DE102018218012A1 - Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers umfassend folgende Schritte: Aussenden von Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallsenders, wobei der Ultraschallsender mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist; Empfangen eines Antwortsignals der ausgesandten Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallempfängers, wobei der Ultraschallempfänger mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist; Vergleichen des empfangenen Antwortsignals mit vorgegebenen Referenzsignalen und ermitteln mindestens eines vorgegebenen Referenzsignals, welches die größte Übereinstimmung mit dem Antwortsignal aufweist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers, einer Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers sowie einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Elektrochemische Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge (EV), sowie Fahrzeuge mit Hybrid- (HEV), Plug-In-Hybridantrieb (PHEV), sowie 48 Volt Systeme auf Basis Li-Ionen Technologie (LIT) oder Post Li-Ionen Technologie (PLIT) sind in der Regel hierarchisch aufgebaut. Die kleinsten Einheiten sind elektrochemische Energiespeicherzellen von denen mehrere in einen elektrochemischen Energiespeicher assembliert werden, woraus wiederum elektrochemische Energiespeichersysteme aufgebaut werden. Zusätzlich ist üblicherweise noch ein Kühlsystem integriert, sowie verschiedene elektronische Sensoren und signalverarbeitende Elektronik im elektrochemischen Energiespeichersystem vorhanden.
  • Aktuell gibt es keine Möglichkeit Informationen über den mechanischen Zustand des elektrochemischen Energiespeichers im normalen Betriebsumfeld zu erhalten, da diese hierfür bisher auseinander gebaut werden müssen. Weiter kann keine frühzeitige Erkennung von mechanischen Fehlern stattfinden, die zu Leistungseinbußen des elektrochemischen Energiespeichers und im Falle der Nutzung von Hochenergiespeichern zu einem sicherheitsrelevanten Fehler führen.
  • So zeigt 3 eine schematische Darstellung von Fehlerfällen gemäß dem Stand der Technik. In elektrochemischen Energiespeichersystemen kann beispielsweise durch Vibration, Alterung, Korrosion und/oder Anschwellen von elektrochemischen Energiespeichern ein Kontaktverlust oder eine Kontaktreduzierung zwischen elektrochemischen Energiespeichern und einer Kühlplatte des elektrochemischen Energiespeichersystems 301 und/oder zwischen den elektrochemischen Energiespeichern und Zellverbindern 302 auftreten. Durch den Kontaktverlust oder die Kontaktreduzierung kann es zu einem ungewollten Aufheizen 310 der elektrochemischen Energiespeicher und des elektrochemischen Energiespeichersystems kommen, was wiederum zu Leistungseinbußen des elektrochemischen Energiespeichersystems 320 und/oder zu einem Durchgehen 321 und Entgasen der elektrochemischen Energiespeicher führen kann.
  • Weiter kann in beispielsweise durch ein Leck in einem Kühlsystem eines elektrochemischen Energiespeichersystems und/oder eine Elektrolyt-Leckage der elektrochemischen Energiespeicher Flüssigkeit in das elektrochemische Energiespeichersystem und/oder in die elektrochemischen Energiespeicher eindringen. Dies kann zu einem Aufheizen 311 der elektrochemischen Energiespeicher und des elektrochemischen Energiespeichersystems kommen, was wiederum zu einem Durchgehen 321 und Entgasen der elektrochemischen Energiespeicher und/oder zu Leistungseinbußen des elektrochemischen Energiespeichersystems 322 führen kann. Weiter kann eindringende Flüssigkeit zu einem elektrischen Kurzschluss 312 und einem plötzlichen Antriebsverlust 323, beispielsweise eines Fahrzeugs mit dem elektrochemischen Energiespeichersystem, und im schlimmsten Fall zu einem Unfall 330 führen.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 89 150 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, bei dem an einer zu untersuchenden Batterie mittels Ultraschallmessung der Wert wenigstens eines ersten Batterieparameters ermittelt wird, mittels einer weiteren Messung der Wert wenigstens eines zweiten Batterieparameters ermittelt wird, ein Datensatz erstellt wird, der die ermittelten Batterieparameterwerte umfasst, in einer Datenbank, in der Datensätze von Werten wenigstens der ermittelten Batterieparameter von hinsichtlich ihres Zustandes bekannten Referenz-Datensatz herausgesucht wird und eine mit dem jeweiligen Referenz-Datensatz verknüpfte Information hinsichtlich eines Batteriezustandes zur Verfügung gestellt wird.
  • Die Druckschrift DE 10 2009 018 079 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, die wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen wird, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle.
  • Die Druckschrift DE 42 29 735 C2 offenbart eine Ultraschallwellen-Erzeugungsvorrichtung und eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung, die zu einer Baueinheit zusammengepaßt sind. Die Baueinheit sendet Ultraschallwellenimpulse entlang eines Schallweges in das Innere einer Batterie hinein. Die Ultraschallwellen durchdringen den Säureraum und werden von der Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung aufgenommen. Anhand der Laufzeiten zwischen dem Aussenden eines Ultraschallwellenimpulses und dessen Empfang durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung können Rückschlüsse auf die Betriebszustände innerhalb des Säureraums, insbesondere auf die Temperatur, den Säurestand, die Säuredichte und die Gasblasenbildung gezogen werden.
  • Die Druckschrift US 6 520 018 B1 offenbart ein Prüfverfahren mittels Ultraschall für Batterien.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein mechanischer Zustand des elektrochemischen Energiespeichers gezielt überwacht werden kann.
  • Dazu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers folgende Schritte:
    1. a. Aussenden von Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallsenders, wobei der Ultraschallsender mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schallleitenden Verbindung angeordnet ist;
    2. b. Empfangen eines Antwortsignals der ausgesandten Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallempfängers, wobei der Ultraschallempfänger mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schallleitenden Verbindung angeordnet ist;
    3. c. Vergleichen des empfangenen Antwortsignals mit vorgegebenen Referenzsignalen und ermitteln mindestens eines vorgegebenen Referenzsignals, welches die größte Übereinstimmung mit dem Antwortsignal aufweist;
  • Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem Sender-Empfänger-Prinzip im Ultraschallbereich, bei welchem das Antwortsignal eines elektrochemischen Energiespeichers, bestehend aus einer oder mehrerer Batteriezellen und / oder einem oder mehreren Batteriemodulen, im Betrieb, mit einem gespeicherten Referenzsignal, also einem Antwortsignal des gleichen elektrochemischen Energiespeichers im intakten Zustand, verglichen wird. Aufgrund veränderter Schallleitung im elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise bei Rissbildung oder einem Kontaktverlust eines Zellverbinders, kann so ein mechanischer Zustand eines elektrochemischen Energiespeichers charakterisiert und ein Fehler lokalisiert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auftretende Fehlerfälle frühzeitig im Betrieb zu erkennen, noch bevor diese zu einem sicherheitsrelevanten Fehler führen können. Ein Benutzer kann so beispielsweise darauf hingewiesen werden eine Werkstatt aufzusuchen, was insbesondere bei der Benutzung von Hochenergiespeichern einen großen Sicherheitsvorteil bietet.
  • Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise erkannt werden, ob beispielsweise alle elektrochemischen Energiespeicher eines elektrochemischen Energiespeichersystems noch hinreichend gut mit einer Kühlplatte zur Temperierung verbunden sind. Weiter kann erkannt werden, ob ein hinreichender Kontakt der Zellverbinder gegeben ist. Dadurch werden beispielsweise lokale Temperaturerhöhungen („Hot-Spots“) erkannt, die durch einen zu hohen elektrischen Widerstand entstehen können. Weiter kann erkannt werden, ob beispielsweise ein An- oder Abschwellen der elektrochemischen Energiespeicher homogen abläuft.
  • Vorteilhafterweise können Informationen zum aktuellen mechanischen Zustand des elektrochemischen Energiespeichers dazu genutzt werden, um Wartungsarbeiten und Kontrollen des elektrochemischen Energiespeichers in einer Werkstatt zu minimieren, sowie gezielt Wartungsarbeiten vorzunehmen und mechanische Fehler des elektrochemischen Energiespeichers auch im Betrieb frühzeitig erkennen zu können, um zu verhindern, dass diese Fehler zu sicherheitsrelevanten Ereignissen führen. Insgesamt kann so die Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers erhöht, Ausfälle im Feld reduziert und zur Systemsicherheit beigetragen werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt:
    • d. Erfassen von mindestens einem Parameterwert des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Spannung, eines Ladezustands, einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder einer maximal möglichen abgebbaren Stromstärke des elektrochemischen Energiespeichers, und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Umgebungstemperatur, eines Umgebungsdrucks und/oder einer Verzögerung des elektrochemischen Energiespeichers. Dadurch kann eine Systemsicherheit des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und Feldausfälle reduziert werden.
  • Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgenden Schritt:
    • e. Erkennen eines Fehlerfalls des elektrochemischen Energiespeichers, Bestimmen einer Fehlerart des elektrochemischen Energiespeichers und/oder Lokalisieren eines Fehlerorts in Abhängigkeit des mindestens eines ermittelten Referenzsignals, des erfassten Parameterwerts und/oder der Umgebungsbedingung. Dadurch kann eine Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht werden.
  • Ferner umfasst das Verfahren den Schritt:
    • f. Erzeugen eines elektrischen, optischen und/oder haptischen Signals in Abhängigkeit des Fehlerfalls, der Fehlerart und/oder des Fehlerorts. Ein Benutzer des elektrochemischen Energiespeichers wird so frühzeitig auf einen vom normalen Betrieb abweichenden mechanischen Zustand hingewiesen und der Benutzer und oder ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem kann geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen, beispielsweise eine maximal zur Verfügung stellbare Leistung des elektrochemischen Energiespeichers reduzieren.
  • Die Ultraschallwellen werden durch den Ultraschallsender kontinuierlich und/oder gepulst ausgesendet. Dadurch kann das Verfahren sowohl bei Inbetriebnahme, während eines Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers und/oder während eines Nicht-Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers durchgeführt, eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit und eine geringe Leistungsaufnahme erreicht werden.
  • Das Verfahren wird bei einer Inbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers, fortlaufend während eines Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers und/oder während eines Nicht-Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers durchgeführt, und/oder in Abhängigkeit von mindestens einem Parameterwert des elektrochemischen Energiespeichers und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers.
  • Wird das Verfahren bei einer Inbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers gestartet, beispielsweise beim Starten eines Fahrzeugs, werden mittels einer Diagnose des mechanischen Zustands des elektrochemischen Energiespeichers generelle Lebensdauer- und Verschleißfehler zuverlässig erkannt. Das Verfahren wird in dieser Ausführungsform während des Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers nicht durchgeführt.
  • Wird das Verfahren in einer weiteren Ausführungsform während eines Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers durchgeführt, beispielsweise während eines Fahrzyklus eines Fahrzeugs mit dem elektrochemischen Energiespeicher, so bietet dies vorteilhafterweise die Möglichkeit einer dauerhaften Überwachung eines mechanischen Zustands des elektrochemischen Energiespeichers. Hierbei müssen keine dauerhaften Ultraschallwellen ausgesendet werden, sondern diese können auch gepulst ausgesendet werden. Das Verfahren während eines Betriebs durchzuführen bietet sich an, um mechanische Fehlermechanismen zu erkennen, die nicht durch eine einmalige Untersuchung bei Inbetriebnahme erkannt werden können, insbesondere während eines Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers aber zu sicherheitsrelevanten Ereignissen führen können.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst mindestens einen Ultraschallsender zum Aussenden von Ultraschallwellen; mindestens einem Ultraschallempfänger zum Empfangen von Ultraschallwellen; mindestens eine Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Erfassen von mindestens einem Parameterwert des elektrochemischen Energiespeichers und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers. Dadurch kann vorteilhafterweise eine elektrische Spannung, ein Ladezustand, eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder eine maximal mögliche abgebbare Stromstärke des elektrochemischen Energiespeichers, und/oder mindestens eine Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eine Umgebungstemperatur, ein Umgebungsdruck und/oder eine Verzögerung des elektrochemischen Energiespeichers erfasst werden, wodurch eine Diagnosegenauigkeit erhöht wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren in Abhängigkeit einer Umgebungsbedingung durchgeführt werden, sobald beispielsweise ein Airbag-Sensor eines Fahrzeugs auslöst, um mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen genauen Einfluss des Ereignisses auf den elektrochemischen Energiespeicher zu bewerten, beispielweise Ort und Stärke der Einwirkung, und gegebenenfalls Warnungen an einen Benutzer, beispielsweise einen Fahrer des Fahrzeugs, zu senden.
  • Der Ultraschallsender sendet Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 0,02 und 1000 MHz aus. Vorteilhafterweise können durch Auswahl eines Frequenzbereichs bauvariantenspezifische Anforderungen vergleichsweise einfach umgesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers in elektrischen Energiespeichersystemen mit mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose; und
    • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose;
    • 3 eine schematische Darstellung von Fehlerfällen gemäß dem Stand der Technik;
    • 4 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose;
    • 5 eine schematische Darstellung von Referenzsignalen.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose. Ein elektrochemisches Energiespeichersystem 100 umfasst ein Gehäuse 104 sowie eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern 101(1), 101(2), 101(3), 101(4), 101(n), die elektrisch in Serie und/oder Parallel schaltbar sind. Auf eine Darstellung von Stromsammelschienen, Anschlussklemmen und Signalleitungen wurde zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Die Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst eine Vielzahl von Ultraschallsendern 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(n), die jeweils mit einem der elektrochemischen Energiespeichern 101(1), 101(2), 101(3), 101(4), 101(n) in einer schalleitenden Verbindung angeordnet sind, einen Ultraschallempfänger 103 zum Empfangen eines Antwortsignals der durch mindestens einen der Ultraschallsendern 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(n) ausgesandten Ultraschallwellen sowie eine Steuereinheit 105, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem des elektrochemischen Energiespeichersystems 100. Die Ultraschallsender 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(n) und der Ultraschallempfänger 103 sind beispielsweise kabelgebunden und/oder kabellos mit der Steuereinheit 105 verbunden.
  • Eine Position der Ultraschallsender 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(n) und des Empfängers 105 im elektrochemischen Energiespeichersystem 100 hängt stark vom jeweiligen Design des elektrochemischen Energiespeichers 101(1), 101(2), 101(3), 101(4), 101(n) und/oder des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 ab. Um die Fehlerfälle sicher detektieren zu können. Idealer Weise sollte der zu untersuchende mechanische Kontakt, beispielsweise ein elektrischer Zellverbinder, eine Kühlplatte, in direkter Linie zwischen Sender und Empfänger liegen. Die Anwendung von mehreren Empfängern 105 ermöglicht hierbei eine genauere örtliche Auflösung des mechanischen Defektes.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose. Ein elektrochemisches Energiespeichersystem 200 umfasst ein Gehäuse 204, eine Kühlplatte 208 zum Temperieren einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n), die elektrisch in Serie und/oder Parallel schaltbar sind sowie einen Temperatursensor 209 und einen Beschleunigungssensor 210. Auf eine Darstellung von Stromsammelschienen, Anschlussklemmen, Kühlleitungen und Signalleitungen wurde zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Die Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst eine Vielzahl von Ultraschallsendern 202(1), 202(2), 202(3), 202(4), 202(n), die jeweils mit einem der elektrochemischen Energiespeichern 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) in einer schalleitenden Verbindung angeordnet sind, einen Ultraschallempfänger 203 zum Empfangen eines Antwortsignals der durch mindestens einen der Ultraschallsendern 202(1), 202(2), 202(3), 202(4), 202(n) ausgesandten Ultraschallwellen sowie eine Steuereinheit 205, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem des elektrochemischen Energiespeichersystems 200 oder ein separates Steuergerät, so dass die Vorrichtung unabhängig vom Batteriemanagementsystem des elektrochemischen Energiespeichersystems 200 eine Diagnose des mechanischen Zustands durchführen kann.
  • Mittels Sensoren werden jeweils Parameterwerte der elektrochemischen Energiespeicher 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) erfasst, beispielsweise eine elektrische Spannung. Mittels weiterer Sensoren, insbesondere dem Temperatursensor 209 und dem Beschleunigungssensor 210, werden Umgebungsbedingungen der elektrochemischen Energiespeicher 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) erfasst.
  • Durch die gewählte Anordnung der Ultraschallsender 202(1), 202(2), 202(3), 202(4), 202(n) und des Ultraschallempfängers 203 kann ein Fehlerfall des elektrochemischen Energiespeichers erkannt, eine Fehlerart des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt und/oder ein Fehlerort lokalisiert werden.
  • Einhergehend mit der Lokalisierung des Fehlerorts werden Signalpaare mindestens eines der Ultraschallsender 202(1), 202(2), 202(3), 202(4), 202(n) und des Ultraschallempfängers 203 eines intakten Systems bestimmt und Auswirkungen unterschiedlicher Fehlerfälle, beispielsweise Kontaktverlust zwischen elektrochemischen Energiespeichern 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) und der Kühlplatte 208 und/oder zwischen den elektrochemischen Energiespeichern 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n), Alterung von elektrischen Kontakten durch Korrosion, Eindringen von Flüssigkeit in die elektrochemischen Energiespeicher 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) durch Lecks in einem Kühlsystem der elektrochemischen Energiespeicher 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201 (n), einer Elektrolyt-Leckage und/oder kondensierter Luftfeuchtigkeit, auf eine Veränderung eines empfangenen Antwortsignals in Abhängigkeit von Parameterwerten, beispielsweise Ladezustand der elektrochemischen Energiespeicher 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n), und/oder Umgebungsbedingungen, beispielsweise Umgebungsdruck und/oder Umgebungstemperatur, als Referenzsignale gespeichert.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist der Ultraschallempfänger 203 zusätzlich in einer schalleitenden Verbindung mit der Kühlplatte 208 angeordnet. Dies ermöglicht zusätzlich eine Diagnose von Kontaktverlusten zwischen den elektrochemischen Energiespeichern 201(1), 201(2), 201(3), 201(4), 201(n) und der Kühlplatte 208.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose. In Schritt 401 wird das Verfahren zur Diagnose eines elektrochemischen Energiespeichers gestartet, beispielsweise bei einer Inbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers. Weiter werden in Schritt 401 Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallsenders ausgesandt, wobei der Ultraschallsender mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist. Umfasst ein elektrochemisches Energiespeichersystem eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern werden beispielsweise durch eine paarweise Anordnung von Ultraschallsendern und mindestens einem Ultraschallempfänger eine Diagnose durchgeführt.
  • In Schritt 402 werden Antwortsignale der ausgesandten Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallempfängers empfangen, wobei der Ultraschallempfänger mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist.
  • In Schritt 403 werden die empfangenen Antwortsignale mit vorgegebenen Referenzsignalen verglichen und mindestens ein vorgegebenes Referenzsignal ermittelt, welches die größte Übereinstimmung mit dem Antwortsignal aufweist.
  • In Schritt 404 wird in Abhängigkeit des mindestens eines ermittelten Referenzsignals, von erfassten Parameterwerten des elektrochemischen Energiespeichers und/oder einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers ein Fehlerfall des elektrochemischen Energiespeichers erkannt, eine Fehlerart des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt und/oder ein Fehlerort lokalisiert.
  • In Schritt 405 wird ein elektrisches, optisches und/oder haptisches Signal in Abhängigkeit des Fehlerfalls, der Fehlerart und/oder des Fehlerorts erzeugt. Beispielsweise wird eine CAN-Nachricht erzeugt, die ein einem übergeordneten Batteriemanagementsystem den Fehlerfall, die Fehlerart und/oder den Fehlerort übermittelt. Weiter umfasst das erzeugte Signal eine Meldung an einen Benutzer des elektrochemischen Energiespeichers.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung von Referenzsignalen. Mittels mindestens eines Ultraschallsenders und mindestens eines Ultraschallempfängers werden Signalpaare eines intakten Systems bestimmt und/oder Auswirkungen unterschiedlicher Fehlerfälle als Referenzsignale gespeichert.
  • So zeigt ein Signalverlauf 502 eine Wiederholungsechofolge eines fehlerfreien Schweißpunkts, der beispielsweise einen elektrischen Zellverbinder mit einem elektrochemischen Energiespeicher mit einem geringen elektrischen Widerstand kontaktiert. Ein Signalverlauf 504 hingegen deutet auf einen Schweißpunkt hin, der fehlerhaft ausgeführt ist, da dieser ein Zwischenecho erzeugt und daher kleiner als ein Durchmesser eines Signalbündels ist.
  • Ein Signalverlauf 506 zeigt hingegen eine gelöste Kontaktierung, beispielsweise zwischen einem elektrochemischen Energiespeicher und einer Kühlplatte.
  • 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
    • DE 10201189150 A1 [0006]
    • DE 102009018079 A1 [0007]
    • DE 4229735 C2 [0008]
    • US 6520018 B1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) umfassend folgende Schritte: a. (401) Aussenden von Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallsenders (102, 202), wobei der Ultraschallsender (102, 202) mit dem elektrochemischen Energiespeicher (101, 202) in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist; b. (402) Empfangen eines Antwortsignals der ausgesandten Ultraschallwellen mittels mindestens eines Ultraschallempfängers (103, 203), wobei der Ultraschallempfänger (103, 203) mit dem elektrochemischen Energiespeicher (102, 202) in einer schalleitenden Verbindung angeordnet ist; c. (403) Vergleichen des empfangenen Antwortsignals mit vorgegebenen Referenzsignalen (502, 504, 506, 508) und ermitteln mindestens eines vorgegebenen Referenzsignals, welches die größte Übereinstimmung mit dem Antwortsignal aufweist;
  2. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) nach Anspruch 1, ferner umfassend folgenden Schritt: d. Erfassen von mindestens einem Parameterwert (209) des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), insbesondere einer Spannung, eines Ladezustands, einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) und/oder einer maximal möglichen abgebbaren Stromstärke des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung (210) des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), insbesondere einer Umgebungstemperatur, eines Umgebungsdrucks und/oder einer Verzögerung des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202);
  3. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: e. (404) Erkennen eines Fehlerfalls des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), Bestimmen einer Fehlerart des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) und/oder Lokalisieren eines Fehlerorts in Abhängigkeit des mindestens eines ermittelten Referenzsignals, des erfassten Parameterwerts und/oder der Umgebungsbedingung;
  4. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: f. (405) Erzeugen eines elektrischen, optischen und/oder haptischen Signals in Abhängigkeit des Fehlerfalls, der Fehlerart und/oder des Fehlerorts;
  5. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen durch den Ultraschallsender (102, 202) kontinuierlich und/oder gepulst ausgesendet werden.
  6. Verfahren zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Inbetriebnahme des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), fortlaufend während eines Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) und/oder während eines Nicht-Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) durchgeführt wird, und/oder in Abhängigkeit von mindestens einem Parameterwert des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202).
  7. Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202), umfassend: - Mindestens einen Ultraschallsender (102, 202) zum Aussenden von Ultraschallwellen; - Mindestens einem Ultraschallempfänger (103, 203) zum Empfangen von Ultraschallwellen; - Mindestens eine Steuereinheit (105, 205) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6;
  8. Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) gemäß Anspruch 7, ferner umfassend: - Mindestens einem Sensor zum Erfassen von mindestens einem Parameterwert des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) und/oder von mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers (101, 202).
  9. Vorrichtung zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (102, 202) Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 0,02 und 1000 MHz aussendet.
  10. Verwendung eines Verfahrens zur Diagnose eines mechanischen Zustands eines elektrochemischen Energiespeichers (101, 202) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in elektrochemischen Energiespeichersystemen mit mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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