwähnten Kommunikations-Chip 35 und einen Transceiver 32. Das Netzteil 38 kann als kleine Niederspannungs-Lithium-Ionen-Batterie oder ein anderes geeignetes Gerät ausgeführt sein, das wiederum mit einer Master-Steuereinheit (MCU) 39 verbunden ist und diese versorgt, z.B. einem anderen ASIC oder einem Satz von Prozessoren, die verschiedene programmierte Aufgaben im Gesamtmanagement des Batteriesystems ausführen 10. Zu den beispielhaften Aufgaben, die vom BCM 50B ausgeführt werden und in den Geltungsbereich der Offenbarung fallen, kann die Durchführung grundlegender Schwellenwertprüfungen gehören, einschließlich Zellspannung, Temperatur und thermischer Ausreißer während der Ausführung des Verfahrens 100, wie nachstehend erläutert. Die MCU 39 ist außerdem so konfiguriert, dass sie selektiv eine Weckfunktion ausführt, bei der die MCU 39 selektiv ein binäres Wecksignal (Pfeil W) an den Master-Controller 50D sendet und dadurch eine MCU 42 des Master-Controllers 50D zur Ausführung der ihr zugewiesenen Aufgaben veranlasst.
  • In Bezug auf das Master-Steuergerät 50D, z.B. ein fahrzeugintegriertes Steuermodul oder ein VICM in einer beispielhaften Ausführung, bei der der elektrische Antriebsstrang 16 an Bord des Kraftfahrzeugs 18 aus 1 verwendet wird, können die repräsentativen Aufgaben der MCU 42, die sich im Master-Steuergerät 50D befindet, über die hier angegebenen besonderen Aufgaben hinausgehen. Bei der Implementierung zugeordneter Level-2-Logikblöcke des Verfahrens 100 gemäß 4 kann die MCU 42 jedoch so programmiert werden, dass sie zumindest einen Algorithmus zur Erkennung thermischer Ausreißer einleitet, verschiedene Maßnahmen zur Minderung der Auswirkungen steuert, bei Bedarf Fehlersignale überträgt und Diagnosecodes aufzeichnet und/oder überträgt, die solche Fehler oder Diagnoseergebnisse anzeigen.
  • Wie bei der Verbindung zwischen dem BDSB 50C und dem BCM 50B kann der Master-Controller 50D mit dem Batteriekontrollmodul 50B über eine isoSPI-Verbindung 44 (siehe 2) zwischen den jeweiligen Kommunikations-Chips 35 und über Niederspannungs-/5V-Strom- und Masseleitungen (Gnd) verbunden werden. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Master-Controller 50D und dem BCM 50B über einen Controller Area Network (CAN)-Bus 47 (siehe 3) oder eine andere ordnungsgemäß isolierte Verbindung erfolgen.
  • Bei der Durchführung der offenbarten zweistufigen thermischen Runaway-Erkennungsstrategie während des Betriebs des RESS 12 verwendet das Batteriesystem 10 die oben erwähnten Wärmeausbreitungssensoren 41, von denen zwei jeweils mit TP#1 und TP#2 abgekürzt werden. Die Anzahl und/oder Anordnung dieser Sensoren 41 kann je nach vorgesehener Anwendung variieren. Zum Beispiel können die Sensoren 41 auf dem BCM 50B (2) oder auf den einzelnen CMUs 50A (3) oder an beiden Orten angebracht sein. Somit kann eine zusätzliche Flexibilität durch die Integration der thermischen Landebahnsensoren 41 an verschiedenen Orten innerhalb des RESS 12 nachgewiesen werden.
  • Wie diejenigen mit gewöhnlichen Fertigkeiten in diesem Fachgebiet zu schätzen wissen, wird eine Lithium-Ionen-Variante der in gezeigten Batteriezelle 14 dazu neigen, ein bestimmtes erkennbares Verhalten zu zeigen, wenn sie einem thermischen Ausreißer ausgesetzt ist. Ein thermischer Runaway kann in einer einzelnen Batteriezelle 14 enthalten sein oder sich auf benachbarte Batteriezellen 14 ausbreiten. Anfänglich kann die Einzelzellenspannung einer betroffenen Batteriezelle 14 aufgrund kurzgeschlossener Elektroden abnehmen. Chemische Reaktionen innerhalb der Batteriezelle 14 können auftreten, wenn sich die Anode schnell erwärmt, wobei die Wärme schließlich Schutzschichten, Elektrolytmaterialien und Zellseparatormaterialien innerhalb der Batteriezelle 14 aufbricht. Exotherme Reaktionen innerhalb der Batteriezelle 14 können auch Gase erzeugen und den Innendruck der Batteriezelle 14 erhöhen. Eine zerbrochene Batteriezelle 14 kann ebenfalls Gase und möglicherweise Feinstaub abgeben.
  • Daher können die oben beschriebenen Mengen und Nebenprodukte von thermischem Runaway mit Hilfe der Sensoren für thermische Landebahnen 41 erfasst werden. Während hier der Einfachheit halber der Singularbegriff „Sensor“ für jeden Sensor 41 verwendet wird, können die Sensoren 41 jeweils aus mehreren funktionsspezifischen Sensoren bestehen, einschließlich Sensoren, die in anderen Überwachungssystemen des Batteriesystems 10 verwendet werden, z.B. in der thermischen Überwachung oder in Batteriekühlsystemen. Beispielhafte konstituierende Sensoren zur Verwendung als oder als Teil der thermischen Landebahnsensoren 41 umfassen, sind aber nicht notwendigerweise beschränkt auf beispielsweise Spannungssensoren, Thermistoren, Thermoelemente, Gasdetektoren und/oder Drucksensoren. Der Einfachheit halber werden die dedizierten thermischen Startbahnsensoren 41 in 2 und 3 als Einzelsensorgeräte dargestellt, ohne die Offenbarung auf eine solche Ausführungsform zu beschränken.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird, wie oben erwähnt, das Verfahren 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform in separate, aber miteinander verbundene Logikblöcke der Ebene 1 (L-1) und der Ebene 2 (L-2) unterteilt. Die L-1-Logikblöcke werden vom Batteriesteuerungsmodul 50B ausgeführt, während die L-2-Logikblöcke vom Master-Controller 50D ausgeführt werden.
  • LEVEL-1-LOGIK
  • Eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens 100 beginnt im Block B102, wobei das Batteriekontrollmodul (BCM) 50B der und in einen EIN-Zustand übergeht oder in Betrieb ist. Beim Betrieb des Beispielkraftfahrzeugs 18 aus 1 und anderer Systeme, die das Batteriesystem 10 verwenden, bleibt das BCM 50B im EIN-Zustand, mit Ausnahme bestimmter Betriebszustände, in denen das gesamte Batteriesystem 10 abgeschaltet ist, z.B. für die planmäßige Wartung oder Instandhaltung des Batteriesystems 10. Das Verfahren 100 geht dann zu den Blöcken B103 und B104 über.
  • Im Block B103 messen und geben die Wärmeausbruchsensoren 41 Daten aus, die auf eine oder mehrere der oben beschriebenen Größen hinweisen, die den möglichen Wärmeausbruch oder die Wärmeausbreitung beschreiben. Die Sensoren 41 können sich, wie oben erwähnt, im BCM 50B (2) oder in den CMUs 50A (3) befinden, und daher kann der Block B103 optional eine drahtlose Kommunikation der gemessenen Daten oder eine einfache Aufzeichnung derselben beinhalten. Das Verfahren 100 setzt den Block B105 fort.
  • Block B104 umfasst die Bestimmung über den BCM 50B, ob Zelldaten von jeder der CMUs 50A (CMU1-CMUn) empfangen wurden. Die Zelldaten können mindestens Zellspannungen (Vc) und Temperaturen (TC) umfassen. Das Verfahren 100 fährt mit Block B108 fort, wenn die erwarteten Zellendaten von den verschiedenen CMUs 50A empfangen wurden, und alternativ mit Block B106, wenn eine oder mehrere der CMUs 50A keine erwarteten Zellendaten für eine bestimmte Batteriezelle 14 oder eine Gruppe solcher Batteriezellen 14 geliefert haben.
  • Block B105 umfasst die Auswertung einer Differenz oder eines „Deltas“ in den von den Sensoren 41 der thermischen Start- und Landebahn gemessenen Wärmeausbreitungswerten, um festzustellen, ob einer der Sensoren 41 nicht ordnungsgemäß funktioniert oder keine Daten ausgibt. Das Verfahren 100 fährt mit Block B107 fort, wenn der Delta-Wert die kalibrierte Fehlerschwelle überschreitet (ΔTP > CAL) und fährt andernfalls mit Block B111 fort, wenn der Delta-Wert innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.
  • Im Block B106 beinhaltet das Verfahren 100 den Vergleich einer maximalen Zelltemperaturdifferenz zwischen empfangenen Einzelzellentemperaturmessungen von mehreren Temperatursensoren der CS-ASICs 34 für einen gegebenen Messzyklus (COMP MAX ΔTC), und fährt dann mit Block B110 fort.
  • Im Block B107 bestimmt das Batteriekontrollmodul 50B, ob die Daten aus Block B105 auf einen Fehler hinweisen, bei dem einer der thermischen Ausreißsensoren 41 offline ist oder keine Daten (FLT?) kommuniziert, z.B. durch Vergleich der Daten mit einem erwarteten Wert. Wenn dies der Fall ist, fährt das Verfahren 100 mit dem Block B108 fort. Andernfalls wiederholt das Verfahren 100 den Block B103.
  • Block B108 umfasst die Aufzeichnung der Zellspannungs- und Temperaturmessungen (REC Vc, TC) aus einem Messzyklus, bevor zu den Blöcken B112 und B114 übergegangen wird.
  • In Block B109 führt das Batteriekontrollmodul 50B als Reaktion auf die in Block B107 vorgenommene Sensorfehlerbestimmung eine Kontrollaktion (CA) aus. Beispielsweise kann das Batteriesteuermodul 50B einen Diagnosecode setzen, der auf einen fehlerhaften thermischen Auslaufsensor 41 hinweist, bevor es zu Block B111 übergeht.
  • Bei Block B110 der Verfahren 100 wird die maximale Zelltemperaturdifferenz von Block B106 mit einem kalibrierten Temperaturschwellenwert (MAX ΔTC > CAL). Block B104 wird wiederholt, wenn die maximale Zellentemperaturdifferenz den kalibrierten Temperaturschwellenwert nicht überschreitet. Das Verfahren 100 fährt stattdessen mit Block B120 fort, wenn die maximale Zellentemperaturdifferenz den kalibrierten Temperaturschwellenwert überschreitet.
  • Der Block B111 beinhaltet die Aufzeichnung der Daten des Wärmeausbreitungssensors (REC STP) von dem bestimmten thermischen Ausreißsensor 41, der ordnungsgemäß funktioniert, wie durch das Batteriekontrollmodul 50B in den Blöcken B105 und B107 bestimmt wird. Das Verfahren 100 fährt dann mit Block B113 fort.
  • Block B112 umfasst die Bestimmung über das Batteriekontrollmodul 50B auf der Grundlage der Zellendaten aus Block B106, ob an einer der Batteriezellen 14 (14 = UV?) eine Unterspannungsbedingung vorliegt. Zum Beispiel kann Block B112 durch Vergleich der Zellenspannungen mit einer kalibrierten Spannungsschwelle implementiert werden. Das Verfahren 100 geht zum Block B120 über, wenn eine solche Unterspannungsbedingung festgestellt wird, während das Verfahren 100 ansonsten den Block B104 wiederholt, wenn eine solche Unterspannungsbedingung nicht vorliegt.
  • Im Block B113 bestimmt der BCM 50B als nächstes, ob die Daten von dem/den thermischen Ausreißsensor(en) 41 einen kalibrierten Schwellenwert (TP > CAL) überschreiten. Beispieldaten, die für die Diagnose eines thermischen Runaway-Zustandes geeignet sind, sind oben aufgeführt und werden in der Technik geschätzt, einschließlich, aber nicht notwendigerweise beschränkt auf Spannung, Druck, Temperatur und/oder das Vorhandensein eines bestimmten Gases, das während des thermischen Runaway-Zustandes erzeugt werden könnte. Das Verfahren 100 geht dann zum Block B120 über.
  • Block B114 beinhaltet den Vergleich einer Temperaturdifferenz zwischen einem aktuellen und einem vorherigen Messzyklus für jede gemeldete Zellentemperatur des RESS 12 (COMP ΔTC). Das Verfahren 100 führt dann zum Block B116.
  • Block B116 beinhaltet die Bestimmung, ob der aus Block B114 entnommene Delta-Wert eine kalibrierte Zellentemperaturschwelle überschreitet (ΔTC > CAL). Wenn dies der Fall ist, fährt das Verfahren 100 mit Block 120 fort. Andernfalls wiederholt Das Verfahren 100 den Block B104.
  • Im Block B120 des in 4 dargestellten Verfahren 100 wird festgestellt, ob sich das Batteriesystem 10 in einem vorgegebenen langsamen Modus befindet. Wie hier und in der Technik verwendet, bezieht sich der langsame Modus auf einen Niedrigverbrauchsmodus, der immer dann ausgeführt wird, wenn sich das Kraftfahrzeug 18 aus 1 oder ein anderes System, das das Batteriesystem 10 verwendet, in einem AUS-Zustand befindet. Das Verfahren 100 fährt mit Block B122 fort, wenn sich der Master-Controller 50D in einem solchen langsamen Modus befindet, und alternativ dazu mit Block B124, wenn sich der Master-Controller 50D gegenwärtig nicht im langsamen Modus befindet. Block B120 ist somit der letzte Schritt, der im L-1-Teil des Verfahren s100 durchgeführt wird.
  • LEVEL-2-LOGIK
  • Der Block B122 beinhaltet die Verwendung des BCM 50B zum Aufwecken oder Starten des Mastercontrollers 50D (C4), z.B. über die Übertragung des binären Aufwecksignals (Pfeil W) wie in 2 und 3 dargestellt. Das Verfahren 100 geht dann zum Block B124 über.
  • Block B124 beinhaltet die Ausführung eines thermischen Ausbreitungs- oder Ausreißalgorithmus (EXEC TR) unter Verwendung von Zelldaten, die von den verschiedenen von den CMUs 50A durchgeführten Messungen empfangen und drahtlos an den BCM 50B in Level-1 des Verfahrens 100 übermittelt werden. Es gibt verschiedene Ansätze zur Überwachung von Lithium-Ionen-Batterien und anderen Hochenergie-Batteriepacks auf mögliche thermische Runaway-Bedingungen, wobei die vorliegende Offenbarung nicht auf einen bestimmten Ansatz beschränkt ist. So können z.B. die momentanen Spannungs- und Temperaturmesswerte des Blocks B103 der verschiedenen CS-ASICs 34 der CMUs 50A, die Messwerte der thermischen Runaway-Sensoren 41 der CMUs 50A und/oder des Batteriesteuerungsmoduls 50B sowie Trends in diesen Daten über progressive Messintervalle verwendet werden, um eine Schwellenwertrate des Temperaturanstiegs im RESS 12 zu erkennen. Das Verfahren 100 geht zum Block B126 über, sobald der thermische Runaway-Algorithmus ausgeführt worden ist.
  • Im Block B126 beinhaltet das Verfahren 100 die Bestimmung, basierend auf den Ergebnissen des Blocks B124, ob derzeit eine thermische Ausreißbedingung aktiv ist (TR?). Das Verfahren 100 fährt mit dem Block B127 fort, wenn eine thermische Ausreißbedingung erkannt wird, und alternativ mit dem Block B128, wenn keine thermischen Ausreißbedingungen im Block erkannt werden.
  • Block B127 beinhaltet die Bestimmung, ob die gegenwärtige Betriebsart des Batteriesystems 10 ein aktiver Modus (MD=ACT?) ist, der in der Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 18 von 1 ein Fahrmodus, ein Batterielademodus oder ein Batterieüberwachungsmodus sein kann. Das Verfahren 100 geht zum Block B128 über, wenn keiner dieser Modi aktiv ist, und zum Block B136 in der Alternative.
  • Im Block B128 stellt der Mastercontroller 50D als nächstes fest, ob die Ergebnisse der Blöcke B126 und B128 beide negativ waren, d.h., dass kein thermischer Ausreißer festgestellt wurde (Block B126) und dass der gegenwärtige Antriebsmodus kein Antriebs-, Lade- oder aktiver Überwachungsmodus ist (Block B127). Das Verfahren 100 geht von Block B128 zu Block B129 über, wenn die Ergebnisse der Blöcke B126 und B128 negativ sind, und zu Block B136, wenn einer der Blöcke B126 oder B128 ein positives Ergebnis hat.
  • Block B129 beinhaltet die Rückkehr des Mastercontrollers 50D in einen energiesparenden Schlafmodus. Als Teil des Blocks B129 kann der Mastercontroller 50D von sich aus eine Rückkehr in den Schlafmodus initiieren. Das Verfahren 100 ist dann abgeschlossen (*), wenn der Master-Controller 50D in den Schlafmodus übergeht und mit Block B102 erneut in den Schlafmodus übergeht.
  • Im Block B136 befiehlt der Fahrschalter 50D den Schützen 11 aus 1, zu öffnen (11 →), um dadurch den RESS 12 vom restlichen elektrischen System, z.B. den übrigen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs 16 aus 1, zu trennen. Das Verfahren 100 kehrt dann zum Block B132 zurück.
  • Im Block B132 kann der Master-Controller 50D bei geöffneten Schützen 11 und nach einer kalibrierten Verzögerung feststellen, ob sich der im Block B126 erkannte thermische Ausreißzustand innerhalb einer zulässigen Toleranz stabilisiert hat. Wenn dies der Fall ist, wiederholt das Verfahren 100 den Block B124. Andernfalls fährt das Verfahren 100 mit Block B134 fort, wenn sich die thermische Ausreißbedingung nicht stabilisiert hat.
  • Der Block B134 umfasst die Übertragung eines Fehlersignals (TRANS FLT) und/oder die Auslösung eines geeigneten Alarms, z.B. eines akustischen und/oder visuellen Alarms, einer Nachricht oder einer anderen geeigneten Kontrollmaßnahme. Das Verfahren 100 ist danach abgeschlossen (*).
  • Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung werden diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen in dem Fachgebiet eine Reihe möglicher Vorteile und Nutzen der gegenwärtigen zweistufigen Logik und Architektur für die Durchführung einer Analyse zur Erkennung thermischer Ausreißer erkennen. Zum Beispiel ermöglicht die vereinfachte Hardware-Architektur, die in den repräsentativen Beispielen der und gezeigt wird, die Wiederverwendung von Batteriedaten, die bereits während der laufenden Zellerkennungsoperationen der CMUs 52A gemessen wurden. Eine solche Wiederverwendung kann dazu beitragen, den 12V-Stromverbrauch für einen solchen Zweck zu reduzieren, insbesondere wenn das Verfahren 100 an Bord des Kraftfahrzeugs 18 von 1 angewendet wird. Der vorliegende Ansatz ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung und grundlegende Rationalitätsprüfungen auf Stufe 1, d.h. innerhalb des BCM 50B, der sich typischerweise im EIN-Zustand befindet, mit einer reduzierten Anzahl dedizierter thermischer Weglaufsensoren 41, die für die Durchführung der erforderlichen thermischen Weglaufmessungen benötigt werden. Zusätzlich ermöglicht das gegenwärtige Verfahren 100 eine Echtzeit-Prognose der thermischen Ausreißbedingungen, ohne dass die ständige Beteiligung des Master-Controllers 50D erforderlich ist.
  • Auch die zusätzliche Flexibilität, die durch die Integration der thermischen Weglaufsensoren 41 in die CMUs 50A und/oder den BCM 50B ermöglicht wird, wird durch die vorliegenden Lehren ermöglicht. Die Verfügbarkeit des jeweiligen Systems, in dem das Batteriesystem 10 eingesetzt wird, wie z.B. des Kraftfahrzeugs 18 aus 1, kann erhöht werden, indem die für den Master-Controller 50D erforderliche Aufweckzeit verringert und die 12V-Stromaufnahme wie oben erwähnt reduziert wird. Darüber hinaus ermöglicht der gegenwärtige Ansatz die Aktualisierung der CMUs 50A und des BCM 50B unter Verwendung konfigurierbarer Schwellenwerte, die vom Master-Controller 50D berechnet werden, z.B. auf der Grundlage des maschinellen Lernens, um dadurch die Erkennungsempfindlichkeit und Robustheit zu verbessern und die Kundenzufriedenheit zu erhöhen.
  • Während die bevorzugten Ausführungsformen für die Durchführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, auf die sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Muster und Ausführungsformen erkennen, die in den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Es ist beabsichtigt, dass alle in der obigen Beschreibung enthaltenen und/oder in den beigefügten Figuren dargestellten Sachverhalte nur zur Veranschaulichung und nicht einschränkend ausgelegt werden sollen.
  • 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 10411306 [0025]

Claims (10)

  1. Ein Batteriesystem, umfassend: ein mehrzelliges wiederaufladbares Energiespeichersystem, RESS, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die in mehreren Zellgruppen angeordnet sind; und ein Batteriesteuerungsnetzwerk, das so konfiguriert ist, dass es eine zweistufige Logik ausführt, um einen thermischen Runaway-Zustand im RESS zu erkennen, wobei das Batteriesteuerungsnetzwerk umfasst: eine Vielzahl von Zellüberwachungseinheiten, CMUs, die in dem RESS eingebettet sind, wobei jede der CMUs elektrisch mit jeweils einer der Zellgruppen verbunden ist und unter Verwendung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zur Zellabtastung und eines Transceivers konfiguriert ist, um Zelldaten für die jeweilige Zellgruppe zu messen bzw. zu übertragen; ein Batteriesteuerungsmodul, BCM, mit einem weiteren Transceiver, der mit der Mehrzahl von CMUs kommuniziert; eine Vielzahl von thermischen Ausreißsensoren, die an den CMUs und/oder dem BCM angebracht oder darauf positioniert sind; und einen Master-Controller, der über Niederspannungsleitungen und einen isolierten Kommunikationspfad mit dem BCM verbunden ist und mit einem vorbestimmten Algorithmus zur Erkennung thermisch bedingter Ausreißer programmiert ist, der, wenn er vom Master-Controller ausgeführt wird, so konfiguriert ist, dass er einen thermischen Ausreißerzustand erkennt, der innerhalb des RESS auftritt; wobei das BCM so konfiguriert ist, dass es unter Verwendung von Zelldaten von den CMUs und gesammelten Daten von den thermischen Ausreißsensoren eine erste logische Ebene, L-1-Logik, der Zwei-Ebenen-Logik ausführt, um zu bestimmen, wann der Master-Controller aufzuwecken ist, und danach ein Aufwecksignal an diesen überträgt; und wobei der Master-Controller so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf den Empfang des Aufwecksignals vom BCM einen zweiten Logikpegel, L-2-Logik, der Zwei-Pegel-Logik ausführt, um dadurch den vorbestimmten Algorithmus zur Erkennung eines thermischen Ausreißens auszuführen.
  2. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der thermischen Ausreißsensoren jeweils einen der thermischen Ausreißsensoren einschließt, der an einer der CMUs angebracht oder auf einer der CMUs positioniert ist.
  3. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der thermischen Ausreißsensoren ein Paar der thermischen Ausreißsensoren umfasst, die am BCM montiert oder auf dem BCM positioniert sind.
  4. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das RESS einen Satz von Schützen umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie sich öffnen, um dadurch das RESS von einer elektrischen Last zu trennen, wobei das Batteriesystem ferner umfasst: eine Batterietrenn-Serviceplatine, BDSB, die über Niederspannungsleitungen und eine isoSPI-Verbindung mit dem BCM verbunden ist, wobei die BDSB so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf einen vorbestimmten elektrischen Fehler das Öffnen der Schütze zum Trennen des RESS anfordert.
  5. Das Batteriesystem nach Anspruch 4, wobei der Master-Controller so konfiguriert ist, dass er den Schützen befiehlt, sich zu öffnen, wenn der vorgegebene Algorithmus zur Erkennung eines thermischen Ausreißens anzeigt, dass der thermische Ausreißzustand aktiv ist.
  6. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der BCM als Teil der L-1-Logik so konfiguriert ist, dass er einen Unterspannungszustand jeder der Batteriezellen des RESS erkennt und als Reaktion auf den Unterspannungszustand das Aufwecksignal an den Master-Controller überträgt.
  7. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der BCM als Teil der L-1-Logik so konfiguriert ist, dass er selektiv eine maximale Temperaturdifferenz der Zellentemperaturen der Batteriezellen über mehrere Messperioden berechnet und das Aufwecksignal als Reaktion auf die maximale Temperaturdifferenz, die einen kalibrierten Temperaturschwellenwert überschreitet, an den Master-Controller überträgt.
  8. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der BCM als Teil der L-1-Logik so konfiguriert ist, dass er eine Datendifferenz von den thermischen Ausreißsensoren mit einer kalibrierten Fehlerschwelle vergleicht und einen Fehlercode aufzeichnet, wenn die Datendifferenz von den thermischen Ausreißsensoren eine kalibrierte Fehlerschwelle überschreitet.
  9. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Master-Controller als Teil der L-2-Logik so konfiguriert ist, dass er in einen Niedrigleistungs-Schlafmodus übergeht, wenn der vorbestimmte Algorithmus zur Erkennung eines thermischen Ausreißens anzeigt, dass der thermische Ausreißzustand nicht aktiv ist und dass ein aktueller Betriebsmodus des Batteriesystems kein aktiver Betriebsmodus ist.
  10. Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Batteriesystem Teil eines elektrischen Antriebsstrangs ist, der ein mit dem RESS verbundenes Wechselrichtermodul und eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine aufweist, die mit dem Wechselrichtermodul verbunden ist.
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