DE102010038860A1

DE102010038860A1 - Warnsystem zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen

Info

Publication number: DE102010038860A1
Application number: DE102010038860A
Authority: DE
Inventors: Peter Kolb; Martin Moehle; Hans-Peter Seebich; Guenter Schnepel; Romuald Fries; Alexander Reitzle; Ulrich Zimmermann; Udo Jauernig; Stephan Leuthner; Rainer Kern
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Warnsystem zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen. Das Warnsystem umfasst einen oder mehrere Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen (1), Mittel (4) zur Ausgabe von Warnsignalen und eine Regel- und Steuereinheit (3). Die Regel- und Steuereinheit (3) ist mit den Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und mit den Mitteln (4) zur Ausgabe von Warnsignalen derart verbunden, dass Messwerte der Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung von der Regel- und Steuereinheit (3) aufgenommen, verarbeitet und mit einem Referenzwert verglichen werden können und bei Feststellung einer Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert die Mittel (4) zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind. Das erfindungsgemäße Warnsystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel (4) zur Ausgabe von Warnsignalen zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem (1) auslösbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Warnsystem zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen.
Stand der Technik
Batteriesysteme umfassen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher, die einen breiten Einsatz in tragbaren Konsumgeräten und anderen Anwendungen finden, wie z. B. in teilweise oder ausschließlich elektrisch betriebenen Fahrzeugen. In automobilen Anwendungen gelten Batteriesysteme und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme als Schlüsseltechnologie für die Elektrifizierung des Antriebssystems von Fahrzeugen. Batteriesysteme und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme können dabei je nach Einsatzspezifikation modular aufgebaut sein und umfassen meist eine Mehrzahl von seriell oder parallel elektrisch verschalteten Batteriezellen.
Ein wesentlicher Aspekt für die erfolgreiche Etablierung dieser Technologie ist u. a. die Betriebssicherheit der Batteriesysteme, speziell der Lithium-Ionen-Batteriesysteme, die nicht selten mit großen Kapazitäten betrieben werden. Dabei ist es erforderlich, das Batteriesystem innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs zu betreiben. Denn die Batterietemperatur hat einen großen Einfluss auf die Leistungsbereitstellung, Alterung, Lebensdauer und Betriebssicherheit des Batteriesystems. Um dies zu gewährleisten, weisen Batteriesysteme meist ein ausgefeiltes thermisches Managementkonzept auf.
Während des Betriebs von Batteriesystemen kann es vorkommen, dass die Temperatur in der Batterie derart ansteigt, dass diese sich nicht mehr durch äußere Kühlsysteme abkühlen lässt. Hauptursache für solche Temperaturverläufe sind interne Kurzschlüsse in der Batterie, hervorgerufen beispielsweise durch physische Deformationen der Batterie oder durch Verunreinigungen bei der Herstellung der Batterie (z. B. Beschädigung des Separators durch Partikel). Ein interner Kurzschluss kann weitere elektrochemische irreversible Prozesse in der Batterie in Gang setzten, bei denen Wärme freigesetzt wird (exotherme Reaktionen). Schließlich kann es zu einem so genannten „thermal runaway”, einer Art selbstbeschleunigter Überhitzung, kommen. Eine andere mögliche Ursache für irreversible Temperaturzunahmen einer Batterie ist eine Überladung der Batterie.
Üblicherweise weisen Batteriesysteme Sicherheitsmaßnahmen auf, die der Vermeidung eines „thermal runaway” des Batteriesystems dienen. Solche Sicherheitsmaßnahmen umfassen beispielsweise Temperatur-, Spannungs- und/oder Stromüberwachungs- sowie Stromunterbrechungsvorrichtungen. Diese Sicherheitsmaßnahmen liegen meist in einem Batterie Management System des Batteriesystems integriert vor oder werden durch das Batterie Management System gesteuert. Ziel ist es dabei, die Gefahr einer irreversiblen Überhitzung frühzeitig zu erkennen und gegebenenfalls die Batterie schnell vom restlichen Stromnetz zu trennen.
Allerdings bieten solche Sicherheitsmaßnahmen keinen umfassenden Schutz davor, dass ein Batteriesystem in einen kritischen Zustand gerät, gegebenenfalls überhitzt und es zur Entstehung eines Brandes kommen kann. Dies stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn das Batteriesystem in der direkten Umgebung von Menschen betrieben wird, wie beispielsweise im Fall von Batteriesystemen für Fahrzeuge.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Warnsystem bereit zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen, umfassend einen oder mehrere Sensoren zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen; Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen; und eine Regel- und Steuereinheit, die mit den Sensoren zur Zustandsüberwachung und mit den Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen derart verbunden ist, dass Messwerte der Sensoren zur Zustandsüberwachung von der Regel- und Steuereinheit aufgenommen, verarbeitet und mit einem Referenzwert verglichen werden können und bei Feststellung einer Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem auslösbar sind.
Unter einem kritischen Zustand wird dabei jeder Zustand einer Batteriezelle, einer Batterie, eines Batteriemoduls und/oder eines Batteriesystems verstanden, der von Zuständen während des Normalbetriebs abweicht und aus dem in kurzer Zeit ein so genannter ”thermal runaway”, das heißt eine Selbstzerstörung der Batteriezelle unter Freiwerden großer Energiemengen, entstehen kann.
Über die Sensoren zur Zustandsüberwachung des Batteriesystems werden bevorzugt kontinuierlich Messdaten erhalten, die einen Rückschluss auf den Zustand des Batteriesystems zulassen. Die Messdaten werden einer Regel- und Steuereinheit zugeführt und dort mit einem vorher festgelegten Referenzwert verglichen. Dabei ist der mindestens eine Referenzwert so gewählt, dass bei einer signifikanten Abweichung zwischen Messwert und Referenzwert bzw. bei einem Über- und/oder Unterschreiten des Referenzwertes die Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines kritischen Zustands derart erhöht ist, dass zeitlich vor Eintritt des kritischen Zustandes die Ausgabe von Warnsignalen ausgelöst werden kann oder ausgelöst wird.
Das erfindungsgemäße Warnsystem erlaubt es, dass Personen, die sich in der Nähe eines Batteriesystems befinden, welches sich auf einen kritischen Zustand zu bewegt oder sich bereits in einem kritischen Zustand befindet, über den Zustand des Batteriesystems rechtzeitig informiert werden, so dass sich die Personen gegebenenfalls aus dem Gefahrenbereich entfernen können, ohne Schaden zu nehmen und/oder die Möglichkeit haben, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um eine vollständige Havarie des Batteriesystems gegebenenfalls zu vermeiden oder deren Folgen zu vermindern. Handelt es sich bei dem Batteriesystem beispielsweise um ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, welches in einem Fahrzeug als Bestandteil des elektrifizierten Antriebs zum Einsatz kommt, so wird der Vorteil des erfindungsgemäßen Warnsystems besonders deutlich. Kommt es während der Fahrt zu einem kritischen Zustand im Batteriesystem, so informiert das erfindungsgemäße Warnsystem den Fahrer durch Ausgabe von Warnsignalen über den kritischen Zustand des Batteriesystems. Der Fahrer hat nun Gelegenheit, das Fahrzeug geregelt zum Stillstand zu bringen, sicher abzustellen und sich dann vom Fahrzeug zu entfernen, bevor er durch einen Batteriebrand verletzt wird. Damit wird eine Gefährdung des Fahrers sowie der Umwelt vermindert.
Das erfindungsgemäße Warnsystem eignet sich zur Überwachung von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen-Batteriesystemen. Besonders vorteilhaft eignet sich das Warnsystem für die Überwachung von Batteriesystemen mit großer Leistung bzw. mit hohen Kapazitäten.
Unter einem Batteriesystem wird dabei eine Anordnung zur Versorgung eines Netzes bzw. eines Verbrauchers mit elektrischer Energie verstanden, die eine Batterie mit mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher umfasst. Unter einem Energiespeicher kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeder Energiespeicher verstanden werden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichert. Insbesondere sind darunter Energiespeicher zu verstehen, die eine oder mehrere in Reihe und/oder gegebenenfalls auch parallel geschaltete Akkumulator- und/oder Batteriezellen enthalten. Bevorzugt umfasst das Batteriesystem Batteriezellen vom Typ der Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere vom Typ Li-Ion-Lithium-Ionen-Akku, LiPo-Lithium-Polymer-Akku, LiFe-Lithium-Metall-Akku, Li-Mn-Lithium-Mangan-Akku, LiFePO₄-Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi-Lithium-Titanat-Akku. Das Batteriesystem kann eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen.
Neben einer solchen Batterie kann ein Batteriesystem weitere Bestandteile umfassen, wie beispielsweise ein Gehäuse, Sicherheitsvorrichtungen zum Abschalten der Batterie oder zum Trennen der Batterie vom restlichen Netz und/oder ein Batterie Management System, welches Regel- und Steuereinheiten umfassen kann, die zum Betrieb, zur geregelten Be- und Entladung sowie zur Sicherheitsüberwachung der Batterie dienen. Das Batterie Management System weist dazu Mittel auf, um Daten z. B. über den Batteriezustand aufzunehmen, zu verarbeiten, zu speichern, mit anderen Daten oder Werten zu vergleichen und gegebenenfalls Steuersignale an andere Komponenten des Batteriesystems oder anderer Vorrichtungen zu senden. Dazu kann das Batterie Management System beispielsweise eine Eingangs-, eine Speicher-, eine Rechen- und/oder eine Ausgangseinheit aufweisen.
Bevorzugt dient das Warnsystem der Überwachung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen-Batteriesystemen mit einer nominalen Kapazität von ≥ 2 Ah, bevorzugt von ≥ 3 Ah.
Das erfindungsgemäße Warnsystem weist einen oder mehrere Sensoren auf, die der Zustandsüberwachung des Batteriesystems dienen. Dabei sind die Sensoren derart ausgestaltet, dass diese bei Betrieb des Warnsystems Messdaten über Parameter des Batteriesystems, bevorzugt für eine, mehrere oder alle Batteriezellen des Batteriesystems, ermitteln können, wobei die Parameter so ausgewählt sind, dass eine Veränderung im Zustand des Batteriesystems eine messbare Veränderung des ausgewählten Parameters zur Folge hat. Geeignete Parameter und Sensortypen sind dem Fachmann bekannt und können je nach Typ, Dimension und Einsatzort des Batteriesystems ausgewählt werden.
Beispiele für geeignete Sensortypen sind:

– Temperatursensoren, die Daten über den Temperaturzustand des Batteriesystems oder Teilen davon bereitstellen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass eine Temperaturerhöhung im Batteriesystem ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.
– Drucksensoren, die einen gegebenenfalls plötzlichen, pulsartigen Druckanstieg messen können, wie er beispielsweise bei einer Batteriesystembeschädigung durch einen Sturz auftreten kann. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass eine Druckerhöhung im Batteriesystem ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.
– Gassensoren, die Daten über eine Freisetzung eines bestimmten Gases oder Gasgemisches innerhalb oder aus dem Batteriesystem ermitteln können. Insbesondere kann es sich hier um Gassensoren handeln, die reaktiv sind für Gase oder Gasgemische enthaltend H₂, CO und/oder CO₂. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Freisetzung von bestimmten Gasen ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.
– Spannungssensoren, die Daten über die Kräfteverteilung (Statik) in und/oder an dem Batteriesystem oder Teilen davon liefern. Insbesondere können solche Sensoren Daten über Veränderungen von Spannungen im Batteriesystemgehäuse bereitstellen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass eine Veränderung im Spannungskräfteverhältnis ein Hinweis auf eine Beschädigung des Batteriesystems und damit ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.
– Elektrische Spannungssensoren, die Daten über elektrische Spannungen innerhalb des Batteriesystems liefern können. Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass eine gegebenenfalls plötzlich auftretende Veränderung in elektrischen Spannungswerten z. B. innerhalb einzelner oder mehrerer Zellen der Batterie des Batteriesystems ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.
– Bewegungssensoren, die Daten über eine Stoßbewegung innerhalb des Batteriesystems und/oder auf das Batteriesystem einwirkend erfassen können. Insbesondere kann es sich dabei um Sensoren handeln, die beispielsweise eine Stoßbewegung eines im oder am Batteriesystem angebrachten Referenzobjekt erfassen können. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Detektion einer Stoßbewegung ein Hinweis auf eine Beschädigung des Batteriesystems und damit ein Indikator dafür sein kann, dass sich das Batteriesystem in einem kritischen Zustand befindet oder die Wahrscheinlichkeit für das baldige Erreichen eines kritischen Zustandes des Batteriesystems erhöht ist.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Warnsystem Sensoren zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen aufweisen, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus den Sensortypen: Temperatursensor, Drucksensor, Gassensor, Spannungssensor, elektrischer Spannungssensor und/oder Bewegungssensor.
Das erfindungsgemäße Warnsystem kann mehr als einen Sensor zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen aufweisen, wobei das Warnsystem Sensoren eines einzigen Sensortyps oder jede gewünschte Kombination unterschiedlicher Sensortypen umfassen kann.
Insbesondere können im erfindungsgemäßen Warnsystem einer, mehrere oder alle Sensoren zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen direkt mit einem Bestandteil des Batteriesystems verbindbar ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Warnsystem weist Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen aus. Unter Warnsignalen werden dabei solche vom Menschen wahrnehmbare Signale verstanden, die üblicherweise dazu geeignet sind, die Aufmerksamkeit der zu warnenden Personen zu erregen. Die Auswahl des einen oder der mehreren gleichen oder verschiedenen Warnsignale kann also davon abhängen, in welcher Form und Umgebung sich die zu warnende Person während des Betriebs des erfindungsgemäßen Warnsystems üblicherweise befindet. Dem Fachmann sind solche geeigneten Warnsignale oder Kombinationen von Warnsignalen bekannt. Bevorzugt sind die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen derart ausgestaltet, dass akustisch und/oder optisch wahrnehmbare Warnsignale ausgegeben werden können bzw. ausgebbar sind. Beispielsweise können als Mittel zur Ausgabe von optisch wahrnehmbaren Warnsignalen Lampen und/oder Rauchgas-freisetzende Mittel eingesetzt werden. Als Mittel zur Ausgabe von akustisch wahrnehmbaren Warnsignalen können z. B. Lautsprecher eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Warnsystem weist eine Regel- und Steuereinheit auf, welche mit den Sensoren zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen und mit den Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen derart verbunden ist, dass Messwerte der Sensoren von der Regel- und Steuereinheit aufgenommen, verarbeitet und mit einem Referenzwert verglichen werden können und bei Feststellung einer Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind. Insbesondere kann diese Regel- und Steuereinheit in ein, gegebenenfalls bereits vorhandenes, Batterie Management System des zu überwachenden Batteriesystems integriert vorliegen. Dabei sind Sensoren und Regel- und Steuereinheit derart aufeinander abgestimmt, dass Messdaten der Sensoren durch die Regel- und Steuereinheit aufgenommen, verarbeitet, gegebenenfalls gespeichert, und mit einem Referenzwert verglichen werden können, wobei der Referenzwert derart ausgewählt und vorher festgelegt ist, dass bei einer Abweichung des Messwertes vom Referenzwert eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für das Bestehen oder den zu erwartenden Eintritt eines kritischen Zustandes des Batteriesystems vorliegt. Dabei ist der Referenzwert so gewählt, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem auslösbar sind.
Die genaue Festlegung des oder der Referenzwerte kann sowohl vom verwendeten Batteriesystem abhängen als auch von den eingesetzten Sensoren und Sensortypen und kann gegebenenfalls für jedes Warnsystem neu bestimmt und gegebenenfalls vor erstmaliger Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Warnsystems festgelegt werden. Der Referenzwert kann dabei ein fester oder ein dynamischer, schwankender Wert sein, der beispielsweise aus einem mathematischen Modell oder einem Kennlinienfeld des Batteriesystems abgeleitet werden kann. Der Referenzwert kann aber auch kontinuierlich neu ermittelt und festgelegt werden. Der Referenzwert kann beispielsweise aus einem Schwellenwert gebildet werden, der eine gerade noch zu tolerierende Differenz eines Sollwertes mit den ermittelten Messdaten des Batteriesystems wiedergibt. Die Messwerte eines oder mehrerer Sensoren werden mit einem bestimmten Referenzwert verglichen und es wird festgestellt, ob einer der Messwerte von dem Referenzwert außerhalb eines Toleranzbereichs abweicht. Wird eine Abweichung eines Messwertes von einem Referenzwert festgestellt, so löst das Warnsystem ein Signal aus. Die erfindungsgemäße Regel- und Steuereinheit kann eine oder mehrere Speicher-, Rechen- und/oder Steuereinheiten aufweisen, die derart ausgestaltet und abgestimmt sind, dass der gewünschte Abgleich der Messwerte mit einem Referenzwert bewerkstelligt und die entsprechenden Maßnahmen, z. B. Auslösung von Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen, einleitbar sind.
Um sicherzustellen, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystems ausgelöst werden oder auslösbar sind, können im erfindungsgemäßen Warnsystem die Sensoren zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sein, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind, wenn die Temperaturanstiegsrate mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems um mindestens 10% von einem Referenzwert abweicht. Der Eintritt eines kritischen Zustandes in einem Batteriesystem kann sich dadurch ankündigen, dass zumindest in einer Batteriezelle des Batteriesystems ein im Vergleich zu anderen Batteriezellen des Batteriesystems beschleunigter Temperaturanstieg auftritt. Ist die Temperaturanstiegsrate einer Batteriezelle um mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, besonders bevorzugt um mindestens 30%, erhöht gegenüber einem Referenzwert, so ist die Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines kritischen Zustandes ebenfalls erhöht und die Ausgabe eines Warnsignals ist auszulösen. Die Temperaturanstiegsrate kann beispielsweise in °C/min bestimmt werden. Andere Einheiten sind ebenfalls geeignet. Der Referenzwert kann beispielsweise als vorher festgelegte Temperaturanstiegsrate bestimmt sein, wobei diese von der Art und Form des zu überwachenden Batteriesystems abhängen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzwert gebildet werden aus dem Mittelwert oder Median der Temperaturanstiegsraten über benachbarte, mehrere, alle oder alle übrigen Batteriezellen des zu überwachenden Batteriesystems. Bevorzugt wird der Referenzwert gebildet unter Berücksichtigung der Temperaturanstiegsraten von Batteriezellen, die unmittelbar benachbart sind zu der zu analysierenden Batteriezelle. Ein Vorteil dieser Festlegung des Referenzwertes ist, dass der Referenzwert sich dynamisch verändert je nach Betriebs- und Ladezustand des Batteriesystems, und dass üblicherweise auch bei normalem Betrieb eines Batteriesystems vorkommende, lokale Unterschiede in der Temperaturentwicklung besser berücksichtigt werden können.
Die Sensoren zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit des erfindungsgemäßen Warnsystems können derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sein, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind, wenn die Temperatur in mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems einen vorher festgelegten Referenzwert erreicht oder überschreitet. Der Referenzwert kann in diesem Fall als absolute Temperaturschwelle gewählt sein, bei deren Erreichen oder Überschreiten der Eintritt eines kritischen Zustandes für die zu überwachende Batteriezelle erhöht ist. und somit das Warnsignal ausgelöst werden soll. Diese absolute Temperaturschwelle kann grundsätzlich von der Art und Form des zu überwachenden Batteriesystems abhängen. Bevorzugt beträgt diese absolute Temperaturschwelle 100°C, besonders bevorzugt 110°C.
Die Sensoren zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit des erfindungsgemäßen Warnsystems können auch derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sein, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind, wenn mindestens ein Überdruckventil einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems geöffnet ist.
Batteriesysteme in einem kritischen Zustand können sich durch unübliche Spannungsverläufe auszeichnen. Um solche unüblichen Spannungsverläufe frühzeitig detektieren und entsprechende Warnungen ausgeben zu können, können die Sensoren zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit des erfindungsgemäßen Warnsystems derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sein, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen auslösbar sind, wenn die Spannungsabnahmerate mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems um mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, besonders bevorzugt um mindestens 30%, von einem vorher festgelegten Referenzwert abweicht. Der Referenzwert kann beispielsweise als vorher festgelegte Spannungsabnahmerate bestimmt sein, wobei diese von der Art und Form des zu überwachenden Batteriesystems abhängen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzwert gebildet werden aus dem Mittelwert oder Median der Spannungsabnahmeraten über benachbarte, mehrere, alle oder alle übrigen Batteriezellen des zu überwachenden Batteriesystems. Bevorzugt wird der Referenzwert gebildet unter Berücksichtigung der Spannungsabnahmeraten von Batteriezellen, die unmittelbar benachbart sind zu der zu analysierenden Batteriezelle. Ein Vorteil dieser Festlegung des Referenzwertes ist, dass der Referenzwert sich dynamisch verändert je nach Betriebs- und Ladezustand des Batteriesystems, und dass üblicherweise auch bei normalem Betrieb eines Batteriesystems vorkommende, lokale Unterschiede im Spannungsverlauf besser berücksichtigt werden können.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Warnsystem derart ausgestaltet sein, dass Messwerte der Sensoren mit mehr als einem Referenzwert vergleichbar sind und je nach festgestellter Abweichung verschiedene Warnsignale ausgebbar sind. Dadurch lässt sich ein abgestufter Warnprozess erreichen, bei dem beispielsweise der Zustand des Batteriesystems in mehrere Gefährdungsstufen eingeteilt wird, je nach Ausprägung der festgestellten Abweichung der Messwerte von einem oder mehreren Referenzwerten. Die Zustände des Batteriesystems können z. B. in einen Normalzustand eingeteilt werden, bei dem keiner der Messwerte der Sensoren von einen bestimmten Referenzwert abweicht; in einen ersten Gefährdungszustand, bei dem einer oder mehrere Messwerte der Sensoren von einem ersten Referenzwert abweichen, aber nicht von einem zweiten; und einem zweiten Gefährdungszustand, bei dem ein oder mehrere Messwerte der Sensoren sowohl von einem ersten als auch von einem zweiten Referenzwert abweichen. Dabei kann der erste Referenzwert so gewählt sein, dass bei einer Abweichung ein Gefährdungszustand eintritt, bei dem der Eintritt eines kritischen Zustandes des Batteriesystems zwar wahrscheinlich ist, aber noch keine unmittelbare Gefahr für Personen besteht. Ein zweiter Referenzwert kann beispielsweise so gewählt sein, dass bei einer Abweichung davon ein Gefährdungszustand eintritt, bei dem der Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem bevorsteht und somit eine unmittelbare Gefahr für Personen und/oder Umgebung besteht. Dabei kann das Warnsystem derart ausgebildet sein, dass je nachdem welcher der Referenzwerte über- oder unterschritten ist, unterschiedliche Warnsignale ausgelöst werden. So kann eine Person über den tatsächlich vorliegenden Gefährdungszustand eines Batteriesystems in Abhängigkeit des gemessenen Batteriesystemzustands informiert werden und die Person kann entsprechend reagieren und für den jeweiligen Gefährdungszustand angemessene Schritte einleiten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Batteriesystem umfassend ein erfindungsgemäßes Warnsystem, wobei das Warnsystem in das Batteriesystem integriert oder als separate, damit verbindbare oder verbundene Vorrichtung vorliegen kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Warnsystem oder Batteriesystem enthält. Dabei kommt es nicht darauf an, dass Kraftfahrzeug und Warn- bzw. Batteriesystem eine bauliche Einheit bilden, sondern, dass Kraftfahrzeug und erfindungsgemäßes Warn- bzw. Batteriesystem derart funktional in Kontakt stehen, dass das Warn- bzw. Batteriesystem seine Warnfunktion während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfüllen kann. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug” alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die ein Batteriesystem zur Energieversorgung von mindestens einer Komponente des Kraftfahrzeugs aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug” HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die ein Batteriesystem zur mindestens teilweisen Versorgung mit elektrischer Energie einsetzen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Warnsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Warnsystems schematisch dargestellt. Der Zustand eines Batteriesystems 1 wird mittels eines Sensors 2 zur Zustandsüberwachung des Batteriesystems 1 überwacht. Dieser Sensor 2 ist derart mit einer Regel- und Steuereinheit 3 verbunden, dass Messwerte des Sensors 2 von der Regel- und Steuereinheit 3 aufgenommen und verarbeitet werden können. Die Regel- und Steuereinheit 3 ist dabei derart ausgebildet, dass sie Messwerte des Sensors 2 aufnehmen und mit einem vorher festgelegten Referenzwert vergleichen kann. Weicht ein Messwert vom Referenzwert ab, so kann die Regel- und Steuereinheit 3 die Ausgabe eines Warnsignals auslösen, wobei der Sensor 2 und die Regel- und Steuereinheit 3 derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem auslösbar sind. Zu diesem Zweck ist die Regel- und Steuereinheit 3 mit Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen 4 derart verbunden, dass die Regel- und Steuereinheit 3 durch Übermittlung eines Steuerbefehls die Ausgabe eines Warnsignals auslösen kann.

Claims

Warnsystem zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen, umfassend einen oder mehrere Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung von Batteriesystemen (1); Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4); und eine Regel- und Steuereinheit (3), die mit den Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und mit den Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen (4) derart verbunden ist, dass Messwerte der Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung von der Regel- und Steuereinheit (3) aufgenommen, verarbeitet und mit einem Referenzwert verglichen werden können und bei Feststellung einer Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) auslösbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) zeitlich vor Eintritt eines kritischen Zustandes im Batteriesystem (1) auslösbar sind.
Warnsystem nach Anspruch 1, bei dem die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) auslösbar sind, wenn die Temperaturanstiegsrate mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems (1) um mindestens 10% von einem Referenzwert abweicht.
Warnsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Referenzwert gebildet wird aus den Temperaturanstiegsraten einer oder mehrerer anderer Batteriezellen des zu überwachenden Batteriesystems (1).
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) auslösbar sind, wenn die Temperatur in mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems (1) eine Temperatur von 100°C erreicht oder übersteigt.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) auslösbar sind, wenn mindestens ein Überdruckventil einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems (1) geöffnet ist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensoren (2) zur Zustandsüberwachung und die Regel- und Steuereinheit (3) derart ausgeführt und aufeinander abgestimmt sind, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) auslösbar sind, wenn die Spannungsabnahmerate mindestens einer Batteriezelle des zu überwachenden Batteriesystems (1) um mindestens 10% von einem Referenzwert abweicht.
Warnsystem nach Anspruch 6, bei dem der Referenzwert gebildet wird aus den Spannungsabnahmeraten einer oder mehrerer anderer Batteriezellen des zu überwachenden Batteriesystems (1).
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Steuereinheit (3) in einem Batterie Management System des Batteriesystems (1) integriert vorliegt.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ausgabe von Warnsignalen (4) derart ausgestaltet sind, dass akustisch und/oder optisch wahrnehmbare Warnsignale ausgebbar sind.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Warnsystem derart ausgestaltet ist, dass Messwerte der Sensoren (2) mit mehr als einem Referenzwert vergleichbar sind und je nach festgestellter Abweichung gegebenfalls verschiedene Warnsignale ausgebbar sind.
Batteriesystem umfassend ein Warnsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Kraftfahrzeug enthaltend ein Warnsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder ein Batteriesystem nach Anspruch 11.