DE102014204956A1

DE102014204956A1 - Verfahren zur Erkennung von Anomalien in einer Batteriezelle und Kurzschlusssensorik

Info

Publication number: DE102014204956A1
Application number: DE102014204956.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schumann; Stefan Leidich; Fabian Henrici
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: WO2015139927A1; CN106104285B; US10073143B2; US20170082693A1; CN106104285A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Anomalien einer Batteriezelle, wobei von einer Kurzschlusssensorik in einem Signal einer Klemmenspannung der Batteriezelle Ereignisse detektiert werden, welche in einem zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgende Flanken aufweisen, und wobei von der Kurzschlusssensorik detektierte Ereignisse an ein Batteriemanagementsystem übertragen werden, das anhand der detektierten Ereignisse Anomalien der Batteriezellen ermittelt. Weiterhin werden eine Kurzschlusssensorik und ein Batteriesystem angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Anomalien in einer Batteriezelle, sowie eine Kurzschlusssensorik und ein Batteriesystem, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.
Aktuelle Batteriemanagementsysteme überwachen Zellspannungen, Stromstärken und Zelltemperaturen mit Abtastraten von typischerweise 20 bis 50 Hz. Mit Hilfe dieser Größen und experimentell ermitteltem Vorwissen, beispielsweise anhand von Kennlinien, wird auf Basis eines theoretischen Modells der Batteriezelle ein Überwachungsschaltkreis realisiert. Typische vom Batteriemanagementsystem (BMS) ermittelte Größen sind der Ladezustand (SOC, State of Charge), der Innenwiderstand und der Allgemeinzustand (SOH, State of Health) der Batteriezellen, um beispielsweise die verfügbare Leistung vorherzusagen und Rahmenvorgaben für die Betriebsparameter der Batteriezellen zu schaffen.
Bei Lithium-Ionen-Batterien stellt die hohe Menge an chemischer und elektrischer Energie ein potenzielles Risiko dar. Die in den Aktivmaterialien der Kathode und der Anode gespeicherte chemische Energie übersteigt die gespeicherte elektrische Energie um ein Vielfaches. Die Freisetzung der chemischen Energie durch exotherme Zersetzung erfordert dabei eine Aktivierungsenergie in Form von Erwärmung. Abhängig von den verwendeten Materialien liegt die kritische Temperatur bei 150–200°C. Die benötigte Temperatur zur Entfachung des sogenannten thermischen Durchgehens (Thermal Runaway) kann sowohl durch eine externe als auch durch eine interne Erwärmung der Batteriezelle entstehen.
Die externe Erwärmung entzieht sich typischerweise einer genauen Vorhersage. Die interne Erwärmung entsteht beispielsweise durch Freisetzung elektrischer Energie durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme. Insbesondere kann dies durch interne elektrische Kurzschlüsse zwischen Kathode und Anode erfolgen, welche beispielsweise durch metallische Partikel, Metalldendriten oder elektrischen Kontakt der Aktivmaterialien miteinander zustande kommen. Diese Vorgänge werden von Batteriemanagementsystemen im Rahmen der Überwachung des thermischen Durchgehens erkannt.
US 2013 012 2332 A1 beschreibt ein System mit einer integrierten Schaltung, einem Drucksensor und einer Kommunikationsvorrichtung, welches in eine Batteriezelle montiert sein kann. Das System dient der Bestimmung des SOC und des SOH der Batteriezelle. Zur Erkennung potenzieller Schadreaktionen wird dabei ein Anstieg des Zellinnendrucks bestimmt, wobei ein langsamer Anstieg als Alterung interpretiert wird, während ein schneller Anstieg als Hinweis auf eine akute Gefahrensituation bewertet wird.
DE 10 2006 000 086 A1 zeigt ein Akkumulatorsystem mit einer Akkumulatorbatterie, die einen Lade-/Entlade-Steuerungsabschnitt zum Steuern der Batterie in einem Steuerungsbereich, einen Anomalie-Erfassungsabschnitt zum Erfassen von Anomalien und einen Anomalie-Verarbeitungsabschnitt umfasst. Der Anomalie-Erfassungsabschnitt erfasst geringfügige Zellenkurzschlussanomalien der Batterie auf Grundlage einer Blockspannung einer Batterieüberwachungseinheit.
DE 10 2008 062 656 A1 zeigt ein Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug, wobei zum Erkennen einer thermischen und/oder elektrischen Überlastung der Batterie automatisch Parameter der Batterie überwacht werden, u.a. ein Stromwert, ein Spannungswert, ein Temperaturwert und/oder ein Zellinnendruck.
DE 10 2011 077 448 A1 zeigt ein Verfahren zum Abschätzen einer den Zustand eines elektrischen Energiespeichers beschreibenden Zustandsgröße durch einen zeitdiskreten Vergleich von Betriebsgrößen mit einem mathematischen Modell. Betriebsgrößen sind die Temperatur, der Laststrom und die Klemmenspannung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Gefahrensituation früh zu erkennen, welche durch interne Kurzschlüsse verursacht werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erkennung von Anomalien einer Batteriezelle ist vorgesehen, dass von einer Kurzschlusssensorik in einem Signal einer Klemmenspannung der Batteriezelle Ereignisse detektiert werden, welche in einem zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgende Flanken aufweisen, und dass von der Kurzschlusssensorik detektierte Ereignisse an ein Batteriemanagementsystem übertragen werden.
Die erfindungsgemäße Erkennung von internen Kurzschlüssen basiert auf der Identifikation spezifischer Entwicklungen der Klemmenspannung als Funktion der Zeit, ggf. unter Berücksichtigung einer spezifischen Entwicklung des Stromes und/oder des Zellinnendrucks.
Der Erfindung liegt die Hypothese zugrunde, dass zumindest einige Kurzschlüsse nicht plötzlich und gleich voll ausgebildet auftreten, sondern einer Entstehungsphase unterliegen. Bevor ein „harter“ Kurzschluss das thermische Durchgehen der Batteriezelle initiiert, treten Mikrokurzschlüsse (Micro Shorts) auf. Charakteristisch für einen solchen Mikrokurzschluss ist, dass das kurzschließende Element, beispielsweise ein Metalldendrit, ein metallisches Partikel oder ein elektrischer Kontakt der Aktivmaterialien, die freigesetzte Leistung nur für sehr kurze Zeit im Bereich von Mikrosekunden aufrecht erhalten kann, ohne dabei zu schmelzen, zu verdampfen oder zu sublimieren. Kommt es zu einer längeren, wenige Millisekunden andauernden Einwirkung, kann der Kurzschluss durch Abreagieren oder Schmelzen des Kurzschluss-bildenden Elements unter Umständen mittelfristig wieder zum Erliegen kommen. Auf diese Weise bilden sich erst „kleine“ Kurzschlüsse, d. h. Mikrokurzschlüsse aus, die später durch eine solidere, elektrisch dauerhafte Verbindung der Elektroden mit großer Hitzeentwicklung an der beschädigten Stelle abgelöst werden können.
Berechnungen zeigen, dass Mikrokurzschlüsse einen Stromfluss im Bereich einzelner Amperes bewirken können. Dieser interne Strom verursacht einen kurzzeitigen Einbruch der Klemmspannung um einzelne mV.
Die Kurzschlusssensorik ist zur Erkennung der Mikrokurzschlüsse eingerichtet, d. h. zur Detektion von Ereignissen, welche in einem zeitlichen Abstand von wenigen Mikrosekunden, insbesondere von 0,1 µs bis 10 ms, bevorzugt von 0,1 µs bis 1 ms, weiter bevorzugt von 0,1 bis 100 µs, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 µs aufeinander folgende Flanken aufweisen, wobei die Amplitude der Klemmenspannung im mV-Bereich schwankt. Die detektierten aufeinander folgenden Flanken umfassen beispielsweise eine fallende und eine darauf folgende steigende Flanke, was im Folgenden auch als ein Spannungseinbruch bezeichnet wird.
Die detektierten Ereignisse werden von der Kurzschlusssensorik oder nach Übertragung von dem Batteriemanagementsystem mit einem Zeitstempel versehen und hiernach in einem Speicherelement abgespeichert.
Das Batteriemanagementsystem ermittelt anhand der detektierten Ereignisse Anomalien der Batteriezellen. Das Batteriemanagementsystem kann bei einem detektierten Ereignis beispielsweise eine Notabschaltung der Batteriezelle, des Batteriemoduls oder der gesamten Batterie vornehmen oder die Information über das Ereignis einem Fahrzeugsteuersystem bereitstellen, welches über die weitere Reaktion entscheidet.
Bevorzugt wird außerdem eine Plausibilisierung der detektierten Ereignisse durchgeführt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Plausibilisierung ein Vergleich des Verhaltens der Batteriezellen, an welchen das Ereignis ermittelt wurde, mit den Verhalten der weiteren Batteriezellen durchgeführt, welche mit der Batteriezelle elektrisch verschaltet sind.
Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu erfolgt zur Plausibilisierung der Ereignisse eine Messung des Innendrucks der Batteriezelle. Der Innendruck der Batteriezelle wird von der Kurzschlusssensorik mit einer definierten Abtastrate durchgeführt. Die Messwerte des Innendrucks können entweder kontinuierlich übertragen werden oder lediglich dann, wenn ein Ereignis detektiert wurde. In diesem Fall weist die Kurzschlusssensorik einen Zwischenspeicher für die Werte des Innendrucks auf. Das Batteriemanagementsystem erkennt die Anomalien der Batteriezelle anhand der ermittelten Ereignisse unter Auswertung des Innendrucks. Der spontane Anstieg des Zellinnendrucks in der Batteriezelle, bei welcher das Ereignis ermittelt wurde, ist dabei ein unterstützendes Merkmal für einen positiv detektierten Mikrokurzschluss. Durch die lokal auftretenden hohen Temperaturen wird Material, beispielsweise Elektrolyt, verdampft oder in gasförmige Reaktionsprodukte zersetzt. Das Auftreten der Mikrokurzschlüsse ist an einen Druckanstieg im Zellgehäuse gekoppelt. Die Intensität des Mikrokurzschlusses wird durch die Höhe des Stromflusses, die Zeitdauer des Stromflusses und die Menge an zersetztem Material definiert. Die Menge an zersetztem Material führt zu einem Druckanstieg in der Batteriezelle. Der Übergang von einem kleinen zu einem harten Kurzschluss kann dabei fließend erfolgen. Der Druckanstieg, insbesondere in der Anfangsphase, kann daher sehr gering ausfallen und an der Grenze des Detektierbaren liegen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform betreibt das Batteriemanagementsystem die Kurzschlusssensorik zur Detektion der Ereignisse in einem Zustand der Ladephase, in einem Zustand der Ruhephase und in einem Zustand der Betriebsphase mit unterschiedlichen Parametern. Auf diese Weise wird ein adaptives Verfahren vorgeschlagen, welches eine sinnvolle Klassifizierung der Messsignale in den verschiedenen Phasen möglich macht.
Ladephase
Die Ladephase bei einem CC/CV-Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen anfänglich mit einer konstanten Stromstärke beaufschlagt werden (CC-Phase, Constant Current). Beim Erreichen der Ladeschlussspannung wird die Stromstärke reduziert, um ein Überschreiten der Spannung zu vermeiden (CV-Phase, Constant Voltage). Der Ladevorgang gilt als abgeschlossen, wenn die Ladestromstärke einen Grenzwert unterschreitet, beispielsweise in Höhe von einem Zehntel des anfänglichen Ladestroms. Anhand einer zeitlichen Verlängerung der CV-Phase kann auch auf eine Zellalterung geschlossen werden. Durch Anstieg der Selbstentladung muss dann zunehmend mehr Energie beim Laden aufgewendet werden. Die Beobachtung und Regelung des Stromflusses erfolgt im Batteriemanagementsystem.
Beim Auftreten eines Mikrokurzschlusses in einer Batteriezelle bricht die Klemmenspannung der betroffenen Batteriezelle aus den beschriebenen Gründen kurzzeitig ein. Die Kurzschlusssensorik erkennt diesen Einbruch. Beispielsweise wird hierzu das Signal der Klemmenspannung mittels eines Differenzierers verstärkt, wobei im Zustand der Ladephase die Verstärkungsfaktoren der differenziellen Spannungsüberwachung in positiver Spannungsrichtung gegenüber dem Zustand der Ruhephase erhöht werden, beispielsweise bis an eine Rauschgrenze.
Beim Auftreten eines Mikrokurzschlusses in einer Batteriezelle gleicht der Laderegler bzw. dessen Ausgangskondensator den Einbruch der Spannung durch Erhöhung der Stromstärke aus. Die Erhöhung der Stromstärke führt bei den von dem Mikrokurzschluss nicht betroffenen Batteriezellen zu einem Anstieg der Klemmenspannung. Der Spannungsanstieg ist um die Anzahl der Batteriezellen gegenüber dem Einbruch reduziert, wirkt jedoch auf alle Batteriezellen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erkennt bei einem in der Ladephase detektierten Ereignis das Batteriemanagementsystem eine Anomalie der Batteriezellen dann, wenn gleichzeitig bei zumindest einer weiteren Batteriezelle, beispielsweise bei allen mit der betroffenen Batteriezelle verschalteten Batteriezellen oder bei einer Vielzahl von der Batteriezellen, Spannungsspitzen der Klemmenspannung ermittelt werden. Die Spannungsspitzen sind dabei durch Ereignisse definiert, welche in einem zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgende Flanken aufweisen, zumindest eine steigende und eine darauf folgende fallende Flanke. „Gleichzeitig“ bedeutet in diesem Zusammenhang unter Berücksichtigung der Reaktionsgeschwindigkeiten der Elektronik, insbesondere des Ladereglers einen Zeitraum im Bereich von ns bis µs.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird nach einem detektierten Ereignis in der Ladephase außerdem der Zellinnendruck der betroffenen Batteriezelle aufgenommen, das Ereignis mit einem Zeitstempel versehen und an das Batteriemanagementsystem übertragen. Zur Unterstützung der Plausibilisierung wird vom Batteriemanagementsystem der Zellinnendruck herangezogen, wobei ein kleiner bzw. nicht messbarer Druckanstieg einen kleinen Mikrokurzschluss bezeichnet und ein größerer Druckanstieg im Bereich von mbar auf eine Entwicklung zu zunehmend schwerwiegenderen Mikrokurzschlüssen schließen lässt.
Ruhephase
In der Ruhephase befindet sich das Gesamtsystem in einem Standby-Modus. Der Laststrom beträgt dabei nahezu Null.
In der Ruhephase, bei welcher interne Kurzschlüsse mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftreten, wird die Aktivität des Batteriemanagementsystems auf ein Minimum reduziert, um die Ruhestromaufnahme zu minimieren. Bevorzugt erfolgt im Zustand der Ruhephase eine Messung des Innendrucks der Batteriezelle beispielsweise mit einer geringeren Abtastrate als im Zustand der Ladephase. Typische Abtastraten liegen dabei von 1/s bis 1/min, d. h. jede Sekunde bis jede Minute. Geringere Abtastraten umfassen dabei 1/min bis 1/10 min, d. h. jede Minute bis ein Mal pro 10 Minuten. Zur Ermittlung der Anomalien der Batteriezelle in der Ruhephase wird von der Kurzschlusssensorik zunächst ein Ereignis detektiert und hiernach ein Signal zum Aufwecken des Batteriemanagementsystems übertragen. Zugleich wird der Zellinnendruck aufgenommen und das Ereignis mit einem Zeitstempel versehen, wobei letzteres vor oder nach der Übertragung an das Batteriemanagementsystem erfolgen kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung schließt das Batteriemanagementsystem bei einem in der Ruhephase detektierten Ereignis eine Anomalie der Batteriezelle aus, wenn ein gleichzeitiger Spannungseinbruch bei zumindest einer weiteren Batteriezelle ermittelt wird. Wenn mehrere oder alle Batteriezellen einen Spannungseinbruch detektiert haben, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit kein Mikrokurzschluss vor. Das gleichzeitige Auftreten in mehreren Batteriezellen wird als statistisch unwahrscheinlich angesehen. In diesem Fall handelt es sich vermutlich um einen Laststrom oder um einen Fehlstrom. „Gleichzeitig“ bedeutet in diesem Zusammenhang einen Zeitraum im Bereich von ns bis µs.
Hierbei können außerdem die Sensordaten des Stromsensors im Batteriemanagementsystem zur Plausibilisierung herangezogen werden.
Betriebsphase
Die Betriebsphase zeichnet sich dadurch aus, dass alle Batteriezellen den gleichen, in der Regel sehr hohen Laststrom bereitstellen. Die Erkennung spezifischer Veränderungen der Spannung und das Erkennen kleinster transienter Veränderungen der Spannung sind praktisch vermutlich nicht möglich. Im regulären Betrieb werden daher bevorzugt der Druckanstieg überwacht und die Meldung an das Batteriemanagementsystem entsprechend beispielsweise dem in der US 2013/0122332 A1 angegebenen Verfahren durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Kurzschlusssensorik zur Erkennung einer Anomalie einer Batteriezelle vorgeschlagen, welche einen Spannungssensor und einen Auswerter, wobei der Auswerter dazu eingerichtet ist, Ereignisse im Signal einer Klemmenspannung der Batteriezelle mit im zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgenden Flanken zu detektieren, und eine Kommunikationsvorrichtung aufweist, welche zur Übertragung vom Auswerter detektierter Ereignisse an ein Batteriemanagementsystem eingerichtet ist.
Bevorzugt ist die Kurzschlusssensorik zur Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet und/oder eingerichtet. Dem entsprechend gelten die im Rahmen der Verfahren beschriebenen Merkmale entsprechend für die Kurzschlusssensorik und umgekehrt die im Rahmen der Kurzschlusssensorik beschriebenen Merkmale entsprechend für die Verfahren.
Der Auswerter weist insbesondere bevorzugt eine zeitliche Auflösung im µs-Bereich und außerdem bevorzugt eine Auflösung von Spannungen im mV-Bereich auf.
Der Auswerter umfasst funktionale Einheiten, welche nicht notwendigerweise physikalisch voneinander trennbar sind. So können mehrere funktionale Einheiten des Auswerters in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert werden, etwa wenn mehrere Funktionen in Software implementiert sind. Weiterhin können die funktionalen Einheiten des Auswerters auch in Hardware, beispielsweise durch Anwendung spezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC, Application Specific Integrated Circuit) oder in Speichereinheiten realisiert sein.
Die Kurzschlusssensorik ist beispielsweise im Inneren eines Gehäuses der Batteriezelle angeordnet, wobei die Kommunikationsvorrichtung eine kabellose Verbindung oder eine Kabelverbindung zum Batteriemanagementsystem aufweist. Eine Anordnung der Kurzschlusssensorik außerhalb des Gehäuses der Batteriezelle ist ebenfalls möglich, wobei zumindest der gegebenenfalls vorhandene Drucksensor zur Erfassung des Zellinnendrucks bevorzugt im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet ist. Der Zellinnendruck wird ebenfalls bevorzugt über die Kommunikationsvorrichtung an das Batteriemanagementsystem übertragen.
Nach einer Ausführungsform weist die Kurzschlusssensorik einen Differenzierer auf, der ein Signal einer differenzierten Klemmenspannung der Batteriezelle bereitstellt. Der Auswerter detektiert die Ereignisse dann im Signal der differenzierten Klemmenspannung.
Nach einer Ausführungsform weist der Auswerter einen Schwellenwertdetektor auf. Dabei ist der Auswerter eingerichtet, eine digitale, eine analoge oder eine Kombination digitaler und analoger Signalverarbeitung durchzuführen.
Im Fall digitaler Signalverarbeitung wird die Klemmenspannung mit einer hohen Datenrate beispielsweise im Bereich von MHz digitalisiert. Die Detektion von kurzzeitigen Spannungsveränderungen erfolgt bevorzugt mittels einer Schwellenwertanalyse. In dieser Ausführungsform ist der Anteil analoger Schaltungsteile minimal. Zu berücksichtigen ist hierbei der vergleichsweise hohe Leistungsbedarf im Bereich von 10 bis 100 mW pro Batteriezelle, welcher aus der hohen Taktrate resultiert und auch in den Ruhephasen aufgewendet werden müsste. Die Selbstentladung der Batteriezelle bei vollständig digitaler Signalverarbeitung wird auf ca. 1% pro Tag eingeschätzt.
Alternativ kann die Detektion der transienten Spannungssignale analog erfolgen. Hierzu wird die Klemmenspannung hochpassgefiltert und verstärkt. Mithilfe analoger Schwellenwertschalter können dann die spezifischen Signale detektiert werden.
Eine Kombination aus beiden Ansätzen in Form einer analogen Detektion der aufeinander folgenden Flanken im Signal der differenzierten Klemmenspannung als Triggersignal für die digitale Signalverarbeitung ist ebenso vorstellbar und bevorzugt.
Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu, etwa zur Plausibilisierung, verarbeitet der Auswerter ein anderweitig verstärktes Signal der Klemmenspannung der Batteriezelle. Hierzu weist die Kurzschlusselektronik beispielsweise einen Kondensator in Parallelschaltung zu der Batteriezelle auf. Der Auswerter weist bevorzugt einen schmalbandigen Detektor auf.
Der Kondensator (das C-Glied) bildet mit der Batteriezelle (das L-Glied als parasitäre Eigenschaft des Wickels) einen LC-Schwingkreis mit Resonanzfrequenzen im Bereich von 1 bis 100 MHz, der für die Kurzschlusssensorik als Bandpass, d. h. Resonanzfilter wirkt. Bei dieser Lösung werden reaktive elektrische Komponenten der Batteriezellen für eine indirekte Detektion des Ereignisses nutzbar gemacht. Dabei wird berücksichtigt, dass das Batterienetzwerk hinsichtlich der Gleichstromeigenschaften extrem niederohmig ausgeführt ist. Die Hochfrequenzeigenschaften sind für den primären Einsatzzweck der Batterie typischerweise von sekundärer Bedeutung. Die Hochfrequenzeigenschaften des elektrischen Netzwerks werden ausgenutzt, um das spezifische Signal mit wenig aufwändiger Elektronik detektieren zu können.
Bei der Dimensionierung des Kondensators und des Detektors wird angenommen, dass in der Batteriezelle der induktive Anteil der Zellimpedanz, welcher durch die Ableiter und die Zellwickel verursacht wird, in typischer Weise zwischen 5 und 50 nH beträgt. Abhängig von der Position des internen Kurzschlusses fließt der Strom durch Elemente, welche einen induktiven Anteil unterschiedlicher Höhe aufweisen. Ein transienter Stromfluss erzeugt an den induktiven Elementen eine Spannungsüberhöhung, welche mehrere Volt betragen kann. Die Spannungsüberhöhung kann mittels Schwellenwertdetektion festgestellt werden. Der Strompuls bzw. die Spannungsreaktion regt den Schwingkreis an.
Das von den Batteriezellen bei Mikrokurzschlüssen typisch ausgestrahlte Frequenzspektrum wird dem schmalbandigen Detektor zugeführt. Der Detektor kann dabei als linear arbeitender Hochfrequenzverstärker oder als Überlagerungsempfänger oder auch als digital arbeitender frequenzselektiver Empfänger ausgebildet sein. Insbesondere im Ruhezustand der Batteriezellen ist dieses Verfahren höchst empfindlich bis in den Sub-mV-Bereich. Dabei wird das direkte oder über einen Zwischenfrequenzkreis verstärkte Signal dann einem Amplitudenmesskreis und/oder einem Spektrumsanalysierer zugeführt, der sowohl die zeitlichen Verläufe der Signalamplitude als auch den typischen zeitlichen Verlauf des Spektrums und das Spektrum misst. So wird eine zuverlässige Zeit- und Frequenzinformation über das Zellensignal erhalten. Der ausgebildete Mikrokurzschluss kann dabei vom Auswerter dann im Amplituden- und Frequenzzeitraum als Muster klar identifiziert werden.
Alternativ ist der Detektor ein auf die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises abgestimmter schmalbandiger Empfänger, welcher elektromagnetisch mit der Batteriezelle gekoppelt ist. Signalfrequenzen im Bereich von mehreren MHz und effektive Leiterlängen im Bereich von 20 bis 50 cm ermöglichen hierbei prinzipiell eine Abstrahlung des Signals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem,
2a–2d einen Verlauf der Klemmenspannung verschiedener Batteriezellen während eines Ladevorgangs,
3 eine Entwicklung eines Zellinnendrucks über die Lebensdauer einer Batteriezelle,
4 einen Simulationsaufbau eines Mikrokurzschlusses mit einer Batteriezelle und einer externen Beschaltung zur Erzeugung einer elektrischen Resonanz und
5a und 5b einen beispielhaften Stromimpuls eines Mikrokurzschlusses und eine entsprechende Spannungsreaktion.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Batteriesystem 12. Das Kraftfahrzeug 10 der 1 kann als ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug, das zusätzlich einen Verbrennungsmotor aufweist, ausgestaltet sein. Dazu ist das Kraftfahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebssystem 18 ausgerüstet, das das Kraftfahrzeug 10 über einen Elektromotor (nicht dargestellt) zumindest teilweise elektrisch antreibt.
Die elektrische Energie wird von einer Batterie 14 bereitgestellt. Die Batterie 14 umfasst mehrere Batteriezellen 22 oder Akkumulatorzellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 V. Die Begriffe „Batterie“ und „Batteriezelle“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatorzelle verwendet.
Die Batterie 14 umfasst typischerweise eine oder mehrere Batterieeinheiten, womit eine Batteriezelle 22, ein Batteriemodul, ein Modulstrang oder Batteriepack bezeichnet sein kann. In der Batterie 14 sind die Batteriezellen 22 vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, in der Regel seriell oder zum Teil auch parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).
Die Batterie 14 ist Teil des Batteriesystems 12, das außerdem ein Batteriemanagementsystem 16 umfasst. Das Batteriemanagementsystem 16 umfasst typischerweise ein Hauptsteuergerät (BCU) und mehrere Sensorsteuergeräte (CSC), welche den Batteriemodulen zugeordnet sind.
Jeder Batteriezelle 22 ist eine hier beispielhaft im Zellgehäuse 38 angeordnete Kurzschlusssensorik 20 zugeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Spannungssensor 24, einen Differenzierer 26, einen Auswerter 28, einen Drucksensor 30, sowie eine Kommunikationsvorrichtung 32 aufweist. In alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsformen kann die Kurzschlusssensorik 20 teilweise oder auch ganz außerhalb des Zellgehäuses 38 angeordnet sein. Der Differenzierer 26 ist optional vorhanden. Außerdem kann die Kurzschlusssensorik 20 einen Kondensator 80 (nicht dargestellt) aufweisen, welcher dem Auswerter 28 ein Signal zur Weiterverarbeitung bereitstellt. Dieser Aufbau geht insbesondere aus 4 hervor.
Der Spannungssensor 24 erfasst die Klemmenspannung der Batteriezelle 22. Dem Spannungssensor 24 ist der Differenzierer 26 nachgeschaltet, welcher aus dem Signal der Klemmenspannung ein Signal einer differenzierten Klemmenspannung der Batteriezelle 22 bereitstellt. Der Differenzierer 26 ist von dem Batteriemanagementsystem 16 derart steuerbar, dass dessen Verstärkungsfaktoren eingestellt werden können, insbesondere in Abhängigkeit von der Ruhephase, der Ladephase oder der Betriebsphase der Batterie 14.
Der Differenzierer 26 stellt das Signal der differenzierten Klemmenspannung der Batteriezelle 22 dem Auswerter 28 bereit, welcher aus dem Signal der differenzierten Klemmenspannung der Batteriezelle 22 beispielsweise mittels eines Schwellenwertdetektors Ereignisse 44 detektiert, welche in einem zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgende Flanken aufweisen.
Der Auswerter überträgt detektierte Ereignisse 44 über die Kommunikationsvorrichtung 32 an das Batteriemanagementsystem 16. Das Batteriemanagementsystem 16 weist ebenfalls eine entsprechend eingerichtete Kommunikationsvorrichtung 34 auf.
Der Drucksensor 30 ist in der dargestellten Ausführungsform an den Auswerter 28 angeschlossen und ist vom Batteriemanagementsystem 16 über die Kommunikationsvorrichtungen 32, 34 bevorzugt insbesondere in seiner Abtastrate einstellbar. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen ist der Drucksensor 30 direkt mit der Kommunikationsvorrichtung 32 verbunden, sodass der Auswerter 28 lediglich die Detektion der Ereignisse 44 übernimmt und nicht die Steuerung des Drucksensors 30.
Die Kommunikation der Kurzschlusssensorik 20 mit dem Batteriemanagementsystem 16 erfolgt über einen Kommunikationskanal 36, etwa einen SPI-Bus (Serial Peripheral Interface Bus) oder einen CAN-Bus (Controller Area Network Bus). Vorteilhaft werden bei dem vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen Beschränkungen der Bandbreite der typisch eingesetzten Busse, beispielsweise des CAN-Busses, nicht bedeutsam, da ein Großteil der Auswertung nicht im Batteriemanagementsystem 16 erfolgt, sondern bereits im Auswerter 28 erfolgen kann, welcher der einzelnen Batteriezelle 22 zugeordnet ist. Wenn sämtliche Messwerte über den Kommunikationskanal 36 übertragen werden müssten, wäre eine hohe Zeitauflösung beispielsweise für 100 Batteriezellen 22, welche in Serie miteinander verschaltet sind, nicht möglich.
2a–2d zeigen einen Verlauf der Klemmenspannung U und der Stromstärke I verschiedener Batteriezellen 22 gegen die Zeit t während des Ladevorgangs, wobei der Ladevorgang eine CI-Phase 40 aufweist, bei welcher die Batteriezellen 22 mit einer konstanten Stromstärke beaufschlagt werden, und eine CV-Phase 42, wobei bei Erreichen einer Ladeschlussspannung U_f die Stromstärke reduziert wird. Das Ende der CV-Phase 42 wird durch das Fallen der Stromstärke I unter einen Grenzwert bestimmt, beispielsweise unter 1/10 des Anfangswerts.
In 2a ist die Batteriezelle 22 neuwertig, sodass die Klemmenspannung in der CI-Phase 40 in erster Näherung linear ansteigt und in der CV-Phase 42 konstant bleibt. Der Verlauf der Stromstärke ist in der CI-Phase 40 konstant und in der CV-Phase 42 abfallend.
2b zeigt den Verlauf der Klemmenspannung U und der Stromstärke I einer gealterten Batteriezelle 22. Gegenüber 2a ist feststellbar, dass die CV-Phase 42 verlängert ist. Das Ende der CV-Phase 42 wird auch hier durch das Fallen der Stromstärke I unter einen Grenzwert bestimmt. Die Verlängerung der CV-Phase 42 bildet einen Indikator für die Zellalterung.
In 2c ist der Verlauf der Klemmenspannung U und der Stromstärke I einer Batteriezelle 22 dargestellt, bei welcher die zuvor beschriebenen Ereignisse 44 (Mikrokurzschlüsse) in der CV-Phase 42 auftreten. Beim Auftreten eines Ereignisses 44 in der Batteriezelle 22 bricht die Klemmenspannung U der betroffenen Batteriezelle 22 aus den beschriebenen Gründen kurzzeitig ein. Der Laderegler gleicht den Einbruch der Klemmenspannung durch Erhöhung der Stromstärke aus. Die Erhöhung der Stromstärke führt zu den dargestellten Stromspitzen 48, welche im Prinzip bei allen mit der Batteriezelle 22 verschalteten Batteriezellen 22 auftreten und detektierbar sind.
2d zeigt den Verlauf der Klemmenspannung U und der Stromstärke I einer Batteriezelle 22, bei welcher ein thermisches Durchgehen auftritt. Hier beispielhaft in der CV-Phase 42 erfolgt ein unkontrollierter Anstieg der Klemmenspannung U und ein drastischer Abfall der Stromstärke I.
3 zeigt eine Darstellung der Entwicklung des Zellinnendrucks über die Lebensdauer einer Batteriezelle 22.
In einem ersten Lebensabschnitt 50 erfolgt ein stetiger Anstieg des Zellinnendrucks P durch zyklische und kalendarische Alterung der Batteriezelle 22. Ein zweiter Lebensabschnitt 52 zeigt das Verhalten einer gealterten Batteriezelle 22. Der Druckanstieg ist hier ebenso stark ausgebildet wie im ersten Lebensabschnitt 50. Im zweiten Lebensabschnitt 52 wäre auch ein stärkerer Druckanstieg möglich. In einem dritten Lebensabschnitt 54 treten Ereignisse 44 auf, welche mit einem spontanen Druckanstieg 58 verbunden sind und welche mit den Maßnahmen der Erfindung detektiert werden. In einem vierten Lebensabschnitt 56 der Batteriezelle 22 ist das thermische Durchgehen dargestellt, bei welchem ein starker Anstieg des Zellinnendrucks P feststellbar ist, auf welche mit bekannten Methoden reagiert werden kann.
4 zeigt ein Schaltbild zur Simulation eines Ereignisses 44 mit Hilfe eines Schalters 74. Dargestellt ist eine Batteriezelle 22 und ein Kondensator 80, wobei die Batteriezelle 22 und der Kondensator 80 zueinander parallel geschaltet sind. Bei einem Kurzschluss ist der Schalter 74 geschlossen.
Im geöffneten Zustand des Schalters 74 wird die Batteriezelle 22 durch ein Ersatzschaltbild 60 dargestellt, welches ein RC-Glied 76, einen in Reihe geschalteten Widerstand 68, zwei in Reihe geschaltete Induktivitäten 66, 78 und eine in Reihe geschaltete Spannungsquelle 64 umfasst. Das RC-Glied 76 weist einen Widerstand 70 und einen Kondensator 72 auf, welche zueinander parallel geschaltet sind. Da der Kurzschluss an beliebiger Position in der Batteriezelle 22 auftreten kann, ist der Schalter 74 zwischen den zwei Induktivitäten 66, 78 angeordnet. Der Schalter 74 ist dabei in einem Zweig zwischen den Induktivitäten 66, 78 und der Masse angeordnet.
Zum Zweck der Simulation des internen Kurzschluss sind im Zweig des geschlossenen Schalters 74 eine Spannungsquelle 75 und ein parallel dazu geschalteter Widerstand 77 angeordnet.
Zu Simulationszwecken wurde eine Dimensionierung der Bauteile wie folgt angenommen:
Widerstand 68: 0,5 mΩ
Erste Induktivität 66: 10 nH
Widerstand 70: 0,5 mΩ
Kondensator 72: 35 F
Widerstand 77: 1Ω
Zweite Induktivität 78: 10 nH
Kondensator 80: 1000 pF
Die Werte stellen für eine Batteriezelle 22, welche in einem Kraftfahrzeug 10 eingesetzt wird, typische Werte dar. Sie können jeweils auch um einen Faktor 10 bis 100 abweichen.
5a und 5b zeigen beispielhaft den Verlauf einer Stromstärke und einer Spannung bei einem Ereignis 44, welches bei dem in 4 dargestellten System mit der Batteriezelle 22 und Kondensator 80 simuliert wurde.
Im in 5a dargestellten Stromverlauf ist über einen Zeitraum von ca. 1,2 µs ein Ausschlag in Höhe von etwas weniger als 4 A dargestellt, was einer Aktivierung des Schalters 74 entspricht. Mit einer ersten, steigenden Stromflanke 82 ist erster Ausschlag 84 der in 5b dargestellten Spannung verknüpft, welcher in der Größenordnung von etwa 1 bis 3 V liegt. Mit einer zweiten, abfallenden Stromflanke 86 ist ein zweiter Ausschlag 88 der Klemmenspannung zu beobachten, worauf eine gedämpfte Oszillation folgt. Zwar erfolgt zum ersten Ausschlag 84 ebenfalls eine Oszillation, aufgrund eines durch die Überbrückung entstehenden Widerstands ist diese aber derart stark gedämpft, dass keine weiteren Nulldurchgänge sichtbar sind.
Die Oszillation am zweiten Ausschlag 88 wird mit Hilfe des Auswerters 28 detektiert. Der Auswerter 28 umfasst hierzu einen schmalbandigen Detektor, beispielsweise einen linear arbeitenden Hochfrequenzverstärker, einen Überlagerungsempfänger oder einen digital arbeitenden frequenzselektiven Empfänger.
Die Erfindung ist nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20130122332 A1 [0005]
DE 102006000086 A1 [0006]
DE 102008062656 A1 [0007]
DE 102011077448 A1 [0008]
US 2013/0122332 A1 [0030]

Claims

Verfahren zur Erkennung von Anomalien einer Batteriezelle (22), wobei von einer Kurzschlusssensorik (20) in einem Signal einer Klemmenspannung der Batteriezelle (22) Ereignisse (44) detektiert werden, welche in einem zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgende Flanken aufweisen, und wobei von der Kurzschlusssensorik (20) detektierte Ereignisse (44) an ein Batteriemanagementsystem (16) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilisierung der Ereignisse (44) eine Messung des Innendrucks der Batteriezelle (22) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (16) die Kurzschlusssensorik (20) zur Detektion der Ereignisse (44) in einem Zustand der Ladephase, in einem Zustand der Ruhephase und in einem Zustand der Betriebsphase mit unterschiedlichen Parametern betreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in der Ruhephase detektierten Ereignis (44) das Batteriemanagementsystem (16) eine Anomalie der Batteriezelle (22) ausschließt, wenn ein gleichzeitiger Spannungseinbruch (46) zumindest einer weiteren Batteriezelle (22) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in der Ladephase detektierten Ereignis (44) das Batteriemanagementsystem (16) eine Anomalie der Batteriezelle (22) erkennt, wenn gleichzeitig bei zumindest einer weiteren Batteriezelle (22) eine Spannungsspitze der Klemmenspannung ermittelt wird.
Kurzschlusssensorik (20) zur Erkennung einer Anomalie einer Batteriezelle (22), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Spannungssensor (24) und einem Auswerter (28), wobei der Auswerter (28) dazu eingerichtet ist, Ereignisse (44) im Signal einer Klemmenspannung der Batteriezelle (22) mit im zeitlichen Abstand von Mikrosekunden aufeinander folgenden Flanken zu detektieren, und mit einer Kommunikationsvorrichtung (32), welche zur Kommunikation vom Auswerter (28) detektierter Ereignisse (44) an ein Batteriemanagementsystem (16) eingerichtet ist.
Kurzschlusssensorik (20) nach Anspruch 6, mit einem Drucksensor (30) zur Erfassung eines Zellinnendrucks.
Kurzschlusssensorik (20) nach Anspruch 6 oder 7, mit einem Differenzierer (26), welcher ein Signal einer differenzierten Klemmenspannung der Batteriezelle (22) bereitstellt.
Kurzschlusssensorik (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerter (28) einen Schwellenwertdetektor aufweist.
Kurzschlusssensorik (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, mit einem zur Batteriezelle (22) parallel geschalteten Kondensator (80).
Kurzschlusssensorik (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerter (28) einen schmalbandigen Detektor aufweist.
Batteriesystem (12) mit mehreren Batteriezellen (22) und Kurzschlusssensoriken (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, die jeweils den Batteriezellen (22) zugeordnet sind, und mit einem Batteriemanagementsystem (16), das eingerichtet ist, anhand von detektierten Ereignissen (44) Anomalien der Batteriezellen (22) zu ermitteln.