DE102019134510A1

DE102019134510A1 - Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls einer Batteriezelle sowie Batterie-Management-System

Info

Publication number: DE102019134510A1
Application number: DE102019134510.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ziegler; David Oeser
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls (10) wenigstens einer Batteriezelle (1), wobei ein zeitlicher Verlauf einer Batteriespannung (U) der wenigstens einen Batteriezelle (1) innerhalb einer vorherbestimmten Zellspannungsrelaxationsphase (8) nach einer Belastungsphase (7) der wenigstens einen Batteriezelle (1) erfasst wird. Der bevorstehende Fehlerfall (10) wird dann bestimmt, wenn der während der Zellspannungsrelaxationsphase (8) erfasste zeitliche Verlauf der Batteriespannung (U) eine negative Steigung (-Δ) annimmt.Die Erfindung betrifft ferner ein Batterie-Management-System (14) zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls (10), insbesondere eines internen Kurzschlusses, wenigstens einer Batteriezelle (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls wenigstens einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Batterie-Management-System zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls wenigstens einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Das technische Gebiet der Erfindung ist im Bereich der Batterietechnik angesiedelt. In Systemen, in denen (wiederaufladbare) Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, verwendet werden, ist ein vollwertiges Batteriemanagementsystem, welches mindestens Spannung, Strom und Temperatur der eingesetzten Batteriezellen überwacht, zur Generierung eines Mindestmaßes an Sicherheit, unabdingbar. Allein mit diesen Informationen gestaltet es sich jedoch schwierig, Gefahren, die diesen Informationshorizont überschreiten, zu detektieren.
Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in elektromotorisch betriebenen Fahrzeugen weisen eine zunehmend größere Anzahl von seriell geschalteten Zellen auf, um die Verluste beim Abruf der Energie zu minimieren. Je höher die Anzahl der Zellen, desto höher aber auch die Wahrscheinlichkeit eines Aus- oder Fehlerfalls einer Zelle. Ein Fehlerfall kann sowohl alters- wie auch produktionsbedingt auftreten. So kann beispielsweise eine Batterie, die häufig schnell oder bei niedrigen Temperaturen geladen wird, zu so genanntem Lithium-Plating und somit zur Ausbildung von Dendriten neigen, selbst wenn die Grenzen des technischen Datenblattes der Batteriezellen strikt eingehalten werden. Das andauernde Wachstum der Dendriten kann letztendlich zur Beschädigung oder zur stellenweisen Zerstörung des Separators fuhren, was wiederum zum internen Kurzschluss und zum Verlust des sicheren Betriebs der gesamten Batterie führt.
Aus der DE 10 2009 046 210 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie bekannt, bei dem u. a. der zeitliche Verlauf einer Selbstentladung über einen verhältnismäßig langen Zeitraum von vielen Stunden, z. B. 8 Stunden, ermittelt wird.
Die DE 10 2015 110 902 A1 beschreibt weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen der Batteriezellspannungsrelaxationszeit anhand einer Zellnutzungshistorie und Zelltemperatur. Die Kenntnis der genauen Relaxationszeit ist erforderlich, um zu erkennen, wann die Chemie der Batteriezelle „zur Ruhe“ gekommen ist, so dass der tatsächliche Ladezustand (SOC - „State of Charge“) der Batteriezelle ermittelt werden kann.
Der DE 102 23 557 A1 ist außerdem ein Verfahren zur Pflege einer wiederaufladbaren Batterie zu entnehmen, bei dem eine Alterung der Batterie bestimmt wird, indem nach dem Vollladen der Batterie eine Entladezeit gemessen wird, die vergeht, bis die Batteriespannung auf einen absoluten Spannungsschwellenwert abgesunken ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Batterie-Management-System zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls, beispielsweise eines internen Kurzschlusses, wenigstens einer Batteriezelle, insbesondere einer Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie, bereitzustellen, mit denen sowohl die Personen- als auch die Systemsicherheit während des Betriebs der Batteriezelle bzw. einer die Batteriezelle enthaltenden Batterie erhöht werden. Insbesondere soll der bevorstehende Fehlerfall der Batteriezelle rechtzeitig, das heißt einerseits erst möglichst kurz vor einem tatsächlichen Fehlerzustand der Batteriezelle, jedoch auch nicht unnötig früh, erkannt werden, so dass eine maximale und dennoch sichere Betriebsdauer der Batteriezelle erreicht werden kann. Zudem soll die Bestimmung des bevorstehenden Fehlerfalls der Batteriezelle innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer, beispielsweise innerhalb einiger weniger Minuten bis zu maximal einer oder zwei Stunden, möglich sein, damit ein fortwährender, sicherer Betrieb der Batteriezelle gewährleistet werden kann und die Überprüfung der Batterie während ihres normalen, bestimmungsgemäßen Gebrauchs stattfinden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Batterie-Management-System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Ferner gibt der hierin verwendete Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich an, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.
Des Weiteren sind im Sinne der vorliegenden Erfindung hierin verwendete relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“, „steiler“, „flacher“ und dergleichen, stets so auszulegen, dass herstellungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist gemäß der hierin geltenden Definition eine Größe eines Merkmals erst dann als im Sinne der vorliegenden Erfindung „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“, „steiler“, „flacher“ und dergleichen anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls wenigstens einer Batteriezelle, beispielsweise einer von mehreren Batteriezellen einer wiederaufladbaren Batterie wie einer Lithium-Ionen-Batterie, ein zeitlicher Verlauf einer Batteriespannung der wenigstens einen Batteriezelle innerhalb einer vorherbestimmten Zellspannungsrelaxationsphase nach einer Belastungsphase der wenigstens einen Batteriezelle erfasst. Der bevorstehende Fehlerfall, zum Beispiel ein interner Kurzschluss der Batteriezelle, wird dann bestimmt, wenn der während der Zellspannungsrelaxationsphase erfasste zeitliche Verlauf der Batteriespannung eine negative Steigung annimmt, das heißt, wenn die erfasste Batteriezellenspannung zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. über eine bestimmte Zeitdauer innerhalb der Zellspannungsrelaxationsphase abnimmt.
Als Spannungsrelaxationsphase einer Batteriezelle ist eine solche Phase zu verstehen, während welcher die Chemie der Batteriezelle nach einer Belastungsphase, beispielsweise nach einem (Teil-)Entladevorgang, zur Ruhe kommt und die Batteriezelle eine im Wesentlichen stabile Ruhe- bzw. Leerlaufspannung annimmt. Es wurde erkannt, dass die erfindungsgemäße Spannungsanalyse der Batteriezelle in Form der Spannungssteigungsbestimmung bereits während ihrer Relaxationsphase hinreichend Aufschluss über einen bevorstehenden Fehlerfall, insbesondere einen thermischen Vorgang wie einen internen Kurzschluss, zum Beispiel verursacht durch Dendriten, liefert, der mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit bei einer nachfolgenden, erneuten Belastungsphase der Batteriezelle auftreten kann.
Als bevorstehender Fehlerfall der Batteriezelle, zum Beispiel ein interner Kurzschluss der Batteriezelle, ist ein (insbesondere thermischer) Fehlerzustand zu verstehen, der zum Zeitpunkt der erfindungsgemäßen Bestimmung noch nicht eingetreten ist (d. h. die Batteriezelle ist noch voll funktionstüchtig), jedoch während einer folgenden erneuten Belastungsphase der Batteriezelle wahrscheinlich auftreten wird und sich zumindest schleichend im zeitlichen Spannungsverhalten der Batteriezelle nach einer vorausgehenden Belastungsphase ankündigt. Die Erfinder haben überraschend herausgefunden, dass sich der bevorstehende Fehlerfall bereits verhältnismäßig kurz nach einer Belastungsphase der Batteriezelle erkennen lässt, insbesondere bereits innerhalb der für die jeweilige Batteriezelle eigenen Zellspannungsrelaxationsphase, die beispielsweise einige wenige Minuten bis etwa eine oder zwei Stunden dauern kann. Dementsprechend ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung des bevorstehenden Fehlerfalls der Batteriezelle innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums und kann somit besonders vorteilhaft während einer normalen, bestimmungsgemäßen Verwendung der Batteriezelle, das heißt ohne speziell herbeizuführende Betriebsunterbrechung, eingesetzt werden, zum Beispiel bei einer Traktionsbatterie während der gewöhnlichen Stillstandzeiten eines Fahrzeugs.
Andererseits ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine maximale und dennoch sichere Betriebsdauer der Batteriezelle, da der bevorstehende Fehlerfall erst dann als solcher bestimmt wird, wenn der Fehlerfall tatsächlich mit hoher Wahrscheinlichkeit bei einer nachfolgenden, erneuten Belastung (Lade- und/oder Entladevorgang) auftreten wird. In diesem Fall wird der Betrieb der Batteriezelle bzw. der die Batteriezelle enthaltenden Batterie unverzüglich eingestellt, um Personen- und/oder Systemschäden sicher zu verhindern.
Besonders bevorzugt ist die wenigstens eine Batteriezelle eine von mehreren Batteriezellen einer wiederaufladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Traktionsbatterie für ein teilweise oder ausschließlich elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug. Die mehreren Batteriezellen können seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein. Mehrere seriell miteinander verschaltete einzelne Batteriezellen können als Zellenreihe bezeichnet werden, wobei mehrere gleiche Zellenreihen wiederum parallel verschaltet sein können, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der bevorstehende Fehlerfall dann bestimmt, wenn die negative Steigung während der Zellspannungsrelaxationsphase einen vorherbestimmten Steigungsschwellenwert überschreitet, der (betragsmäßig) größer gewählt wird als die durch Selbstentladung der wenigstens einen Batteriezelle bewirkte zeitliche Änderung der Batteriespannung während der Zellspannungsrelaxationsphase. Somit lässt sich eine mögliche Spannungsabnahme während der Relaxationsphase der Batteriezelle hervorgerufen durch die gewöhnlich ebenfalls auftretende, jedoch an sich unkritische Selbstentladung der Batteriezelle von der den bevorstehenden Fehlerfall deutlich kennzeichnenden Spannungsabnahme hinreichend abgrenzen. Eine Überlagerung beider Effekte ist somit sicher unterscheidbar.
Besonders vorteilhaft sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands vor, den Steigungsschwellenwert wenigstens eine Größenordnung, bevorzugt wenigstens zwei Größenordnungen, noch bevorzugter wenigstens drei Größenordnungen, größer zu wählen als die durch Selbstentladung der wenigstens einen Batteriezelle bewirkte zeitliche Änderung der Batteriespannung während der Zellspannungsrelaxationsphase. Als eine Größenordnung ist vorliegend insbesondere eine Zehnerpotenz zu verstehen, so dass bei einer beispielhaft gegebenen, unkritischen Selbstentladung der Batteriezelle von 0,02 mV/h der Steigungsschwellenwert, ab dem ein bevorstehender Fehlerfall der Batteriezelle bestimmt wird, zum Beispiel im Bereich einiger weniger mV/h (z. B. 1 mV/h oder 1 bis 5 mV/h) gewählt werden kann, wenn dieser zwei Größenordnung größer als die Selbstentladung gewählt wird. Bei drei Größenordnungen würde der Schwellenwert beispielsweise auf 10-30 mV/h, z. B. 20 mV/h, festgelegt werden können. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass typische Selbstentladungswerte einer Batteriezelle durch aus im Bereich von einigen wenigen bis zu 10 µV/h oder einigen wenigen 10 µV/h, z. B. 20-80 µV/h liegen.
Bevorzugt wird der Steigungsschwellenwert, ab dem der bevorstehende Fehlerfall bestimmt wird, nicht beliebig groß gewählt werden und kann zum Beispiel auf einen Wert begrenzt werden, der z. B. maximal vier Größenordnungen über dem Wert der gewöhnlichen Selbstentladung der Batteriezelle liegt. Dies ermöglicht zusätzlich die Bestimmung besonders steiler Spannungsänderungen innerhalb der Relaxationsphase, wie weiter untern ausführlicher erläutert wird.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann der Spannungsschwellenwert vorzugsweise aus einem Bereich von etwa 1 mV/h bis 1000 mV/h gewählt werden, zum Beispiel 5 mV/h bis 500 mv/h oder 10 mV/h bis 250 mV/h.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Steigungsschwellenwert abhängig von einer erfassten aktuellen Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle gewählt wird, wobei der Steigungsschwellenwert proportional zur Temperatur gewählt wird. Mit anderen Worten wird der Steigungsschwellenwert nach dieser Ausgestaltung dynamisch während des Betriebs der Batteriezelle abhängig von ihrer augenblicklichen Temperatur, die durch geeignete, allgemein bekannte Temperatursensormittel erfasst werden kann, festgelegt. Eine höhere Zellentemperatur liefert somit einen (betragsmäßig) höheren Steigungsschwellenwert (Temperaturproportionalität), geringere Zellentemperaturen einen entsprechend niedrigeren Steigungsschwellenwert. Die Proportionalität zwischen der Zellentemperatur und dem Steigungsschwellenwert muss nicht zwingend linear gewählt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird der Steigungsschwellenwert abhängig von einem Ladezustand (SOC) der wenigstens einen Batteriezelle gewählt bzw. entsprechend angepasst. Beispielsweise wird der Steigungsschwellenwert in einem oberen/unteren SOC-Bereich höher gewählt, als im mittleren SOC-Bereich, Im mittleren SOC-Bereich, insbesondere im SOC-Bereich zwischen 80 % und 20 %, findet bei gleichem Ladungsaustausch eine deutlich geringere Spannungsänderung statt, als in den Bereichen darüber und darunter. Beispielsweise kann der Steigungsschwellenwert in dem oberen SOC-Bereich um bis zu einer Größenordnung höher gewählt werden, als in dem Bereich zwischen 80-20 %, insbesondere als in dem Bereich zwischen 30-60 %.
Die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen vorteilhaft eine automatische und dynamische Berücksichtigung des zeitlichen Spannungsverhaltens der Batteriezelle, das unter Umständen deutlich von der tatsächlichen Zellentemperatur beeinflusst sein kann. Die Relaxation der Batteriezelle kann insbesondere bei hohen Zellentemperaturen deutlich schneller ablaufen als bei niedrigen Temperaturen. So kann beispielsweise bei niedriger Zellentemperatur (übrigens ebenso bei starker Batterienutzung, einschließlich Lade- und Entladevorgängen), die Relaxationszeit 15-60 Minuten, 20-50 Minuten, 30-50 Minuten, 40-60 Minuten oder 45-60 Minuten betragen. Bei hoher Zellentemperatur (und/oder schwacher Batterienutzung) kann die Relaxationszeit hingegen 1-15 Minuten, 1-10 Minuten, 5-15 Minuten, 5-10 Minuten, 1-5 Minuten, 1-3 Minuten oder sogar weniger als eine Minute, zum Beispiel etwa 30 Sekunden, betragen. Der an ein derartiges tatsächliches Relaxationsverhalten der Batteriezelle angepasste Steigungsschwellenwert ermöglicht eine noch genauere und zuverlässigere Bestimmung des bevorstehenden Fehlerfalls der Batteriezelle.
Weiterhin kann die Steigung des zeitlichen Verlaufs der Batteriespannung während der Zellspannungsrelaxationsphase bevorzugt ermittelt werden, indem ein erster Batteriespannungswert zu einem ersten Zeitpunkt von einem zweiten Batteriespannungswert zu einem späteren, zweiten Zeitpunkt abgezogen und auf die zwischen den beiden Zeitpunkten vergangene Zeitdauer bezogen wird.
Weiterhin können die zur Berechnung der Spannungsänderung pro Zeiteinheit (Steigung) verwendeten Spannungswerte der Batteriezelle vorab ebenso durch Mittelwertbildung mehrerer erfasster Spannungswerte ermittelt werden, um Messschwankungen und/oder Messungenauigkeiten auszugleichen.
Zusätzlich oder alternativ können ebenfalls mehrere Steigungsbestimmungen durchgeführt werden und diese anschließend zu einem einzigen Spannungssteigungswert gemittelt werden, der letztendlich die Grundlage für die Entscheidung des bevorstehenden Fehlerfalls bildet.
Besonders bevorzugt werden innerhalb der gesamten Zellspannungsrelaxationsphase mehrere Spannungssteigungswerte in zeitlicher Abfolge ermittelt und daraufhin analysiert, ob der jeweilige Steigungswert positiv oder negativ ist. In diesem Fall wird die gesamte zu erwartende Relaxationsdauer in mehrere Analysezeitfenster unterteilt, in denen jeweils eine Spannungsanalyse hinsichtlich einer Spannungsabnahme oder Spannungszunahme durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Beginn der Zellspannungsrelaxationsphase durch einen die Belastungsphase, insbesondere einen Entladevorgang, der wenigstens einen Batteriezelle beendenden, steilen Spannungsanstiegs der Batteriespannung der wenigstens einen Batteriezelle festgelegt. Unter einem steilen Spannungsanstieg ist vorliegend eine Spannungszunahme von wenigstens zwei Größenordnungen, vorzugsweise auch 3 oder 4 Größenordnungen, größer als der vorstehend beschriebene Steigungsschwellenwert zu verstehen. Wenn dementsprechend der Steigungsschwellenwert auf einen Bereich von beispielsweise etwa 1 mV/h bis etwa 1000 mV/h festgelegt ist, kann der den Beginn der Zellspannungsrelaxationsphase kennzeichnende steile Spannungsanstieg durchaus mehrere Volt pro Sekunde betragen.
Das Erfassen dieses steilen Spannungsanstiegs kann grundsätzlich auf dieselbe Weise erfolgen wie die Erfassung der Spannungsänderung während der gesamten Zellspannungsrelaxationsphase. Vorteilhafterweise kann das Zeitfenster zur Bestimmung der Spannungssteigung anhand zweier zeitlich aufeinanderfolgender Spannungswerte der Batteriezelle zu Beginn der Relaxationsphase verhältnismäßig klein gewählt werden, bis der steile Spannungsanstieg als Kennzeichen für das Ende der Belastungsphase der Batteriezelle erfasst wurde. Da innerhalb der Relaxationsphase mit einer wesentlich geringeren Änderung der Zellenspannung zu rechnen ist, kann das Zeitfenster zur dann folgenden Erfassung der Spannungsänderung im Relaxationszeitraum größer gewählt werden als zu Beginn der Relaxationsphase, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Ein größer gewähltes Erfassungszeitfenster kann das Bestimmen des zeitlichen Spannungsverlaufs und damit die Steigungsermittlung der Zellenspannung während der Relaxationsphase insbesondere bei nur sehr kleinen Spannungsänderungen verbessern. Auch kann auf diese Weise eine Erfassung der Spannungswerte mit geringerer Detektionsauflösung erfolgen (entsprechend einem geringeren Detektionsaufwand und geringeren Kosten für die Detektionselektronik).
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann das Ende der Zellspannungsrelaxationsphase durch einen steilen Spannungsanstieg und/oder einen steilen Spannungsabfall der Batteriespannung der wenigstens einen Batteriezelle bestimmt werden. Bezüglich der Bedeutung der hier vorliegenden steilen Spannungsänderung sei auf die vorstehenden Erläuterungen zum steilen Spannungsanstieg als Kennzeichen des Beginns der Zellspannungsrelaxationsphase verwiesen.
Entsprechend einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands wird die Zellspannungsrelaxationsphase auf eine Dauer im Bereich von 1 min bis 120 min, bevorzugt 1 min bis 90 min, noch bevorzugter 1 min bis 60 min beschränkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batterie-Management-System zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls, zum Beispiel eines internen Kurzschlusses, wenigstens einer Batteriezelle, beispielsweise einer von mehreren Batteriezellen einer wiederaufladbaren Batterie wie einer Lithium-Ionen-Batterie, bereitgestellt, das eine Batterieüberwachungselektronik aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, wenigstens eine Batteriespannung der wenigstens einen Batteriezelle zu bestimmen. Ferner weist das Batterie-Management-System eine elektronische Rechen- und Speichereinheit auf, die im Zusammenwirken mit der Batterieüberwachungselektronik eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen auszuführen.
Bezüglich vorrichtungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile vorrichtungsbezogener Merkmale wird vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Mit anderen Worten sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition des erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Es ist zu verstehen, dass die Batterieüberwachungselektronik entsprechende Sensormittel aufweist, mit denen die Zellenspannung und/oder der Zellenstrom und/oder die Zellentemperatur der wenigstens einen überwachten Batteriezelle erfassbar ist/sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Spannung-Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung,
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Spannungs-Zeit-Diagramm aus 1 und
3 ein Ausführungsbeispiel eines Batterie-Management-Systems gemäß der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt ein Spannung-Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung dar. Der zeitliche Spannungsverlauf U(t) ist vorliegend für eine mehrere Batteriezellen 1 aufweisende Batterie 2 (vgl. 3), z. B. eine Lithium-Ionen-Traktionsbatterie, dargestellt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Batterie 2 fünf parallel zueinander geschaltete Zellenreihen 3, die wiederum jeweils vier einzelne, in Reihe geschaltete Batteriezellen 1 aufweisen (3). Eine solche Anordnung kann auch als 4S5P-Konfiguration (4 x seriell, 5 x parallel) der Batterie 2 bezeichnet werden. Die Erfindung ist nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Andere Verschaltungen einzelner Batteriezellen 1 (sowohl in Reihe als auch parallel) sind möglich.
In 1 zeigt die Spannungskurve 4 als Umrisslinie zusammengefasst die Zellenspannungen U von drei intakten Batteriezellen 1 der Batterie 2 aus 3. Die Spannungskurve 5 zeigt als schwarz durchgezogene Linie hingegen den zeitlichen Spannungsverlauf U(t) einer Batteriezelle 1, bei der sich ein Fehlerfall, vorliegend ein interner Kurzschluss, anbahnt.
In 1 ist etwa ab Stunde 1 bis ca. Stunde 3,2 ein überwiegend lastloser Zustand 6 der Batteriezellen 1 zu erkennen. Ab ca. Stunde 3,2 bis ca. Stunde 3,7 ist eine Belastungsphase in Form eines Entladevorgangs 7 mit einer anschließenden Relaxationsphase 8 zu erkennen. Hieran anschließend ist in Fig.

1 ein Ladevorgang 9 dargestellt. Dem Ladevorgang 9 schließt sich ab ca. Stunde 6,7 ein überwiegend lastloser Zustand 6 an, in dem sich ein Fehlerfall ereignet. Deutlich ist zu erkennen, dass die Spannungskurve 5 kurz vor Stunde 7 rasch abfällt, was durch einen internen Kurzschluss (Fehlerfall 10) der entsprechenden Batteriezelle 1 der Spannungskurve 5 verursacht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt während der Relaxationsphase 8, die an ihrem Beginn durch einen steilen ersten Spannungsanstieg 11 nach der Belastungsphase 7 begrenzt ist und an ihrem Ende durch einen weiteren zweiten steilen Spannungsanstieg 12 begrenzt ist, die Steigung Δ des Spannungsverlaufs U(t). Dies ist ausführlich in 2 dargestellt, die einen in 1 gestrichelt umkreisten Teil 13 des Spannungs-Zeit-Diagramms vergrößert zeigt.
1 ist zu entnehmen, dass die Relaxationsphase 8 in der gezeigten Betriebssituation etwa von Stunde 3,7 bis Stunde 4,7 (ca. 60 Minuten) andauert. In 2 ist deutlich zu erkennen, dass in dieser Phase 8 die Spannungskurve 4 der in ihrer Funktion nicht eingeschränkten, das heißt intakten, gesunden, Batteriezellen 1 stets zumindest eine leicht positive Steigung +Δ aufweist, wohingegen die Spannungskurve 5 der Batteriezelle 1, bei der ein Fehlerfall kurz bevorsteht, nach einer anfänglichen positiven Steigung zu Beginn der Relaxationsphase 8 schließlich in eine negative Steigung -Δ übergeht. Der Wert der negativen Steigung -Δ lässt sich zum Beispiel anhand der beiden erfassten Spannungswerte U1 und U2 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1 bzw. t2 bestimmen: $Δ = (U 2 - U 1) / (t 2 - t 1) .$
In dem vorliegend beschriebenen Fall ist die reguläre Selbstentladung der einzelnen Batteriezellen 1 so gering, dass diese im betrachteten Relaxationsintervall 8 nicht zum Tragen kommt. Würde hingegen die Spannungsänderung bei einer intakten, gesunden Batteriezelle mehrere Tage bis Wochen erfasst werden, würde sich auch hier eine negative Steigung der Batteriezellenspannung U dieser gesunden Batteriezelle aufgrund ihrer geringen Selbstentladung ergeben.
Erfindungsgemäß wird während der gesamten Relaxationsphase 8 der aktuell gemessene Wert der Zellenspannung U(t) (z. B. U2) mit den vorangegangen Spannungswerten (z. B. U1) verglichen. Ist der aktuelle Wert größer als die vorherigen Werte, liegt eine positive Steigung +Δ vor, wie beispielsweise zu Beginn der Relaxationsphase 8 der Spannungskurve 5 oder über den gesamten zeitlichen Verlauf der Spannungskurve 4.
Nach Erreichen eines Maximums der Spannungskurve 5 im Relaxationsintervall 8 sind jedoch alle nachfolgenden Spannungswerte kleiner als die vorherigen Werte, das heißt die Zellenspannung nimmt ab und die Steigung nimmt einen negativen Wert -Δ an.
Sofern die Selbstentladung der Batteriezellen innerhalb der betrachteten Relaxationsphase 8 nicht vernachlässigbar ist, kann ein Steigungsschwellenwert Δth (nicht dargestellt) für die negative Spannungsänderung festgelegt werden, der überschritten werden muss, um den Fehlerfall zu bestimmen.
Es ist zu verstehen, dass alternativ (oder zusätzlich) zur Spannungsänderung infolge der Selbstentladung ebenso eine Ermittlung des Selbstentladestroms der Batteriezelle vorgenommen und zur erfindungsgemäßen Auswertung herangezogen werden kann. Letztendlich entspricht ein rascher Abfall der Zellenspannung einem höheren Selbstentladestrom der Batteriezelle.
Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, stellt 3 ein Ausführungsbeispiel eines Batterie-Management-Systems 14 gemäß der Erfindung zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls 10 wenigstens einer der Batteriezellen 1 der Batterie 2 dar. Wie in 3 schematisch dargestellt ist, weist das Batterie-Management-System 14 eine Batterieüberwachungselektronik 15 auf. Diese enthält entsprechend ausgebildete Sensormittel (nicht dargestellt), um wenigstens die Batteriespannung U der Batteriezellen 1 zu bestimmen. Zusätzlich können ebenfalls Sensormittel vorgesehen sein, die beispielsweise die Temperatur der Batteriezellen 1 erfassen und dem Batterie-Management-System 14 zur Verfügung stellen, um gegebenenfalls anhand der ermittelten Temperatur den Steigungsschwellenwert Δth dynamisch festzulegen.
Außerdem weist das Batterie-Management-System 14 eine elektronische Rechen- und Speichereinheit 16 auf, um das hierin offenbarte Verfahren im Zusammenwirken mit der Batterieüberwachungselektronik 15 auszuführen und einen bevorstehenden Fehlerfall der Batteriezellen 1 zu erkennen und letztendlich in einem solchen Fall den Betrieb der Batterie 2 unverzüglich einzustellen, um größeren Schaden an dem die Batterie enthaltenden technischen System, zum Beispiel ein batterieelektrisches Fahrzeug, und insbesondere an Personen gänzlich zu verhindern.
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls einer Batteriezelle sowie das erfindungsgemäße Batterie-Management-System sind nicht auf die hierin entsprechend offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale sowohl des Verfahrens als auch der Vorrichtung ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In besonders bevorzugter Ausführung wird das erfindungsgemäße Batterie-Management-System zur Überwachung von Batteriezellen einer wiederaufladbaren Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, verwendet, die bevorzugt als Traktionsbatterie eines vollständig oder teilweise elektromotorisch betriebenen Fahrzeugs eingesetzt wird, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Batterie
3: Zellenreihe
4: Spannungskurve einer gesunden Batteriezelle
5: Spannungskurve einer Batteriezelle mit bevorstehendem Fehlerfall (internen Kurzschluss)
6: Lastloser Zustand
7: Belastungsphase / Entladevorgang
8: Zellenspannungsrelaxationsphase
9: Ladevorgang
10: Fehlerfall / interner Kurzschluss
11: Erster steiler Spannungsanstieg
12: Zweiter steiler Spannungsanstieg
13: Ausschnitt
14: Batterie-Management-System
15: Batterieüberwachungselektronik
16: Elektronische Rechen- und Speichereinheit
t: Zeit
U: Zellspannung
+Δ: Positive Steigung
-Δ: Negative Steigung
Δth: Steigungsschwellenwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009046210 A1 [0004]
DE 102015110902 A1 [0005]
DE 10223557 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls (10) wenigstens einer Batteriezelle (1), wobei ein zeitlicher Verlauf einer Batteriespannung (U) der wenigstens einen Batteriezelle (1) innerhalb einer vorherbestimmten Zellspannungsrelaxationsphase (8) nach einer Belastungsphase (7) der wenigstens einen Batteriezelle (1) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorstehende Fehlerfall (10) dann bestimmt wird, wenn der während der Zellspannungsrelaxationsphase (8) erfasste zeitliche Verlauf der Batteriespannung (U) eine negative Steigung (-Δ) annimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorstehende Fehlerfall (10) dann bestimmt wird, wenn die negative Steigung (-Δ) während der Zellspannungsrelaxationsphase (8) einen vorherbestimmten Steigungsschwellenwert überschreitet, der größer gewählt wird als die durch Selbstentladung der wenigstens einen Batteriezelle (1) bewirkte zeitliche Änderung der Batteriespannung (U) während der Zellspannungsrelaxationsphase (8).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsschwellenwert wenigstens eine Größenordnung, bevorzugt wenigstens zwei Größenordnungen, noch bevorzugter wenigstens drei Größenordnungen, größer gewählt wird als die durch Selbstentladung der wenigstens einen Batteriezelle (1) bewirkte zeitliche Änderung der Batteriespannung (U) während der Zellspannungsrelaxationsphase (8).
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsschwellenwert aus einem Bereich von 1 mV/h bis 1000 mV/h gewählt wird, vorzugsweise 5 mV/h bis 500 mv/h, noch bevorzugter 10 mV/h bis 250 mV/h.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsschwellenwert abhängig von einer erfassten, aktuellen Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle (1) gewählt wird, wobei der Steigungsschwellenwert proportional zur Temperatur gewählt wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsschwellenwert abhängig von einem Ladezustand (SOC) der wenigstens einen Batteriezelle (1) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (Δ) des zeitlichen Verlaufs der Batteriespannung (U) in der Zellspannungsrelaxationsphase (8) ermittelt wird, indem ein erster Batteriespannungswert (U1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) von einem zweiten Batteriespannungswert (U2) zu einem späteren, zweiten Zeitpunkt (t2) abgezogen und auf die zwischen dem ersten (t1) und dem zweiten (t2) Zeitpunkt vergangene Zeitdauer bezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Zellspannungsrelaxationsphase (8) durch einen die Belastungsphase (7) der wenigstens einen Batteriezelle (1) beendenden, steilen Spannungsanstiegs (11) der Batteriespannung (U) der wenigstens einen Batteriezelle (1) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Zellspannungsrelaxationsphase (8) durch einen steilen Spannungsanstieg (12) und/oder einen steilen Spannungsabfall der Batteriespannung (U) der wenigstens einen Batteriezelle (1) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellspannungsrelaxationsphase (8) auf eine Dauer im Bereich von 1 min bis 120 min, bevorzugt 1 min bis 90 min, noch bevorzugter 1 min bis 60 min beschränkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als bevorstehender Fehlerfall (10) ein interner Kurzschluss der wenigstens einen Batteriezelle (1) bestimmt wird.
Batterie-Management-System zur Bestimmung eines bevorstehenden Fehlerfalls (10) wenigstens einer Batteriezelle (1), aufweisend eine Batterieüberwachungselektronik (15), die eingerichtet und angeordnet ist, wenigstens eine Batteriespannung (U) der wenigstens einen Batteriezelle (1) zu bestimmen, sowie eine elektronische Rechen- und Speichereinheit (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Speichereinheit (16) im Zusammenwirken mit der Batterieüberwachungselektronik (15) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.