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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, eine Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, auf ein entsprechendes Defektlokalisierungssystem sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Die Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien als elektrochemische Energiespeicher ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Neben dem Einsatz in portablen Geräten wie Laptops oder Mobiltelefonen steht insbesondere die Anwendung im Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV) im Mittelpunkt. Je nach Auslegung für Hybrid, Plug-in-Hybrid oder EV ohne zusätzlichen Verbrennungsmotor erreicht die Kapazität derzeitiger Batteriesysteme Werte von ca. 1 bis 10 kAh. Dies entspricht einer gespeicherten Energie von ca. 3 bis 40 kWh.
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Berichte über unkontrollierte Überhitzung, Brand oder Explosion von Laptop-Akkus zeigen die möglichen Risiken, die von diesem Speichermedium ausgehen können. Aufgrund der deutlich höheren gespeicherten Energiemenge bergen Batterien für EVs im Falle eines Defekts ein besonders hohes Gefahrenpotenzial. Ein verlässlicher Betrieb sowie eine hohe Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch unabdingbar für die flächendeckende Einführung in EVs.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Defektlokalisierungssystem sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Sicherheitskritische Schadensfälle an Akkumulatoren äußern sich immer in einem Austreten von Zellkomponenten aus einem elektrochemischen Speicher, sei es durch eine undichte Zellbehausung- z. B. durch einen Haarriss – oder durch Öffnung einer Zelle durch inneren Überdruck- z. B. durch ein Bersten einer Sollbruchstelle. Wird der Schaden rechtzeitig bemerkt, so kann durch gezieltes Eingreifen oft weiterer Schaden verhindert werden. So altert z. B. eine Zelle mit Elektrolytverlust durch einen Haarriss schneller als eine Zelle mit intaktem Gehäuse, da ihr Innenwiderstand stärker ansteigt. Dies führt zu einer höheren Temperaturbelastung der beschädigten Zelle. Je früher ein Schadensfall zuverlässig detektiert wird, desto moderater sind die einzuleitenden Gegenmaßnahmen, z. B. ein Austausch eines defekten Moduls bei turnusgemäßer Wartung.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kann eine Quelle einer z. B. mittels einer Sensoranordnung erkannten Leckage in einem elektrochemischen Speicher eindeutig identifiziert und lokalisiert werden.
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Das hier vorgestellte Konzept basiert auf einer gezielten Temperierung von Teilbereichen des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck desselben zu erhöhen. Ist eine Zelle defekt, kommt es dort zu einem verstärkten bzw. zumindest veränderten Austritt von Zellkomponenten, typischerweise Elektrolyt, der dann von der zugeordneten Sensoranordnung detektiert werden kann. Durch eine Korrelation eines Sensorsignals mit der Zellmanipulation lässt sich die undichte Zelle bzw. ein die defekte Zelle aufweisendes Modul des elektrochemischen Speichers eindeutig identifizieren und im Zuge einer Wartung austauschen oder reparieren.
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Vorteilhafterweise kann so z. B. eine Sensoranordnung im elektrochemischen Speicher bzw. im Batteriepack, die auf einen ausgetretenen Bestandteil im Batteriepack insgesamt anspricht, geeignet unterstützt werden, indem die defekte Zelle oder das defekte Modul eindeutig lokalisiert werden kann.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kann die Gefahr einer kompletten Havarie nach einem Zelldefekt begrenzt werden, da mit einem Einsatz des hierin vorgeschlagenen Detektionssystems rechtzeitig vor einer möglichen Fehlfunktion des elektrochemischen Speichers gewarnt werden kann. Insbesondere kann die Warnfunktion frühestmöglich erfolgen, nämlich beim ersten Anzeichen einer Unregelmäßigkeit und deutlich vor einer Überhitzung des elektrochemischen Speichers.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Temperieren eines Teilbereichs des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs zu erhöhen;
Erfassen eines Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert; und
Lokalisieren des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht.
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Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, die beispielsweise in einem Fahrzeug installiert sein kann, durchgeführt werden. Der elektrochemische Speicher kann zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden und in einer zu einem Batteriepack zusammengefassten Mehrzahl von galvanischen Zellen zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie bestehen. Bei dem Defekt kann es sich um eine Leckage, z. B. einen Haarriss in einer Wand einer galvanischen Zelle oder einen Bruch einer Sollbruchstelle der galvanischen Zelle, handeln. Der Defekt kann einen die Funktion des elektrochemischen Speichers beeinträchtigenden Austritt von Zellbestandteilen bzw. Komponenten aus einer oder mehrerer der galvanischen Zellen verursachen. Bei der aus der oder den galvanischen Zelle(n) ausgetretenen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Bestandteil oder Bestandteile eines innerhalb der galvanischen Zelle angeordneten Elektrolyten handeln. Bei dem Teilbereich des elektrochemischen Speichers kann es sich um lediglich eine galvanische Zelle oder um ein durch eine Zusammenfassung mehrerer galvanischer Zellen gebildetes Modul des elektrochemischen Speichers handeln.
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Bei dem Temperieren kann es sich um eine gezielt den Teilbereich betreffende Temperierung handeln, von der weitere Teilebereiche des elektrochemischen Speichers ausgenommen sein können. Das Temperieren kann eine Temperaturerhöhung in dem Teilbereich verursachen, die ausreichend ist, um den Innendruck in dem Teilbereich so weit zu erhöhen, dass ein Komponentenaustritt aus einer möglichen Leckage innerhalb des Teilbereichs sicher festgestellt werden kann. Alternativ kann das Temperieren auch eine Temperaturreduktion in dem Teilbereich verursachen, die ausreichend ist, um den Innendruck in dem Teilbereich soweit zu senken, dass ein Komponentenaustritt aus einer möglichen Leckage innerhalb des Teilbereichs reduziert wird und hierdurch eine Konzentrationsveränderung des Komponente in dem Teilbereich verringert bzw. verändert wird und hierdurch einfach detektierbar ist. Bei dem Innendruck kann es sich um einen Druck im Inneren einer galvanischen Zelle auf ein Gehäuse derselben handeln. Der Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich kann beispielsweise mithilfe eines Sensors erfasst werden, der in einem Strömungsweg eines den elektrochemischen Speicher durchströmenden und die ausgetretene Komponenten aufweisenden Fluids, z. B. eines Kühlfluids, angeordnet sein kann. Der Sensor kann sich dabei innerhalb oder außerhalb des elektrochemischen Speichers befinden und die ausgetretene Komponente mittels eines Ansprechens auf eine chemische oder physikalische Eigenschaft derselben detektieren. Der Messwert kann eine Information über die Detektion der Komponente oder auch über eine Quantität der erfassten ausgetretenen Komponente repräsentieren und über eine Schnittstelle z.B. an die Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts übermittelt werden. Der Schritt des Lokalisierens kann z. B. durch einen Vergleich des erfassten Messwerts mit dem Vergleichswert, realisiert werden, um zu überprüfen, ob der Messwert in der vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht oder nicht. Der Vergleichswert kann z. B. in der Vorrichtung hinterlegt sein. Zur Durchführung des Vergleichs kann ein geeigneter Algorithmus eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt eines Temperierens mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des weiteren Teilbereichs zu verändern, einen Schritt des Erfassens mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem weiteren Teilbereich repräsentiert, und einen Schritt des Lokalisierens des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht, aufweisen. So kann das Verfahren vorteilhafterweise dazu eingesetzt werden, um auf einfache Weise sukzessive sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers nach Defekten zu untersuchen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Schnittstelle zum Ausgeben eines Temperierungssignals zum Temperieren eines Teilbereichs und/oder mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs und/oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs ansprechend auf das Temperierungssignal zu verändern;
eine Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert und/oder zum Einlesen mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des mindestens einen weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem mindestens einen weiteren Teilbereich repräsentiert; und
eine Schnittstelle zum Ausgeben einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht, und/oder einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht.
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Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen.
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Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Schnittstellen der Vorrichtung können hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Bei der Vorrichtung kann es sich hier z. B. um ein Steuergerät eines Fahrzeugs handeln.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Defektlokalisierungssystem, das folgende Merkmale aufweist:
eine Vorrichtung gemäß einer der vorangegangenen Ausführungsformen; und
eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren des Teilbereichs oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs ansprechend auf das Temperierungssignal.
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Das Defektlokalisierungssystem kann beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Funktionskontrolle eines Antriebsakkumulators des Fahrzeugs eingesetzt werden. Die Temperierungseinrichtung kann mit dem Teilbereich und/oder mit dem mindestens einen weiteren Teilbereich des elektrochemischen Speichers gekoppelt sein. Die Temperierungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine oder mehrere galvanische Zellen des Teilbereichs bzw. des weiteren Teilbereichs passiv von außen oder aktiv durch Lastbeaufschlagung des innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrolyten zu temperieren.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Temperierungseinrichtung eine Verschaltungseinrichtung zur Verschaltung des Teilbereichs und des mindestens einen weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers in unterschiedlichen Verschaltungszuständen aufweisen. Dabei kann in einem ersten Verschaltungszustand der Teilbereich und der weitere Teilbereich in einem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein und in einem zweiten Verschaltungszustand lediglich der Teilbereich in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein.
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Ferner kann in dem zweiten Verschaltungszustand ein dritter Teilbereich des elektrochemischen Speichers in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein und in einem dritten Verschaltungszustand ein vierter Teilbereich des elektrochemischen Speichers in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein.
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Die Verschaltungseinrichtung kann gemäß diesen Ausführungsformen eine Mehrzahl von elektrischen Leitern und eine Mehrzahl von Schaltern aufweisen, wobei zumindest je eine galvanische Zelle des Teilbereichs und/oder des weiteren Teilbereichs und/oder des dritten Teilbereichs und/oder des vierten Teilbereichs des elektrochemischen Speichers mit einem der elektrischen Leiter elektrisch verbunden sein kann. Die elektrischen Leiter und Schalter können so miteinander gekoppelt sein, dass je nach gewähltem Verschaltungszustand unterschiedliche Kombinationen von unterbrochenen oder bestehenden Verbindungen zwischen verschiedenen Teilbereichen sukzessive realisiert werden können. Die so in einem Lastpfad angeordneten Teilbereiche bzw. ein einziger in einem Lastpfad angeordneter Teilbereich können bzw. kann mit einer Stromlast beaufschlagt werden, um gezielt diese Teilbereiche bzw. den Teilbereich zu temperieren und auf einen Komponentenaustritt hin zu überprüfen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die verschiedenen Kombinationen der Teilbereiche des elektrochemischen Speichers quasi ein Ausschlussverfahren bei der Defektsuche erlauben, sodass eine defekte galvanische Zelle oder ein defektes Zellenmodul besonders schnell und mit geringem Energieaufwand detektiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Temperierungseinrichtung einen Heizwiderstand und/oder eine Kühleinrichtung aufweisen, der dem Teilbereich des elektrochemischen Speichers zugeordnet ist, und/oder mindestens einen weiteren Heizwiderstand und/oder eine weitere Kühleinrichtung aufweisen, der dem mindestens einen weiteren Teilbereich des elektrochemischen Speichers zugeordnet ist. Die Temperierungseinrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf dem Temperierungssignal den Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung oder den mindestens einen weiteren Heizwiderstand und/oder die weitere Kühleinrichtung mit einer Stromlast zu beaufschlagen. Beispielsweise kann der Heizwiderstand bzw. der weitere Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitzahl gebildet sein und ein dem Heizwiderstand bzw. weiteren Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung zugeordnetes Modul bzw. eine zugeordnete galvanische Zelle des elektrochemischen Speichers in Form eines Mantels umgeben. Mit dem Temperierungssignal kann ein Stromfluss in dem Heizwiderstand bzw. weiteren Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung freigegeben werden, sodass dieser sich temperieren und die Wärme bzw. Kälte auf das entsprechende Zellgehäuse übertragen kann. So kann mit der Temperierung von außen der Innendruck im Inneren der Zelle geeignet erhöht werden. Beispielsweise kann das Temperierungssignal zunächst für den Teilbereich und anschließend für den weiteren Teilbereich und wiederum anschließend für noch folgende Teilbereiche des elektrochemischen Speichers ausgegeben werden, sodass auch auf diese Weise der gesamte elektrochemische Speicher sukzessive nach Defekten durchsucht werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Temperierungseinrichtung mit einem Fluidkanal zum Temperieren des Teilbereichs und/oder mit mindestens einem weiteren Fluidkanal zum Temperieren des mindestens einen weiteren Teilbereichs gekoppelt sein. Dabei kann die Temperierungseinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf dem Temperierungssignal den Fluidkanal oder den mindestens einen weiteren Fluidkanal mit einem temperierten Fluid zu beschicken. Auch auf diese Weise können sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers nacheinander auf ihren Funktionszustand getestet werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sie keine zusätzlichen Elemente erforderlich macht, da sowohl der Fluidkanal und der mindestens eine weitere Fluidkanal als auch das Fluid Teil eines Kühlsystems für den elektrochemischen Speicher sein können, das bereits im Fahrzeug verbaut ist. Beispielsweise kann das Fluid mittels der Motorabwärme erhitzt werden.
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Gemäß Ausführungsformen des Defektlokalisierungssystems kann der Teilbereich und/oder der mindestens eine weitere Teilbereich des elektrochemischen Speichers eine galvanische Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie oder einen Verbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie umfassen. Der Verbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen kann auch als Modul bezeichnet werden. So kann das Defektlokalisierungssystem auf Kundenspezifikationen angepasst werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Defektlokalisierungssystems mit einer Verschaltungseinrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A bis 2D Schaltbilder verschiedener Verschaltungszustände des Defektlokalisierungssystems aus 1;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Schaltbild für ein Defektlokalisierungssystem mit einer Verschaltungseinrichtung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine Prinzipdarstellung eines Defektlokalisierungssystems mit einem Heizwiderstand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Um eine sicherheitsrelevante Gefahr durch einen Defekt eines elektrochemischen Speichers möglichst gering zu halten, empfiehlt sich der Einsatz eines Detektionssystems, das rechtzeitig vor einer möglichen Fehlfunktion warnt. Wichtig ist dabei, dass die Warnfunktion frühestmöglich – also deutlich vor einer Überhitzung des elektrochemischen Speichers – erfolgt. Dazu kann das Detektionssystem z. B. eine Sensoranordnung umfassen, die ausgebildet ist, um eine aufgrund eines Defekts des elektrochemischen Speichers aus diesem ausgetretene Komponente zu erfassen. Unter Verwendung einer derartigen Sensoranordnung kann ein solcher Schadensfall frühzeitig erkannt werden, besonders wenn der Defekt von anderen Einrichtungen wie z. B. dem Batteriemanagementsystem (BMS) noch nicht detektiert werden kann.
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Mit dem hierin vorgestellten Konzept wird es möglich, nach der Detektion der ausgetretenen Komponente auch deren genauen Ursprungsort, also die betreffende Leckage, im elektrochemischen Speicher aufzufinden. So kann anschließend gezielt das entsprechende Modul bzw. die entsprechende Zelle ausgetauscht werden, und ein Ersatz des gesamten elektrochemischen Speichers erübrigt sich.
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1 zeigt anhand einer vereinfachten Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Defektlokalisierungssystems 100. Das Defektlokalisierungssystem 100 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) installiert und umfasst eine Vorrichtung 110 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher und eine Temperierungseinrichtung 120 zum Temperieren eines Teilbereichs oder mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers. Die Temperierungseinrichtung kann beispielsweise als Erwärmungseinrichtung wie beispielsweise als Heizwiderstand ausgebildet sein.
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Die Vorrichtung 110 ist – z. B. über ein CAN-Bus-System des Fahrzeugs – mit der Temperierungseinrichtung 120 gekoppelt. Bei der Vorrichtung 110 handelt es sich hier um ein Steuergerät des Fahrzeugs. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Defektlokalisierungssystems 100 ist die Temperierungseinrichtung 120 als eine Verschaltungseinrichtung ausgeführt. Die Verschaltungseinrichtung 120 weist eine Mehrzahl elektrischer Leiter 125 (von denen der Übersichtlichkeit halber in der Darstellung lediglich einer mit einem Bezugszeichen versehen ist) sowie einen ersten Schalter 130, einen zweiten Schalter 135 und einen dritten Schalter 140 auf. Die Verschaltungseinrichtung 120 ist mit einem in der Darstellung in 1 nicht gezeigten elektrischen Verbraucher verbunden und über die elektrischen Leiter 125 mit einem ersten Teilbereich 145, einem zweiten Teilbereich 150, einem dritten Teilbereich 155 und einem vierten Teilbereich 160 eines elektrochemischen Speichers 165 verbunden. Die Teilbereiche 145, 150, 155, 160 bilden hier Module des elektrochemischen Speichers bzw. Batteriepacks 165, die je einen Verbund von vier galvanischen Zellen 170 umfassen, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Module 145 und 150 in Reihe geschaltet sowie die Module 155 und 160 in Reihe geschaltet. Das Modulpaar 145, 150 ist gegenüber dem Modulpaar 155, 160 parallel geschaltet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Teilbereiche bzw. Module 145, 150, 155, 160 beabstandet voneinander dargestellt. In Realität sind sie natürlich eng zur Bildung des Batteriepacks 165 zusammengefasst, und das Batteriepack 165 kann auch mehr als vier Module umfassen. Alternativ können die Teilbereiche 145, 150, 155, 160 auch von je einer einzelnen galvanischen Zelle 170 gebildet werden. Diese Ausführungsform ist jedoch in den Figuren nicht gezeigt.
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Das in 1 gezeigte Defektlokalisierungssystem 100 ist so ausgelegt, dass mit einem Öffnen bzw. Schließen eines oder mehrerer der Schalter 130, 135, 140 eine gezielte Beaufschlagung eines der Module 145, 150, 155, 160 mit einem ausreichend hohen Strom realisiert werden kann, der sich zwar innerhalb der Batteriespezifikationen bewegt, aber für eine merkliche Temperierung des Moduls 145, 150, 155, 160 sorgt. Auf diesen Sachverhalt wird anhand der nachfolgenden 2A bis 2D noch detaillierter eingegangen. Typische Entladungsraten für diesen Zweck für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge (Electric Vehicles = EVs) liegen gemäß aktuellem Stand der Technik im Bereich von 3C bis 5C, für Hybridfahrzeuge im Bereich von 15C bis 30C und für Plug-in-Hybridfahrzeuge zwischen 3C und 30C. Unter einer Einheit von 1C ist dabei eine Stromstärke zu verstehen, die dazu führt, dass eine vollständig aufgeladene Batterie oder ein elektrochemischer Energiespeicher innerhalb von einer Stunde komplett entladen wird. Mithilfe der unterschiedlichen einstellbaren Verschaltungszustände der Temperierungseinrichtung 120 kann eine gezielte Temperierung zumindest eines Moduls 145, 150, 155, 160 umgesetzt werden. Weist einer oder mehrere der Teilbereiche 145, 150, 155, 160 eine defekte galvanische Zelle 170 auf, steigt durch die Temperierung der Innendruck der defekten Zelle 170 und es kommt zu einem verstärkten Austritt von Zellkomponenten, typischerweise Elektrolyt, der dann von der (in der Darstellung nicht gezeigten) Sensoranordnung detektiert werden kann. Die Sensoranordnung kann je nach Spezifikation innerhalb oder außerhalb des Batteriepacks 165 angeordnet sein und sendet bei der Detektion einer ausgetretenen Komponente ein entsprechendes Detektionssignal oder Messsignal an die mit der Sensoranordnung gekoppelte Vorrichtung 110. Dort wird eine Korrelation des Sensorsignals mit der durch die Temperierung verursachten Modulmanipulation durchgeführt. Mit dem Ergebnis der Korrelation lässt sich die undichte Zelle 170 eindeutig identifizieren und im Zuge einer Wartung austauschen oder reparieren.
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2A bis 2D zeigen Schaltbilder verschiedener Verschaltungszustände des Defektlokalisierungssystems 100 aus 1. Wie aus den Schaltbildern der 2A bis 2D klar ersichtlich ist, ist die Verschaltung der einzelnen Module 145, 150, 155, 160 des Batteriepacks 165 vorzugsweise so gestaltet, dass mit entsprechender Öffnung bzw. Schließung eines oder mehrerer der Schalter 130, 135, 140 eine gezielte Lastbeaufschlagung einzelner Module 145, 150, 155, 160 möglich ist. Mit einer geeigneten Testroutine, die anhand der nachfolgenden Schaltbilder 2B bis 2D beispielhaft erläutert sein soll, lässt sich mit einer Beaufschlagung der Module 145, 150, 155, 160 mit einer geeigneten Last in den gezeigten Schalterkombinationen eine defekte Einheit 145, 150, 155 oder 160 eindeutig identifizieren. Zur besseren Erläuterung des anhand der 2A bis 2D gezeigten erfinderischen Konzepts sei hier beispielhaft vorweggenommen, dass das erste Modul 145 defekt sei.
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2A zeigt einen ersten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100 zu Beginn einer Testroutine zur Identifikation eines defekten Moduls 145, 150, 155, 160. Der erste Schalter 130, der zweite Schalter 135 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet, es findet kein Stromfluss zwischen einer Stromzuleitung 200 zu dem elektrochemischen Speicher 165 und einer Stromableitung 210 aus dem elektrochemischen Speicher 165 statt. Entsprechend ist keines der Module 145, 150, 155, 160 mit einer Stromlast beaufschlagt.
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2B zeigt einen zweiten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der dritte Schalter 140 geschlossen, der erste Schalter 130 und der zweite Schalter 135 bleiben geöffnet. Mit der Schließung des dritten Schalters 140 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das erste Modul 145 und das zweite Modul 150 realisiert. Nach der Maßgabe, dass das erste Modul 145 defekt ist, erfasst eine – in den Darstellungen 2A bis 2D nicht gezeigte – Sensoranordnung einen erhöhten Komponentenaustritt, woraus geschlossen werden kann, dass das erste Modul 145 oder das zweite Modul 150 defekt ist oder beide defekt sind.
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2C zeigt einen dritten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der erste Schalter 130 geschlossen, der zweite Schalter 135 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet. Mit der Schließung des ersten Schalters 130 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das dritte Modul 155 und das vierte Modul 160 realisiert. Nach der Maßgabe, dass weder das dritte Modul 155 noch das vierte Modul 160 defekt ist, erfasst die Sensoranordnung keinen erhöhten Komponentenaustritt.
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2D zeigt einen vierten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der zweite Schalter 135 geschlossen, der erste Schalter 130 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet. Mit der Schließung des zweiten Schalters 135 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das erste Modul 145 und das vierte Modul 160 realisiert. Gemäß der Maßgabe, dass das erste Modul 145 defekt ist, erfasst die Sensoranordnung hier einen erhöhten Komponentenaustritt. Da mit dem in 2C gezeigten Verschaltungszustand ermittelt wurde, dass weder das dritte Modul 155 noch das vierte Modul 160 defekt ist, ermöglicht eine Korrelation des Ergebnisses des dritten Verschaltungszustands mit dem Ergebnis des vierten Verschaltungszustands die eindeutige Identifikation des ersten Moduls 145 als eines defekten Moduls. Um tatsächlich festzustellen, dass das erste Modul 145 alleine defekt ist und nicht beispielsweise noch das zweite Modul 150 ebenfalls defekt ist, sollte noch eine Verschaltung der Module 145, 150, 155, 160 durchgeführt werden, in der das dritte Modul 155 und das zweite Modul 150 in Serie verschaltet werden. Wird nun festgestellt, dass in dieser Verschaltung kein Defekt auftritt, kann daraus geschlossen werden, dass das zweite Modul 150 fehlerfrei ist, sodass der detektierte Defekt tatsächlich in dem ersten Modul 145 vorliegt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher. Das Verfahren 300 umfasst die grundlegenden Schritte der anhand der Verschaltungszustände in den 2A bis 2D erläuterten Prozedur zur Lokalisierung eines defekten Moduls in einem Batteriepack, nachdem eine zugeordnete Sensoranordnung eine Leckage in dem Batteriepack erkannt hat.
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In einem Schritt 310 wird ein Teilbereich des elektrochemischen Speichers temperiert, um einen Innendruck des Teilbereichs zu erhöhen. Bei dem Teilbereich kann es sich z. B. um eine Kombination von zwei Modulen eines Batteriepacks, das sich aus vier Modulen zusammensetzt, handeln, wie es in den Schaltplänen aus 2A bis 2D gezeigt ist. Gemäß dem in den 2A bis 2D gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Teilbereich temperiert werden, indem die ihm zugeordneten Module durch eine geeignete Verschaltung mit Strom beaufschlagt werden. Alternativ kann der Teilbereich in dem Schritt 310 auch z. B. passiv von außen temperiert werden, z. B. mittels eines das Modul umgebenen Heizwiderstandes. Prinzipiell sind alle Temperierungsmethoden, die eine geeignete Erhöhung des Zelleninnendrucks bewirken, denkbar. Weist der Teilbereich einen Defekt, z. B. eine Leckage eines Zellengehäuses in dem Teilbereiche auf, wird in einem Schritt 320 mit einer den elektrochemischen Speicher kontaktierenden Sensoranordnung ein Messwert erfasst, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert. Der Defekt kann in einem Schritt 330 in dem Teilbereich lokalisiert werden, wenn eine Korrelation des Messwerts mit einem Vergleichswert ergibt, dass der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht. Der Schritt 310 des Temperierens kann mittels einer Temperierungseinrichtung eines mit dem elektrochemischen Speicher gekoppelten Defektlokalisierungssystems, wie es anhand der 1 erläutert ist, durchgeführt werden, und der Schritt 330 des Korrelierens kann mittels einer Vorrichtung 110 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher des Defektlokalisierungssystems erfolgen.
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Alternativ kann das Verfahren 300 auf die gleiche Weise durchgeführt werden, wenn der Teilbereich eine einzelne galvanische Zelle eines elektrochemischen Speichers repräsentiert.
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Mit einer Wiederholung der Schritte 310, 320 und 330 für sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers kann somit zur Identifikation undichter Module bzw. Zellen ein Diagnoseprogramm gefahren werden, das sukzessive alle Module bzw. Zellen bzw. vorteilhafte Kombinationen dieser mittels dem oben beschriebenen Verfahren temperiert. Gleichzeitig wird dabei das Signal der Sensoranordnung für austretende Zellbestandteile überwacht. Ein Signalausschlag lässt auf eine Undichtigkeit in der temperierten Zelle, in den temperierten Zellen bzw. dem temperierten Modul oder den temperierten Modulen schließen. Das Diagnoseprogramm kann dabei in ein fahrzeugeigenes Batteriemanagementsystem (BMS) integriert oder eigenständig implementiert sein.
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4 zeigt ein Schaltbild für ein weiteres Ausführungsbeispiel des Defektlokalisierungssystems 100 mit einer Verschaltungseinrichtung. Wiederum setzt sich hier der elektrochemische Speicher 165 aus dem ersten Modul 145, dem zweiten Modul 150, dem dritten Modul 155 und dem vierten Modul 160 zusammen. Jedoch ist die Verschaltungseinrichtung 120 hier so ausgelegt, dass sich eine Parallelverschaltung der vier Module 145, 150, 155, 160 in einer Gridschaltung ergibt. Der erste Schalter 130, der zweite Schalter 135 und dritte Schalter 140 werden hier durch einen vierten Schalter 400 ergänzt. Die Module 145, 150, 155, 160 sind hier so parallel verschaltet, dass das erste Modul 145, das zweite Modul 150, das dritte Modul 155 oder das vierte Modul 160 einzeln angesprochen werden können.
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Wie bereits oben erläutert, können die in dem Schaltplan in 4 gezeigten Batteriesymbole auch einzelne galvanische Zellen repräsentieren. Die Anzahl der in solch einem Grid verschalteten Zellen bzw. Module lässt sich beliebig erweitern, wobei allgemein gilt, dass bei x·y Modulen bzw. Zellen x + y Schalter vonnöten sind, um jede Einheit einzeln ansprechen zu können.
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5 zeigt anhand einer Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Defektlokalisierungssystems 100, das auch hier eingesetzt wird, um einen Defekt in dem elektrochemischen Speicher 165 zu lokalisieren. Wiederum setzt sich das Defektlokalisierungssystem 100 hier aus der Vorrichtung 110 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher und der Temperierungseinrichtung 120 zum Temperieren eines Teilbereichs oder mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers zusammen. Der elektrochemische Speicher 165 umfasst neben dem ersten Modul 145, dem zweiten Modul 150, dem dritten Modul 155 und dem vierten Modul 160 ein fünftes Modul 500 und ein sechstes Modul 510, die ebenfalls von jeweils vier galvanischen Zellen 170 gebildet werden. Im Gegensatz zu den weiter oben ausgeführten Ausführungsbeispielen wird hier jedoch die Temperierungseinrichtung 120 durch Heizwiderstände gebildet, die für das Auge nicht sichtbar in Ummantelungen 520 der einzelnen Module 145, 150, 155, 160, 500, 510 angeordnet sind. So kann mittels einer gezielten Beaufschlagung der jedes Modul 145, 150, 155, 160, 500, 510 in geeigneter Weise umschließenden Heizwiderstände eine gezielte passive Temperierung jedes einzelnen Moduls 145, 150, 155, 160, 500, 510 von außen erreicht werden. Auch auf diese Weise kann das oben erläuterte Diagnoseverfahren zur Identifikation von defekten Zellen in einem Batteriepack geeignet ausgeführt werden.
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Anstelle der in der Darstellung gezeigten mehreren galvanische Zellen 170 umfassenden Module 145, 150, 155, 160, 500, 510 können auch die galvanischen Zellen 170 selbst mit einem Heizwiderstand ausgestattet sein und entsprechend individuell temperiert und auf Defekte hin untersucht werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Identifikation von defekten Teilbereichen eines elektrochemischen Speichers liegt in der Nutzung eines Kühlsystems des Batteriepacks. Bei einer geeigneten Führung eines Kühlmediums, bei dem es sich typischerweise um ein Gas – z. B. Luft – oder eine Flüssigkeit handelt, können einzelne Bereiche des Batteriepacks, z. B. einzelne Zellen bzw. Module, gezielt temperiert werden, indem beispielsweise die Motorabwärme ausgenutzt oder das Kühlmedium aktiv erhitzt wird. Dieses mögliche Ausführungsbeispiel ist in den Figuren jedoch nicht gezeigt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
