DE102014221471A1

DE102014221471A1 - Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014221471A1
Application number: DE102014221471.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Eifert; Eckard Karden
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: DE102014221471B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, bei dem die interne Temperatur der Batterie ermittelt und überwacht wird. Dabei wird die interne Temperatur (T) der Batterie in definierten Intervallen zu verschiedenen Zeitpunkten (k) ermittelt und einer Auswerteeinheit übermittelt, welche wenigstens aus den Temperaturwerten (T1, T2) kontinuierlich einen Temperaturgradienten (TGrad) bestimmt, indem sie die Temperaturveränderung (ΔT) in einem Intervall durch die Zeitveränderung (Δt) in diesem Intervall dividiert. In der Auswerteeinheit ist wenigstens ein Grenzwert (S1) für den Temperaturgradienten (TGrad) hinterlegt, wobei die Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, wenn der durch die Auswerteeinheit bestimmte Temperaturgradient (TGrad) diesen Grenzwert (S1) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, bei dem die interne Temperatur der Batterie ermittelt und überwacht wird.
Bei der Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator, der den elektrischen Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors liefert. Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, welche für den Antrieb des Fahrzeugs dient, wird dagegen als Traktionsbatterie bezeichnet. Ergänzend können Elektrofahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge auch eine Starterbatterie aufweisen. Als Batterien können beispielsweise Bleiakkumulatoren oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt werden, welche jedoch im Folgenden auch als Bleibatterien oder Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet werden.
Wenn Bleibatterien bzw. Bleiakkumulatoren altern und beispielsweise aufgrund von internen Kurzschlüssen oder anderen Mechanismen anfangen zu „gasen“, erhöht sich üblicherweise ihre Temperatur. Dies kann bei stark erhöhten Temperaturen dazu führen, dass das Elektrolyt zu kochen beginnt und aus der Batterie entweicht. Auch wenn Lithium-Ionen-Batterien bzw. Lithium-Ionen-Akkumulatoren geschädigt sind, können diese aufgrund interner Reaktionen oder Stromflüsse ebenfalls extrem heiß werden. In jedem Fall können so entstehender säurehaltiger Dampf, Wasserdampf und/oder Rauch ein potenzielles Sicherheitsrisiko für Personen darstellen, oder zumindest ein Grund für Kundenunzufriedenheit sein, da solche Batterien unangenehme Gerüche verbreiten. Dies ist insbesondere im Bereich der Steckdosen-Elektrofahrzeuge oder Steckdosen-Hybridfahrzeuge (Plug-In-Fahrzeuge) kritisch. Diese sind beim Ladevorgang der Batterie oftmals für eine längere Zeit unbeaufsichtigt, wenn sich nachts in eine Garage aufgeladen werden.
Außerdem kann bei Batterien, welche die genannten Symptome zeigen, davon ausgegangen werden, dass sie voraussichtlich in absehbarer Zeit ausfallen werden. Dieser Ausfall an Funktionalität einer Batterie und damit eines Fahrzeugs sollte unbedingt vermieden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Fahrer oder Servicepersonal früh genug auf einen bevorstehenden Batterieausfall aufmerksam gemacht wird. Hierzu muss der Zustand der Batterie überwacht werden, was anhand verschiedener Parameter erfolgen kann.
Um einen Batterieausfall festzustellen, kann beispielswiese die Batterietemperatur überwacht werden, da sie ein Indikator für den Zustand der Batterie ist. Dies erfolgt typischerweise mit einem konventionellen Polnischensensor, der als Batterieüberwachungssensor (Battery Monitoring Sensor – BMS) dient. Erreicht die mit diesem Sensor gemessene Temperatur beispielsweise einen bestimmten Grenzwert, wird von einem kritischen Zustand der Batterie ausgegangen.
Die Batterietemperatur kann bei der Bestimmung des Verschleißes einer Batterie jedoch auch auf andere Arten herangezogen werden. Beispielsweise offenbart die EP 1 387 177 A2 ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißes eines elektrochemischen Energiespeichers, bei dem eine Verschleißgröße über die Zeit in Abhängigkeit von der Batterietemperatur bestimmt wird. Die Verschleißgröße wird dabei als Summe über die Zeit von temperaturabhängigen Verschleißbeträgen bestimmt, wobei die Werte der Verschleißbeträge mit steigender Batterietemperatur überproportional ansteigen. So soll der überproportionale Einfluss steigender Batterietemperaturen auf den Verschleiß der Batterie berücksichtigt werden.
Fahrzeugsysteme im tiefen Niederspannungsbereich (14 ... 48V) sind üblicherweise von elektrischen Antriebssystemen, wie man sie in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen findet, getrennt. In solchen Niederspannungssystemen ist eine Batterieüberwachung jedoch nicht üblich. Aufgrund von einem geänderten Benutzerverhalten insbesondere in Bezug auf das unbeaufsichtigte Laden von Batterien von Fahrzeugen über Nacht in einer Garage hat die Batterieüberwachung jedoch neue Bedeutung gewonnen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie über ihre Temperatur bereitzustellen, das sich insbesondere zur Überwachung von Batterien für Niederspannungssysteme eignet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–10.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, wobei die interne Temperatur der Batterie ermittelt und überwacht wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die interne Temperatur (T) der Batterie in definierten Intervallen zu verschiedenen Zeitpunkten (k) ermittelt und einer Auswerteeinheit übermittelt wird, welche wenigstens aus den Temperaturwerten (T1, T2) kontinuierlich einen Temperaturgradienten (T_Grad) bestimmt, indem sie die Temperaturveränderung (ΔT) in einem Intervall durch die Zeitveränderung (Δt) in diesem Intervall dividiert. In der Auswerteeinheit ist wenigstens ein Grenzwert (S1) für den Temperaturgradienten (T_Grad) hinterlegt, und die Auswerteeinheit erzeugt ein Alarmsignal, wenn der durch die Auswerteeinheit bestimmte Temperaturgradient (T_Grad) diesen Grenzwert (S1) erreicht.
Die Temperaturwerte können der Auswerteeinheit beispielsweise von einem Sensor direkt oder indirekt übermittelt werden. Ferner muss die Auswerteeinheit kein eigenständiges Modul sein, sondern ihre Funktionalität kann auch durch das Zusammenwirken mehrerer Einzelmodule gebildet werden. Das von der Auswerteeinheit erzeugte Alarmsignal kann dabei auf verschiedene Arten verarbeitet werden. Beispielsweise kann es eine Art Flag aktivieren, der dann auf unterschiedliche Arten vom System berücksichtigt werden kann.
Das Verfahren wird vorzugsweise während eines Ladevorgangs der Batterie eingesetzt. Ferner kann die Batterie Teil eines Niederspannungssystems eines Kraftfahrzeugs sein, das Verfahren ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsbereich beschränkt.
Ein Alarmsignal der Auswerteeinheit signalisiert ein irreguläres Laden der Batterie. Daraus kann ferner auf einen geschädigten Zustand der Batterie geschlossen werden, bei dem einerseits die Ladefähigkeit der Batterie vermindert ist, es aber auch zu den genannten Effekten wie Austritt von säurehaltigem Dampf, Wasserdampf und/oder Rauch kommen kann. Dieser Zustand wird auch als „degraded battery“ bezeichnet.
Die interne Temperatur (T) der Batterie kann dabei auf unterschiedliche Arten ermittelt werden, wobei sie üblicherweise nur geschätzt wird. Mit „interner Temperatur“ der Batterie wird somit für diese Erfindung auch eine Temperatur bezeichnet, die nur näherungsweise der Temperatur im Innern der Batterie entspricht. Dabei kann beispielsweise die gemessene Temperatur eines Temperatursensors an einem Pol der Batterie verwendet werden, um daraus indirekt auf die interne Batterietemperatur zu schließen. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Ermittlung bzw. Schätzung der internen Batterietemperatur zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann es sich hierbei um Modelle handeln, welche Temperaturen in der näheren Umgebung der Batterie verwenden.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Temperatursignale vor der Bestimmung des Temperaturgradienten (T_Grad) durch die Auswerteeinheit aufbereitet bzw. konditioniert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das System so besser vor Signalstörungen zwischen dem Sensor oder einem Kommunikationsnetzwerk und der Auswerteeinheit oder innerhalb einer Verkabelung geschützt werden kann. Derartige Störungen könnten ansonsten kurzfristige Messfehler bewirken, und eine daraus resultierende, fehlerhafte Temperaturgradientenbestimmung könnte zu Fehlalarmen führen.
Vorzugsweise sieht die Aufbereitung der Temperaturdaten dabei insbesondere vor, dass der Mittelwert der Temperaturwerte in einem definierten Überwachungsintervall T_Monitor berechnet wird, wobei bei dieser Mittelwertberechnung nur die Temperaturwerte berücksichtigt werden, die zwischen ein absolutes Maximum und ein absolutes Minimum fallen. Ferner wird ein abwegiger, d.h. ausreißender Temperaturwert abgelehnt und nicht bei der Mittelwertberechnung verwendet, wenn die Änderung der Temperatur zwischen zwei aufeinander folgenden Temperaturwerten innerhalb des Überwachungsintervalls T_Monitor einen definierten Grenzwert überschreitet. Diese Aufbereitung der Temperaturdaten in Form einer gleitenden Mittelwertberechnung verhindert, dass unwahrscheinliche Temperaturwerte, die auf einen Messfehler schließen lassen, bei der nachgeschalteten Bestimmung des Temperaturgradienten berücksichtigt werden. Eine Mittelwertberechnung könnte jedoch auch ohne eine derartige Bedingung durchgeführt werden.
Die Aufbereitung kann ferner ergänzt werden durch die Vorgehensweise, dass als abwegig bewertete und abgelehnte Temperaturwerte für die Mittelwertberechnung dennoch verwendet werden, wenn die Zeit, innerhalb der Temperaturwerte fortlaufend abgewiesen wurden, einen definierten Grenzwert erreicht. Auf diese Weise kann der Temperaturgradient berechnet und korrigiert werden, falls sich die Temperatur wirklich geändert hat, auch wenn verfälschte Temperaturdaten es über einen langen Zeitraum verhindert hatten, diese Veränderung zu registrieren.
Bei einer Überwachung der Batterietemperatur beispielsweise über einen Polnischensensor ist jedoch zu beachten, dass eine Erhöhung der dort gemessenen Temperatur durch verschiedene Einflüsse bewirkt werden kann. Sie kann einerseits auf eine interne Erwärmung der Batterie zurückgeführt werden, was für eine geschwächte bzw. geschädigte Batterie spricht. Sie kann jedoch auch teilweise oder vollständig durch externe Wärmequellen verursacht sein. Werden Temperaturerhöhungen durch externe Wärmequellen nicht berücksichtigt, würde ein Überwachungssystem des Fahrzeugs oftmals eine geschädigte Batterie anzeigen oder die Batterie eventuell sogar im Zuge einer Risikominimierungsstrategie von der Spannungsquelle trennen, obwohl die Batterie intakt ist. Dies ist zu vermeiden, da es die Funktionsfähigkeit des Fahrzeugs beeinträchtigt und Fehlalarme zu Kundenunzufriedenheit führen.
Zur Lösung dieses Problems sieht das Verfahren in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung daher vor, dass die Temperaturwerte korrigiert werden, indem als Temperaturwerte (T1, T2) für die Mittelwertberechnung jeweils die Differenz aus einer ermittelten Batterietemperatur und der Außentemperatur der Batterie verwendet wird. Auf diese Weise kann der Einfluss von Wärmequellen in der Umgebung der Batterie auf die am Batteriepol gemessene Temperatur berücksichtigt und reduziert werden. Auch sich ändernde Umgebungstemperaturen können so kompensiert werden.
Dazu wird die Batterie vorzugsweise in einem Batteriegehäuse untergebracht, welches sie weitestgehend gegen Wärmeeinflüsse von außen abschirmt. Die interne Temperatur der Batterie kann dann am Polnischensensor innerhalb des Batteriegehäuses gemessen werden, während die Umgebungstemperatur beispielsweise über einen weiteren, an einer anderen Stelle im Gehäuse angebrachten Temperatursensor bestimmt wird.
Falls die Umgebungstemperatur nicht zur Verfügung steht oder aus anderen Gründen nur die gemessene interne Temperatur der Batterie verwendet werden soll oder kann, sollte der Grenzwert (S1) für den Temperaturgradienten üblicherweise ausreichend hoch angesetzt werden, um das Risiko von Fehlalarmen zu reduzieren. Dies kann jedoch dazu führen, dass irreguläre Ladezustände nicht detektiert werden, welche lediglich geringe Temperaturgradienten bewirken. Um dieses Risiko zu verringern, kann der anzuwendende Grenzwert (S1) auch in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Fahrzeugs gewählt werden. Ergänzend oder alternativ kann somit vorgesehen sein, dass in der Auswerteeinheit mehrere Grenzwerte für verschiedene Betriebszustände des Kraftfahrzeugs hinterlegt sind, wobei der anzuwendende Grenzwert (S1) für den Vergleich mit dem Temperaturgradienten (T_Grad) in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs gewählt wird.
Im Falle von Steckdosen-Elektrofahrzeugen und Steckdosen-Hybridfahrzeugen kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass Temperaturgradienten durch externe Wärmequellen beim Ladevorgang im Stillstand geringer sind als im Fahrbetrieb. Daher können hierfür unterschiedliche Grenzwerte kalibriert, für diese beiden Fahrzeugzustände hinterlegt und dann in Abhängigkeit davon herangezogen werden, ob sich das Fahrzeug bewegt oder im Ladezustand befindet. Grundsätzlich können Grenzwerte dabei durch Vergleichstests zwischen intakten und gasenden Batterien kalibriert werden. Für jeden Fahrzeugmodus können die Grenzwerte dann weiter dahingehend optimiert werden, dass sie erwartbare Temperaturveränderungen in der Umgebung der Batterie ignorieren bzw. berücksichtigen.
Eine Berücksichtigung der Umgebungstemperatur für die Temperaturgradientenbestimmung erfordert üblicherweise einen zweiten Sensor und ein Batteriegehäuse, um zwischen externen und internen Wärmequellen zu unterscheiden. Dies ist mit größerem Aufwand für die Ausgestaltung der Batterie verbunden. Ferner erfordert ein Batteriegehäuse zusätzlichen Raum. Sollen diese Nachteile vermieden werden, können erhöhte Temperaturgradienten aufgrund geschädigter Batterien auch auf andere Weise von erhöhten Temperaturgradienten unterschieden werden, die aufgrund externer Wärmequellen entstehen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Temperaturgradient (T_Grad) über die Zeit aufgezeichnet und überwacht wird und die Auswerteeinheit nur ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Temperaturgradient (T_Grad) den Grenzwert (S1) erreicht und danach konstant bleibt oder ansteigt. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient fortlaufend überwacht und nachverfolgt und durch dieses Tracking über einen kalibrierten Zeitraum ist es möglich, irreguläre Ladezustände der Batterie nur zu diagnostizieren, wenn der Temperaturgradient nach Erreichen eines Grenzwerts konstant bleibt oder weiter ansteigt. Wenn er dagegen stetig abfällt, nachdem er einen Grenzwert erreicht hatte, wird daraus geschlossen, dass der Temperaturanstieg durch andere Wärmeeinflüsse bewirkt wurde, die Batterie aber nicht geschädigt ist.
Der erfindungsgemäße Algorithmus zur Erkennung von irregulären Ladezuständen einer Batterie über den Gradienten der internen Temperatur der Batterie kann ferner ergänzt werden durch eine gleichzeitige Überwachung des Ladestroms während des Ladevorgangs. Wenn eine intakte Batterie geladen wird, fällt der Ladestrom im Laufe des Ladevorgangs stetig ab. Wenn der Ladestrom dagegen innerhalb eines bestimmten Zeitraums ansteigt und die Batterietemperatur ebenfalls ansteigt, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit angenommen werden, dass die Batterie in ihrer Ladefähigkeit geschwächt ist und es eine Gasentwicklung gibt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass während eines Ladevorgangs der Batterie der Ladestrom gemessen wird und die Auswerteeinheit nur ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Temperaturgradient (T_Grad) den Grenzwert (S1) erreicht und der Ladestrom über den Zeitraum des Ladevorgangs ansteigt.
Ein Alarmsignal der Auswerteeinheit kann somit auf verschiedene Arten erzeugt werden, wobei unterschiedliche Einflüsse, Effekte und resultierende Messgrößen berücksichtigt werden können. Auch kann das Alarmsignal auf unterschiedliche Arten verwertet werden. Bei einem Alarmsignal der Auswerteeinheit erscheint beispielsweise ein Warnhinweis im Bereich des Armaturenbretts, was durch eine Warnleuchte realisiert werden kann. So ist der Fahrer eines Fahrzeugs über den kritischen Zustand der Batterie informiert und kann entsprechende Gegenmaßnahmen veranlassen, was insbesondere den Austausch der Batterie beinhaltet. Servicepersonal kann dabei zu Diagnosezwecken durch Fehlercodes informiert werden.
Ferner können Risikominimierungsstrategien eingeleitet werden, wobei beispielsweise die Batteriespannung so eingestellt werden kann, dass negative Effekte minimiert werden und es so nur zu einem Teilausfall kommt. Insbesondere kann der Spannungssollwert der Ladespannung so gesetzt werden, dass der Strom in die Batterie und aus der Batterie heraus minimiert wird. Darüber hinaus können Systeme abgeschaltet werden, welche von der Batterie betrieben werden oder die Batterie kann vollständig vom System getrennt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Relais, insbesondere ein Solid-State Relais (SSR) realisiert werden.
Da Algorithmen zur Identifizierung von geschädigten Batterien oftmals Fehlermeldungen erzeugen, obwohl die Batterie intakt ist, kann dabei jedoch vorgesehen sein, dass beispielsweise ein Warnhinweis im Armaturenbrett und/oder ein Fehlercode in einem Diagnosesystem nur erzeugt werden, wenn die Auswerteeinheit eine definierte Anzahl von Alarmsignalen innerhalb mehrerer aufeinander folgender Phasen des Betriebs erzeugt hat. Beispielsweise wird ein irregulärer Ladevorgang nur identifiziert, wenn wenigstens drei Mal in den letzten fünf Betriebsphasen ein Alarmsignal erzeugt wurde, das auf eine geschädigte Batterie hinweist.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 das Grundschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Zustands einer Batterie über einen Temperaturgradienten und einen Grenzwert;
2 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Temperaturwerte über einen gleitenden Mittelwert aufbereitet werden;
3 das grundsätzliche Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Temperaturwerte aufbereitet werden;
4 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in Abhängigkeit von der Art des Fahrzeugbetriebs unterschiedliche Grenzwerte verwendet werden;
5 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine Nachverfolgung des Temperaturgradienten verwendet wird; und
6 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Ladestrom der überwachten Batterie während eines Ladevorgangs überwacht wird.
1 zeigt das Grundschema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Zustands einer Batterie über einen Temperaturgradienten und einen entsprechenden Grenzwert. Dabei wird im Schritt 1.1 die interne Temperatur der Batterie über einen Batterieüberwachungssensor (BMS) ermittelt, der an einem Pol der Batterie angebracht ist. Dies kann mit einem bekannten Polnischensensor durchgeführt werden. Das so erhaltene Batterietemperatursignal kann in den Schritten 1.2 und 1.3 aufbereitet bzw. konditioniert werden. Beispielsweise kann hierbei eine Mittelwertberechnung durchgeführt werden, und die so aufbereiteten Temperaturwerte werden anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt. Diese Auswerteeinheit führt im Schritt 1.4 eine kontinuierliche Temperaturgradienten-berechnung durch, indem sie die Temperaturveränderung ΔT in einem bestimmten Intervall durch die Zeitveränderung Δt in diesem Intervall dividiert (T_Grad = T₂ – T₁/t₂ – t₁). Der so erhaltene Temperaturgradient T_Grad wird im Schritt 1.6 mit einem Grenzwert S1 verglichen, der zuvor im Schritt 1.5 kalibriert und in der Auswerteeinheit hinterlegt wurde. Erreicht der Temperaturgradient T_Grad diesen Grenzwert S1 bzw. übersteigt ihn, wird dies als irregulärer Ladezustand gewertet. Die Auswerteeinheit erzeugt somit ein Signal, das auf unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden kann. Das Signal gibt dabei einen Hinweis darauf, dass die Batterie eine Gasentwicklung und/oder Anzeichen einer Schädigung zeigt.
Für die Signalkonditionierung können beispielsweise eine Mittelwertberechnung bzw. eine gleitende Mittelwertberechnung angewendet werden. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt und Bedingungen berücksichtigt:

– Das Temperatursignal wird über eine kalibrierte Zeitdauer T_Monitor gemittelt.
– Es werden nur Temperaturwerte für die Mittelwertbildung verwendet, die zwischen ein absolutes Maximum und ein mögliches Minimum fallen.
– Innerhalb des Überwachungszeitraums T_Monitor darf eine Abweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Temperaturwerten, welche innerhalb der minimalen und maximalen Grenzen liegen, einen weiteren vordefinierten Grenzwert nicht überschreiten. Falls dieser Grenzwert überschritten wird, wird die abweichende Temperatur bei der Berechnung des Mittelwerts nicht verwendet. Vorzugsweise wird diese Signalkonditionierung durchgeführt, bevor die Auswerteeinheit den Temperaturgradienten berechnet.

Dieser Filteralgorithmus entfernt so nicht plausible Temperaturwerte, welche durch Störungen im System entstanden sein können, und ersetzt sie durch plausible Werte
2 zeigt das Schema einer solchen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Temperaturwerte über einen Mittelwert aufbereitet werden. Hierbei wird nach dem Start des Algorithmus im Schritt 2.1 zuerst die Zeit ermittelt, die seit der letzten Gradientenberechnung vergangen ist. Steht eine neue Gradientenberechnung an (Schritt 2.2), werden im Schritt 2.3 neue Daten aus der Signalkonditionierung und der gleitenden Mittelwertberechnung abgefragt. Liegen frische Daten vor, wird daraus der Temperaturgradient berechnet (Schritt 2.4).
Die Schritte der Signalkonditionierung sind dem Ablaufschema der 3 zu entnehmen. Diese zeigt, dass nach dem Start des Algorithmus im Schritt 3.1 zunächst die interne Batterietemperatur T und ein Zeitstempel t (TimeStamp) ausgelesen werden. Ergibt die Prüfung im Schritt 3.2, dass die Temperatur T zwischen plausiblen Grenzwerten MinValue und MaxValue liegt, wird im Schritt 3.3 überprüft, ob die gemessene Temperaturänderung ebenfalls in plausiblen Grenzen liegt. Ist dies nicht der Fall, werden die neuen Temperaturdaten nicht zur Berechnung des Mittelwerts verwendet, sondern überprüft, ob alte Daten aus dem gleitenden Mittelwert vorhanden sind (Schritt 3.5) und diese für eine neue Mittelwertberechnung verwendet (Schritt 3.4). Bei plausiblen Temperaturwerten wird dagegen im Schritt 3.4 ein neuer gleitender Mittelwert mit den aktuellen Temperaturwerten berechnet. Zudem wird der Zeitstempel t gespeichert, an dem ein sinnvoller Temperaturwert T vorlag (Schritt 3.6).
3 zeigt ein weiteres mögliches Merkmal der Signalkonditionierung, welches vorsieht, die Zeit zu ermitteln, innerhalb der Temperaturwerte für nicht plausibel erklärt und somit abgelehnt werden. Übersteigt diese Zeit eine definierte Zeitdauer (t – TimeStamp >= OldDataTimeThresh), werden die nicht plausiblen Daten dennoch für die gleitende Mittelwertberechnung verwendet. Um den Temperaturgradienten zu berechnen, wird die Temperatur aus der gleitenden Mittelwertberechnung in regelmäßiger Intervallen abgefragt. Falls ein kalibrierter Zeitpunkt hierfür erreicht ist und die Daten der gleitenden Mittelwertberechnung aktuell sind, wird die Temperatur abgefragt und der Temperaturgradient berechnet. Falls die Daten der gleitenden Mittelwertberechnung dagegen nicht kürzlich erneuert wurden, weil die Temperatur beispielsweise außerhalb der Maximal- und Minimalgrenzwerte lag oder extreme Schwankungen aufwies, wird die Berechnung des Temperaturgradienten aufgeschoben bis ein Update der Mittelwertdaten erfolgt ist. Die Differenz zwischen der aktuellen Zeit und dem Zeitstempel, der gesetzt wird, wenn der gleitende Mittelwert errechnet wird, wird genutzt, um festzustellen, ob die mittlere Temperatur bei der Berechnung des Temperaturgradienten verwendet werden kann. Falls die Temperatur aus dem gleitenden Mittelwert frisch ist, wird diese Differenz kleiner als ein kalibrierter Grenzwert DataUpdateTimeThresh sein. In diesem Fall wird der Temperaturgradient mit gesampelten Temperaturwerten T₁ und T₂ zu den Zeiten t₁ und t₂ berechnet.
4 zeigt das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in Abhängigkeit von der Art des Fahrzeugbetriebs unterschiedliche Grenzwerte verwendet werden. Hierzu werden für unterschiedliche Betriebszustände des Fahrzeugs unterschiedliche Grenzwerte bestimmt und in der Auswerteeinheit hinterlegt. In dem Vergleich des berechneten Temperaturgradienten mit einem Grenzwert fließt dann jeweils derjenige Grenzwert ein, der dem aktuellen Fahrzeugmodus zugeordnet ist. Die Schritte 4.1 bis 4.4 und 4.6 entsprechen dabei den Schritten 1.1 bis 1.4 und 1.6 in 1. Lediglich im Schritt 4.5 wird nun zunächst festgestellt, in welchen Betriebsmodus sich das Fahrzeug gerade befindet und der diesem Betriebsmodus zugeordnete Grenzwert ausgewählt (Schritt 4.7).
Um zwischen erhöhten Temperaturgradienten, welche durch geschädigte Batterien bewirkt werden, und solchen unterscheiden zu können, welche durch externe Wärmequellen entstehen, kann eine Nachverfolgung des Temperaturgradienten durchgeführt werden. Das Schema einer solchen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielhaft in 5 dargestellt. Bei einem solchen Tracking wird der Temperaturgradient über die Zeit aufgezeichnet und ein irregulärer Ladezustand nur detektiert, wenn der Temperaturgradient konstant bleibt oder ansteigt. Fällt er dagegen ab, spricht dies dafür, dass der Temperaturgradient nicht auf einer internen Erwärmung der Batterie beruht, sondern durch externe Wärmequellen ausgelöst wurde. Diese Bewertung basiert auf der Überlegung, dass der Temperaturgradient eines Körpers, d.h. der Batterie, welcher durch eine externe Wärmequelle erwärmt wurde, asymptotisch auf null absinkt, wenn die Temperatur des Körpers sich der Temperatur der externen Wärmequelle nähert. Falls der Temperaturgradient daher nicht stetig abfällt, spricht dies dafür, dass eine interne Erwärmung zu dem Temperaturgradienten beiträgt.
Der gesamte Algorithmus der Gradientenüberwachung beispielsweise bei Bleiakkumulatoren ist schematisch in 5 gezeigt. Dieser Prozess kann wie folgt zusammengefasst werden: Nach dem Start des Algorithmus wird im Schritt 5.1 die Zeit seit der letzten Gradientenbestimmung ermittelt. Wird festgestellt, dass eine neue Berechnung fällig ist (Schritt 5.2), wird der Temperaturgradient im Schritt 5.3 berechnet. Der Temperaturgradient wird so in regelmäßigen Intervallen berechnet. Wenn dieser Temperaturgradient nicht größer als der kalibrierte Wert MaxTempGrad ist (Schritt 5.4), wird der jeweilige Zeitstempel gelöscht und der Temperaturgradient gespeichert. Ferner wird ein Signal HighGradFlag deaktiviert (Schritt 5.10). Wenn der Temperaturgradient dagegen größer als der kalibrierte Wert MaxTempGrad ist (Schritt 5.4), wird im Schritt 5.5 überprüft, ob ein Signal HighGradFlag gesetzt ist. Wird dies verneint, werden ein Zeitstempel und der berechnete Gradient in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt und das Signal HighGradFlag aktiviert (Schritt 5.6). Der Temperaturgradient wird nun über einen definierten Zeitraum GradMonPeriod überwacht und geprüft, ob er abfällt (Schritte 5.8 und 5.9). Falls darauf folgende Gradienten während dieses Zeitraums GradMonPeriod um wenigstens MinGradDecrement abfallen im Vergleich zum gespeicherten Gradienten, wird der Hinweis HighGradFlag deaktiviert. Falls bis zum Ende von GradMonPeriod darauf folgende Gradienten nicht abgefallen sind, wird dies als irregulärer Ladevorgang identifiziert (Schritt 5.7). Hierbei sollte die Gradientenüberwachungsperiode GradMonPeriod lang genug gewählt werden, um auch einem extrem hohen Gradienten aufgrund einer externen Wärmequelle ermöglichen, auf einen Wert abzufallen, der unterhalb eines kalibrierten Werts liegt, der dazu verwendet wird, interne Erwärmung zu identifizieren.
Um falsche positive Identifikationen von irregulären Ladezuständen aufgrund von erhöhten Temperaturgradienten zu vermeiden, kann der Algorithmus ausgeweitet werden auf eine Überwachung des Ladestroms. Das Schema einer solchen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielsweise in 6 gezeigt und entspricht in den Schritten 6.1 bis 6.5 und 6.7 bis 6.9 den Schritten 5.1 bis 5.5 und 5.7 bis 5.9 von 5.
Bei einer intakten Batterie wird der Ladestrom im Laufe des Ladevorgangs kontinuierlich abfallen. Falls der Ladestrom dagegen im Laufe eines Ladevorgangs ansteigt und die Batterietemperatur, welche über den Polnischensensor gemessen wird, ebenfalls ansteigt, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass die Batterie geschwächt ist und gast. Ergänzend zur Detektion von hohen Temperaturgradienten kann somit vorgesehen sein, den Batteriestrom abzufragen, wenn ein Temperaturgradient ermittelt wurde, welcher den kalibrierten Grenzwert MaxTempGrad überschritten hatte. Dies erfolgt im Schritt 6.11. Bei jeder folgenden Gradientenberechnung während des kalibrierten Zeitraums GradMonPeriod sollte der Ladestrom ebenfalls abgefragt werden. Falls im Schritt 6.11 festgestellt wird, das dieser Batteriestrom um einen kalibrierten Wert MinCurrentDecrement abfällt, während der Temperaturgradient oberhalb des Grenzwerts MaxTempGrad bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass der erhöhte Temperaturgradient durch externe Wärmequellen bewirkt wurde. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass kein irregulärer Ladevorgang identifiziert wird, obwohl der ermittelte Temperaturgradient erhöht ist (Schritt 6.7).
Fällt der Ladestrom dagegen nicht ab, spricht dies für eine geschwächte Batterie. In diesem Fall nimmt die Batterie kontinuierlich Strom mit einer konstanten Ladespannung an und wird voraussichtlich bald ausfallen. Dann wird ein Stromwert mit diesem Batteriestrom gespeichert (Schritt 6.12). Hierbei ist auch der Ladezustand der Batterie am Anfang des Ladevorgangs zu berücksichtigen. Falls beispielsweise der Ladezustand (state of charge – SOC) eines Bleiakkumulators niedrig ist, wird der Ladestrom zu Beginn des Ladevorgangs hoch sein, aber anschließend stetig bis zu einem Wert unter 1,5A abfallen, wenn Spannungen einer normalen temperaturabhängigen Ausgleichsladung verwendet werden. Die Zeit bis zu einem absoluten Stromgrenzwert hängt somit vom ursprünglichen Ladezustand der Batterie und der Batterietemperatur ab. Um inkorrekte Identifikationen eines irregulären Ladevorgangs zu verhindern, die auf einem niedrigen Ladezustand der Batterie beruhen, kann der Stromgrenzwert temperaturanhängig gewählt werden, und die Zeit oberhalb des aktuellen Grenzwerts wird nur gemessen, wenn der Ladezustand SOC oberhalb eines kalibrierten Grenzwerts liegt.
Ergänzend kann der Ladestromgradient überwacht werden. Das gleiche gilt für die Zeit, über die ein Strom einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Der Ladestromgradient wird dabei berechnet, indem der Strom I kontinuierlich zu verschiedenen Zeiten t ermittelt wird. Der Stromgradient ergibt sich dann aus dem Quotienten aus ΔI zu Δt. Der Stromgradient einer intakten Batterie sollte stets negativ oder null sein, es sei denn der Ladevorgang beginnt, wenn es sehr kalt ist. Um falsche positive Identifizierungen von irregulären Ladezuständen zu vermeiden, sollte der kalibrierte Zeitraum, innerhalb dem der Ladestrom überwacht wird, lang genug gewählt werden, um keinen anfänglichen Anstieg des Stroms zu registrieren, der auf einer Batterieerwärmung beruht. Beispielsweise kann der Zeitraum mehr als 20 Minuten betragen. In diesem Fall ist es nicht absolut notwendig, die Überwachung nur zu starten, wenn der Ladezustand der Batterie SOC oberhalb eines Grenzwertes liegt. Der Algorithmus kann somit dadurch vereinfacht werden, dass der Vergleich des Ladezustands SOC mit einem kalibrierten Grenzwert entfällt. Der Algorithmus kann ferner dadurch vereinfacht werden, dass irreguläre Ladezustände nur identifiziert werden, wenn der Ladestromgradient einen Grenzwert für einen langen Zeitraum übersteigt. In diesem Fall wäre kein Vergleich des Ladestroms zu dem kalibrierten temperaturabhängigen Grenzwert vorgesehen.
Die Überwachung des Ladestroms, des Ladestromgradienten und des Temperaturgradienten kann somit in einem Algorithmus kombiniert werden. Gast eine defekte Batterie, steigen die internen Batterietemperaturen und der Ladestrom oftmals gemeinsam mit der Zeit an. Dies kann üblicherweise beobachtet werden, wenn die Batterie für mehrere Stunden geladen wurde. In diesem Fall geht ein positiver Ladestromgradient einer extremen Gasentwicklung voran, welche begleitet wird durch ein Anstieg der Temperatur. Um falsche positive Identifizierungen von irregulären Ladezuständen zu vermeiden, können daher der Ladestromgradient und der Temperaturgradient überwacht werden. Ergänzt werden kann dies durch eine Ermittlung der Zeit, über welche der Ladestrom einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Falls der Temperaturgradient und der Ladestromgradient ihre Grenzwerte gleichzeitig übersteigen, und der Ladestrom einen weiteren Grenzwert über eine kalibrierte Zeitdauer übersteigt, spricht dies für einen irregulären Ladezustand, der wiederum auf eine geschädigte oder defekte Batterie hinweist.
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

EP 1387177 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, bei dem die interne Temperatur der Batterie ermittelt und überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Temperatur (T) der Batterie in definierten Intervallen zu verschiedenen Zeitpunkten (k) ermittelt und einer Auswerteeinheit übermittelt wird, welche wenigstens aus den Temperaturwerten (T1, T2) kontinuierlich einen Temperaturgradienten (T_Grad) bestimmt, indem sie die Temperaturveränderung (ΔT) in einem Intervall durch die Zeitveränderung (Δt) in diesem Intervall dividiert, und dass in der Auswerteeinheit wenigstens ein Grenzwert (S1) für den Temperaturgradienten (T_Grad) hinterlegt ist, wobei bei Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, wenn der durch die Auswerteeinheit bestimmte Temperaturgradient (T_Grad) diesen Grenzwert (S1) erreicht, wobei in der Auswerteeinheit mehrere Grenzwerte für verschiedene Betriebszustände des Kraftfahrzeugs hinterlegt sind, und wobei der anzuwendende Grenzwert (S1) für den Temperaturgradienten (T_Grad) in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie Teil eines Niederspannungssystems eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Temperatur (T) der Batterie geschätzt wird, wobei die gemessene Temperatur eines Temperatursensors an einem Pol der Batterie verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatursignale vor der Bestimmung des Temperaturgradienten (T_Grad) durch die Auswerteeinheit aufbereitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der Temperaturwerte in einem definierten Überwachungsintervall T_Monitor berechnet wird, wobei bei dieser Mittelwertberechnung nur die Temperaturwerte berücksichtigt werden, die zwischen ein absolutes Maximum und ein absolutes Minimum fallen, und ein ausreißender Temperaturwert abgelehnt und nicht bei der Mittelwertberechnung verwendet wird, wenn die Änderung der Temperatur zwischen zwei aufeinander folgenden Temperaturwerten innerhalb des Überwachungsintervalls T_Monitor einen definierten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als ausreißend gewertete und abgelehnte Temperaturwerte für die Mittelwertberechnung verwendet werden, wenn die Zeit, innerhalb der Temperaturwerte fortlaufend abgewiesen wurden, einen definierten Grenzwert erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturwerte korrigiert werden, indem als Temperaturwerte (T1, T2) für die Mittelwertberechnung jeweils die Differenz aus einer ermittelten Batterietemperatur und der Außentemperatur der Batterie verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient (T_Grad) überwacht wird und die Auswerteeinheit nur ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Temperaturgradient (T_Grad) den Grenzwert (S1) erreicht und danach konstant bleibt oder ansteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Ladevorgangs der Batterie der Ladestrom gemessen wird und die Auswerteeinheit nur ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Temperaturgradient (T_Grad) den Grenzwert (S1) erreicht und der Ladestrom über den Zeitraum des Ladevorgangs ansteigt.