DE102010042748A1

DE102010042748A1 - Verfahren zur Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen

Info

Publication number: DE102010042748A1
Application number: DE102010042748A
Authority: DE
Inventors: Stefan Soboll; Berengar Krieg; Andreas Heyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012052218A2; WO2012052218A3

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Schritte charakterisiert. Zunächst werden der Gesamtstrom und/oder die Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie und an einer oder mehreren Stellen im externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs gemessen. Anschließend wird eine Abweichung bestimmt zwischen den Messwerten für die Hochvoltbatterie und den Messwerten für das externe Hochvoltnetz. Schließlich wird eine Manipulation festgestellt, wenn die Abweichung einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen sowie ein Batteriemanagementsystem zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Stand der Technik
Hochvoltbatterien, insbesondere Lithium-Ionen-Hochvoltbatterien, die als Energiequelle in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, verfügen meist über ein Batteriemanagementsystem (BMS), mit dem sicherheitsrelevante Größen der Hochvoltbatterie wie Zellen-Spannungen, Batteriegesamtspannung, Batteriegesamtstrom sowie Zellen- bzw. Batterietemperatur erfasst und überwacht werden können. Diese Größen müssen auf Überschreitung von Grenz- oder Schwellenwerten hin überwacht werden, da bei Überschreitung dieser Grenz- oder Schwellenwerte chemische Reaktionen in den Zellen in Gang gesetzt werden können (so genannter ”thermal runaway”), die zu einer Gefährdung von Personen sowie zur Beeinträchtigung des Fahrzeugs oder der Umgebung führen können. Es kann beispielsweise zu einem Brand, einer Explosion oder unerwünschten Einwirkungen von freigesetzten chemischen Verbindungen kommen. Insbesondere bei Überspannung, Unterspannung, Überstrom und/oder Übertemperatur ist mit einer Zunahme der Gefährdungslage zu rechnen. Zusätzlich müssen auch Kurzschlüsse außerhalb der Hochvoltbatterie im externen Hochvoltnetz durch Messung des Stroms überwacht und gegebenenfalls erkannt werden.
Neben unkontrollierbaren Umwelteinflüssen kann es vorkommen, dass Manipulationen an der Hochvoltbatterie oder am restlichen externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs erfolgen, die beispielsweise die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen sollen. Solche Manipulationen können beispielsweise das Einbringen von zusätzlichen Batteriezellen in das Hochvoltnetz umfassen, z. B. in Reihe oder parallel zur vorhandenen Hochvoltbatterie. Die zusätzlichen Zellen weisen meist keine eigene Absicherung gegen Batteriegefährdungen wie Überspannung, Unterspannung, Überstrom und Übertemperatur auf. Das Einbringen von zusätzlichen Zellen kann auch dazu führen, dass ein externer Kurzschluss weniger gut durch die bereits vorhandene Überwachung des Stromes im Hochvoltnetz des Fahrzeugs erkannt werden kann. Da das Hochvoltnetz und gegebenenfalls das gesamte Fahrzeug nicht auf solche Zusatzzellen ausgelegt sind, kann die Sicherheit des Hochvoltnetzes und damit des ganzen Fahrzeugs nicht mehr gewährleitstet werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches eine Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen erlaubt. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren charakterisiert durch die Schritte:

a) Messung des Gesamtstroms und/oder der Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie und an einer oder mehreren Stellen im externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs;
b) Bestimmung einer Abweichung zwischen den Messwerten für die Hochvoltbatterie und den Messwerten für das externe Hochvoltnetz; und
c) Feststellung einer Manipulation, wenn die Abweichung einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache, dass sich durch die Hinzufügung von zusätzlichen Batteriezellen die Gesamtspannung oder der Gesamtstrom in einem gegebenen Hochvoltnetz ändert. Werden zusätzliche Batteriezellen in Reihe zur Hochvoltbatterie des Fahrzeugs dem Hochvoltnetz geschaltet, so führt dies zu einer Erhöhung der Gesamtspannung im externen Hochvoltnetz, während die Gesamtspannung der Hochvoltbatterie unverändert bleibt. Werden zusätzliche Batteriezellen parallel zur Hochvoltbatterie dem Hochvoltnetz des Fahrzeugs hinzugefügt, so führt dies zu einer Erhöhung des Gesamtstroms im externen Hochvoltnetz, während der Gesamtstrom der Hochvoltbatterie unverändert bleibt. Die Manipulation eines bestehenden Hochvoltnetzes durch Hinzufügung von Batteriezellen lässt sich also dadurch feststellen, dass der Gesamtstrom und/oder die Gesamtspannung der bekannten Hochvoltbatterie des Fahrzeugs mit einem an einer anderen, im externen Hochvoltnetz gelegenen Stelle gemessenen Gesamtstrom und/oder Gesamtspannung des Hochvoltnetzes abgeglichen wird. Wird eine Abweichung festgestellt, die einen bestimmten, vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet, so kann eine Manipulation des Hochvoltnetzes festgestellt werden und es können gegebenenfalls Gegenmaßnahmen ausgelöst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Dabei umfasst der Begriff ”Manipulation” insbesondere die Hinzufügung von zusätzlichen Batteriezellen zur bereits vorhandenen Hochvoltbatterie im Hochvoltnetz des Fahrzeugs. Die zusätzlichen Batteriezellen können beispielsweise in Reihe zur vorhandenen Hochvoltbatterie des Fahrzeugs oder parallel dazu in das Hochvoltnetz integriert vorliegen.
Unter Elektro- und Hybridfahrzeugen werden solche Fahrzeuge verstanden, die eine Hochvoltbatterie zur mindestens teilweisen Versorgung eines elektrischen Antriebs zur Fortbewegung des Fahrzeugs aufweisen. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Fahrzeug neben dem elektrischen Antrieb noch weitere Vorrichtungen zum Antrieb des Fahrzeugs aufweist (z. B. einen zusätzlichen Verbrennungsmotor o. ä.). Insbesondere sind folgende Fahrzeuge umfasst: elektrische Hybridfahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV), Elektrofahrzeuge (EV) und Brennstoffzellenfahrzeuge.
Das Hochvoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs umfasst mindestens eine Hochvoltbatterie, einen elektrischen Antrieb zur Fortbewegung des Fahrzeugs sowie Leitungen zur funktionalen Verbindung der Hochvoltbatterie mit dem elektrischen Antrieb. Daneben kann das Hochvoltnetz weitere Komponenten und Verbraucher aufweisen.
Unter einer Hochvoltbatterie wird dabei ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichern und bei Bedarf wieder bereitstellen kann. Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Hochvoltnetze mit einer Hochvoltbatterie jedes Akkumulator- oder Batteriezelltyps. Bevorzugt handelt es sich um Hochvoltnetze mit einer Hochvoltbatterie vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie, 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.
Es werden der Gesamtstrom und/oder die Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie gemessen, also die Spannung bzw. der Strom über alle Zellen der Hochvoltbatterie. Geeignete Vorrichtungen zur Strom- bzw. Spannungsmessung sind dem Fachmann bekannt. An der Hochvoltbatterie der meisten Elektro- oder Hybridfahrzeuge sind solche Messvorrichtungen ohnehin bereits angebracht bzw. vorgesehen. Bevorzugt werden der Gesamtstrom und/oder die Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie unmittelbar vor oder unmittelbar nach den Hauptschützen der Hochvoltbatterie gemessen.
Es werden der Gesamtstrom und/oder die Gesamtspannung an einer bzw. mehreren Stellen im externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs gemessen, also die Spannung bzw. der Strom, der als Summe aller Stromquellen am externen Hochvoltnetz anliegt. Der Begriff ”externes Hochvoltnetz” bezeichnet dabei das gesamte Hochvoltnetz des Fahrzeugs exklusive der vorhandenen Hochvoltbatterie. Geeignete Vorrichtungen zur Strom- bzw. Spannungsmessung sind dem Fachmann bekannt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im elektrischen Antrieb der Gesamtstrom bestimmt bzw. die Gesamtspannung gemessen wird. So benötigt das Steuergerät für den elektrischen Antrieb regelmäßig den Spannungs- bzw. den Stromwert im externen Hochvoltnetz für die Regelung und Momentüberwachung des elektrischen Antriebs. Der elektrische Antrieb bzw. das dazugehörige Steuergerät umfasst in der Regel bereits Vorrichtungen zur Messung des Gesamtstroms und der Gesamtspannung im externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messdaten zum Gesamtstrom und/oder zur Gesamtspannung des externen Hochvoltnetzes vom Steuergerät des elektrischen Antriebs bezogen. Dies kann beispielsweise über einen CAN-Bus erfolgen.
Bevorzugt werden in der Hochvoltbatterie und im externen Hochvoltnetz sowohl der jeweilige Gesamtstrom als auch die jeweilige Gesamtspannung gemessen.
Nachdem die Messwerte für die Hochvoltbatterie und das externe Hochvoltnetz ermittelt worden sind, wird eine Abweichung zwischen den Messwerten für die Hochvoltbatterie und den Messwerten für das externe Hochvoltnetz bestimmt.
Dies kann für die Spannung U beispielsweise nach folgender Formel erfolgen: A_U = |U_exHV – U_Batt|; wobei

A_U: die Abweichung für die Spannung U,
U_exHV: die gemessene Gesamtspannung im externen Hochvoltnetz, und
U_Batt: die gemessene Gesamtspannung der Hochvoltbatterie ist.

Dies kann für den Strom I beispielsweise nach folgender Formel erfolgen: A_I = |I_exHV – I_Batt|; wobei

A_I: die Abweichung für den Strom I,
I_exHV: der gemessene Gesamtstrom im externen Hochvoltnetz, und
I_Batt: der gemessene Gesamtstrom der Hochvoltbatterie ist.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dann eine Manipulation im Hochvoltnetz festgestellt, wenn die Abweichung einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Dies lässt sich für die Spannung folgendermaßen ausdrücken: A_U > S_U => Manipulation; wobei

A_U: die bestimmte Abweichung für die Spannung und
S_U: der Schwellenwert für die Spannung ist.

Dies lässt sich für den Strom folgendermaßen ausdrücken: A_I > S_I => Manipulation; wobei

A_I: die bestimmte Abweichung für den Strom und
S_I: der Schwellenwert für den Strom ist.

In einem idealen System könnte der Schwellenwert S sowohl für die Spannung als auch für den Strom bei 0 bzw. nahe bei 0 liegen. Da allerdings in Abhängigkeit von der Topologie des Hochvoltnetzes und gegebenenfalls aufgrund von weiteren Umständen, wie z. B. asynchrone Messungen oder Betriebszustand des Fahrzeugs oder des Hochvoltnetzes o. ä., mit nicht zu vernachlässigenden Einflüssen auf das Hochvoltnetz bzw. auf die Messwerte zu rechnen ist, sollte der Schwellenwert für eine spezifische Hochvoltnetztopologie individuell bestimmt und festgelegt werden, so dass sowohl falsch negative als auch falsch positive Feststellungen von Manipulationen durch das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Minimum beschränkt werden können.
Die Fehlerhäufigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich zusätzlich dadurch minimieren, dass eine Fehlerentprellung und/oder eine Filterung der Messwerte vorgenommen werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass im erfindungsgemäßen Verfahren eine Manipulation erst dann festgestellt wird, wenn die Schritte a) Messung des Gesamtstroms und/oder der Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie und dem externen Hochvoltnetz und b) Bestimmung einer Abweichung zwischen den Messwerten für die Hochvoltbatterie und dem externen Hochvoltnetz mehrfach durchgeführt worden sind und mehr als eine der dabei bestimmten Abweichungen den Schwellenwert überschreitet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) mindestens viermal durchgeführt worden sind und mindestens zwei der dabei bestimmten Abweichungen den Schwellenwert überschreiten. Bevorzugt finden die Mehrfacherfassungen von Messwerten in einem vorher festgelegten zeitlichen Abstand voneinander statt. Die Anzahl an Mehrfachmessungen und für die Feststellung einer Manipulation hinreichenden Schwellenwertüberschreitungen sowie der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Messwerterfassungen der Mehrfachmessungen können vom Fachmann für eine gegebene Hochvoltnetztopologie ohne Schwierigkeiten und ohne unzumutbaren Aufwand ermittelt und festgelegt werden. Es ist auch möglich, dass die durch Mehrfachmessung ermittelten Messwerte einer Filterung unterzogen werden. Die Filterung führt dazu, dass nicht bereits dann eine Manipulation festgestellt wird, wenn lediglich ein, gegebenenfalls zufällig abweichender Messwert ermittelt wurde. Die Filterung kann beispielsweise Maßnahmen wie die Bildung von Mittelwerten aus einer Mehrzahl von Messwerten umfassen. Es ist auch möglich, eine Filterung zu erreichen durch Verwendung eines linearen, zeitinvarianten Übertragungsgliedes, welches ein proportionales Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung der 1. Ordnung aufweist, z. B. ein PT₁-Glied.
Da Elektro- und Hybridfahrzeuge in der Regel bereits ein Batteriemanagementsystem aufweisen, in dem regelmäßig Messwerte zur Gesamtspannung und Gesamtstrom in der Hochvoltbatterie erfasst werden, ist es besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Schritte b) und c) oder die Schritte b), c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, vom Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs durchgeführt werden. Somit ist kein neues, zusätzliches Bauteil mehr notwendig. Das derart ausgeführte Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs kann über eine gesicherte Verbindung, z. B. einen CAN-Bus, mit dem Steuergerät des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs verbunden sein, so dass die Messwerte des externen Hochvoltnetzes aus dem Steuergerät des elektrischen Antriebs bezogen werden können und anschließend im Batteriemanagementsystem verarbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als zusätzlichen Schritt noch eine Auslösung von Gegenmaßnahmen vorsehen, wenn eine Manipulation festgestellt wurde. Gegenmaßnahmen umfassen insbesondere solche Maßnahmen, die geeignet sind, eine Gefährdung oder Schaden vom Fahrer des Fahrzeugs oder anderen Fahrzeuginsassen abzuwenden und/oder Beeinträchtigungen oder Beschädigungen des Fahrzeugs zu vermeiden. Solche Gegenmaßnahmen umfassen bevorzugt das Abtrennen der Hochvoltbatterie vom externen Hochvoltnetz, das Anfordern eines Notlaufs der Fahrzeugsteuerung und/oder die Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt bei jeder Inbetriebnahme des Elektro- oder Hybridfahrzeugs mindestens einmal durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Batteriemanagementsystem, welches derart ausgeführt und ausgestattet ist, dass es Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, insbesondere zur Ausführung der Verfahrensschritte b) und c) oder b), c) und d).
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batterie, die ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches ein solches erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem oder eine solche erfindungsgemäße Batterie aufweist.

Claims

Verfahren zur Erkennung von Manipulationen im Hochvoltnetz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst: a) Messung des Gesamtstroms und/oder der Gesamtspannung in der Hochvoltbatterie und an einer oder mehreren Stellen im externen Hochvoltnetz des Fahrzeugs; b) Bestimmung einer Abweichung zwischen den Messwerten für die Hochvoltbatterie und den Messwerten für das externe Hochvoltnetz; c) Feststellung einer Manipulation, wenn die Abweichung einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den zusätzlichen Schritt: d) Auslösen von Gegenmaßnahmen, wenn eine Manipulation festgestellt wurde.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gegenmaßnahmen das Trennen der Hochvoltbatterie vom Hochvoltnetz, das Anfordern eines Notlaufs der Fahrzeugsteuerung und/oder die Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung des Gesamtstroms und/oder der Gesamtspannung der Hochvoltbatterie vor den Hauptschützen der Hochvoltbatterie erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung des Gesamtstroms und/oder der Gesamtspannung im externen Hochvoltnetz die Messung im elektrischen Antrieb umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Messdaten zum Gesamtstrom und/oder zur Gesamtspannung im elektrischen Antrieb des Fahrzeugs vom Steuergerät des elektrischen Antriebs bezogen werden, bevorzugt über einen CAN-Bus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens die Schritte b) und c) vom Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Manipulation erst dann festgestellt wird, wenn die Schritte a) und b) mehrfach durchgeführt worden sind und mehr als eine der dabei bestimmten Abweichungen den Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte a) und b) mindestens viermal durchgeführt worden sind und mindestens zwei der dabei bestimmten Abweichungen den Schwellenwert überschreiten.
Batteriemanagementsystem, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 10 umfasst.
Elektro- oder Hybridfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 10 oder eine Batterie nach Anspruch 11 umfasst.