DE102017217523A1 - Method for providing a protective function in an energy storage device of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bereitstellung einer Schutzfunktion bei wenigstens einer Zelle (11) für einen Energiespeicher (10) eines Fahrzeuges (1), wobei bei einem Betriebszustand eine Energieversorgung bei dem Fahrzeug (1) durch die Zelle (11) erfolgt und bei einem Ruhezustand diese Energieversorgung unterbunden ist.Hierbei ist vorgesehen, dass die nachfolgenden Schritte im Ruhezustand durchgeführt werden:a) Durchführen einer Überwachung durch eine Überwachungsvorrichtung (20), bei welcher wiederholt Messwerte erfasst werden, welche jeweils für eine Zellspannung bei der Zelle (11) spezifisch sind,b) Durchführen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme zur Deaktivierung der Zelle (11), wenn anhand eines Vergleichs von wenigstens zwei der erfassten Messwerte ein Fehlerzustand bei der Zelle (11) detektiert wird, um die Schutzfunktion bereitzustellen.The invention relates to methods for providing a protective function in at least one cell (11) for an energy store (10) of a vehicle (1), wherein in an operating state, a power supply to the vehicle (1) through the cell (11) takes place and at a rest state In this case, it is provided that the following steps are carried out in the idle state: a) performing a monitoring by a monitoring device (20), in which repeatedly measured values are detected, which are each specific for a cell voltage at the cell (11) , b) performing at least one safety measure for deactivating the cell (11) if, based on a comparison of at least two of the detected measured values, an error condition is detected at the cell (11) to provide the protective function.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der im Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs näher definierten Art.The present invention relates to a method according to the closer defined in the preamble of the independent method claim.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Aus der
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen können herkömmlicherweise als elektrische Energiespeicher auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren eingesetzt werden, da diese im Vergleich zu nickel- oder bleibasierten Akkumulatoren eine sehr große Energiedichte bei geringem Gewicht aufweisen. Oft werden diese elektrischen Energiespeicher in einem Batteriepack kombiniert, was z. B. durch eine Reihenschaltung von Einzelzellen oder als Kombination von Reihen- und Parallelschaltung von Zellen realisiert wird.In electrically driven vehicles, it is conventionally possible to use accumulators which are based on lithium chemistry as electrical energy accumulators, since these have a very high energy density and low weight in comparison to nickel- or lead-based accumulators. Often these electrical energy storage are combined in a battery pack, which z. B. is realized by a series connection of single cells or as a combination of series and parallel connection of cells.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The invention relates to a method having the features of the independent method claim. Further features and details of the invention will become apparent from the respective dependent claims, the description and the drawings.
Dabei dient ein erfindungsgemäßes Verfahren der Bereitstellung einer Schutzfunktion bei wenigstens einer Zelle für einen Energiespeicher eines Fahrzeuges. Bei einer solchen Schutzfunktion kann es sich z. B. um eine Sicherheitsabschaltung der Zelle handeln, um einen kritischen Zustand bei der Zelle zu verhindern. Ein solcher kritischer Zustand kann bspw. durch einen Kurzschluss der Zelle hervorgerufen werden. Der Energiespeicher kann wenigstens eine Zelle (insbesondere wiederaufladbare Batteriezelle) aufweisen, wobei ggf. auch mehrere Zellen in einem Batteriepack kombiniert werden, um bspw. ein Bordnetz des Fahrzeuges mit Energie zu versorgen. So kann ein Betriebszustand vorgesehen sein, bei welchem eine Energieversorgung des Fahrzeugs, z. B. des Bordnetzes mit elektrischen Verbrauchern, durch die Zelle bzw. die Zellen des Energiespeichers erfolgt. Das Gegenstück hierzu bildet ein Ruhezustand, bei welchem diese Energieversorgung unterbunden ist, und sich die Zelle insbesondere im Leerlauf befindet. Bei den Batteriezellen kann es sich um auf Lithiumchemie basierende Batteriezellen handeln, die eine hohe elektrische Energiedichte aufweisen.In this case, a method according to the invention serves to provide a protective function in at least one cell for an energy store of a vehicle. In such a protective function, it may, for. B. to act a safety shutdown of the cell to prevent a critical condition in the cell. Such a critical state can be caused, for example, by a short circuit of the cell. The energy storage device can have at least one cell (in particular a rechargeable battery cell), it also being possible to combine a plurality of cells in a battery pack in order to supply energy, for example, to an electrical system of the vehicle. Thus, an operating state may be provided in which a power supply of the vehicle, for. As the electrical system with electrical loads, done by the cell or the cells of the energy storage. The counterpart to this forms a rest state in which this power supply is suppressed, and the cell is in particular at idle. The battery cells may be lithium-chemistry based battery cells having a high electrical energy density.
Im Rahmen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die nachfolgenden Schritte im Ruhezustand - und vorzugsweise ausschließlich außerhalb des Betriebszustands - durchgeführt werden:
- a) Durchführen einer Überwachung durch eine Überwachungsvorrichtung, bei welcher wiederholt (d. h. insbesondere zyklisch) Messwerte, insbesondere Spannungsmesswerte erfasst werden, welche jeweils für eine Zellspannung bei der Zelle, vorzugsweise für eine Leerlaufspannung der Zelle, spezifisch sind, also in anderen Worten jeweils Spannungsmesswerte sein können,
- b) Durchführen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme zur Deaktivierung der Zelle, wenn anhand eines Vergleichs von wenigstens zwei der erfassten Messwerte ein Fehlerzustand bei der Zelle detektiert wird, um die Schutzfunktion bereitzustellen, wobei vorzugsweise auch der Vergleich und/oder die Sicherheitsmaßnahme durch die Überwachungsvorrichtung durchgeführt werden.
- a) performing a monitoring by a monitoring device, in which repeatedly (ie in particular cyclically) measured values, in particular voltage measured values are detected, which are each specific for a cell voltage at the cell, preferably for an open circuit voltage of the cell, in other words be voltage measured values can,
- b) carrying out at least one safety measure for deactivating the cell if, based on a comparison of at least two of the acquired measured values, an error condition is detected at the cell to provide the protective function, preferably also the comparison and / or the safety measure being performed by the monitoring device.
Somit wird ein Vorteil dadurch erzielt, dass eine technische Komplexität bei der Erkennung eines Fehlerzustands, wie eines zellinternen Kurschlusses, reduziert werden kann. Denn herkömmlicherweise sind ein hoher Rechenaufwand und eine entsprechend leistungsfähige Elektronik notwendig, um eine frühzeitige Erkennung z. B. auf Basis eines Zellspannungsverlaufes durchzuführen. Entsprechend kann gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung auch auf eine Ausführung der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine zentrale Batterieelektronik (BCU), insbesondere eines Batteriemanagementsystems (BMS), verzichtet werden. Daher ist es möglich, dass auch dann eine Überwachung gemäß Schritt a) und/oder eine Sicherheitsmaßnahme gemäß Schritt b) erfolgt, wenn die BCU nicht (z. B. vom Bordnetz des Fahrzeuges) versorgt ist und/oder die BCU abgeschaltet ist. In anderen Worten kann die Überwachung unabhängig von einer Energieversorgung des BCU erfolgen, z. B. in einer Parkphase des Fahrzeuges mit minimalem Energieverbrauch. Bspw. wird unter der Deaktivierung der Zelle die Überführung der Zelle in einen sicheren Zustand verstanden, z. B. durch ein Isolieren und/oder ein kontrolliertes Entladen oder dergleichen.Thus, an advantage is achieved in that a technical complexity in the detection of a fault state, such as a cell-internal Kurzschluss, can be reduced. Because traditionally, a high computational effort and a correspondingly powerful electronics are necessary to ensure early detection z. B. based on a cell voltage curve to perform. Accordingly, according to a further advantage of the invention, an execution of the steps of a method according to the invention by a central battery electronics (BCU), in particular a battery management system (BMS), are dispensed with. Therefore, it is also possible for monitoring according to step a) and / or a security measure according to step b) to take place if the BCU is not supplied (eg by the electrical system of the vehicle) and / or the BCU is switched off. In other words, the monitoring can be performed independently of a power supply of the BCU, z. B. in a parking phase of the vehicle with minimal energy consumption. For example. Under the deactivation of the cell is understood as the transfer of the cell into a safe state, for. B. by isolating and / or controlled unloading or the like.
Es kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Fehlerzustand um einen Kurzschluss bei dem Energiespeicher, vorzugsweise einem zellinternen Kurschluss, handelt. Dabei kann die Sicherheitsmaßnahme eine Ansteuerung eines Sicherheitsschalters, z. B. eines elektrischen oder elektrochemischen Schalters, umfassen. Der Sicherheitsschalter ist bspw. als irreversibler Sicherheitsschalter ausgeführt, kann also somit nur einmalig (zum Unterbrechen oder zum Herstellen eines Stromkreises) geschaltet werden. Bspw. ist der Sicherheitsschalter als Leistungshalbleiterschalter oder als Relais oder als Fast-Discharge-Element oder als Antifuse-Element ausgebildet. Insbesondere ist der Sicherheitsschalter in einen Strompfad mit der Zelle integriert, z. B. seriell oder parallel zur Zelle geschaltet.It can be provided that the fault condition is a short-circuit in the energy store, preferably a cell-internal short circuit. The security measure can be a control of a safety switch, z. As an electrical or electrochemical switch include. The safety switch is, for example, designed as an irreversible safety switch, so it can thus only once (to interrupt or to produce a circuit) are switched. For example. the safety switch is designed as a power semiconductor switch or as a relay or as a fast-discharge element or as an antifuse element. In particular, the safety switch is integrated into a current path with the cell, e.g. B. connected in series or parallel to the cell.
Bspw. umfasst der Energiespeicher wenigstens eine Zelle (insbesondere Batteriezelle), wobei vorzugsweise mehrere Zellen in einer Reihenschaltung oder als Kombination von einer Reihen- und Parallelschaltung elektrisch angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher als wiederaufladbare Batterie (Akkumulator), vorzugsweise Batteriepack, ausgebildet. Darüber hinaus kann der Energiespeicher als Traktionsbatterie des Fahrzeuges ausgebildet sein, und bevorzugt zur Energieversorgung eines Bordnetzes des Fahrzeuges dienen, besonders bevorzugt sowohl eines 12 V (Volt) Bordnetzes oder eines 48 V Bordnetzes als auch eines Hochvoltnetzes größer 60V. Gemäß einem weiteren Vorteil ist der Energiespeicher als (wiederaufladbare) Batterie, mit einer Systemspannung über 40 V oder über 60 V ausgeführt bspw. als Traktionsbatterie mit 360V oder < 770V Nominalspannung.For example. the energy store comprises at least one cell (in particular battery cell), wherein preferably a plurality of cells are arranged electrically in a series circuit or as a combination of a series and parallel connection. Advantageously, the energy store is designed as a rechargeable battery (rechargeable battery), preferably a battery pack. In addition, the energy storage device can be designed as a traction battery of the vehicle, and preferably serve to supply power to an electrical system of the vehicle, more preferably both a 12 V (volt) electrical system or a 48 V electrical system and a high-voltage network greater than 60V. According to a further advantage, the energy store is designed as a (rechargeable) battery, with a system voltage above 40 V or above 60 V. For example, as a traction battery with 360 V or <770 V nominal voltage.
Bei Traktionsbatterien (bspw. mit einer Systemspannung größer als 60 V) und/oder bei 48 V BRS-Batterien (BRS = Boost-Rekuperations-System) kann die Batterie bei Nichtnutzung des Fahrzeuges vom jeweiligen Bordnetz des Fahrzeuges getrennt werden, und z. B. Teile der Batterieelektronik abgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch ggf. die Teile der Batterieelektronik, welche aus den Batteriezellen direkt versorgt werden, in einen energiesparenden Modus geschaltet werden. Durch das Abtrennen vom Hochvolt- oder 48 V Bordnetz kann sichergestellt werden, dass keine Energie von der Batterie ins Fahrzeug fließen kann, d. h. es kann in diesem Zustand zu keinem Stromfluss über die Zellen kommen.For traction batteries (eg with a system voltage greater than 60 V) and / or 48 V BRS batteries (BRS = boost recuperation system), the battery can be disconnected when not in use of the vehicle from the respective electrical system of the vehicle, and z. B. parts of the battery electronics are turned off. Alternatively or additionally, if necessary, the parts of the battery electronics, which are supplied directly from the battery cells, can be switched to an energy-saving mode. By disconnecting from the high-voltage or 48 V electrical system can be ensured that no energy from the battery can flow into the vehicle, d. H. In this state, no flow of current through the cells can occur.
Gemäß einem weiteren Vorteil ist das Fahrzeug als ein Kraftfahrzeug und/oder Personenkraftfahrzeug und/oder Lastkraftfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug ausgebildet.According to a further advantage, the vehicle is designed as a motor vehicle and / or passenger vehicle and / or truck and / or electric vehicle and / or hybrid vehicle.
Außerdem kann es im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, dass gemäß Schritt b) der Fehlerzustand dadurch detektiert wird, dass ein Spannungsverlust bei der Zelle anhand der Messwerte detektiert wird, wobei vorzugsweise hierzu ein jeweiliger aktuell erfasster Messwert mit einer (bspw. zyklisch bestimmten bzw. nachgeführten oder vordefinierten und/oder vorgespeicherten) Erkennungsschwelle verglichen wird. Auch ein solcher Vergleich wird somit als der Vergleich von wenigstens zwei der erfassten Messwerte im Sinne von Schritt b) verstanden. Damit kann ein Spannungsverlust bei der Zelle erkannt werden, welcher über die normale Selbstentladung der Zelle hinausgeht, um den Fehlerzustand zu detektieren. Da in dieser Situation im Ruhezustand kein Strom über die Zelle fließen kann, kann somit in einfacher Weise durch die Analyse des zeitlichen Verlaufs der Messwerte der Fehlerzustand, z. B. ein interner Kurzschluss der Zelle, detektiert werden.In addition, it may be advantageous in the context of the invention that, according to step b), the error state is detected by detecting a voltage loss in the cell based on the measured values, preferably a respective currently measured value having a (for example cyclically determined or measured value) tracked or predefined and / or pre-stored) detection threshold is compared. Such a comparison is thus also understood as the comparison of at least two of the measured values recorded in the sense of step b). Thus, a voltage loss can be detected in the cell, which goes beyond the normal self-discharge of the cell to detect the fault condition. Since no current can flow through the cell in this state in the quiescent state, the error state, eg. As an internal short circuit of the cell can be detected.
Es ist ferner möglich, dass zur Detektion gemäß Schritt b) ein zeitlicher Verlauf der Messwerte analysiert wird, wobei die Analyse anhand wenigstens einer Differenz wenigstens zweier Messwerte durchgeführt wird. Bspw. kann hierbei der Fehlerzustand positiv detektiert werden, wenn eine Differenz von zwei Messwerten (z. B. dem aktuellen und dem vorherigen Messwert) größer als 30 mV ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Lösung für eine Überwachung einer Zellspannung.It is also possible for the detection according to step b) to analyze a temporal course of the measured values, the analysis being carried out on the basis of at least one difference of at least two measured values. For example. In this case, the error state can be detected positively if a difference of two measured values (eg the current and the previous measured value) is greater than 30 mV. This allows a particularly simple solution for monitoring a cell voltage.
Optional ist es vorgesehen, dass die Messwerte in einem zeitlichen Abstand von 100 ms bis 500 ms erfasst werden (insbesondere gemäß einer ersten Rate). In anderen Worten kann ein zeitlicher Abstand zur Erfassung der Messwerte gewählt werden, welcher im Vergleich zu einer optionalen Spannungsmessung im Betriebszustand sehr groß ist (z. B. mindestens 2 bis 100fach größer). Dadurch kann die Messwerterfassung mit sehr geringem Energieaufwand erfolgen, wodurch eine kontinuierliche Überwachung ohne signifikante Erhöhung der Selbstentladung der Batterie auch im Ruhezustand möglich ist.Optionally, it is provided that the measured values are recorded at a time interval of 100 ms to 500 ms (in particular according to a first rate). In other words, a time interval can be selected for the acquisition of the measured values, which is very large in comparison to an optional voltage measurement in the operating state (eg at least 2 to 100 times greater). As a result, the measured value acquisition can take place with very little expenditure of energy, as a result of which continuous monitoring without significant increase in the self-discharge of the battery is possible even in the quiescent state.
Ferner ist es von Vorteil, wenn zeitlich nach jeder Erfassung gemäß Schritt a) eine (bspw. arithmetische) Mittelung von erfassten Messwerten durchgeführt wird, sodass jeweils ein Mittelwert bestimmt wird, und bei Schritt b) ein jeweils aktuell erfasster Messwert mit dem jeweils aktuell bestimmten Mittelwert verglichen wird, um den Fehlerzustand zu detektieren. Auch ein solcher Vergleich wird somit als der Vergleich von wenigstens zwei der erfassten Messwerte im Sinne von Schritt b) verstanden. Es kann ein Vorteil sein, wenn dabei nach jeder wiederholten, insbesondere zyklisch durchgeführten, Erfassung gemäß Schritt a) die Mittelung von einer bestimmten Anzahl von Messwerten erfolgt, z. B. von 2 bis 5 Messwerten, um den aktuellen Mittelwert zu bestimmen. Anschließend kann bei Schritt b) der jeweils (zuvor bei Schritt a)) aktuell erfasste Messwert mit dem jeweils aktuell (zuvor) bestimmten Mittelwert verglichen werden, bspw. die Differenz zwischen dem Messwert und dem Mittelwert gebildet werden. Hierdurch kann die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht und entsprechend eine Fehlauslösung der Sicherheitsvorrichtung vermieden werden.Furthermore, it is advantageous if, after each acquisition according to step a), an (for example arithmetic) averaging of acquired measured values is carried out, so that in each case an average value is determined, and in step b) a respective currently measured value is determined with the respectively currently determined Mean value is compared to detect the error condition. Such a comparison is thus also understood as the comparison of at least two of the measured values recorded in the sense of step b). It can be an advantage if, after each repeated, in particular cyclical, detection according to step a), the averaging is carried out by a specific number of measured values, eg. From 2 to 5 readings to determine the current average. Subsequently, in step b), the respective measured value (previously detected in step a)) can be compared with the respective currently (previously) determined mean value, for example the difference between the measured value and the mean value can be formed. As a result, the robustness of the method according to the invention can be increased and accordingly a false triggering of the safety device can be avoided.
In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass zeitlich nach Schritt a) eine Erkennungsschwelle anhand einer Mittelung von erfassten Messwerten bestimmt wird, und vorzugsweise bei Schritt b) ein aktuell erfasster Messwert mit der Erkennungsschwelle verglichen wird. Alternativ oder zusätzlich kann es möglich sein, dass auch ein Ergebnis des Vergleichs gemäß Schritt b) über mehrere Erfassungszyklen gemittelt wird, bspw. über zwei bis fünf Messwerte bzw. Zyklen, und nur dann der Fehlerzustand positiv detektiert wird, wenn dieses gemittelte Ergebnis ein Detektionskriterium erfüllt. Das Detektionskriterium (z. B. zur Erkennung eines Kurzschlusses) ist bspw. erfüllt, wenn das gemittelte Ergebnis kleiner (oder gleich) als der Mittelwert und/oder kleiner als die Erkennungsschwelle (somit als Auslöseschwelle) ist. In a further option, it may be provided that, after step a), a detection threshold is determined on the basis of an averaging of acquired measured values, and preferably, in step b), a currently detected measured value is compared with the detection threshold. Alternatively or additionally, it may be possible for a result of the comparison in accordance with step b) to be averaged over several detection cycles, for example over two to five measured values or cycles, and only then the error state is detected positive if this averaged result is a detection criterion Fulfills. The detection criterion (eg for the detection of a short circuit) is met, for example, if the average result is less than (or equal to) the mean value and / or less than the detection threshold (thus as the triggering threshold).
Auch kann es möglich sein, dass das Detektionskriterium dann erfüllt ist, wenn wenigstens ein aktueller Messwert (oder auch die aktuellen letzten Messwerte) kleiner als der Mittelwert der vorangegangenen Messwerte abzüglich eines festen Wertes für eine Erkennungsschwelle ist. Zum Beispiel kann der vorangegangene Messwert 3,89 V und der feste Wert für die Erkennungsschwelle 0,3 V betragen, sodass ein Messwert der zur Erkennung führt 3,58 V beträgt.It may also be possible for the detection criterion to be fulfilled if at least one current measured value (or also the current last measured values) is smaller than the mean value of the preceding measured values minus a fixed value for a detection threshold. For example, the previous reading may be 3.89V, and the fixed value for the detection threshold may be 0.3V, so that a reading that results in detection is 3.58V.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn im Rahmen der Erfindung die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer ersten (zeitlichen) Rate durchgeführt wird, insbesondere nur dann, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert größer ist als die Erkennungsschwelle ist, und ggf. die Erfassung gemäß Schritt a) mit einer zweiten Rate größer als die erste Rate durchgeführt wird, insbesondere nur dann, wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt b) der aktuell erfasste Messwert kleiner als die oder gleich der Erkennungsschwelle ist. Insbesondere kann dabei die Erkennungsschwelle kein fester Wert sein, sondern z. B. der Mittelwert der vorangegangenen Messwerte abzüglich eines festen Wertes für die Erkennungsschwelle. Somit kann ein weiterer Vorteil erzielt werden, da nach einem erkannten Unterschreiten der Erkennungsschwelle (also das auslösende Ereignis) die Abtastrate der Zellspannungsmessung erhöht wird, und so eine hinreichend schnelle Erkennung und eine ausreichende Robustheit gegen Fehlauslösen gewährleistet werden kann. Insbesondere kann nur dann der Fehlerzustand positiv detektiert werden und/oder die Sicherheitsmaßnahme durchgeführt werden, z. B. die Sicherheitsvorrichtung aktiviert werden, wenn sich bei der Erfassung mit der zweiten (höheren) Rate der Fehlerzustand bestätigt. Dies ist bspw. dann der Fall, wenn auch bei der zyklischen Erfassung mit der zweiten Rate die Messwerte über mehrere Zyklen, also bspw. mindestens 4 oder mindestens 6 Messwerte, stets unterhalb der Erkennungsschwelle liegen (also jeweils kleiner oder gleich der Erkennungsschwelle sind). Dies ermöglicht ein sog. Entprellen des auslösenden Ereignisses.In addition, it is advantageous if, within the scope of the invention, the detection according to step a) is carried out at a first (temporal) rate, in particular only if in the comparison according to step b) the currently detected measured value is greater than the detection threshold, and possibly the detection according to step a) is carried out at a second rate greater than the first rate, in particular only if in the comparison according to step b) the currently detected measured value is less than or equal to the detection threshold. In particular, the detection threshold can not be a fixed value, but z. B. the average of the previous measured values minus a fixed value for the detection threshold. Thus, a further advantage can be achieved, since after a detected falling below the detection threshold (ie the triggering event), the sampling rate of the cell voltage measurement is increased, and so a sufficiently fast detection and sufficient robustness against false triggering can be ensured. In particular, only the error state can be positively detected and / or the safety measure can be carried out, for. For example, the safety device may be activated if the fault condition is confirmed upon detection at the second (higher) rate. This is the case, for example, when the measured values over several cycles, ie for example at least 4 or at least 6 measured values, are always below the detection threshold (ie in each case less than or equal to the detection threshold) during the cyclic detection with the second rate. This enables a so-called debouncing of the triggering event.
Es ist von weiterem Vorteil, wenn die Schritte a) und b) durch die Überwachungsvorrichtung durchgeführt werden, welche hierzu als eine der Zelle zugeordnete Elektronik (zellenzugeordnete Elektronik) unabhängig von einem Batteriemanagementsystem ausgebildet ist. Der Begriff „zellenzugeordnet“ bezieht sich vorteilhafterweise darauf, dass die Elektronik (also die Überwachungsvorrichtung) an der Zelle angeordnet ist und/oder an der Zelle befestigt ist und/oder in einen Stromkreis mit der Zelle elektrisch integriert ist und/oder, vorzugsweise vollständig und/oder ausschließlich, durch die Zelle mit Energie versorgt wird. Bspw. ist die Überwachungsvorrichtung als eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet, welche auf der Zelle angebracht ist. Bei mehreren Zellen des Energiespeichers kann eine Überwachungsvorrichtung auf jeder der Zellen angebracht sein, und umfasst z. B. einen Analog-Digital-Converter (ADC) zur Zellspannungserfassung und ggf. weitere Logikelemente, z. B. zur Aktivierung einer Sicherheitsvorrichtung der Zelle. Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Überwachungsvorrichtung daher auch als Steuerungsvorrichtung ausgebildet sein. Bspw. wird die Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung vollständig durch die Zellspannung hergestellt, sodass die Überwachungsvorrichtung autark (d. h. unabhängig vom BMS) betrieben werden kann, um die Zellspannung zu messen.It is further advantageous if steps a) and b) are carried out by the monitoring device, which, for this purpose, is designed as electronics associated with the cell (cell-associated electronics) independently of a battery management system. The term "cell-associated" advantageously refers to the fact that the electronics (ie the monitoring device) is arranged on the cell and / or attached to the cell and / or is electrically integrated into a circuit with the cell and / or, preferably completely and / or exclusively powered by the cell. For example. For example, the monitor is designed as an application specific integrated circuit (ASIC) mounted on the cell. With multiple cells of the energy storage device, a monitoring device may be mounted on each of the cells, and includes e.g. B. an analog-to-digital converter (ADC) for cell voltage detection and possibly other logic elements, eg. B. to activate a safety device of the cell. According to a further advantage, the monitoring device can therefore also be designed as a control device. For example. For example, the power supply to the monitoring device is completely established by the cell voltage, so that the monitoring device can operate autonomously (i.e., independently of the BMS) to measure the cell voltage.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) im Ruhezustand durchgeführt werden, in welchem die Zelle mit weiteren Zellen verbunden ist, und außerdem in einem Transportzustand der Zelle durchgeführt werden, in welchem die Zelle elektrisch von weiteren Zellen galvanisch getrennt ist, wobei vorzugsweise sowohl im Ruhezustand als auch im Transportzustand die Zelle im Leerlauf (und/oder lastfrei) geschaltet ist. Lastfrei geschaltet bezieht sich hierbei darauf, dass ein elektrischer Schalter, z. B. ein Schütz oder Halbleiterschalter oder dergleichen, zur Verbindung mit einer Last des Fahrzeuges (z. B. einem Bordnetz mit elektrischen Verbrauchern) geöffnet ist, sodass ggf. die Zelle in einen Leerlauf überführt wird. Im Ruhezustand kann dabei die Zelle stets lastfrei geschaltet sein, wobei ggf. nur aus dem Ruhezustand heraus (und nicht im Transportzustand) ein Umschalten in den Betriebszustand möglich ist. Im Betriebszustand kann der elektrische Schalter entsprechend geschlossen sein, um die Energieversorgung der Last zu ermöglichen. Insbesondere ist es hierbei ein Vorteil, wenn die Überwachungsvorrichtung die Überwachung gemäß Schritt a) durchführen und/oder die Detektion gemäß Schritt b) durchführen und/oder die Durchführung der Sicherheitsmaßnahme gemäß Schritt b) initiieren kann, da dann die Schritte unabhängig von einem Batteriemanagementsystem und somit auch im Transportzustand durchgeführt werden können. Bspw. ist die Zelle im Transportzustand nicht mit weiteren Zellen verbunden, und befindet sich somit (anders als ggf. im Ruhezustand und Betriebszustand) nicht in einem Batteriepack. In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) kontinuierlich im Ruhezustand und im Transportzustand durchgeführt werden. Damit kann zuverlässig durch eine dauerhafte Überwachung eine Schutzfunktion bereitgestellt werden, wobei ggf. ausschließlich im Betriebszustand die Schritte a) und/oder b) ausgesetzt werden, wenn die Schutzfunktion stattdessen durch das BMS bereitgestellt wird.Furthermore, it can be provided in the context of the invention that the steps a) and b) are carried out in the idle state, in which the cell is connected to other cells, and also be carried out in a transport state of the cell, in which the cell is electrically further Cells is electrically isolated, preferably in idle state as well as in the transport state, the cell is switched to idle (and / or load-free). Switched unloaded here refers to the fact that an electrical switch, z. As a contactor or semiconductor switch or the like, for connection to a load of the vehicle (eg., A vehicle electrical system with electrical consumers) is open, so possibly the cell is transferred to an idle. In the idle state, the cell can always be switched load-free, it being possible to switch over to the operating state only from the idle state (and not in the transport state). In the operating state, the electrical switch can be closed accordingly to enable the power supply of the load. In particular, it is an advantage here if the monitoring device carries out the monitoring according to step a) and / or performs the detection according to step b) and / or the execution of the Safety measure according to step b) can initiate, since then the steps can be performed independently of a battery management system and thus in the transport state. For example. If the cell is not connected to other cells in the transport state, it is thus not in a battery pack (unlike, if applicable, in the idle state and operating state). In a further possibility, it can be provided that steps a) and b) are carried out continuously in the idle state and in the transport state. In this way, reliable protection can be provided by permanent monitoring, with steps a) and / or b) being suspended exclusively in the operating state if the protective function is provided by the BMS instead.
Bspw. kann sowohl die Überwachung gemäß Schritt a) als auch die Detektion gemäß Schritt b) kontinuierlich und zyklisch im Ruhezustand und/oder im Transportzustand durchgeführt werden, z. B. kann zeitlich nach Schritt a) stets Schritt b) durchgeführt werden. Damit wird eine dauerhafte Überwachung und somit eine Erhöhung der Sicherheit ermöglicht.For example. Both the monitoring according to step a) and the detection according to step b) can be carried out continuously and cyclically in the idle state and / or in the transport state, eg. B. can be performed after step a) always step b). This allows for permanent monitoring and thus an increase in security.
Es kann des Weiteren möglich sein, dass bei positiver Detektion des Fehlerzustands, wenn also ein Spannungseinbruch größer der Erkennungsschwelle erkannt und/oder bestätigt ist, eine Sicherheitsvorrichtung der betroffenen Zelle aktiviert wird, um eine kritische lokale Überhitzung innerhalb der Zelle zu verhindern.It may also be possible that upon positive detection of the fault condition, ie when a voltage dip greater than the detection threshold is detected and / or confirmed, a safety device of the affected cell is activated to prevent a critical local overheating within the cell.
Gemäß einem weiteren Vorteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Überwachung und/oder Detektion gemäß Schritt a) bzw. gemäß Schritt b) vor einem Zuschalten des Energiespeichers an ein Fahrzeugnetz (Bordnetz) deaktiviert (bspw. pausiert) wird. Dies ist erforderlich, da die Erkennungsschwelle für eine Erkennung von internen Kurzschlüssen deutlich geringer ist, als die Spannungsänderungen, die bei der Nutzung des Energiespeichers durch einen Entladestrom hervorgerufen werden. Als weiteren Vorteil kann hierbei eine Kommunikation der Überwachungsvorrichtung mit der zentralen Batterieelektronik durchgeführt werden, bei welcher Befehle zur Abschaltung und Aktivierung der zellnahen Überwachung (z. B. der Detektion und/oder Erfassung gemäß Schritt a) bzw. b)) genutzt werden. Insbesondere kann hierbei die BCU der Befehlsgeber sein. Wird dann bspw. der Bedarf des Fahrzeuges nach Hochvolt-Versorgung erkannt, kann zunächst die zellnahe Überwachung von internen Kurzschlüssen deaktiviert werden, und ggf. anschließend die Erkennung von zellinternen Kurzschlüssen durch eine Software der BCU durchgeführt werden. Es kann vorgesehen sein, dass erst dann der Energiespeicher zum Fahrzeug-Bordnetz zugeschaltet wird, also mit einer Last (z. B. dem Bordnetz mit einem Verbraucher) verbunden wird.According to a further advantage, it may be provided in the method according to the invention that the monitoring and / or detection in step a) or in step b) is deactivated (eg paused) before the energy store is connected to a vehicle network (vehicle electrical system). This is necessary because the detection threshold for detection of internal short circuits is significantly lower than the voltage changes that are caused by the use of the energy storage by a discharge current. As a further advantage, in this case a communication of the monitoring device with the central battery electronics can be carried out, in which commands for switching off and activating the cell-near monitoring (eg the detection and / or detection according to step a) or b)) are used. In particular, the BCU can be the command generator here. If, for example, the need of the vehicle for high-voltage supply is then detected, the near-cell monitoring of internal short-circuits can first be deactivated and, if appropriate, then the detection of cell-internal short circuits can be carried out by software of the BCU. It can be provided that only then is the energy store connected to the vehicle electrical system, that is to say connected to a load (for example the vehicle electrical system with a consumer).
Des Weiteren kann es möglich sein, dass nach einem Ende der Batterienutzung (des Fahrzyklus) bei vom Fahrzeug-Bordnetz getrenntem Energiespeicher die Erkennung von internen Kurzschlüssen per Software in der BCU aktiv bleibt, bis Relaxations- und Abkühlprozesse weitestgehend abgeschlossen sind. Ist hier keine signifikante Spannungsänderung für eine fehlerfreie Zelle mehr zu erwarten, kann die Erkennungsfunktion (also die Detektion) in der zellnahen Elektronik (Überwachungsvorrichtung) aktiviert und die zentrale Elektronik (die BCU) abgeschaltet werden.Furthermore, it may be possible that after an end of the battery use (of the driving cycle) with separate from the vehicle electrical system energy storage, the detection of internal shorts by software in the BCU remains active until relaxation and cooling processes are largely completed. If no significant voltage change is to be expected here for a faultless cell, the detection function (ie the detection) in the cell-near electronics (monitoring device) can be activated and the central electronics (the BCU) can be switched off.
Optional ist es möglich, dass die Überwachungsvorrichtung zur zellnahen Überwachung bei Aktivierung eines resistiven Zell-Balancings deaktiviert wird, da das Zuschalten des Balancing-Widerstands zu einem Einbruch des Zellspannungsmesswertes führen kann. Weiter kann es optional möglich sein, dass für die gesamte Dauer des resistiven Balancings (d.h. eines sog. resistiven Zellausgleichs) die zellnah implementierte Erkennung von internen Kurzschlüssen durch die Überwachungsvorrichtung auf eine zweite (z. B. niedrigere) Erkennungsschwelle umgeschaltet wird, welches insbesondere auch größere Änderungen z. B. der Zellspannung toleriert. Alternativ oder zusätzlich kann es möglich sein, dass eine Durchführung der Schritte a) und/oder b) im Betriebszustand verhindert ist, und insbesondere die Durchführung vor einem Zuschalten der Zelle zur Energieversorgung des Fahrzeuges, vorzugsweise durch ein Batteriemanagementsystem, bevorzugt durch eine Deaktivierung der Überwachungsvorrichtung und/oder Umschaltung der Erkennungsschwelle, deaktiviert wird.Optionally, it is possible for the monitoring device to be deactivated for near-cell monitoring when a resistive cell balancing is activated, since the switching on of the balancing resistor can lead to a collapse in the cell voltage measurement value. Furthermore, it may optionally be possible for the entire duration of the resistive balancing (ie a so-called resistive cell compensation) to switch the detection of internal short circuits implemented near the cell by the monitoring device to a second (eg lower) detection threshold, which in particular also major changes z. B. the cell voltage tolerated. Alternatively or additionally, it may be possible that an implementation of steps a) and / or b) is prevented in the operating state, and in particular the implementation before connecting the cell for powering the vehicle, preferably by a battery management system, preferably by deactivating the monitoring device and / or switching the detection threshold is disabled.
Weiter ist es optional vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung und/oder eine zellnahe implementierte Erkennung von internen Kurzschlüssen (also die Überwachung gemäß Schritt a) und/oder Detektion gemäß Schritt b)) auf einer Modul-Elektronik implementiert wird. Auch hierbei kann dann ggf. eine andere Erkennungsschwelle genutzt werden. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf eine Überwachungsvorrichtung gerichtet, bei der das erfindungsgemäße Verfahren in einem Speicher der Überwachungsvorrichtung hinterlegt ist, wobei die Überwachungsvorrichtung insbesondere dazu dient, dass erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Auch umfasst die Erfindung zumindest einen Energiespeicher, insbesondere in Form wenigstens einer Batteriezelle und/oder eines Batteriepacks basierend auf Lithiumchemie mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.Furthermore, it is optionally provided that the monitoring device and / or a near-cell implemented detection of internal short-circuits (ie the monitoring according to step a) and / or detection according to step b)) is implemented on a module electronics. In this case too, a different detection threshold can be used if necessary. The present invention is also directed to a monitoring device in which the method according to the invention is stored in a memory of the monitoring device, wherein the monitoring device is used in particular for carrying out the method according to the invention. The invention also comprises at least one energy store, in particular in the form of at least one battery cell and / or a battery pack based on lithium chemistry with the monitoring device according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 einen Verlauf erfasster Messwerte zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 einen Verlauf erfasster Messwerte zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
3 ein Fahrzeug mit einem Energiespeicher.
-
1 a course of detected measured values for visualizing a method according to the invention, -
2 a course of detected measured values for visualizing a method according to the invention, -
3 a vehicle with an energy storage.
Es ist eine Zellspannungsermittlung mit einer ersten Rate und dementsprechend niedriger Messfrequenz durch einen Pfeil
In
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above explanation of the embodiments describes the present invention solely by way of example. Of course, individual features of the embodiments, if technically feasible, can be combined freely with one another, without departing from the scope of the present invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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