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Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriemodulen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Sicherheitskonzepte für eigensichere Batteriemodule bekannt. Zum Stand der Technik gehören beispielsweise Schmelzsicherungen und Maßnahmen, die zu hohe Spannungen im Bereich der Batteriemodule verhindern oder diesen entgegenwirken. Beispielsweise ist in der
DE 102 011 113 798 A1 eine modulare Batterie offenbart, bei der zur Vermeidung von im Zusammenhang mit der Batterie stehenden Gefahren einzelne Serien- und Parallelschaltungen des Batteriemoduls an- und abgeschaltet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herbeiführung eines sicheren Zustands eines Batteriemoduls eines Fahrzeugs, wobei der aktuelle Zustand des Batteriemoduls fortlaufend geprüft und bewertet wird und es sich bei dem herbeizuführenden sicheren Zustand des Batteriemoduls um einen solchen Zustand handelt, in dem Auswirkungen eines schadhaften Batteriemoduls vermindert werden und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung eines Batteriemoduls verringert wird.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Herbeiführung des sicheren Zustands, gemäß der kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche, in Abhängigkeit einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, vollzogen wird. Der Ladungszustand stellt einen qualitativen Zustand des Batteriemoduls dar, es kann sich bei dem Ladungszustand beispielsweise um einen Überladungszustand oder einen Tiefentladungszustand handeln. Ein Tiefentladungszustand liegt beispielswiese dann vor, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen des Batteriemoduls unter N × 3V, wobei N der Anzahl der in einer Serie geschalteten Batteriezellen im Batteriemodul entspricht, liegt, ein Überladungszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen des Batteriemoduls über N × 4,2V, wobei N der Anzahl der in einer Serie geschalteten Batteriezellen im Batteriemodul entspricht, liegt.
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Hintergrund der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit im Umgang mit Batteriemodulen und die Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Schädigung eines Batteriemoduls und/oder die Verminderung der Auswirkungen von schadhaften Batteriemodulen auf die Umgebung. Eine in Abhängigkeit einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, vollzogene Herbeiführung des sicheren Zustands des Batteriemoduls führt zu einem sicheren Betrieb des Batteriemoduls im Fall einer Tiefentladung des Batteriemoduls und zur Überführung des Batteriemoduls in einen sicheren Zustand. Durch die Überführung des Batteriemoduls in einen sicheren Zustand werden etwaige Gefahren, die durch Tiefentladung des Batteriemoduls verursacht werden können, weitestgehend vermieden.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Steuerung für ein eigensicheres Batteriemodul vorgesehen. Die Steuerung ist zur Herbeiführung eines sicheren Zustands des Batteriemoduls geeignet. Dabei wird der aktuelle Zustand des Batteriemoduls fortlaufend geprüft und bewertet und es handelt sich bei dem herbeizuführenden sicheren Zustand des Batteriemoduls um einen solchen Zustand, in dem Auswirkungen eines schadhaften Batteriemoduls vermindert werden und/oder die Wahrscheinlichkeit der Schädigung eines Batteriemoduls verringert wird. Dabei sind Mittel zur Herbeiführung des sicheren Zustands, insbesondere in Abhängigkeit einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, vorgesehen.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein eigensicheres Batteriemodul vorgesehen, wobei das eigensichere Batteriemodul gesteuert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, handelt es sich bei der Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, um einen Ladezustand des Batteriemoduls und/oder um eine Spannung zwischen den Terminals des Batteriemoduls. Der Ladezustand stellt einen quantitativen Zustand des Batteriemoduls dar, er kann anhand physikalischer Parameter genau bestimmt und quantitativ angegeben werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, wird die Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, auf Grundlage anderer Informationen, insbesondere Informationen aus Fahrzeuginformationssystemen, ermittelt.
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Die Nutzung insbesondere von Informationen aus Fahrzeuginformationssystemen führt dazu, dass auf eine bereits vorhandene Sensorik, beispielsweise im Fahrzeug installierte Spannungssensoren, zur Bestimmung von Ladungszustandsgrößen zurückgegriffen werden kann. Dieser Rückgriff führt zu dem Vorteil, Ladungszustandsgrößen, die mittels einer eigens für die Realisierung eines eigensicheren Batteriemoduls bereitgestellten Sensorik ermittelt wurden, wenigstens zu ergänzen oder zu überprüfen.
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Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung, wird zur Herbeiführung des sicheren Zustands des Batteriemoduls ein Vergleich der Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, mit einem ersten und einem zweiten, im Vergleich zum ersten Schwellenwert kleineren, Schwellenwert vollzogen. Abhängig von dem Vergleich wird eine Aktorik (A1, A2), insbesondere eine Vorrichtung zum Legen eines Strombypass angesteuert. Dabei wird die Aktorik (A1, A2), falls die Kenngröße den ersten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet und den zweiten Schwellenwert weder erreicht noch unterschreitet, gemäß einer Fallunterscheidung angesteuert: Für einen ersten Fall, in dem das Batteriemodul entladen wird, wird der Strombypass im Bereich des Batteriemoduls aktiviert, sodass das Batteriemodul nicht weiter entladen oder, für einen zweiten Fall, in dem das Batteriemodul geladen wird, wird der Strombypass deaktivert oder nicht aktiviert, sodass das Batteriemodul weiter geladen wird. Der Umstand, ob ein zu hoher oder zu niedriger Ladezustand vorliegt kann anhand der an den Anschlüssen des Batteriemoduls anliegenden Spannung ermittelt werden. Bei regulärem Betrieb des Batteriemoduls liegt beispielsweise bei einem Ladezustand von 100% eine Spannung von ungefähr N × 4,2V, wobei N der Anzahl der in einer Serie geschalteten Batteriezellen im Batteriemodul entspricht, an. Ab Erreichen oder Unterschreiten eines Spannungswertes zwischen N × 3V, wobei N der Anzahl der in einer Serie geschalteten Batteriezellen im Batteriemodul entspricht, und 0V nähert sich der Ladezustand des Batteriemoduls 0% und damit einem kritischen Zustand.
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Dieses Vorgehen führt zu folgendem Vorteil: Die Verhinderung einer weiteren Entladung im ersten Fall und die Einleitung oder Sicherstellung einer Ladung des Batteriemoduls im zweiten Fall wirken im ersten Fall einer Verstärkung der Tiefentladung des Batteriemoduls entgegen beziehungsweise führen im zweiten Fall zu einer Behebung des Zustands der Tiefentladung.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird zur Herbeiführung des sicheren Zustands des Batteriemoduls ein Vergleich der Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, mit einem ersten und einem zweiten, im Vergleich zum ersten Schwellenwert kleineren, Schwellenwert vollzogen. In Abhängigkeit des Vergleichs wird eine Aktorik (A1, A2), insbesondere eine Vorrichtung zum Legen eines Strombypass angesteuert. Dabei wird mit der Aktorik (A1, A2) für den Fall, dass die Kenngröße den zweiten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, der Strombypass im Bereich des Batteriemoduls aktiviert. Durch die Aktivierung des Strombypass wird das Batteriemodul nicht weiter entladen. In Abhängigkeit von der Möglichkeit zur Behebung des Zustands der Tiefentladung kann eine Entladevorrichtung, insbesondere ein Discharge Device, aktiviert werden.
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Die beschriebene Vorgehensweise, die bei Erreichen oder Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes eingeleitet wird, führt zu folgendem Vorteil: Die Verhinderung einer weiteren Entladung des Batteriemoduls wirkt einer Verstärkung der Tiefentladung entgegen. Ist die Tiefentladung nicht behebbar, kann durch Aktivierung der Entladevorrichtung das Batteriemodul in einen Zustand nahezu vollständiger Ladungsfreiheit überführt werden. Durch die Überführung in den Zustand nahezu vollständiger Ladungsfreiheit, werden in Zusammenhang mit elektrischer Ladung der Batterie stehende Gefahren weitestgehend vermieden.
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Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird, falls die Kenngröße den ersten Schwellenwert überschreitet, der Strombypass deaktiviert. Falls die Kenngröße den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird wenigstens die Entladevorrichtung deaktiviert.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für das eigensichere Batteriemodul zur Bestimmung des aktuellen Zustands des Batteriemoduls mindestens eine Sensorik (S) zur Erfassung physikalischer Größen des Batteriemoduls vorgesehen.
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Vorteilhafterweise wird wenigstens das oben beschriebene Verfahren oder die Vorrichtung oder die Steuerung oder ein eigensicheres Batteriemodul wenigstens in der Fahrzeugtechnik oder in der Energietechnik verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines eigensicheren Batteriemoduls;
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2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eigensicherer Batteriemodule in Abhängigkeit einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, und
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3 ein grundsätzliches Schaltbild eines eigensicheren Batteriemoduls, das zur Herbeiführung eines sicheren Zustands des Batteriemoduls in Abhängigkeit einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des Batteriemoduls schließen lässt, geeignet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein eigensicheres Batteriemodul EB schematisch dargestellt. Bei einem eigensicheren Batteriemodul EB wird der aktuelle Zustand des Batteriemoduls fortlaufend geprüft und bewertet und es wird ein sicherer Zustand des Batteriemoduls herbeigeführt. Bei dem herbeizuführenden sicheren Zustand des Batteriemoduls handelt es sich um einen solchen Zustand, in dem Auswirkungen eines schadhaften Batteriemoduls vermindert werden und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung eines Batteriemoduls verringert wird. Zu diesem Zweck verfügt das eigensichere Batteriemodul EB beispielsweise über ein geeignetes Sensor- und Aktorkonzept zur Realisierung der Eigensicherheit.
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Das eigensichere Batteriemodul EB enthält mindestens ein Zellmodul Z, das mindestens eine Batteriezelle BZ enthält. Die mindestens eine Batteriezelle BZ setzt sich aus mechanischen Komponenten und wenigstens einer elektrochemischen Komponente zusammen. Die elektrochemische Komponente wird auch als Chemiesystem des eigensicheren Batteriemoduls EB bezeichnet. Beispielhaft handelt es sich bei der mindestens einen Batteriezelle BZ um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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Vorzugsweise ist weiterhin eine Sensorik S enthalten, mit der zumindest die Spannung des eigensicheren Batteriemoduls EB oder der Strom, mit dem das eigensichere Batteriemoduls EB entladen oder beladen werden kann, ermittelt werden kann. Vorzugsweise ist ferner wenigstens eine Komponente BEP zur Batteriezustandserkennung oder zur Voraussage von Batteriezuständen des eigensicheren Batteriemoduls EB oder zur Erkennung oder zur Voraussage von Batteriezustandsgrößen des eigensicheren Batteriemoduls EB enthalten. Vorzugsweise ist ferner eine Aktorik A1 zur Herbeiführung eines sicheren Zustands des eigensicheren Batteriemoduls EB enthalten; mit der Aktorik A1 kann vorzugsweise wenigstens ein nicht dargestellter Strombypass zwischen elektrischen Anschlüssen des eigensicheren Batteriemoduls EB geschaltet oder eine nicht dargestellte Entladevorrichtung, insbesondere ein Discharge Device, im Bereich des eigensicheren Batteriemoduls EB zur Anwendung gebracht werden. Zum Zweck der Anwendung, wird die Entladevorrichtung mit den Anschlüssen des eigensicheren Batteriemoduls EB elektrisch verbunden.
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Wird der Strombypass zwischen den elektrischen Anschlüssen des eigensicheren Batteriemoduls EB geschaltet, kann zwischen den elektrischen Anschlüssen des eigensicheren Batteriemoduls EB ein elektrischer Strom fließen, ohne dass dieser Strom durch die elektrochemische Komponente der mindestens einen Batteriezelle BZ des eigensicheren Batteriemoduls EB fließt. Der Strombypass kann auch zwischen den Anschlüssen der mindestens einen Batteriezelle BZ geschaltet werden.
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Vorzugsweise ist ferner eine Aktorik A2 enthalten; mit der Aktorik A2 kann die Ausgangsspannung des eigensicheren Batteriemoduls EB zumindest gesteuert oder in ihrer Höhe variiert werden.
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In 2 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von eigensicheren Batteriemodulen EB schematisch dargestellt. Durch Verfahrensschritt 11 wird das Verfahren eingeleitet. In einem darauf folgenden Schwellenwertvergleichsschritt 22 wird geprüft, ob die Kenngröße einen ersten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Wenn die Kenngröße den ersten Schwellenwert weder erreicht noch unterschreitet, wird Schwellenwertvergleichsschritt 22 wiederholt. Wenn die Kenngröße den ersten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, wird in einem darauf folgenden Minimalschwellenwertvergleichsschritt 33 geprüft, ob die Kenngröße einen zweiten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Der zweite Schwellenwert ist kleiner als der erste Schwellenwert. Wenn die Kenngröße den zweiten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, wird in einem Strombypass- und Entladevorrichtungsschritt 44 ein Strombypass im Bereich des eigensicheren Batteriemoduls EB aktiviert und das eigensichere Batteriemodul EB somit nicht weiter entladen. Gegebenenfalls wird in demselben Schritt die Entladevorrichtung, insbesondere ein Discharge Device, aktiviert. Im darauf folgenden Abschlussschritt 55 wird das Verfahren abgeschlossen.
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Wenn hingegen, wie im Schwellenwertvergleichsschritt 22 geprüft, die Kenngröße den ersten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet und, wie in Minimalschwellenwertvergleichsschritt 33 geprüft, die Kenngröße den zweiten Schwellenwert weder erreicht noch unterschreitet, wird in einem Entladeprüfungsschritt 66 geprüft, ob das eigensichere Batteriemodul EB entladen wird. Wenn das eigensichere Batteriemodul EB nicht entladen wird, wird Entladeprüfungsschritt 66 wiederholt.
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Wenn das eigensichere Batteriemodul EB entladen wird, wird in einem Strombypassschritt 77 der Strombypass im Bereich des eigensicheren Batteriemoduls EB aktiviert und das Batteriemodul somit nicht weiter entladen. Im darauf folgenden Abschlussschritt 55 wird das Verfahren abgeschlossen.
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Nach Abschluss des Verfahrens können der Schwellenwertvergleichsschritt 22 und der Minimalschwellenwertvergleichsschritt 33 wiederholt werden. Falls die Kenngröße den ersten Schwellenwert überschreitet, wird der Strombypass deaktiviert. Falls die Kenngröße den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird wenigstens die Entladevorrichtung deaktiviert.
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Sämtliche in den oben beschriebenen Verfahrensschritten aufgeführten Zustandsgrößen des eigensicheren Batteriemoduls EB werden beispielsweise mit Hilfe einer Sensorik S ermittelt. Die Prüfung und Bewertung der Zustandsgrößen wird dabei vorzugsweise durch die Komponente BEP zur Batteriezustandserkennung durchgeführt. Die in den Verfahrensschritten durchgeführten aktorischen Vorgänge werden beispielsweise mittels der Aktoren A1, A2 vorgenommen.
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Alternativ zu der Sensorik S, die Teil des eigensicheren Batteriemoduls EB ist, können weitere, außerhalb des eigensicheren Batteriemoduls EB bestehende Sensoren zur Ermittlung von Zustandsgrößen des eigensicheren Batteriemoduls EB verwendet werden. Beispielsweise kann es sich dabei um Sensoren handeln, die zur Ausstattung eines Fahrzeugs gehören, in dem das eigensichere Batteriemodul EB verwendet wird. Beispielhaft kann es sich dabei um Sensoren zur Bestimmung elektrischer Größen – wie Strom oder Spannung – oder zur Bestimmung von Temperatur im Inneren oder Äußeren des Fahrzeugs, in dem das eigensichere Batteriemodul EB verwendet wird, oder um einen Druck handeln. Bei den Sensoren zur Bestimmung von Temperatur im Inneren oder Äußeren des Fahrzeugs, in dem das eigensichere Batteriemodul EB verwendet wird, handelt es sich beispielsweise um Sensoren des Klimageräts des Fahrzeugs, in dem das eigensichere Batteriemodul EB verwendet wird, und/oder um Sensoren zur Bestimmung der Außentemperatur des Fahrzeugs, in dem das eigensichere Batteriemodul EB verwendet wird.
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Die Verwendung eines eigensicheren Batteriemoduls EB ist in der Fahrzeugtechnik und auch in der Energietechnik möglich.
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In 3 ist ein grundsätzliches Schaltbild eines eigensicheren Batteriemoduls EB dargestellt.
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Im grundsätzlichen Schaltbild sind ein Zellmodul Z, eine Zellüberwachungselektronik CSC und eine Modulüberwachungselektronik MSC dargestellt.
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Das Zellmodul Z enthält mindestens eine Batteriezelle BZ. Beispielhaft handelt es sich bei der mindestens einen Batteriezelle BZ um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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Die Zellüberwachungselektronik CSC enthält die in der Beschreibung zu 1 genannte Sensorik S zur Erfassung eines Zustands der mindestens einen Batteriezelle BZ. Die Zellüberwachungselektronik CSC dient der Überwachung der mindestens einen Batteriezelle BZ innerhalb des Zellmoduls Z.
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Die Modulüberwachungselektronik MSC kommuniziert mit der Zellüberwachungselektronik CSC. Die Kommunikation zwischen Zellüberwachungselektronik CSC und Modulüberwachungselektronik MSC kann drahtlos oder drahtgebunden über eine Kommunikationsleitung KL erfolgen. Im Rahmen der Kommunikation zwischen der Modulüberwachungselektronik MSC und der Zellüberwachungselektronik CSC werden Daten über mindestens eine Batteriezelle BZ übertragen. Ferner verfügt die Modulüberwachungselektronik MSC über die Sensorik S zur Überwachung des Zellmoduls Z.
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In Abhängigkeit des Zustands der mindestens einen Batteriezelle BZ oder des Zellmoduls Z kann die Modulüberwachungselektronik MSC agieren. Die Modulüberwachungselektronik MSC enthält zu diesem Zweck wenigstens zwei ein- und ausschaltbare Halbleiterventile HV1 und HV2 und zwei Dioden D1 und D2. Je ein ausschaltbares Halbleiterventil und eine Diode bilden eine Halbbrückenanordnung. Eine obere Halbbrückenanordnung, enthaltend HV1 Und D1, wird in der Zeichnung mit Ho, eine untere Halbbrückenanordnung, enthaltend HV2 und D2, mit Hu bezeichnet. Die obere Halbbrückenanordnung und die untere Halbbrückenanordnung bilden einen steuerbaren Leistungsschalter L.
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Im Normalfall, beispielsweise im regulären Betriebszustand eines eigensicheren Batteriemoduls EB, ist die obere Halbbrückenanordnung Ho eingeschaltet, die untere Halbbrückenanordnung Hu ist ausgeschaltet. In diesem Zustand führt die Zellüberwachungselektronik CSC einen Ladungsausgleich zwischen mindestens zwei Batteriezellen BZ durch.
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Erkennt die Modulüberwachungselektronik MSC anhand einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des eigensicheren Batteriemoduls EB schließen lässt, dass die Stärke des maximal zulässigen Entladestroms des Batteriemoduls verringert werden muss, wird die obere Halbbrückenanordnung Ho aus- und die untere Halbbrückenanordnung Hu eingeschaltet. Der Strom, der durch das Zellmodul Z fließt, fließt dann über die untere Halbbrückenanordnung Hu; wenigstens das Zellmodul Z oder mindestens die Batteriezelle BZ werden nicht mit unzulässig hohen Entladeströmen belastet.
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Erkennt die Modulüberwachungselektronik MSC anhand einer Kenngröße, die auf einen Ladungszustand des eigensicheren Batteriemoduls EB schließen lässt, dass die Stärke des maximal zulässigen Ladestroms des Batteriemoduls verringert werden muss, wird die obere Halbbrückenanordnung Ho aus- und die untere Halbbrückenanordnung Hu eingeschaltet. Der Strom, der durch das Zellmodul Z fließt, fließt dann über die untere Halbbrückenanordnung Hu; wenigstens das Zellmodul Z oder mindestens die Batteriezelle BZ werden nicht mit unzulässig hohen Ladeströmen belastet.
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Neben der in 3 dargestellten Überwachung der Batteriezellen mittels einer Zellüberwachungselektronik, ist eine batteriezelleneigene Überwachung durch je eine, der mindestens einen Batteriezelle BZ zugeordneten, Zellüberwachungselektronik CSC möglich. Dazu wird jeder Batteriezelle BZ eine eigene Unter-Zellüberwachungselektronik zugeordnet. Diese Unter-Zellüberwachungselektroniken kommunizieren mit einer Haupt-Zellüberwachungselektronik. Die Haupt-Zellüberwachungselektronik kommuniziert mit der Modulüberwachungselektronik MSC, die unter anderem in Abhängigkeit von der der Haupt-Zellüberwachungselektronik kommunizierten Information, agiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011113798 A1 [0002]
