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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Überwachung eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Zur Speicherung der elektrischen Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden elektrische Energiespeicher eingesetzt, welche üblicherweise aus einer Mehrzahl von Speicherzellen bestehen. Die hierbei verwendeten Speicherzellen, sogenannte Sekundärzellen, weisen eine hohe Energiedichte auf. Aufgrund der hohen Energiedichte und aufgrund der chemischen Eigenschaften der regelmäßig eingesetzten chemischen Stoffe besteht bei einem überhitzten elektrischen Energiespeicher das Risiko, dass die Speicherzellen in Brand geraten oder sogar explodieren. Aufgrund der Temperaturempfindlichkeit werden die elektrischen Energiespeicher für elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einem oder mehreren Temperatursensoren ausgerüstet, die von einem Batteriemanagementsystem während des Betriebs des Fahrzeugs kontinuierlich ausgewertet werden. Die elektrische Kapazität der elektrischen Batteriespeicher beträgt bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen abhängig von der Auslegung als Hybrid, Plug-In-Hybrid oder reines Elektrofahrzeug wenige Kilowattstunden bis zu 100 Kilowattstunden und darüber, entsprechend wenigen Mega-Joule bis zu 360 Mega-Joule und darüber. Die thermische Energie, die bei einem Brand der in den Speicherzellen enthaltenen Stoffe freigesetzt werden kann, beträgt darüber hinaus ein Vielfaches der gespeicherten elektrischen Energie. Die in Fahrzeugen eingesetzten elektrischen Energiespeicher bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von Speicherzellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. In diesem Gehäuse befinden sich ebenfalls die elektrischen Verbindungen der Speicherzellen untereinander. Weiterhin sind die Energiespeicher in der Regel mit Sensoren ausgerüstet, die Zustandswerte der Energiespeicher und der darin enthaltenen Mehrzahl von Speicherzellen erfassen und an ein Batteriemanagementsystem weitergeben. Dieses Batteriemanagementsystem ist ebenfalls in der Regel in dem Gehäuse des Energiespeichers untergebracht. Es besteht in der Regel aus einer µC-gesteuerten Rechnereinheit mit einer Vielzahl von Ein- und Ausgängen und Kommunikationseinrichtungen, mit deren Hilfe das Batteriemanagementsystem beispielsweise mit dem Antrieb des Fahrzeugs, mit der Ladeeinrichtung und mit Dateneingabe- und Datenausgabeeinrichtungen kommuniziert.
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In der
DE 10 2012 207 152 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche eine Sicherheitsfunktion bei Vorliegen eines sicherheitskritischen Zustands eines elektrischen Energiespeichers auslöst. Dazu wird eine mit einem Sensor erfasste Zustandsgröße des elektrischen Energiespeichers ausgewertet. Ein sicherheitskritischer Zustand des elektrischen Energiespeichers kann im Zusammenhang mit einer Fehlfunktion des elektrischen Energiespeichers stehen. Ein sicherheitskritischer Zustand kann aus einer unkontrollierten Überhitzung, einem unkontrollierten Druckanstieg, einem Brand, einer Explosion oder dergleichen bestehen oder dazu führen. Im Schritt des Erkennens können auch mehrere sicherheitskritische Zustände, aber mindestens ein sicherheitskritischer Zustand erkannt werden.
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Werden mehrere sicherheitskritische Zustände erkannt, so kann im Schritt des Erzeugens das Sicherheitsfunktionssignal in Abhängigkeit von den mehreren erkannten sicherheitskritischen Zuständen erzeugt werden. Die mehreren sicherheitskritischen Zustände können derselben oder unterschiedlichen Zustandsgrößen zugeordnet sein. Bei der zumindest einen Zustandsgröße des elektrischen Energiespeichers kann es sich um einen Druck, eine Temperatur, eine Konzentration eines Stoffes, eine andere chemische oder physikalische Größe etc. bezüglich des elektrischen Energiespeichers handeln. Das Sensorsignal kann einen Wert aufweisen, der einen Wert einer Zustandsgröße des elektrischen Energiespeichers repräsentiert. Das Sicherheitsfunktionssignal kann an zumindest eine Sicherheitsvorrichtung zur Ausführung der zumindest einen Sicherheitsfunktion ausgegeben werden. Das Sicherheitsfunktionssignal kann ausgebildet sein, um eine Ausführung der zumindest einen Sicherheitsfunktion mittels der zumindest einen Sicherheitsvorrichtung zu bewirken. Eine Sicherheitsfunktion kann dabei eine Informationsmaßnahme oder eine Gegenmaßnahme hinsichtlich des sicherheitskritischen Zustands des elektrischen Energiespeichers aufweisen.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass keine Überwachung des Energiespeichers bei einem abgestellten Fahrzeug erfolgt und eine Zustandsgröße mit lediglich einem Sensor erfasst wird.
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Es besteht daher der Bedarf nach einem Verfahren zur verbesserten und dauernden Überwachung des Energiespeichers elektrisch angetriebener Fahrzeuge.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichers in einem Fahrzeug zur Verfügung gestellt wird, wobei zur Überwachung zumindest ein Steuergerät vorgesehen ist, welches mit mindestens einem Temperatursensor und mit zumindest einem Drucksensor verbunden ist, wobei das Steuergerät in einem ersten Schritt Temperaturwerte des zumindest einen Temperatursensors und Druckwerte des zumindest einen Drucksensors ausliest, wobei der Drucksensor ein Crashsensor ist und in einem weiteren Schritt das Steuergerät ein Notrufsignal und/oder ein Warnsignal erzeugt, wenn das Steuergerät aufgrund der Temperaturwerte und/oder Druckwerte einen sicherheitskritischen Zustand erkennt.
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Beim Erkennen eines sicherheitskritischen Zustands können in vorteilhafter Weise die Verbraucher abgeschaltet und/oder ein Notruf und/oder eine akustische und/oder eine optische Warnung und/oder ein Löschsystem des elektrischen Energiespeichers ausgelöst werden. Zur akustischen Warnung der Umgebung kann eine Hupe oder eine Sirene eingesetzt werden, zur optischen Warnung die vorhandene Fahrzeugbeleuchtung oder zusätzliche Leuchteinrichtungen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass das Steuergerät den Energiespeicher sowohl im abgestellten Zustand des Fahrzeugs als auch während des Betriebs überwacht. Somit ist sichergestellt, dass ein sicherheitskritischer Zustand nicht nur während des Betriebs des Fahrzeugs erkannt wird. Bei einem abgestellten Fahrzeug kann sich ebenfalls ein sicherheitskritischer Zustand ergeben, welcher mit den üblichen Überwachungseinrichtungen, welche nur bei Betrieb des Fahrzeugs aktiv sind, nicht erkannt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, die von den Überwachungssensoren gemeldeten Temperaturwerte und Druckwerte durch das Steuergerät kontinuierlich oder in wiederkehrenden Zyklen auszulesen. Damit kann das Steuergerät beispielsweise in einen energiesparenden Schlafmodus versetzt werden und zyklisch für das Auslesen der Temperaturwerte und Druckwerte in Betrieb genommen werden.
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Vorteilhafterweise wird ein sicherheitskritischer Zustand eines elektrischen Energiespeichers erkannt, wenn die Temperaturwerte oberhalb eines zweiten Schwellenwertes für die Temperatur liegen. Damit steht ein eindeutiges Kriterium zur Verfügung, um einen sicherheitskritischen Zustand des elektrischen Energiespeichers zu erkennen.
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Besonders vorteilhaft ist es, bei dem Überschreiten eines ersten Schwellenwertes für die Temperatur eine Diagnose des elektrischen Energiespeichers zu starten. Durch die Diagnose des elektrischen Energiespeichers ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Zustand des elektrischen Energiespeichers zu erfassen und die Ursache für eine Erwärmung zu erkennen und damit Fehlalarme auszuschließen.
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In vorteilhafter Weise wird bei dem Überschreiten eines Schwellwertes einer Anstiegsgeschwindigkeit der Temperaturwerte eine Diagnose des elektrischen Energiespeichers gestartet. Durch das Erkennen eines schnellen Anstiegs der Temperaturwerte und die nachfolgende Diagnose des elektrischen Energiespeichers ist es möglich, ein sicherheitskritisches Ereignis bereits im Vorfeld zu erkennen.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei einem Erkennen eines defekten Energiespeichers durch die Diagnose des elektrischen Energiespeichers unmittelbar ein sicherheitskritischer Zustand erkannt wird. In vorteilhafter Weise wird ebenfalls ein sicherheitskritischer Zustand erkannt, wenn die Diagnose des elektrischen Energiespeichers fehlschlägt, da beispielsweise ein defekter Energiespeicher dazu führen kann, dass eine Diagnose nicht mehr möglich ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei einem Erkennen einer Druckwelle durch zumindest einen Drucksensor ein sicherheitskritischer Zustand erkannt wird. Eine solche Druckwelle kann durch ein Platzen oder Explodieren des elektrischen Energiespeichers verursacht werden und führt zum Erkennen eines sicherheitskritischen Zustands.
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Von großem Vorteil ist es, durch das Steuergerät die Temperaturwerte mehrerer Temperatursensoren auszulesen und miteinander zu vergleichen. Damit ist der Vorteil verbunden, lokale Erwärmungen des elektrischen Energiespeichers zu erkennen und über den Vergleich der Temperaturwerte mehrerer Temperatursensoren auch einen oder mehrere defekte Sensoren zu erkennen.
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In vorteilhafter Weise werden durch das Steuergerät die Druckwerte mehrerer Drucksensoren ausgelesen und miteinander verglichen. Dies bietet den Vorteil, durch kontinuierliches oder zyklisches Auslesen der Druckwerte eines oder mehrerer Drucksensoren Messfehler zu erkennen. Dies ist besonders einfach durch den Vergleich der Messwerte für den Umgebungsdruck zu erreichen, da dieser natürliche Umgebungsdruck in einem eng umgrenzten Bereich liegt, sich nur unter bekannten Änderungsgeschwindigkeiten ändert und bei allen fehlerfrei arbeitenden Sensoren denselben Messwert erzeugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung des Verfahrens nach Anspruch 1;
- 2: eine schematische Darstellung einer Anordnung für die Durchführung des Verfahrens.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens 10 nach Anspruch 1. In einem ersten Schritt A werden die Temperaturwerte des zumindest einen Temperatursensors 4 und die Druckwerte des zumindest einen Drucksensors 5 ausgelesen, wobei der Drucksensor 5 ein Crashsensor ist. Die Temperatursensoren 4 sind Temperatursensoren, welche in und/oder an einem elektrischen Energiespeicher für elektrisch angetriebene Fahrzeuge angeordnet sind. Weiterhin werden als Drucksensoren 5 die in den Seitentüren der Fahrzeuge angeordneten Drucksensoren verwendet, welche zur Erkennung eines Seitenaufpralls eingesetzt werden.
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In einem weiteren Schritt B wird ein Notrufsignal und/oder ein Warnsignal erzeugt, wenn das Steuergerät 3 aufgrund der Temperaturwerte und/oder der Druckwerte einen sicherheitskritischen Zustand erkennt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher 1. In dieser Darstellung ist ein Steuergerät 3 gezeigt, welches außerhalb des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet ist. In diesem Fall ist das Steuergerät 3 zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers 1 mit geeigneten Mitteln mit den am und/oder im elektrischen Energiespeicher 1 und/oder im Fahrzeug 2 angeordneten Überwachungssensoren 4 und 5 verbunden. Weiterhin kann bei einem Steuergerät 3, welches außerhalb des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet ist, die Anordnung einer integrierten Energiereserve in dem Steuergerät 3 zu einer Verbesserung der Ausfallsicherheit führen. So kann beispielsweise bei einer Störung der Kommunikation mit dem elektrischen Energiespeicher 1 und/oder bei einer Störung der Energieversorgung des Steuergerätes 3 das Steuergerät 3 aus der integrierten Energiereserve eigenständig einen Notruf absetzen.
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Bei Auswertung der Signale eines satellitengestützten Positionsbestimmungssystems kann der Notruf mit genauen Positionsdaten erfolgen. Der Notruf kann durch das Steuergerät 3 über ein drahtloses Kommunikationssystem abgesetzt werden. Weiterhin kann das Steuergerät 3 ein separates Notrufgerät ansteuern, damit der Notruf durch dieses separate Notrufsteuergerät abgesetzt wird.
Während des Betriebs des Fahrzeugs 2 ist diese Überwachungseinrichtung kontinuierlich in Betrieb, bei einem abgestellten Fahrzeug 2 kann das Steuergerät 3 in einen energiesparenden Schlafmodus versetzt werden und zyklisch für das Auslesen der Werte der Temperatursensoren 4 und der Werte der Drucksensoren 5 in Betrieb genommen werden.
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Aus den Werten der Temperatursensoren 4 bildet das Steuergerät 3 den Gradienten der Veränderung, um bei einer Überschreitung eines Schwellwertes S_G1 für den Anstieg ebenso wie bei einer Überschreitung eines ersten Schwellwertes S_T1 der absoluten Temperaturwerte eine Diagnose des Energiespeichers zu starten. Weiterhin vergleicht das Steuergerät die Werte der verschiedenen Temperatursensoren 4, um aus den einzelnen Temperaturwerten ein Gesamttemperaturbild, eine sogenannte thermische Karte, des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. In dieses Gesamttemperaturbild können auch Werte von Temperatursensoren 4 aufgenommen werden, die von Temperatursensoren 4 ermittelt werden, welche außerhalb des elektrischen Energiespeichers angebracht sind. Weiterhin ermöglicht es dieses Gesamttemperaturbild, fehlerhaft messende Temperatursensoren 4 zu erkennen und deren Messwerte von den weiteren Auswertungen auszuschließen.
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Die Werte der zyklisch oder kontinuierlich ausgelesenen Drucksensoren 5 werden durch das Steuergerät 3 ebenfalls auf Messfehler hin ausgewertet. Die Untersuchung auf fehlerhafte Messwerte kann besonders einfach durch den Vergleich der Messwerte für den Umgebungsdruck geschehen, da dieser natürliche Umgebungsdruck in einem klar umgrenzten Bereich liegt, welcher sich nur unter klar bekannten Bedingungen ändert und bei allen fehlerfrei arbeitenden Drucksensoren 5 denselben Messwert erzeugt. Als Drucksensoren 5 können die in vielen Personenkraftwagen eingesetzten Crashsensoren des passiven Insassenschutzsystems für die Seitenaufpralldetektion verwendet werden. Diese Crashsensoren sind in der Regel paarweise vorhanden, da jeweils ein Sensor auf der rechten und der linken Seite angeordnet ist.
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Eine von den beiden Drucksensoren gleichzeitig gemessene Druckwelle würde im realen Fahrbetrieb nur bei einem extrem unwahrscheinlichen nahezu gleichzeitigen Seitenaufprall mit nahezu identischer Intensität auf der rechten und der linken Fahrzeugseite vorkommen und wird daher von dem Steuergerät 3 als Indiz für eine Explosion des elektrischen Batteriespeichers gewertet. Die maximale zeitliche Differenz des Auftreffens der Druckwelle kann durch das Steuergerät aufgrund des bekannten geometrischen Abstands der Drucksensoren 5 einfach überprüft werden. Eine von den beiden Drucksensoren 5 nahezu gleichzeitig aufgenommene Druckwelle in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen 2 weist mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf ein sicherheitskritisches Ereignis des elektrischen Energiespeichers 1 hin und führt zur Ansteuerung eines Notrufs durch das Steuergerät 3.
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Da eine solche Druckwelle oft aber alleine nicht als eindeutiges Indiz für ein sicherheitskritisches Ereignis ausreicht, kombiniert das Steuergerät 3 die durch die Drucksensoren 5 detektierte Druckwelle mit den Werten der Temperatursensoren 4 und entscheidet dann bei Vorliegen einer Druckwelle und dem Überschreiten einer dritten Temperaturschwelle S_T3 einen Notruf abzusetzen. Bei der Auswertung der Drucksensoren 5 kann das Steuergerät 3 mit dem Steuergerät des passiven Insassenschutzsystems zusammenarbeiten, mit welchem die für die Entdeckung eines Seitenaufpralls verwendeten Drucksensoren 5 üblicherweise direkt verbunden sind und welches die Werte der Drucksensoren 5 auswertet.
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Das Steuergerät 3 kann auch in dem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet sein und dort mit der Überwachung und Steuerung des elektrischen Energiespeichers, dem sogenannten Batteriemanagementsystem 6, zusammenarbeiten. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, dass die Funktionen des Steuergerätes 3 und des Batteriemanagementsystems 6 in demselben Steuergerät und/oder auf demselben Prozessor ablaufen.
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Weiterhin kann mit weiteren Temperatursensoren 4, welche außerhalb des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet sind, eine Umfeldüberwachung durchgeführt werden. Diese Umfeldüberwachung kann eingesetzt werden, um eine Erwärmung des elektrischen Energiespeichers 1 zu entdecken, welche nicht durch eine Eigenerwärmung des elektrischen Energiespeichers 1 verursacht wird.
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Der Rhythmus des zyklischen Auslesens der Werte der Temperatursensoren 4 und der Werte der Drucksensoren 5 während des energiesparenden Schlafmodus des Steuergeräts 3 bei einem abgestellten Fahrzeug 2 kann an die Erfordernisse der Überwachung angepasst werden. Abhängig von den erfassten Änderungen der Zustandsgrößen des elektrischen Energiespeichers 1 kann der Rhythmus dieser Überwachungen durch das Steuergerät 3 nach Bedarf angepasst werden. Wenn sich beispielsweise aufgrund einer kürzlich abgeschlossenen Betriebsphase Zustandsgrößen eines elektrischen Energiespeichers 1 noch relativ schnell ändern, wird ein Überwachungsrhythmus mit kurzen Zeitintervallen gewählt werden.
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Wenn der elektrische Energiespeicher 1 bereits eine längere Zeit außer Betrieb ist, kann der Rhythmus der Überwachung aufgrund der konstant bleibenden Zustandsgrößen langsam mit großen nichtüberwachten Zeiträumen zwischen den Überwachungen gewählt werden. Sobald aber Änderungen in den überwachten Zustandsgrößen festgestellt werden, wird das Steuergerät 3 wieder einen Überwachungsrhythmus mit kurzen Abständen wählen und bei Bedarf auf dauernde Überwachung umschalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012207152 A1 [0003]
