DE102013013471A1

DE102013013471A1 - Verfahren zur Bestimmung der Zuleitungsimpedanz in mehrzelligen Batteriepacks zur Leitungsfehlererkennung

Info

Publication number: DE102013013471A1
Application number: DE102013013471.4A
Authority: DE
Inventors: Hannes Nordmann; Hendrik Zappen; Dirk Uwe Sauer
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer ersten Zuleitung (7, 8) einer ersten elektrochemischen Zelle (Zn) innerhalb eines Batteriepacks (1), wobei das Batteriepack (1) die erste Zelle (Zn) sowie wenigstens eine mit dieser elektrisch in Reihe geschaltete zweite elektrochemische Zelle (Zn-1, Zn+1) umfasst und die erste Zuleitung (7, 8) in einen Verbindungsknoten (10) mündet, der die erste und zweite Zelle (Zn, Zn-1, Zn+1) miteinander verbindet, umfassend die Schritte: a) Eintreiben eines ersten Strompulses (Ibal) über die erste Zuleitung (7, 8) in die erste Zelle (Zn) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) und während dessen Messen der Zellspannungen (U1(t1), U2(t1)) der ersten Zelle (Zn) und zweiten Zelle (Zn-1, Zn+1), b) Eintreiben eines zweiten Strompulses (Ibal) über die erste Zuleitung (7, 8) in die erste Zelle (Zn) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) und während dessen erneutes Messen der Zellspannung (U1(t2), U2(t2)) der ersten Zelle (Zn) und zweiten Zelle (Zn-1, Zn+1), c) Bildung der Differenz (ΔU1, ΔU2) der an den beiden Zellen (Zn, Zn-1, Zn+1) zum ersten und zweiten Zeitpunkt (t1, t2) jeweils gemessenen Zellspannungen (U1(t1), U2(t1)), und d) Überprüfung der gebildeten Differenzen (ΔU1, ΔU2) auf das Vorliegen eines Leitungsfehlers in der ersten Zuleitung (7, 8), wobei ein Fehler dann als vorliegend festgestellt wird, wenn die Spannungsdifferenz (ΔU1) an der ersten Zelle (Zn) und die Spannungsdifferenz (ΔU2) an der zweiten Zelle (Zn-1, Zn+1) verschiedene Vorzeichen haben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer ersten Zuleitung einer ersten elektrochemischen Zelle innerhalb eines Batteriepacks, wobei das Batteriepack die erste Zelle sowie wenigstens eine mit dieser elektrisch in Reihe geschaltete zweite elektrochemische Zelle umfasst und die erste Zuleitung in einen Verbindungsknoten mündet, der die erste und zweite Zelle miteinander verbindet.
In mehrzelligen Batteriepacks, wie sie derzeit bei Elektrofahrzeugen eingesetzt werden und beispielsweise 50, 100, 200 oder mehr einzelne, in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen umfassen können, ist die Verkabelung zu den Einzelzellen sehr aufwändig und dadurch im Lebensdauerzyklus gefährdet im Hinblick auf Fehler. So kann es beispielsweise durch eine mechanische Stoßbelastung zu einem Abreißen eines Kabels kommen. Vibrationen können zu einem Losrütteln der Zuleitungen führen, und ferner ist Korrosion ein Problem, das die elektrischen Gegebenheiten im Batteriepack verändert, insbesondere Kontaktwiderstände erhöht. Dies betrifft nicht nur die elektrischen Verbindungen der in Reihe geschalteten Zellen untereinander, sondern auch Zuleitungen zu den Zellen, die jeweils zwischen zwei Zellen angeschlossen sind und dazu dienen, in jede einzelne Zelle einen individuellen Lade- oder Entladestrom einzutreiben, um die Spannungen der Zellen des Batteriepacks zu vergleichmäßigen.
Batteriepacks werden in der Regel durch Batteriemanagementsysteme (BMS) überwacht. Solche BMS weisen in der Regel sogenannte Balancing-Einheiten auf, die den genannten individuellen Lade- oder Entladestrom in jede Zelle einzeln eintreiben können. Ein derartiges System und Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 025 616 A1 bekannt. Sollte einer der genannten Fehler auftreten, schaltet das BMS automatisch in einen Sicherheitsmodus, in dem die Funktionsfähigkeit im Extremfall auf null begrenzt wird. Dies bedeutet, dass die Batterie praktisch unbrauchbar wird. Bei einem Elektrofahrzeug hat dies zur Folge, dass es liegen bleibt. Es ist daher von Vorteil, Fehler frühzeitig zu erkennen. Dies ist deshalb möglich, weil viele solcher Fehler nicht schlagartig passieren, sondern graduell eintreten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein Fehler in einer Zuleitung zu einer Zelle eines Batteriepacks frühzeitig erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein erstes Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer ersten Zuleitung einer ersten elektrochemischen Zelle innerhalb eines Batteriepacks vorgeschlagen, umfassend die Schritte:

a. Eintreiben eines ersten Strompulses über die erste Zuleitung in die erste Zelle zu einem ersten Zeitpunkt und während dessen Messen der Zellspannungen der ersten Zelle und zweiten Zelle,
b. Eintreiben eines zweiten Strompulses über die erste Zuleitung in die erste Zelle zu einem zweiten Zeitpunkt und während dessen erneutes Messen der Zellspannung der ersten Zelle und zweiten Zelle,
c. Bildung der Differenz der an den beiden Zellen zum ersten und zweiten Zeitpunkt jeweils gemessenen Zellspannungen, und
d. Überprüfung der gebildeten Differenzen auf das Vorliegen eines Leitungsfehlers in der ersten Zuleitung, wobei ein Fehler dann als vorliegend festgestellt wird, wenn die Spannungsdifferenz an der ersten Zelle und die Spannungsdifferenz an der zweiten Zelle verschiedene Vorzeichen haben.

Das vorgeschlagene Verfahren nutzt die Erkenntnis aus, dass sich durch das Eintreiben eines Stroms in die erste Zelle nicht nur deren eigene Zellspannung (U_Zx) aufgrund der Zuleitungsimpedanz und dem Innenwiderstand der ersten Zelle ändert, sondern auch die gemessene Spannung in der Nachbarzelle, d. h. in der zweiten Zelle. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass sich beide Zellen die Zuleitung teilen. Die Spannung einer Zelle wird zwischen der ersten Zuleitung und einer am anderen Pol der jeweiligen Zelle angeschlossenen Rückleitung gemessen. Ein in die erste Zelle eingetriebener Strom durchfließt somit auch die Rückleitung der ersten Zelle. Die Impedanzen der ersten Zuleitung und der Rückleitung beeinflussen somit die gemessene Spannung (U_x) der ersten Zelle, da sie zu einem Spannungsabfall führen.
Der erste und zweite Strompuls können ein Ladestrom oder ein Entladestrom sein, der in die erste Zelle eingetrieben wird. Dies kann grundsätzlich durch eine unabhängige Stromquelle erfolgen. Es ist jedoch von Vorteil, wenn der erste und zweite Strompuls ein Balancingstrom einer Balancing-Einheit zur Vergleichmäßigung der Zellspannungen der Zellen innerhalb des Batteriepacks ist. Hierdurch wird dann die Spannung der ersten Zelle an die Spannung der zweiten oder der weiteren Zellen angepasst. Es muss dann keine separate Stromquelle verwendet werden. Vielmehr kann während des normalen Betriebs der Balancing-Einheit ihr Balancing Strom quasi als Messstrom verwendet werden.
Die Verwendung des Stroms einer Balancing-Einheit hat zudem den Vorteil, dass die Balancing-Einheit bereits eine Messung der Spannung der zu balancierenden Zelle sowie aller anderen Zellen des Batteriepacks integriert hat, so dass auf zusätzliche Messmittel verzichtet werden kann.
Der erste und zweite Strompuls können grundsätzlich beliebiger Höhe, beliebiger Dauer, beliebiger Frequenz und Form sein. Jedoch können vorzugsweise die Eigenschaften für beide Strompulse identisch sein. Dies richtet sich danach, welche Zielspannung die erste Zelle bei dem jeweiligen Balanciervorgang erreichen soll.
Die Höhe eines Strompulses kann grundsätzlich beliebig sein, beispielsweise zwischen 10 mA und einigen wenigen Ampere, insbesondere zwischen 50 mA und 1 A liegen. Die Dauer des ersten oder zweiten Strompulses kann ebenfalls beliebig sein, insbesondere zwischen wenigen Sekunden bis wenige Stunden betragen. In der Regel wird ein Strompuls jedoch wenige Minuten lang sein.
Die Strompulse sind unabhängig voneinander, so dass sie insbesondere unterschiedlich hoch und unterschiedlich lang sein können. Dies wird in der Praxis auch der Fall sein. Zwischen dem ersten und dem zweiten Strompuls liegt ein mehr oder weniger langer Zeitraum. Dessen Länge hängt davon ab, wann die erste Zelle wieder balanciert werden soll bzw. muss. Dies kann die Balancier-Einheit bestimmen. Der Zeitraum kann wenige Minuten bis viele Stunden betragen. In der Regel werden Balanciervorgänge während oder am Ende eines Ladezyklus des Batteriepacks vorgenommen. Insbesondere die aktiven Balancing Systeme haben den Vorteil sinnvoll auch während des Entladens, sowie vor allem auch gegen Ende eines Entladezyklus einsetzbar zu sein. So können beispielsweise der erste Strompuls Teil eines ersten Ladezyklus und der zweite Strompuls Teil eines zweiten Ladezyklus sein. Es sei noch einmal angemerkt, dass dies nicht bedeutet, dass der erste und zweite Strompuls nur Ladeströme sein können. Vielmehr kann bei einem Ladezyklus respektive einem Balanciervorgang durch ein Umladen oder reines Entladen der ersten Zelle im Rahmen des Ladezyklus auch ein Entladestrom in die erste Zelle getrieben werden.
Durch das Eintreiben eines Strompulses in die erste Zelle kommt es in Folge der Impedanz der Zuleitung und der Kontakte zu einem Spannungsabfall über die Zuleitung zur Zelle. Dieser ist entsprechend umso größer, je höher die Impedanz ist. In der Regel wird es genügen, nur die reelle Komponente der Impedanz, d. h. den Widerstand zu berücksichtigen. Korrosion und Lockerung eines Kontakts erhöhen den Widerstand in der Zuleitung. Im Falle eines Abrisses der Zuleitung, geht der Widerstand gegen unendlich. Da sich die erste und die zweite Zelle die erste Zuleitung teilen, wirkt der Spannungsabfall bei einem Maschenumlauf für die erste Zelle und einem Maschenumlauf für die zweite in entgegengesetzter Richtung.
Wird beispielsweise ein positiver Strompuls in die erste Zelle getrieben, wirkt der Spannungsabfall für die gemessene Spannung der ersten Zelle spannungserhöhend während er für die gemessene Spannung der zweiten Zelle spannungsmindernd wirkt. Dies bedeutet, dass bei größer werdender Impedanz, die an der ersten Zelle gemessene Spannung ansteigt während die an der zweiten Zelle gemessene Spannung sinkt.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Differenz der an den beiden Zellen zum ersten und zweiten Zeitpunkt jeweils gemessenen Zellspannungen gebildet wird, d. h. die Differenz der zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Spannung an der ersten Zelle und die Differenz der zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Spannung an der zweiten Zelle gebildet wird, und dass diese Spannungsdifferenzen ausgewertet werden. Ein Fehler wird dann als vorliegend festgestellt, wenn die Spannungsdifferenz an der ersten Zelle und die Spannungsdifferenz an der zweiten Zelle verschiedene Vorzeichen haben.
Das erfindungsgemäße System lässt sich vorteilhafterweise auf die Überprüfung weiterer Leitungsimpedanzen erweitern. Ist die erste Zelle beispielsweise zwischen zwei anderen Zellen des Batteriepacks angeordnet, beeinflusst ein Stromimpuls nicht nur die gemessene Spannung der zweiten Zelle. Vielmehr wird auch die gemessene Spannung der anderen Nachbarzelle beeinflusst, da der Strom über eine Rückleitung zurückfließt, die sich die erste Zelle und die andere Nachbarzelle teilen und die ebenfalls einen Innenwiderstand hat, über dem eine Spannung abfällt.
Es kann daher vorzugsweise während des Eintreibens des ersten und des zweiten Strompulses die Zellspannung an einer dritten Zelle gemessen werden, die gegenüberliegend der zweiten Zelle mit der ersten Zelle elektrischen in Reihe liegt, wobei eine zweite Zuleitung in einen Verbindungsknoten mündet, der die erste Zelle und die dritte Zelle miteinander verbindet. Die erste Zelle liegt damit zwischen der zweiten und der dritten Zelle. Die zweite Zuleitung entspricht einer Rückleitung, über die der Strom aus der ersten Zelle heraus fließt. „Herausfließen” impliziert in diesem Sinn kein bestimmtes Vorzeichen des eingetriebenen Stroms. Vielmehr kann der herausfließende Strom sowohl positiv als auch negativ sein.
Bei dieser Ausführungsvariante wird dann die Differenz der Spannungen an allen drei Zellen zum ersten und zweiten Zeitpunkt jeweils gebildet. Dies bedeutet, dass die Differenz der zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Spannung an der ersten Zelle, die Differenz der zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Spannung an der zweiten Zelle und die Differenz der zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Spannung an der dritten Zelle gebildet wird.
Anschließend werden die gebildeten Differenzen auf das Vorliegen zumindest eines Leitungsfehlers in der ersten oder zweiten Zuleitung überprüft. Dies erfolgt derart, dass ein Fehler in der ersten Zuleitung dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz an der ersten Zelle und die Spannungsdifferenz an der zweiten Zelle verschiedene Vorzeichen haben, und/oder dass ein Fehler in der zweiten Zuleitung dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz an der ersten Zelle und die Spannungsdifferenz an der dritten Zelle verschiedene Vorzeichen haben.
Erfindungsgemäß kann bei den beschriebenen Ausführungsvarianten ein fehlerfreier Zustand dann als vorliegend festgestellt werden, wenn die Spannungsdifferenzen zwischen beiden Balancing Pulsen im Wesentlichen gleich Null sind. Denn in diesem Fall hat sich eine Impedanz einer der Zuleitungen nicht verändert, insbesondere nicht erhöht.
Umfasst das Batteriepack eine Vielzahl an Zellen, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jeder Zelle durchgeführt und deren Zuleitung oder Zuleitungen, bzw. deren Zuleitung und Rückleitung, auf Fehler geprüft werden.
So können beispielsweise dann, wenn das Batteriepack aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen besteht und zwischen zwei benachbarten Zellen jeweils eine Zuleitung zur Einleitung eines Strompulses in die jeweilige Zelle liegt, die oben genannten Schritte a) bis d) bei jeder der der ersten Zelle in der Reihe nachfolgenden Zelle durchgeführt werden. Jede nachfolgende Zelle ist dann wie die „erste” Zelle zu betrachten und die ehemals „erste Zelle” ist dann als zweite Zelle zu betrachten.
Alternativ kann das erweiterte Verfahren verwendet werden, bei dem die Differenz an drei aufeinanderfolgender Zellen zum ersten und zweiten Zeitpunkt jeweils gebildet wird und daraus, wie oben dargestellt, die gebildeten Differenzen auf das Vorliegen zumindest eines Leitungsfehlers in der ersten oder zweiten Zuleitung überprüft werden, wobei dies dann bei jeder zweiten Zelle der Reihe durchgeführt wird, da die zweite Zuleitung bzw. Rückleitung der ersten Zelle gleichzeitig die Zuleitung der dritten Zelle ist und deren Fehlerzustand dann bereits ermittelt ist. Durch die Anwendung dieses erweiterten Verfahrens wird die zur ersten Zelle übernächste Zelle zur neuen „ersten Zelle” und die dritte Zelle zur neuen „zweiten Zelle”.
Durch das sukzessive Messen und Auswerten der Spannungen an den einzelnen Zellen des Batteriepacks werden alle Zuleitungen des Batteriepacks auf Fehler überprüft. Dies erfolgt indirekt anhand der Impedanz der Zuleitung. Es wird folglich nur rein qualitativ eine Aussage über den Fehlerzustand einer Leitung gemacht.
Eine alternative Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist die direkte numerische Berechnung der Impedanzwerte der ersten und zweiten Zuleitung und deren Prüfung auf Leitungsfehler durch Vergleich mit Referenzwerten.
Hierzu wird ein zweites Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer Zuleitung einer ersten elektrochemischen Zelle innerhalb eines Batteriepacks vorgeschlagen, wobei das Batteriepack die erste Zelle sowie wenigstens eine mit dieser elektrisch in Reihe geschaltete zweite und dritte elektrochemische Zelle umfasst und eine erste Zuleitung in einen ersten Verbindungsknoten mündet, der die erste und zweite Zelle miteinander verbindet, und eine zweite Zuleitung in einen zweiten Verbindungsknoten mündet, der die erste und dritte Zelle miteinander verbindet, umfassend die Schritte:

a. Messung der Zellspannungen der ersten, zweiten und dritten Zelle im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Zuleitung,
b. Eintreiben eines Strompulses über die erste Zuleitung in die erste Zelle und während dessen Messen der Zellspannungen der ersten, zweiten und dritten Zelle,
c. Berechnung der Werte der Impedanzen der ersten und zweiten Zuleitung durch Lösung eines Gleichungssystems aus Maschengleichungen zu jeder Zelle, und
d. Vergleich der Werte mit einem Referenzwert, wobei ein Fehler dann festgestellt wird, wenn einer der Werte den entsprechenden Referenzwert wesentlich überschreitet.

Bei dieser Ausführungsvariante wird die Spannung einer Zelle zwischen der ersten und zweiten Zuleitung der jeweiligen Zelle gemessen. Die erste Zelle liegt dann folglich zwischen der zweiten und dritten Zelle. Über die zweite Zuleitung kann der eingetriebene Strompuls aus der ersten Zelle herausfließen. Dies bedeutet, dass die zweite Zuleitung eine Rückleitung der ersten Zelle ist. Da sich die erste und die dritte Zelle diese zweite Zuleitung teilen, ist sie gleichzeitig aber auch Zuleitung der dritten Zelle. Es sei auch hier angemerkt, dass „herausfließen” nicht auf eine bestimmte Stromrichtung abstellt. Vielmehr kann auch der herausfließende Strom sowohl positiv als auch negativ sein. Nachdem die Spannung an der dritten Zelle gemessen worden ist, können die Werte der Impedanzen der ersten und zweiten Zuleitung durch Lösung eines Gleichungssystems aus Maschengleichungen zu jeder Zelle berechnet und mit Referenzwerten vergleichen werden.
Darüber hinaus gelten für den Strompuls dieselben Eigenschaften und Merkmale wie zuvor zu dem ersten und zweiten Strompuls der ersten beiden Ausführungsvarianten erläutert, so dass an dieser Stelle auf die oben genannten Ausführungen zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
Die Gleichungen des Gleichungssystems ergeben sich aus den Kirchhoff'schen Maschengleichungen zu jeder Zelle. Ist der Wert der Impedanz der ersten Zuleitung ermittelt, kann durch Vergleich mit einem vorgegebenen Referenzwert festgestellt werden, ob der ermittelte Wert einem Fehlerzustand entspricht oder einen fehlerfreien Zustand angibt. Dasselbe gilt für den Wert der Impedanz der zweiten Zuleitung.
Das erfindungsgemäße zweite Verfahren hat den Vorteil, dass man konkrete numerische Werte der Leitungsimpedanzen erhält. Ferner wird neben den Impedanzwerten der ersten und zweiten Zuleitung auch der Innenwiderstand der ersten Zelle berechnet und steht zur Auswertung zur Verfügung. So kann auch ein interner Fehler der ersten Zelle erkannt werden.
Vorzugsweise kann der Impedanzwert oder können die Impedanzwerte mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei ein Fehler dann festgestellt wird, wenn der vorgegebene Grenzwert über- oder unterschritten ist. Hier wird folglich ein Vergleich mit zumindest einem absoluten Impedanzwert durchgeführt.
Insbesondere kann ein oberer und ein unterer Grenzwert vorgegeben werden, die gemeinsam ein Toleranzband definieren, innerhalb welchem der entsprechende Impedanzwert für den fehlerfreien Zustand liegen muss.
Zusätzlich oder alternativ zu der Verwendung von Grenzwerten als Referenzwerte können abgespeicherte Werte der Leitungsimpedanzen für die Prüfung verwendet werden. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße zweite Verfahren, d. h. die Schritte a. bis d. zwei oder mehrere Male durchgeführt wird, wobei die ermittelten Impedanzwerte abgespeichert werden und bei der nächsten Durchführung des Verfahrens als Referenzwerte fungieren. Hier wird folglich ein Vergleich mit zumindest einem relativen Impedanzwert durchgeführt. Dieses Prinzip kann so fortgeführt werden, so dass stets die aktuell berechneten Impedanzwerte abgespeichert und bei der nächsten Durchführung des Verfahrens als Vergleichswerte zur Verfügung stehen. Insbesondere können die zuvor berechneten Werte nach durchgeführtem Vergleich im Speicher überschrieben werden.
Zusätzlich oder alternativ können die bei der ersten Ausführung des Verfahrens berechneten Werte dauerhaft abgespeichert sein und ebenfalls als Referenzwerte dienen, die einen Inbetriebnahmezustand des Batteriepacks definieren. Werden diese frühen Werte als Referenzwerte in Bezug genommen, können auch schleichenden Impedanzveränderungen zuverlässig erkannt werden, nämlich dann wenn die jeweils neu berechneten Impedanzwerte größer als die abgespeicherten initialen Impedanzwerte sind.
Vorzugsweise wird ein Leitungsfehler als vorliegend erkannt wird, wenn einer der oder beide berechneten Impedanzwerte um einen bestimmten Betrag größer ist/sind als der Referenzwerte bzw. die Referenzwerte. Hierdurch wird erreicht, dass Messungenauigkeiten weitestgehend ohne Einfluss bleiben.
Zur Berechnung der Impedanzwerte bei der Betrachtung der ersten und zweiten Zuleitung kann das Gleichungssystem
verwendet werden, wobei

U_n:: die gemessene Spannung an der ersten Zelle im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_n-1:: die gemessene Spannung an der zweiten Zelle im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_n+1:: die gemessene Spannung an der dritten Zelle im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_Zn:: die Zellspannung an der ersten Zelle im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_Zn-1:: die Zellspannung an der zweiten Zelle im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Zuleitung,
U_Zn+1:: die Zellspannung an der dritten Zelle im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
I_bal:: die Höhe des Strompulses,
R_{zul_a}:: der Wert der Impedanz der ersten Zuleitung,
R_{zul_b}:: der Wert der Impedanz der zweiten Zuleitung ist,
R_in:: der Innenwiderstand der ersten Zelle

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das zweite Verfahren wiederholt durchgeführt wird mit Strompulsen unterschiedlicher Höhe. Vorzugsweise können sich die Stromhöhen um einen Faktor zwischen 5 und 10, insbesondere zwischen 2 und 20 unterscheiden. Dieser Verfahrensweise liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Leitungsimpedanzen und Kontaktwiderstände zu einem nicht unerheblichen Anteil stromabhängig sind. So führt ein Strompuls als Messstrom um 50 mA zu einem tendenziell zu hohen Innenwiderstand der Zuleitungen. Dagegen führt ein Strompuls als Messstrom um 2 A zu einem tendenziell zu geringen Innenwiderstand. Es können somit eine erste Messung mit beispielsweise 50 mA und eine zweite Messung mit beispielsweise dem 10 fachen Strom, d. h. 500 mA durchgeführt werden. Aus den dann jeweils gemessenen Werten kann ein Mittelwert gebildet und dieser mit dem Referenzwert vergleichen werden.
Das beschriebene erste und zweite Verfahren können jeweils für sich oder auch gemeinsam in einem das Batteriepack steuernden und überwachenden Batteriemanagementsystem implementiert sein und so den Fehlerzustand der Zuleitungen ständig überwachen.
Mittels der erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur der Fehler selbst lokalisiert werden, sondern vor allem ein schleichendes Fehlerbild erkannt und einer höheren Instanz, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, insbesondere in einem Fahrzeug, zur Verfügung gestellt werden. Schleichenden Fehler sind gerade bei Automobilen vergleichsweise häufig anzutreffen. Diejenigen Stellen, bei denen Kupferkabel an der Luft offen liegen und die eventuell noch etwas Kondenswasser ausgesetzt sind, verhalten sich besonders anfällig auf schleichende Verschlechterung des Kabelwiderstandes, insbesondere bei Steck-, Schraub- und Crimpkontakten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
1: idealisiertes elektrisches Schaltbild eines mehrzelligen Batteriepacks mit aktivem Balancing
2: schematische Darstellung des Strom- und Spannungsverlaufs an einer Zelle des idealisierten Batteriepacks beim Eintreiben eines Stroms
3: reales elektrisches Schaltbild eines mehrzelligen Batteriepacks mit aktivem Balancing
4: schematische Darstellung des Strom und Spannungsverlaufs an einer Zelle des realen Batteriepacks beim Eintreiben eines Stroms in eine Zelle
1 zeigt ein Batteriepack 1 mit einer Vielzahl an Zellen Z_n, Z_n-1, Z_n+1, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Betrachtet wird eine erste Zelle Z_n, die zwischen einer zweiten Zelle Z_n-1 und einer dritten Zelle Z_n+1 liegt. Jede der Zellen Z_n, Z_n-1, Z_n+1 ist wiederaufladbar und mit einem Innenwiderstand R_i1, R_i2, R_i3 modelliert.
Das Batteriepack 1 ist mit einem aktiven Balancing ausgestattet. Die Erfindung nutzt folglich eine aktive Balancingmethode aus. Hierfür ist das Batteriepack 1 mit einer Balancing-Einheit 2 verbunden, die in jeder der Zellen Z_n, Z_n-1, Z_n+1 einen individuellen Strom I_bal eines Strompulses eintreiben kann, um die jeweilige Zelle zu laden oder zu entladen und um damit bei allen Zellen einen nahezu gleichen Spannungszustand zu erreichen. Der Strom kann positiv oder negativ sein, d. h. eine beliebige Richtung und zudem eine beliebige Höhe besitzen. Hierfür weist die betrachtete erste Zelle Z_n eine erste Zuleitung 7 auf, durch die der Strom I_bal eingetrieben wird. Die erste Zuleitung 7 mündet in einen Verbindungsknoten 10, der die erste Zelle Z_n und die zweite Zelle Z_n-1 miteinander verbindet. Die in 1 dargestellte Fließrichtung des Strompulses I_bal wird als positiv angenommen. Über eine zweite Zuleitung 8 fließt der Strom I_bal aus der ersten Zelle Z_n heraus und in die Balancing-Einheit 2 zurück, so dass sie auch als Rückleitung betrachtet werden kann. Die zweite Zuleitung 8 mündet in einen Knoten 11, der die erste Zelle Z_n und die dritte Zelle Z_n+1 miteinander verbindet. Die zweite Zuleitung 8 ist damit auch gleichzeitig eine Zuleitung zu der dritten Zelle Z_n+1 sofern diese mit einem Strompuls beaufschlagt wird.
Ein beispielhafter Strompuls ist im unteren Diagramm der 2 abgebildet. Er besteht aus einem Strom I_bal einer bestimmten Höhe und besitzt eine bestimmte Dauer. Höhe und Dauer richten sich nach dem Spannungsistzustand und dem gewünschten Zielzustand einer Zelle und werden von der Balancing-Einheit 2 ermittelt.
Sobald die Balancing-Einheit 2 einen Strom I_bal in die erste Zelle Z_n treibt, steigt die an den Zuleitungen 7, 8 vor der Balancing-Einheit gemessene Spannung U₂ sprunghaft an. Dabei ist der Spannungshub ΔU_m2 positiv, da an dem Innenwiderstand R_i2 ein Spannungsabfall der Höhe R_i2·I_bal entsteht. Die gemessenen Spannungen U₁ an der ersten Zelle Z_n-1 sowie die Spannung U₃ an der benachbarten dritten Zelle Z_n+1 ändert sich für den hier betrachteten Fall der idealen Leitungen 7, 8 nicht, weil diese nicht impedanzbehaftet angenommen werden.
Für reale Zuleitungen 7, 8 ist eine 1 entsprechende Darstellung in 3 gezeigt. Dort erkennt man Leitungsimpedanz 5 der ersten Zuleitung 7 mit einem Impedanzwert R_{zul_a} sowie Leitungsimpedanz 6 der zweiten Zuleitung 8 mit einem Impedanzwert R_{zul_b}. Diese Impedanzwerte R_{zul_a}, R_{zul_b} sind in realen Anwendungen stets vorhanden und in ihrer Größe verschieden stark ausgeprägt. Abhängigkeiten des Widerstands bestehen in erster Näherung mit dem Leitungsdurchmesser, der Leitungslänge zu den Zellen, dem verwendeten Material und der Umgebungstemperatur, sowie der Anzahl und Art der Kontaktübergänge.
Erfindungsgemäß werden zunächst die Zellspannungen U_Z1, U_Z2, U_Z3 der ersten Zelle Z_n, zweiten Zelle Z_n-1 und dritten Zelle Z_n-1 im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten und zweiten Zuleitung 7, 8 gemessen. In diesem Fall fällt über die Leitungsimpedanzen 5, 6 keine Spannung ab und die gemessenen Spannungen entsprechen den inneren Spannungen U_Z1, U_Z2, U_Z3 der jeweiligen Zelle Z_n, Z_n-1, Z_n+1.
Danach wird ein Strompuls I_bal über die erste Zuleitung 7 in die erste Zelle Z_n getrieben und währenddessen die Spannungen U₁, U₂, U₃ der ersten, zweiten und dritten Zelle Z_n, Z_n-1, Z_n+1 erneut gemessen. In diesem Fall fällt über die Leitungsimpedanzen 5, 6 jeweils eine Spannung ab, durch die sich die gemessene Spannung U₁ der ersten Zelle Z_n gegenüber der vorherigen Messung erhöht und durch die sich die gemessenen Spannungen U₂, U₃ der zweiten und dritten Zelle Z_n-1, Z_n+1 gegenüber der vorherigen Messung reduzieren. Dies ist in 4 veranschaulicht. Die Messung erfolgt mittels einer Multispannungsmessung, die in der Balancing-Einheit 2 ebenfalls vorhanden ist.
Die gestrichelten Linien in 4 zeigen die Spannungsverläufe ohne Berücksichtigung der Leitungsimpedanzen 5, 6 an, vgl. 2. Aufgrund der Leitungsimpedanzen 5, 6 ist der Spannungshub der gemessenen Spannung ΔU_m2 um I_bal·(R_{zul_a} + R_{zul_b}) größer, so dass er insgesamt I_bal·(R_i2 + R_{zul_a} + R_{zul_b}) beträgt. Der Spannungshub ΔU_m1 an der zweiten Zelle Z_n-1 hat ein negatives Vorzeichen und beträgt –I_bal·R_{zul_a}. Der Spannungshub ΔU_m3 an der dritten Zelle Z_n+1 hat ebenfalls ein negatives Vorzeichen und beträgt –I_bal·R_{zul_b}. Bei der in 4 gezeigten Spannungsdarstellung ist angenommen, dass die Zuleitungsimpedanz R_{zul_b} der zweiten Leitung 8 kleiner ist als die Zuleitungsimpedanz R_{zul_a} der ersten Zuleitung 7, so dass auch der Spannungshub ΔU_m3 an der dritten Zelle Z_n+1 geringer ausfällt.
Die Impedanzwerte R_{zul_a}, R_{zul_b} der ersten und zweiten Zuleitung 7, 8 werden anschließend durch Lösung eines Gleichungssystems aus Maschengleichungen zu jeder Zelle Z_n, Z_n-1, Z_n+1 bestimmt. Das Gleichungssystem lautet wie folgt
Dabei sind

U_n:: die gemessene Spannung an der ersten Zelle Z_n im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_n-1:: die gemessene Spannung an der zweiten Zelle Z_n-1 im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_n+1:: die gemessene Spannung an der dritten Zelle Z_n+1 im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_Zn:: die Zellspannung an der ersten Zelle Z_n im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
U_Zn-1:: die Zellspannung an der zweiten Zelle Z_n-1 im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Zuleitung,
U_Zn+1:: die Zellspannung an der dritten Zelle Z_n+1 im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung,
I_bal:: die Höhe des Strompulses,
R_{zul_a}:: der Wert der Impedanz 5 der ersten Zuleitung 7,
R_{zul_b}:: der Wert der Impedanz 6 der zweiten Zuleitung 8 ist,
R_in:: der Innenwiderstand der ersten Zelle Z_n.

Das Gleichungssystem kann eindeutig gelöst werden, da drei Gleichungen und drei Unbekannte R_{zul_a}, R_{zul_b} und R_in existieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es folglich, exakt numerisch die Werte R_{zul_a}, R_{zul_b} der Zuleitungsimpedanzen 5, 6 zu ermitteln. Zusätzlich erhält man den Wert R_in des Innenwiderstandes. Die Werte werden anschließend mit Referenzwerten verglichen, um festzustellen, ob ein Fehler vorliegt.
Ein Fehlerfall ist beispielsweise Korrosion im Kabel, Korrosion in den Zell-/Steckverbindungen, Kabelbruch oder eine rüttelbedingte Lösung der Zellverbinder. In diesen Fällen steigt die Zuleitungsimpedanz der betroffenen Pfade entweder sprunghaft oder schleichend, was durch den Vergleich mit Referenzwerten erkannt werden kann.
Um nunmehr alle Zuleitungen der Zellen des Batteriepacks 1 zu prüfen, wird in die einzelnen Zellen nacheinander ein Strompuls getrieben, währenddessen die Spannungen der strombeaufschlagten Zelle sowie deren beiden Nachbarn gemessen und die Impedanzen der Zuleitungen berechnet und mit Referenzwerten verglichen werden. Da diese Methode die Impedanzwerte von zwei Zuleitungen liefert, genügt es, das Verfahren nur bei jeder zweiten Zelle durchzuführen. Anderenfalls werden Impedanzen doppelt bestimmt.
Es ist nicht erforderlich, dass die Stromimpulse speziell zur Durchführung der Impedanzbestimmung erzeugt werden. Vielmehr kann der normale Betrieb der Balancing-Einheit ausgenutzt werden. Dies bedeutet, dass immer wenn die Balancing-Einheit 2 einen Strom zum Laden oder Entladen einer Zelle aufbringt, gleichzeitig eine Messung der Spannung dieser Zelle und der beiden Nachbarzellen durchgeführt wird. Unter Kenntnis der Zellspannungswerte unmittelbar vor und nach Beginn des Balancingvorgangs und des Balancing-Stroms I_bal lassen sich damit die Impedanzen 5, 6 der Balancingleitungen 7, 8 berechnen.
Der Balancing-Strom wird folglich für einen zusätzlichen Zweck ausgenutzt. Ferner wertet das erfindungsgemäße Verfahren die in aktiven Balancing Systemen ohnehin vorhandenen Spannungsmessgrößen aus. Es müssen folglich keine zusätzlichen Messungen bzw. Messungen mit zusätzlichen Messeinrichtungen erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Zweipunktmessung mit ihren realen Leitungsimpedanzen zunutze. Die 2-Punkt-Messung hat die Vorteile, preiswert und einfach realisiert werden zu können, da sie nur zwei Messleitungen erfordert. Nachteilig ist hierbei, dass ein teils erheblicher Messfehler entsteht. Demgegenüber eliminiert eine 4-Punkt-Messung Messfehler, sie ist jedoch teuer, da doppelt so viele Zuleitungen zu den einzelnen Zellen geführt werden müssen. Aufgrund der Vielzahl an Zellen in einem Batteriepack, das beispielsweise für Elektrofahrzeuge vorgesehen ist, ist der Verkabelungsaufwand bzw. Verdrahtungsaufwand für die Batteriehersteller bei einer 4-Punkt-Messung für jede Zelle enorm hoch zumal die Packungsdichte im Batteriepack sehr hoch ist und damit wenig Platz für zusätzliche Leitungen besteht, so dass diese bereits aus Kostengründen gemieden wird. Bei einem gängigen 400 V Batteriepack mit 100 Zellen ergeben sich 2·n + 2 Zuleitungen gegenüber lediglich n + 1 Zuleitungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dies ist bei der normalen 4-Punkt-Messung doppelt so viel Kabelaufwand.
Das erfindungsgemäße Verfahren wertet neben der im Balancing-Verfahren befindlichen Zelle Z_n die Spannungen der zu dieser Zelle benachbarten Zellen Z_n-1, Z_n+1 ebenfalls aus, so dass eine kontinuierliche Neubestimmung der real vorliegenden Zuleitungswiderstände von einer übergeordneten Logik zu einer Auswertung der graduellen Veränderung der Zuleitungswiederstände über der Zeit eine Vorhersage von Ausfallwahrscheinlichkeiten der Zellzuleitungen in mehrzelligen Batteriepacks erlauben können. Diese Information oder eine bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit wird im Batteriepack befindlichen Management System (BMS) berechnet, welches dann entscheiden kann, wie mit diesem Fehler umgegangen wird. Beispielsweise kann einer übergeordneten Fahrzeugmanager-Einheit geraten werden, durch den Fahrzeugnutzer baldmöglichst eine Service-Wartung vornehmen zu lassen bevor der Totalausfall des Batteriepacks droht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in aktive Balancing-Systeme integriert werden. Eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Batteriepacks kann sehr früh bestimmt, sowie die durch Leitungsimpedanzen verfälschten Messwerte für Einzelzellspannungen korrigiert werden. In den zu 1 und 3 angegebenen Spannungsgleichungen der gemessenen Spannungen, im Allgemeinen U_n, jedoch hier im Beispiel U₁, U₂, U₃, sind inhärent Messfehler enthalten, die während des Balancings entweder eine gemessene Spannung anzeigen, die zu hoch (während des Ladens), oder zu niedrig ist (während des Entladens). Gemäß den aufgestellten Gleichungen sind alle Zuleitungsimpedanzen berechenbar und somit unter Kenntnis des Balancing Stromes auch kompensierbar, sodass aus der gemessenen Spannung, U₁, U₂, U₃, bzw. allgemein U_n, die physikalisch korrekte Zellspannung U_Z1, U_Z2, U_Z3, bzw. allgemein U_Zn, zu jedem Zeitpunkt bekannt ist.
Dem erfindungsgemäßen ersten Verfahren liegt ebenfalls ein Modell des Batteriepacks nach 3 zu Grunde. Es wird zunächst ein erster Strompuls I_bal über die erste Zuleitung 7 in die erste Zelle Z_n zu einem ersten Zeitpunkt t₁ appliziert und währenddessen die Spannungen U₁(t₁), U₂(t₁) und U₃(t₁) der ersten Zelle Z_n, zweiten Zelle Z_n-1 und dritten Zelle Z_n+1 gemessen. Auch hier ist der Strompuls I_bal ein Balancing-Strom der Balancing-Einheit 2. Ein erster Teil des Verfahrens wird also dann durchgeführt, wenn die Balancing-Einheit 2 die erste Zelle des Batteriepacks 1 ausbalancieren möchte.
Ein zweiter Teil des Verfahrens wird zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt, nämlich dann, wenn die erste Zelle erneut ausbalanciert wird. Hier wird dann von der Balancing-Einheit 2 ein zweiter Strompulses I_bal über die erste Zuleitung 7 in die erste Zelle Z_n zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ getrieben. Währenddessen werden erneut die Zellspannung U₁(t₂), U₂(t₂), U₃(t₂) der drei Zellen Z_n, Z_n-1, Z_n+1 gemessen.
Anschließend wird jeweils die Differenz ΔU₁ = U₁(t₂) – U₁(t₁), ΔU₂ = U₂(t₂) – U₂(t₁) und ΔU₃ = U₃(t₂) – U₃(t₁) der an den drei Zellen Z_n, Z_n-1, Z_n+1 zum ersten und zweiten Zeitpunkt t₁, t₂ jeweils gemessenen Zellspannungen U₁(t₁), U₂(t₁), U₃(t₁) berechnet. Diese Spannungen werden dann relativ zueinander ausgewertet, wobei die gebildeten Differenzen ΔU₁, ΔU₂, ΔU₃ auf das Vorliegen zumindest eines Leitungsfehlers in der ersten oder zweiten Zuleitung (7, 8) überprüft werden.
Dies erfolgt derart, dass ein Fehler in der ersten Zuleitung 7 dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz ΔU₁ an der ersten Zelle Z_n und die Spannungsdifferenz ΔU₂ an der zweiten Zelle Z_n-1 verschiedene Vorzeichen haben, und ein Fehler in der zweiten Zuleitung 8 dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz ΔU₁ an der ersten Zelle Z_n und die Spannungsdifferenz ΔU₃ an der dritten Zelle Z_n+1 verschiedene Vorzeichen haben.

Eine Übersicht der möglichen Fehlerzustände bei einem in Zählrichtung gemäß 3 positiven Stroms I_bal zeigt die nachfolgende Tabelle:

Balancing Pack-to-Cell (I_bal > 0), Zelle Zn
Fehler (erhöhter Leitungswiderstand)	ΔU₁	ΔU₂	ΔU₃
OK	0	0	0
R_{Leitungsfehler} zwischen Z_n-1 & Z_n	<0	>0	0
R_{Leitungsfehler} zwischen Z_n & Z_n+1	0	>0	<0

Ist die Impedanz R_{zul_a} der ersten Zuleitung 7 bei der zweiten Messung unverändert gegenüber der ersten Messung, ergibt sich eine Differenz ΔU₁ = 0. Ist auch die Impedanz R_{zul_b} der zweiten Zuleitung 8 bei der zweiten Messung unverändert gegenüber der ersten Messung, ergibt sich eine Differenz ΔU₂ = 0 sowie auch ΔU₂ = 0, da sich auf die Spannung in der ersten Zelle beide Impedanzen R_{zul_a}, R_{zul_b} auswirken.
Tritt dagegen ein Fehler wie beispielsweise Korrosion, Kabellösung oder Kabelbruch in der ersten Zuleitung 7 auf, so steigt der Widerstand R_{zul_a} und es fällt bei gleichem Strom eine höhere Spannung ab. Diese ist bei einem Maschenumlauf für die erste Zelle Z_n entgegen U₂ gerichtet, bei einem Maschenumlauf für die zweite Zelle Z_n-1 in dieselbe Richtung wie U₁ gerichtet. Dasselbe gilt für die dritte Zelle Z_n+1. Der Spannungshub wirkt sich also entgegengesetzt auf die Spannungen benachbarter Zellen aus. Somit kann ein erhöhter Widerstand R_{zul_a} und damit ein Leitungsfehler in der ersten Zuleitung 7 dann erkannt werden, wenn die Spannung ΔU₂ steigt und gleichzeitig die Spannung ΔU₁ sinkt. Dies ist in der zweiten Zeile der Tabelle dargestellt. Ferner kann ein erhöhter Widerstand R_{zul_b} und damit ein Leitungsfehler in der zweiten Zuleitung 8 dann erkannt werden, wenn die Spannung ΔU₂ steigt und gleichzeitig die Spannung ΔU₃ sinkt. Dies ist in der dritten Zeile der Tabelle dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders bei Batteriepacks, welche mit aktivem Balancing ausgestattet sind bzw. die Möglichkeit besitzen, Strom variabler Höhe nacheinander in jede Einzelzelle des Batteriepacks zu treiben.
Die Anwendung ist besonders bevorzugt bei jenen Batteriepacks in stationären Systemen, sowie ebenfalls im Hinblick auf die Elektromobilität in elektrischen Fahrzeugen. Stationäre Systeme sind solche, die in Hausanlagen stehen oder zur Pufferung eines Überangebotes an erneuerbaren Energien genutzt werden. Generell sind stationäre Anwendungsgebiete jene, welche üblicherweise nicht ortsveränderlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005025616 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer ersten Zuleitung (7, 8) einer ersten elektrochemischen Zelle (Z_n) innerhalb eines Batteriepacks (1), wobei das Batteriepack (1) die erste Zelle (Z_n) sowie wenigstens eine mit dieser elektrisch in Reihe geschalteten zweiten elektrochemischen Zelle (Z_n-1, Z_n+1) umfasst und die erste Zuleitung (7, 8) in einen Verbindungsknoten (10) mündet, der die erste und zweite Zelle (Z_n, Z_n-1, Z_n+1) miteinander verbindet, umfassend die Schritte: a) Eintreiben eines ersten Strompulses (I_bal) über die erste Zuleitung (7, 8) in die erste Zelle (Z_n) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) und währenddessen Messen der Zellspannungen (U₁(t₁), U₂(t₁)) der ersten Zelle (Z_n) und zweiten Zelle (Z_n-1, Z_n+1), b) Eintreiben eines zweiten Strompulses (I_bal) über die erste Zuleitung (7, 8) in die erste Zelle (Z_n) zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂) und währenddessen erneutes Messen der Zellspannung (U₁(t₂), U₂(t₂)) der ersten Zelle (Z_n) und zweiten Zelle (Z_n-1, Z_n+1), c) Bildung der Differenz (ΔU₁, ΔU₂) der an den beiden Zellen (Z_n, Z_n-1, Z_n+1) zum ersten und zweiten Zeitpunkt (t₁, t₂) jeweils gemessenen Zellspannungen (U₁(t₁), U₂(t₁)), und d) Überprüfung der gebildeten Differenzen (ΔU₁, ΔU₂) auf das Vorliegen eines Leitungsfehlers in der ersten Zuleitung (7, 8), wobei ein Fehler dann als vorliegend festgestellt wird, wenn die Spannungsdifferenz (ΔU₂) an der ersten Zelle (Z_n) und die Spannungsdifferenz (ΔU₁) an der zweiten Zelle (Z_n-1, Z_n+1) verschiedene Vorzeichen haben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Eintreibens des ersten und des zweiten Strompulses (I_bal) die Zellspannung (U₃) an einer dritten Zelle (Z_n+1) gemessen wird, die gegenüberliegend der zweiten Zelle (Z_n-1) mit der ersten Zelle (Z_n) elektrischen in Reihe liegt, wobei eine zweite Zuleitung (8), über die der eingetriebene Strompuls (I_bal) aus der ersten Zelle (Z_n) heraus fließt, in einen Verbindungsknoten (11) mündet, der die erste Zelle (Z_n) und die dritte Zelle (Z_n+1) miteinander verbindet, und wobei c) die Differenz (ΔU₁, ΔU₂, ΔU₃) der Spannungen an allen drei Zellen (Z_n, Z_n+1) zum ersten und zweiten Zeitpunkt (t₁, t₂) jeweils gebildet wird und d) die gebildeten Differenzen (ΔU₁, ΔU₂, ΔU₃) auf das Vorliegen zumindest eines Leitungsfehlers in der ersten oder zweiten Zuleitung (7, 8) überprüft werden, wobei – ein Fehler in der ersten Zuleitung (7) dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz (ΔU₂) an der ersten Zelle (Z_n) und die Spannungsdifferenz (ΔU₁) an der zweiten Zelle (Z_n-1) verschiedene Vorzeichen haben, und/oder – ein Fehler in der zweiten Zuleitung (8) dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Spannungsdifferenz (ΔU₂) an der ersten Zelle (Z_n) und die Spannungsdifferenz (ΔU₃) an der dritten Zelle (Z_n+1) verschiedene Vorzeichen haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein fehlerfreier Zustand dann als vorliegend festgestellt wird, wenn die Spannungsdifferenzen (ΔU₁, ΔU₂, ΔU₃) im Wesentlichen gleich Null sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriepack (1) aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen (Z_n-1, Z_n, Z_n+1) besteht und zwischen zwei benachbarten Zellen (Z_n-1, Z_n, Z_n+1) jeweils eine Zuleitung (7, 8) zur Einleitung eines Strompulses in die jeweilige Zelle (Z_n-1, Z_n, Z_n+1) liegt, und die Schritte nach Anspruch 1 bei jeder der der ersten Zelle (Z_n) in der Reihe folgenden Zelle (Z_n+x) oder die Schritte nach Anspruch 2 bei jeder zweiten Zelle (Z_2n) der Reihe durchgeführt werden.
Verfahren zur Erkennung eines Fehlers in zumindest einer Zuleitung (7, 8) einer ersten elektrochemischen Zelle (Z_n) innerhalb eines Batteriepacks (1), wobei das Batteriepack (1) die erste Zelle (Z_n) sowie wenigstens eine mit dieser elektrisch in Reihe geschaltete zweite und dritte elektrochemische Zelle (Z_n-1, Z_n+1) umfasst und eine erste Zuleitung (7) in einen ersten Verbindungsknoten (10) mündet, der die erste und zweite Zelle (Z_n, Z_n-1) miteinander verbindet, und eine zweite Zuleitung (8) in einen zweiten Verbindungsknoten (11) mündet, der die erste und dritte Zelle (Z_n, Z_n+1) miteinander verbindet, umfassend die Schritte: a. Messung der Zellspannungen (U_Z1, U_Z1, U_Z3) der ersten Zelle (Z_n), zweiten Zelle (Z_n-1) und dritten Zelle (Z_n+1) im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Zuleitung (7, 8), b. Eintreiben eines Strompulses (I_bal) über die erste Zuleitung (7, 8) in die erste Zelle (Z_n) und während dessen Messen der Zellspannungen (U₁, U₂, U₃) der ersten Zelle (Z_n), zweiten Zelle (Z_n-1) und dritten Zelle (Z_n+1), c. Berechnung der Werte (R_{zul_a}; R_{zul_b}) der Impedanzen (5, 6) der ersten und zweiten Zuleitung (7, 8) durch Lösung eines Gleichungssystems aus Maschengleichungen zu jeder Zelle (Z_n, Z_n-1, Z_n+1), und d. Vergleich der Werte mit einem Referenzwert, wobei ein Fehler dann festgestellt wird, wenn einer der Werte den entsprechenden Referenzwert wesentlich überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzwerte (R_{zul_a}; R_{zul_b}) jeweils mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei ein Fehler dann festgestellt wird, wenn der vorgegebene Grenzwert über- oder unterschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Impedanzwerte (R_{zul_a}, R_{zul_b}) abgespeichert werden und die Schritte nach Anspruch 5 wiederholt werden, wobei anschließend geprüft wird, ob einer der oder beide neu berechneten Impedanzwerte größer als der entsprechend abgespeicherte Impedanzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es wiederholt durchgeführt wird, wobei die bei der ersten Durchführung berechneten Impedanzwerte (R_{zul_a}, R_{zul_b}) als Referenzwerte abgespeichert und für den Vergleich verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsfehler als vorliegend erkannt wird, wenn einer der oder beide berechneten Impedanzwerte (R_{zul_a}; R_{zul_b}) um einen bestimmten Betrag größer sind als der Referenzwerte bzw. die Referenzwerte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es wiederholt durchgeführt wird mit Strompulsen unterschiedlicher Höhe, wobei sich die Stromhöhen um einen Faktor zwischen 5 und 10, vorzugsweise zwischen 2 und 20 unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Impedanzwerte (R_{zul_a}, R_{zul_b}) das Gleichungssystem
verwendet wird, wobei U_n: die gemessene Spannung an der ersten Zelle (Z_n) im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung, U_n-1: die gemessene Spannung an der zweiten Zelle (Z_n-1) im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung, U_n+1: die gemessene Spannung an der dritten Zelle (Z_n+1) im stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung, U_Zn: die Zellspannung an der ersten Zelle (Z_n) im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung, U_Zn-1: die Zellspannung an der zweiten Zelle (Z_n-1) im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Zuleitung, U_Zn+1: die Zellspannung an der dritten Zelle (Z_n+1) im nicht stromdurchflossenen Zustand der ersten Leitung, I_bal: die Höhe des Strompulses, R_{zul_a}: der Wert der Impedanz (5) der ersten Zuleitung (7), R_{zul_b}: der Wert der Impedanz (6) der zweiten Zuleitung (8) ist, R_in: der Innenwiderstand der ersten Zelle (Z_n), ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strompuls (I_bal) oder der erste und zweite Strompuls (I_bal) ein Balancingstrom einer Balancing-Einheit (2) zur Vergleichmäßigung der Zellspannungen (U₁, U₂, U₃) der Zellen (Z_n-1, Z_n, Z_n+1) innerhalb des Batteriepacks (1) ist.