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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Erkennung einer Manipulation einer Zelle eines elektrischen Energiespeicherverbundes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Vermeidung zusätzlich erforderlicher Hardware für die Manipulationserkennung.
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Für die Traktionsbatterien elektrisch angetriebener Fortbewegungsmittel und anderer Mobileinheiten sind große und mitunter kostspielige Energiespeicher erforderlich. Insbesondere werden elektrochemische Energiespeicher verwendet, welche mehrere elektrochemische Speicherzellen enthalten, welche häufig wiederum zu Zellmodulen partitioniert sind. Der wirtschaftliche Wert eines solchen elektrochemischen Energiespeichers (z. B. eine Hochvolt(HV)-Traktionsbatterie) bedingt das Risiko eines Diebstahls zur Wertsteigerung älterer Fahrzeuge. Insbesondere muss verhindert werden, dass ganze HV-Batterien oder einzelne Zellmodule unautorisiert aus einem ersten Fahrzeug in ein anderes Fahrzeug verbracht werden können. Im Stand der Technik sind so genannte Komponenten-Schutzsysteme für elektronische Steuergeräte bereits im Serieneinsatz vieler Automobilhersteller. Weiterhin gibt es schon Diebstahlschutzsysteme, welche die Integrität elektrischen Verbindungen zwischen Bordnetzkomponenten überwachen.
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DE 10 2011 018 265 A1 offenbart eine elektrische Speichereinheit mit integrierter elektronischer Vorrichtung. Sie weist eine Überwachungselektronik auf, mittels welcher Manipulationsversuche verhindert werden können. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass mechanische Zugriffe auf die Vorrichtung ausschließlich durch autorisierte Werkstätten oder den Hersteller erfolgen können.
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DE 10 2010 050 803 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschätzen der Batterieverschlechterung in einem Fahrzeugbatteriesatz. Über einen Zeitbasis-Algorithmus und einen Ereignisbasis-Algorithmus werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten Batteriekenngrößen ermittelt und auf Basis dieser die Batterieverschlechterung im Fahrzeugbatteriesatz abgeschätzt.
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DE 10 2011 120 238 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie, wobei eine Manipulation der Batterie im Ansprechen auf geänderte elektrische Kenngrößen erkannt wird. Beim Erfassen der elektrischen Kenngrößen sollen Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. So kann sichergestellt werden, dass eine spontane Änderung der elektrischen Eigenschaften der Batterie oder einzelner Batteriezellen, welche beispielsweise auf sich ändernde Umgebungsbedingungen zurückzuführen sind, nicht fälschlicherweise als Indikator für einen unautorisierten Austausch von Batteriezellen interpretiert wird.
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US 2007/0229026 A1 offenbart ein Batteriemodul, bei welchem eine Manipulation im Ansprechen auf eine Änderung unterschiedlicher elektrischer Kenngrößen (z.B. eine Kapazität) erkannt wird.
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Im Stand der Technik sind keine Verfahren oder Systeme bekannt, mittels welcher Manipulationen durch unautorisierte Personen an einem Energiespeicherverbund ohne den Einsatz eigens hierzu erforderlicher Hardware erkannt werden kann. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorstehend identifizierten Bedarf zu stillen. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erkennung einer Manipulation einer Zelle oder mehrerer Zellen eines elektrischen Energiespeicherverbundes gelöst. Der elektrische Energiespeicherverbund kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, insbesondere eine Hochvolt-Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmittels, sein. Entsprechend kann auch die Zelle eine elektrochemische Speicherzelle sein.
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In einem ersten Schritt wird eine elektrische Kenngröße eines Zellmoduls, enthaltend mindestens eine Zelle, erfasst. Das Zellmodul kann als Ordnungseinheit innerhalb des Energiespeicherverbundes verstanden werden. Beispielsweise kann der Energiespeicherverbund ein oder mehrere Zellmodule enthalten. Entsprechend kann das Zellmodul wiederum eine oder mehrere Zellen zur Speicherung elektrischer Energie umfassen. Das Erfassen kann beispielsweise als ein Messvorgang verstanden werden, bei welchem elektrische Kenngrößen an den elektrischen Anschlüssen der Zelle bzw. des Zellmoduls ermittelt werden. Aus diesem können wiederum Werte abgeleitet werden, welche die Kapazität, den Innenwiderstand oder andere, insbesondere alterungsbedingte, Kenngrößen repräsentieren. Zusätzlich wird ein Speicherwert, repräsentierend die elektrische Kenngröße des Zellmoduls bzw. der Zelle, zu einem früheren Zeitpunkt ausgelesen. In dem verwendeten Speichermittel ist sozusagen eine mindestens einen Wert umfassende Historie der elektrischen Kenngröße abgelegt. Dies kann insbesondere ein zuletzt erfolgreich ermittelter Wert sein. Anschließend wird die elektrische Kenngröße mit dem Speicherwert verglichen. Da die elektrischen Kenngrößen elektrischer Zellen im Wesentlichen einer kontinuierlichen Veränderung unterliegen, kann im Ansprechen auf eine Abweichung der elektrischen Kenngröße von dem Speicherwert um einen vordefinierten Schwellenwert eine Manipulation des Energiespeicherverbundes erkannt werden. Mit anderen Worten kann ein Austausch zumindest einer Zelle des Zellmoduls anhand sprunghaft veränderter elektrischer Kenngrößen festgestellt werden. Dies ermöglicht eine Verwendung im Stand der Technik ohnehin ermittelter elektrischer Kenngrößen zur Erkennung einer Manipulation des Energiespeicherverbundes. Sofern eine solche Manipulation nicht durch eine vor unerlaubtem Zugriff geschützte Datenspeicherinstanz bestätigt oder dokumentiert wird, kann diese Manipulation als unautorisiert erkannt werden. Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht eine kostengünstige Implementierung eines Diebstahl- und/oder Manipulationsschutzes. Da die elektrischen Kenngrößen der Zelle mitunter von Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen abhängig variieren, kann eine jeweilige Betriebsbedingung zu der im Speicher abgelegten elektrischen Kenngröße abgespeichert werden, um beim späteren Vergleich mit einem aktuell ermittelten Messwert die vorgenannte Abhängigkeit berücksichtigen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann bereits vor dem Abspeichern der elektrischen Kenngröße dieselbe auf eine Referenzbedingung normiert und erst anschließend abgespeichert werden. Somit kann beispielsweise eine Zell-Temperatur oder ein aktueller Belastungszustand des Energiespeicherverbundes berücksichtigt werden, ohne dass für den Vergleich zunächst identische Bedingungen hergestellt werden müssen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Schwellenwert kann beispielsweise ein minimaler Betrag der Änderung der elektrischen Kenngröße sein. Mit anderen Worten wird die Sprunghöhe (positiv oder negativ) der elektrischen Kenngröße durch den Schwellenwert repräsentiert, welche im Verlauf des normalen Betriebes ein- und derselben betrachteten Speichereinheit gerade noch auftreten kann. Wird diese Sprunghöhe überschritten, wird erfindungsgemäß von einer Manipulation des Energiespeicherverbundes ausgegangen.
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Im Ansprechen auf eine erkannte unerlaubte Manipulation kann beispielsweise ein Fehlersignal ausgegeben und/oder ein Fehlerspeichereintrag in einen Fehlerspeicher geschrieben werden. Auf diese Weise kann die erkannte Manipulation durch Auslesen des Fehlerspeichereintrags bzw. durch Empfangen des Fehlersignals nachgewiesen werden. Weiterhin kann auch eine Sperrung von Funktionen innerhalb der HV-Batterie erfolgen (z.B. automatisches Öffnen der Schütze oder Reduzierung der freigegeben Lade-/Entladeleistung).
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Bevorzugt kann festgestellt werden, dass seit dem Ablegen des Speicherwertes eine elektrische Verbindung zu der Zelle bzw. zum Zellmodul unterbrochen war, eine vordefinierte Zeitdauer verstrichen ist, eine vordefinierte Temperaturänderung erfasst wurde oder ein vordefinierter Belastungszustand oder Abnutzungszustand des Energiespeicherverbundes erkannt wurde. Im Ansprechen auf das Feststellen der vorgenannten Ereignisse kann das vorstehend beschriebene Verfahren angestoßen werden, um entweder eine Manipulation seit dem Ablegen des Speicherwertes zu erkennen und/oder eine Aktualisierung des abgelegten Speicherwertes vorzunehmen bzw. einen zusätzlichen Speicherwert im Speicher abzulegen. Auf diese Weise kann einerseits verhindert werden, dass die erfindungsgemäße Erkennung unnötig oft durchgeführt wird, sodass Rechenleistung des Systems eingespart werden kann. Andererseits kann eine möglichst reale Instanz des Speicherwertes im Speicher gepflegt werden, um eine irrtümliche Erkennung einer Manipulation durch zu stark voneinander abweichende elektrische Kenngrößen zweier unterschiedlicher Zeitpunkte zu provozieren.
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Das Verfahren kann für eine Zelle, zwei Zellen, ein Modul (technische und/oder organisatorische Einheit einer oder mehrerer Zellen), zwei Module oder beliebige ganzzahlige Vielzahlen der in dem Energiespeicherverbund enthaltenen Zellen bzw. Module nacheinander oder zeitgleich durchgeführt werden. Je nachdem, welche elektrische Kenngröße untersucht wird, kann so eine geeignete Erfassung einer Reaktion der jeweiligen Zelle bzw. des jeweiligen Moduls erfolgen.
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Als elektrische Kenngröße kommen grundsätzlich sämtliche über Klemmengrößen einer elektrischen Zelle ermittelbare Signale in Betracht. Beispielsweise kann eine Klemmenspannung und/oder ein Ladezustand (engl. „state of charge“, SOC) und/oder ein Gesundheitszustand (engl. „state of health“, SOH) und/oder eine elektrische Kapazität und/oder ein Innenwiderstand der Zelle oder einer anderen betrachteten Einheit (s.o.) aufgenommen, untersucht und mit einem zu einem früheren Zeitpunkt abgelegten Speicherwert verglichen werden. Weiterhin können Messwerte weiterer zusätzlicher zellnah verbauter Sensoren (z.B. Temperatursensoren) in die Berechnung eingezogen werden. Als Berechnungsgrundlage können Zell-/Batteriemodelle berücksichtigt werden, die die Eigenschaften der Zellen nachbilden. Da die vorgenannten Beispiele für elektrische Kenngrößen einer im Wesentlichen stetigen Veränderung über der Zeit (z.B. durch Alterungsprozesse) unterliegen, kann eine stufenförmige (unstetige) Veränderung einer oder mehrerer der vorgenannten Kenngrößen auf eine Manipulation des Energiespeicherverbundes schließen lassen. In Anbetracht der Tatsache, dass die vorgenannten Kenngrößen sämtlich oder einzeln oder in beliebigen Kombinationen durch im Stand der Technik bekannte Energiespeicherverwaltungseinheiten beispielsweise zur Unterstützung von Zellausgleichsvorgängen (Balancing) ermittelt werden, können bereits im Stand der Technik durchgeführte Verfahrensschritte erfindungsgemäß gleich mehrfach verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt also ohne den Austausch eines Schlüssels bzw. einer Seriennummer o. ä. Informationen zwischen einer Zelle, einem Zellmodul und einem Energiespeicherverbund mit einer Vorrichtung zur Manipulationsüberprüfung aus. Lediglich elektrische Eigenschaften der Zellen werden überprüft und mit historischen Werten verglichen. Kostenaufwändige, zusätzliche Hardware ist nicht erforderlich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erkennung einer Manipulation eines elektrischen Energiespeicherverbundes vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst ein Messmittel zum Erfassen einer elektrischen Kenngröße eines Zellmoduls, enthaltend mindestens eine Zelle. Die Zelle bzw. das Zellmodul kann zur elektrochemischen Speicherung der Energie eingerichtet sein. Ein Datenspeichermittel hält einen Speicherwert, repräsentierend die elektrische Kenngröße der Zelle, zu einem früheren Zeitpunkt bereit. Diese kann beispielsweise ebenfalls durch das vorgenannte Messmittel ermittelt und abgespeichert worden sein. Zusätzlich ist eine Auswerteeinheit (z. B. ein Mikrocontroller, ein Nanocontroller, ein programmierbarer Prozessor o. ä.) vorgesehen, welcher eingerichtet ist, einen Speicherplatz, repräsentierend die elektrische Kenngröße der Zelle, zu einem früheren Zeitpunkt aus dem Speichermittel auszulesen, die elektrische Kenngröße mit dem Speicherwert zu vergleichen und im Ansprechen auf eine Abweichung der elektrischen Kenngröße von dem Speicherwert um einen vordefinierten Schwellenwert eine Manipulation des Energiespeicherverbundes zu erkennen. Die vorstehend definierte Vorrichtung kann beispielsweise als Batteriemanagement-Controller (BMC oder BMS) ausgestaltet sein. In diesem Fall sind entsprechende Messleitungen zwischen dem BMC und den Zellmodulen bzw. den Zellen vorzusehen. Alternativ kann die Vorrichtung einen auf einem Zellmodul bzw. in einem Zellmodul vorgesehenen Zellcontroller verwenden, über welchen die elektrischen Kenngrößen ermittelt und beispielsweise über Datenleitungen und/oder eine Busverbindung zur Verfügung gestellt werden. Unabhängig von der räumlichen Anordnung der in der Vorrichtung enthaltenen Komponenten kann somit eine kostengünstige und bauraumoptimierte Lösung für einen Komponentenschutz eines Energiespeicherverbundes realisiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeicherverbund vorgeschlagen, welcher ein Zellmodul mit mindestens einer Zelle und einer Vorrichtung entsprechend dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Mit anderen Worten umfasst der Energiespeicherverbund die Messmittel, die Datenspeichermittel und die Auswerteeinheit, um eine Manipulation an einer seiner Zellen zu erkennen. Ein gattungsgemäßer Energiespeicherverbund wird häufig in einem Batteriegehäuse zusammengefasst. Sofern die Vorrichtung eine Manipulation an einer der Zellen feststellt, kann sie auch an eine übergeordnete Auswerteeinheit (z. B. ein Batteriemanagementcontroller eines Bordnetzes eines Fortbewegungsmittels) entsprechende Informationen senden. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Information auch direkt an einen häufig ohnehin vorgesehenen Komponentenschutz-Master gesendet werden.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches beispielsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sein kann. Das Fortbewegungsmittel umfasst in diesem Fall bevorzugt eine Traktionsbatterie als erfindungsgemäßer Energiespeicherverbund und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Manipulation des elektrischen Energiespeicherverbundes entsprechend dem zweitgenannten bzw. drittgenannten Erfindungsaspekt. Auf diese Weise verwirklicht auch das erfindungsgemäße Fortbewegungsmittel die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile der vorstehend genannten Erfindungsaspekte, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
- 1 eine schematische Ansicht auf Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeicherverbundes in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels;
- 2 eine schematische Ansicht auf Komponenten eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeicherverbundes;
- 3 ein Kapazitäts-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines Kapazitätssprungs im Zuge einer Manipulation einer Zelle und
- 4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, welcher elektrisch antreibbar ist. Hierzu wird das Bordnetz 13 aus einer Traktionsbatterie 2 als elektrischer Energiespeicherverbund gespeist. An der Außenseite ihres Gehäuses weist die Traktionsbatterie 2 zwei elektrische Pole 9 auf. Innerhalb des Gehäuses sind zwei Module 12 (gestrichelt umrandet) umfassend eine Vielzahl elektrischer Zellen 1 angeordnet. Sensorleitungen 7 verbinden die Zellen 1 mit einem Mikrocontroller 3 als Auswerteeinheit, welcher wiederum informationstechnisch mit einem Datenspeicher 4 als Speichermittel verbunden ist. Elektrisch sind die Zellen 1 der Traktionsbatterie 2 über elektrische Leitungen 8 miteinander verbunden. Über die Sensorleitungen 7 ist der Mikrocontroller 3 im Stande, beispielsweise eine Kapazität und/oder einen Innenwiderstand als elektrische Kenngröße der Zellen 1 zu ermitteln und mit in dem Datenspeicher 4 abgelegten Referenzgrößen für die jeweilige Kenngröße zu vergleichen.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie 2 als Energiespeicherverbund. Jede der dargestellten Zellen 1 weist einen Zellcontroller 14 auf, welcher über eine jeweilige Datenleitung 11 mit dem Mikrocontroller 3 verbunden ist. Der Zellcontroller 14 ist eingerichtet, eine aktuelle Kapazität, einen aktuellen Innenwiderstand sowie eine Zelltemperatur zu ermitteln und an den Mikrocontroller 3 zu melden. Nach einem Abgleich mit dem im Datenspeicher 4 bereits zu einem früheren Zeitpunkt abgespeicherten Referenzwerten kann der Mikrocontroller 3 eine Manipulation des elektrischen Energiespeicherverbundes 2 erkennen und über einen Datenbus 6 einem Komponentenschutz-Master 5 melden. Der Komponentenschutz-Master 5 kann seinerseits auf einen (nicht dargestellten) gesicherten („zugriffsgeschützten“) Datenspeicher zugreifen, in welchem autorisiertes Personal unter vorheriger Eingabe einer Zugangsberechtigungskennung durchgeführte Wartungsarbeiten dokumentieren kann. Kann eine vom Mikrocontroller 3 gemeldete Manipulation nicht einer der wie dokumentiert durchgeführten Wartungsarbeiten zugeordnet werden, meldet der Komponentenschutz-Master 5 einen Fehler und hinterlegt in dem gesicherten Datenspeicher einen Fehlerspeichereintrag ab, welcher beim nächsten Werkstattbesuch ausgelesen werden kann. Eine unautorisierte Manipulation des elektrischen Energiespeicherverbundes 2 kann somit erkannt und geahndet werden. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die in den 1 und 2 jeweils in Verbindung miteinander offenbarten Merkmale miteinander kombiniert werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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3 zeigt ein Kapazitäts-Zeit-Diagramm für einen Energiespeicherverbund 2, bei welchem zum Zeitpunkt t0 eine gealterte elektrochemische Zelle gegen eine neue elektrochemische Zelle ausgetauscht worden ist. Nach einem Unterbrechen der elektrischen Leitungen wird ab dem Zeitpunkt t0 eine um den Wert ΔC erhöhte elektrische Kapazität ermittelt. Sofern ΔC größer als ein im Datenspeicher für die Zelle hinterlegter Referenzwert ist, wird eine Manipulation erkannt. Zusätzlich zeigt 3 geringfügige Schwankungen im Verlauf des Betriebes einer jeweiligen Zelle, welche auf temperatur- und betriebszustandsbedingte Einflüsse zurückzuführen sind.
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4 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Manipulation eines Moduls, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle eines elektrischen Energiespeicherverbundes. In Schritt 100 werden eine aktuelle Temperatur des Moduls sowie eine elektrische Kenngröße an seinen elektrischen Klemmen ermittelt. In Schritt 200 wird die elektrische Kenngröße in Verbindung mit dem ermittelten Temperaturwert in einen Datenspeicher abgelegt. Zu einem späteren Zeitpunkt wird in Schritt 300 festgestellt, dass eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung mit dem Zellmodul stattgefunden hat. Zur Überprüfung einer etwaigen Manipulation des Zellmoduls werden in Schritt 400 erneut die Temperatur und eine elektrische Kenngröße des Moduls ermittelt. In Schritt 500 wird die korrespondierende elektrische Kenngröße in Verbindung mit dem abgelegten Temperaturwert aus dem Datenspeicher ausgelesen. Über eine ebenfalls im Datenspeicher hinterlegte mathematische Funktion für die Abhängigkeit der elektrischen Kenngröße von der Temperatur werden die elektrischen Kenngrößen auf eine gemeinsame Referenztemperatur umgerechnet. Anschließend werden die umgerechneten elektrischen Kenngrößen in Schritt 600 miteinander verglichen. Ist eine Abweichung der umgerechneten elektrischen Kenngrößen voneinander größer als ein vordefinierter Betrag eines Schwellenwertes, wird in Schritt 700 eine Manipulation des Moduls erkannt und, sofern kein autorisierter Wartungsvorgang die Schwellenwertüberschreitung rechtfertigt, in Schritt 800 ein Fehlersignal ausgegeben.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Energiespeicherverbund
- 3
- Mikrocontroller
- 4
- Datenspeicher
- 5
- Komponentenschutz-Master
- 6
- Datenbus
- 7
- Sensorleitungen
- 8
- Elektrische Leitungen
- 9
- Elektrische Anschlüsse
- 10
- Pkw
- 11
- Datenleitung
- 12
- (Zell-)Modul
- 13
- Bordnetz
- 14
- Zellcontroller
- 100 -
- 800 Verfahrensschritte
- C
- Kapazität
- ΔC
- Kapazitätsabweichung
- t
- Zeit
- t0
- Zeitpunkt des Zellwechsels
