DE102012209138A1

DE102012209138A1 - Verfahren zur Alterungsbestimmung einer Sicherung sowie ein Batteriesystem mit Batteriesteuergerät zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012209138A1
Application number: DE201210209138
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-05

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Alterungsbestimmung einer Sicherung (10) in einem Batteriesystem (30) mit einem Batteriesteuergerät (20) zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Messens S1 des durch die Sicherung (10) des Batteriesystems (30) fließenden Stroms (2) durch das Batteriesteuergerät (20) sowie den Schritt des Bestimmens S2 eines Alterungsparameters (6) der Sicherung (10) unter Verwendung des gemessenen Stroms (3). Ferner wird ein Batteriesystem (30) mit einem Batteriesteuergerät (20) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein in einem Batteriesteuergerät durchgeführtes Verfahren zur Alterungsbestimmung der Sicherung eines Batteriesystems.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Batteriesysteme durch das Verbauen von Sicherungen, insbesondere von Schmelzsicherungen, vor zu hohen Betriebsströmen innerhalb des Batteriesystems zu schützen. Vorrichtungen zur Sicherung von Batteriesystemen sind unabdinglich, da die Anforderungen, die an heutige beziehungsweise zukünftige Batteriesysteme bezüglich deren Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden, beständig zunehmen. Typischerweise werden insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriesystemen Schmelzsicherungen verbaut, die im Falle eines Überstroms durchbrennen und somit als letzter Schutz eine Zerstörung der Batterie aufgrund möglicher Fehlerfälle, wie zum Beispiel das Vorliegen eines Kurzschlusses, verhindern sollen. Dabei sollten die Sicherungen einerseits möglichst klein dimensioniert werden, das heißt so, dass ein Auslösen der Sicherung möglichst wenig über dem maximalen Betriebsstrom erfolgt. Andererseits sollten die Sicherungen eine hohe Lebensdauer besitzen, um mit der Lebensdauer des Produktes, in dem das jeweilige die Sicherung aufweisende Batteriesystem verbaut ist, zu korrespondieren. Deshalb sollten die Sicherungen groß dimensioniert werden, was aber im Widerspruch zu der oben genannten Anforderung steht. Im Stand der Technik sind mehrere Ansätze bekannt, um sich der Lösung dieses Problems anzunähern.
So ist aus der DE 10 2009 023 801 A1 zum Beispiel eine Sicherungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises bekannt, welche eine pyrotechnische Sicherung und eine Schmelzsicherung aufweist, wobei der Schmelzsicherung ein Vorwiderstand vorgeschaltet ist, während die Schmelzsicherung selbst parallel zur pyrotechnischen Sicherung liegt. Dadurch wird der Strom durch die Schmelzsicherung während des Normalbetriebs reduziert und der Alterungsprozess der Schmelzsicherung verlangsamt, so dass kleinere Sicherungen verbaut werden können.
Weitere Ansätze zum Schutz von Batteriesystemen kombinieren den Einsatz einer Sicherung mit Überstromschutzvorrichtungen, die bei einem zu hohen Stromfluss durch das Batteriesystem ein Alarmsignal generieren und die Abschaltung des Stromflusses bewirken. Beispielsweise wird in der US 8,030,898 B2 eine Schutzvorrichtung mit integriertem Alarm zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Vielzahl an Batteriezellen offenbart, welche den Stromfluss durch die Reihenschaltung von Batteriezellen misst und das Messergebnis einem Mikroprozessor übermittelt, woraufhin der Mikroprozessor im Falle eines Überstroms das Batteriesystem vor selbigem zu schützen vermag.
Allerdings kann die Sicherung bei Ansätzen solcher Art, ohne dass dies innerhalb des Batteriesystems registriert wird, durch den hohen Stromfluss durch das Batteriesystem sowie die Sicherung Schaden nehmen, beziehungsweise voraltern. Sie löst dann auch schon bei geringeren Strömen aus, was insbesondere in Batteriesystemen, welche in Fahrzeugen, zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zur Anwendung kommen, problematisch ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Alterungsbestimmung einer Sicherung in einem Batteriesystem mit einem Batteriesteuergerät zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Messens des durch die Sicherung des Batteriesystems fließenden Stroms durch das Batteriesteuergerät sowie den Schritt des Bestimmens eines Alterungsparameters der Sicherung unter Verwendung des gemessenen Stroms.
Vorteilig an der Durchführung eines solchen Verfahrens zur Bestimmung des Alters einer in einem Batteriesystem verbauten Sicherung ist, dass die verbaute Sicherung selbst im Vergleich zum Stand der Technik kleiner, das heißt mit einem gegenüber dem Stand der Technik geringeren Auslösestrom gewählt werden kann. Wird das erfindungsgemäße Verfahren im Batteriesteuergerät durchgeführt, kann zu jedem Zeitpunkt von dem Alter der Sicherung auf deren Zustand geschlossen werden. Auf diese Weise kann das Risiko umgangen werden, dass die Sicherung frühzeitig auslöst, weshalb sie bei der Auslegung des Batteriesystems nicht überproportional groß gewählt werden muss. Das Verfahren ermöglicht einen rechtzeitigen Austausch einer alternden Sicherung. Zudem sind Sicherungen mit geringerem Auslösestrom im Regelfall kostengünstiger als solche mit höherem Auslösestrom.
Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Auslösens eines Warnsignals durch das Batteriesteuergerät, sobald der bestimmte Alterungsparameter einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Durch diesen zusätzlichen Schritt wird der Nutzer des Batteriesystems frühzeitig von dem Batteriesteuergerät vor einer zu starken Degradation der verbauten Sicherungen gewarnt und muss den Alterungszustand der jeweiligen Sicherung nicht selbst ermitteln. Dadurch werden die Sicherheit sowie die Praktikabilität des Batteriesystems erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in dem Schritt des Bestimmens eines Alterungsparameters der Sicherung der Alterungsparameter aus der Quadrierung des gemessenen Stroms sowie aus der, von der ersten Inbetriebnahme der Sicherung an fortdauernden Integration des quadrierten, gemessenen Stroms über die Betriebszeit der Sicherung berechnet. Durch die Quadrierung des Stroms wird die Alterungsbestimmung unabhängig von dem Vorzeichen des durch die Sicherung fließenden Stroms. Es wird dadurch berücksichtigt, dass es für die Degradation der Sicherung unerheblich ist, ob über das Batteriesystem beispielsweise ein Verbraucher betrieben wird oder ob sich das Batteriesystem im Ladezustand befindet. Durch die Integration des quadrierten Stroms ab der ersten Inbetriebnahme der Sicherung an wird eine kontinuierliche Erfassung des Alterungszustandes dem Betrage der Belastung der Sicherung nach erfasst.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Integration des quadrierten, gemessenen Stroms innerhalb eines Mikrocontrollers. Vorteile von Mikrocontrollern sind, dass diese in ihrer Leistung und Ausstattung auf die jeweilige Anwendung angepasst sind. Insbesondere Rechenoperationen wie die Integration von Stromverläufen eignen sich besonders gut für die Durchführung innerhalb von Mikrocontrollern.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der quadrierte, gemessene Strom in einem Summenregister über die Betriebszeit aufaddiert. Mit Summenregistern lassen sich hohe Berechnungsgeschwindigkeiten erzielen.
Vorzugsweise entspricht in dem Schritt des Auslösens eines Warnsignals durch das Batteriesteuergerät, wenn der bestimmte Alterungsparameter einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, der vorbestimmte Schwellwert einem von dem Summenregister bereitgestellten, vorbestimmten Grenzwert. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Verfahrens, da der Vergleich des quadrierten, seit Inbetriebnahme integrierten Stroms mit dem vorbestimmten Schwellwert zeitgleich mit dessen Ermittlung innerhalb des Summenregisters erfolgt. Somit muss der innerhalb des Summenregisters ermittelte, quadrierte Stromwert von dem Summenregister nicht erst ausgegeben und dann außerhalb des Summenregisters ausgewertet, beziehungsweise mit einem Referenzwert verglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Messung des Stroms über einen Stromsensor. Für Ströme unterschiedlicher Größe innerhalb unterschiedlicher Umgebungen eignen sich verschiedene Sensoren unterschiedlich gut. Es ist daher vorteilhaft, die Wahl des Sensors an die jeweilige Umgebung des Batteriesystems sowie an dessen durchschnittlichen Stromfluss im Betrieb anzupassen. Dadurch kann eine besonders genaue Strommessung gewährleistet werden, welche die Effizienz des Verfahrens erhöht.
Der Schritt des Bestimmens eines Alterungsparameters der Sicherung kann ferner den Schritt des Inkrementierens eines Alterungszählers in Abhängigkeit von der Höhe des durch die Sicherung fließenden Stroms umfassen. Des Weiteren entspricht der Alterungsparameter dann bevorzugt dem Zählstand des Alterungszählers. Vorteil dieser Art der Bestimmung des Alterungsparameters ist, dass die Historie des Stromflusses, das heißt Informationen über den in der Vergangenheit durch die Sicherung geflossenen Strom nicht gespeichert werden muss. Der Alterungszustand der Sicherung des Batteriesystems wird über den Zählstand des Alterungszählers berücksichtigt.
Ferner wird ein Batteriesystem mit einer Sicherung und einem Batteriesteuergerät bereitgestellt, wobei das Batteriesteuergerät dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Besonders bevorzugt ist das Batteriesystem als ein Lithium-Ionen-Batteriesystem ausgeführt. Vorteile solcher Batteriesysteme sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batteriesystemen ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Sicherung des Batteriesystems. In dem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird der in dem Batteriesystem durch die Sicherung fließende Strom über das Batteriesteuergerät gemessen. Die Messung kann dabei beispielsweise durch einen Stromsensor, jedoch auch durch andere Mittel vorgenommen werden. Im zweiten Schritt des Verfahrens S2 wird das Ergebnis aus der Strommessung im Schritt S1 für die Bestimmung eines Alterungsparameters der Sicherung verwendet. Der Alterungsparameter dient der Beschreibung des Alterungszustandes der Sicherung. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Alterungsparameter bestimmt, indem der im Schritt S1 gemessene Strom quadriert und der quadrierte Strom über die gesamte Betriebszeit der Sicherung integriert wird. Sobald also ein Stromfluss durch die Sicherung erfolgt, wird dieser quadriert und zu dem bereits durch die Sicherung geflossenen, quadrierten Strom hinzugerechnet. Somit bleibt ein Stromfluss durch die Sicherung zu keiner Zeit für die Ermittlung des Alterungszustandes der Sicherung unberücksichtigt.
Dies ist ein mögliches Verfahren für die Ermittlung des Alterungsparameters während des Schrittes S2 des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es können aber auch andere Verfahren zur Alterungsbestimmung der Sicherung verwendet werden, die auf der Verwendung des gemessenen Stromflusses durch die Sicherung basieren. Beispielsweise kann im Schritt S2 auch ein Alterungszähler in Abhängigkeit von der Höhe des durch die Sicherung fließenden Stroms inkrementiert werden, so dass der Alterungszustand der Sicherung durch den Zählstand des Alterungszählers indiziert wird. Dabei kann die Bestimmung beziehungsweise Berechnung des Alterungsparameters der Sicherung, wie in 1, beispielsweise in einem Mikrocontroller beziehungsweise in einem Summenregister erfolgen (nicht dargestellt). Es können aber auch andere Mittel für die Berechnung beziehungsweise Bestimmung des Alterungsparameters verwendet werden.
In dem dritten, optionalen Schritt S3 des dargestellten Ausführungsbeispiels des Verfahrens löst das Batteriesteuergerät ein Warnsignal aus, sobald der bestimmte Alterungsparameter einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der in Schritt S2 ermittelte Alterungsparameter rein beispielhaft, ausgeführt von dem Batteriesteuergerät, außerhalb des Mikrocontrollers beziehungsweise Summenregisters mit einem vorbestimmten Schwellwert beziehungsweise einem Grenzwert verglichen. Der Vergleich mit einem vorbestimmten Schwellwert beziehungsweise einem Grenzwert kann aber auch innerhalb des Mittels zur Bestimmung beziehungsweise Berechnung des Alterungsparameters und auch auf ganz andere Art und Weise erfolgen. Zudem können auch erfindungsgemäße Verfahren ganz ohne den Schritt S3 realisiert werden.
In 2 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei sind die einzelnen Verfahrensschritte den Mitteln zur Ausführung derselben zugeordnet. In der 2 ist ein Batteriesystem 30 mit einer Sicherung 10 und einem Batteriesteuergerät 20 dargestellt. Die Batterie, in der die Sicherung 10 verbaut ist, ist in 2 lediglich durch Punktlinien angedeutet. Die Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 2 alle innerhalb des Batteriesteuergeräts 20 realisiert. Es müssen aber nicht alle Mittel zur Ausführung des Verfahrens innerhalb des Batteriesteuergeräts 20 realisiert sein. Es kann beispielsweise auch gar kein Mittel zur Ausführung des Verfahrens innerhalb des Batteriesteuergeräts 20 realisiert sein, so dass beispielsweise nur einige der Mittel von dem Batteriesteuergerät 20 angesteuert werden, sich aber außerhalb desselben befinden. Im Schritt S1 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der durch die Sicherung 10 fließende Strom 2 von einem Stromsensor 8 gemessen. Die Wahl eines Stromsensors 8 zur Messung S1 des durch die Sicherung 10 fließenden Stroms 2 ist in dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens rein beispielhaft gewählt. Es können auch andere Mittel zur Strommessung verwendet werden. Von dem Stromsensor 8 wird der gemessene Strom 3 an ein Mittel zur Berechnung eines Alterungsparameters 6 der Sicherung 10 übermittelt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Mittel als ein Mikrocontroller 15 ausgeführt, in welchem im Schritt S2 des erfindungsgemäßen Verfahrens der Alterungsparameter 6 ermittelt wird. Dazu wird der gemessene Strom 3 in dem Ausführungsbeispiel der 2 zunächst quadriert und von Beginn des Verfahrens an, das heißt von der ersten Inbetriebnahme der Sicherung 10 an fortdauernd, der quadrierte gemessene Strom 3 über die Betriebszeit der Sicherung 10 integriert. Dabei sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl das Mittel zur Bestimmung des Alterungsparameters 6, also der Mikrocontroller 15, als auch die Art, wie der Alterungsparameter 6 bestimmt wird, rein beispielhaft gewählt. Es können auch andere Arten der Ermittlung des Alterungsparameters 6 in anderen Mitteln zur Bestimmung desselben zum Einsatz kommen. Im Schritt S3 des Verfahrens wird der Alterungsparameter 6 einer Komparator-Schaltung 21 zugeführt, in welcher der Alterungsparameter 6 mit einem vorbestimmten Schwellwert 5 verglichen wird. Der vorbestimmte Schwellwert 5 wird der Komparator-Schaltung von einem Mittel zur Bereitstellung eines Schwellwertes 22 zugeführt. Übersteigt der Wert des bestimmten Alterungsparameters 6 den vorbestimmten Schwellwert 5, wird von der Komparator-Schaltung 21 ein Warnsignal 4 generiert und zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Dabei kann das Warnsignal 4 auch von einer anderen Komponente des Batteriesteuergeräts 20 generiert und bereitgestellt werden. Ferner können sowohl das Mittel zur Bereitstellung eines Schwellwertes 22 als auch die Komparator-Schaltung 21 innerhalb des Mittels zur Bestimmung eines Alterungsparameters 6, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel also in dem Mikrocontroller 15, realisiert sein. Somit kann der ganze Schritt S3 beispielsweise auch innerhalb des Mikrocontrollers 15 erfolgen, in welchem auch der Schritt S2 ausgeführt wird. Es können allerdings auch erfindungsgemäße Vorrichtungen ausgeführt werden, von welchen lediglich die Schritte S1 und S2 durchführbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009023801 A1 [0003]
US 8030898 B2 [0004]

Claims

Ein Verfahren zur Alterungsbestimmung einer Sicherung (10) in einem Batteriesystem (30) mit einem Batteriesteuergerät (20), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Messen (S1) des durch die Sicherung (10) des Batteriesystems (30) fließenden Stroms (2) durch das Batteriesteuergerät (20), – Bestimmen (S2) eines Alterungsparameters (6) der Sicherung (10) unter Verwendung des gemessenen Stroms (3).
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Auslösens eines Warnsignals (4) durch das Batteriesteuergerät (20), sobald der bestimmte Alterungsparameter (6) einen vorbestimmten Schwellwert (5) überschreitet (S3).
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung des Stroms (2) über einen Stromsensor (8) erfolgt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Schritt des Bestimmens eines Alterungsparameters (6) der Sicherung (10) der Alterungsparameter (6) aus der Quadrierung des gemessenen Stroms (3) sowie aus der, von der ersten Inbetriebnahme der Sicherung (10) an fortdauernden Integration des quadrierten, gemessenen Stroms (3) über die Betriebszeit der Sicherung (10) berechnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die fortdauernde Integration des quadrierten, gemessenen Stroms (3) innerhalb eines Mikrocontrollers (15) erfolgt.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der quadrierte, gemessene Strom (3) in einem Summenregister (14) über die Betriebszeit aufaddiert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 2 und 6, wobei in dem Schritt des Auslösens eines Warnsignals (4) durch das Batteriesteuergerät (20), wenn der bestimmte Alterungsparameter (6) einen vorbestimmten Schwellwert (5) überschreitet, der vorbestimmte Schwellwert (5) einem von dem Summenregister (14) bereitgestellten, vorbestimmten Grenzwert entspricht.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt des Bestimmens eines Alterungsparameters (6) der Sicherung (10) ferner den Schritt des Inkrementierens eines Alterungszählers in Abhängigkeit von der Höhe des durch die Sicherung (10) fließenden Stroms (2) umfasst und der Alterungsparameter (6) dem Zählstand des Alterungszählers entspricht.
Ein Batteriesystem (30) mit einer Sicherung (10) und einem Batteriesteuergerät (20), wobei das Batteriesteuergerät (20) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (30) nach Anspruch 9, wobei das Batteriesystem (30) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.