DE102019135399A1

DE102019135399A1 - Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie und Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102019135399A1
Application number: DE102019135399.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Röttinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN113002362A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie (1), insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie, mit einem Batteriesteuergerät (BMC) zur Steuerung der Traktionsbatterie (1), die aus einer Mehrzahl parallel und/oder seriell geschalteter Akkumulator-Zellen (2) aufgebaut ist. Das Batteriesteuergerät (BMC) ist eine übergeordnete Steuereinheit (Master), der zumindest eine Zell-Kontroll-Schaltung (CMC, Cell-Modul-Controller) als untergeordnete Schaltung (Slave) zugeschaltet ist. Zusätzlich zu der Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) ist zumindest eine Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) bereitgestellt, die der jeweiligen Zelle (2) zugeordnet ist. Die Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) weist im Vergleich zur Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) hoher Meßgenauigkeit eine reduzierte Messgenauigkeit auf und erfasst bei reduziertem Energieverbrauch eine reduzierte Anzahl von Indikator-Messwerten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie, insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
Eine solche Traktionsbatterie ist üblich aus einer Mehrzahl parallel und/oder seriell geschalteter Akkumulator-Zellen aufgebaut, wobei zur Steuerung ein Batteriesteuergerät (BMC) eingesetzt wird.
Zur Überwachung der Traktionsbatterie in einem Master-Slave-Konzept ist das Batteriesteuergerät (BMC) eine übergeordnete Steuereinheit (Master), der eine oder mehrere Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC, Cell-Modul-Controller) als untergeordnete Schaltungen (Slaves) zugeschaltet sind, wobei jeder Zelle eine Funktion einer Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) zugeordnet ist. Die eine oder mehrere Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) erfassen viele Messwerte, insbesondere Spannungen und Temperaturen der einzelnen Zellen mit hoher Genauigkeit und geben diese zur Auswertung an das Batteriesteuergerät (BMC) weiter.
Die Überwachungseinrichtung weist zudem einen, regelmäßig in einer Fahrzeugsteuerung integrierten Fahrzeug-Zustands-Detektor auf, der einen Fahrbetrieb oder Ladebetrieb des Fahrzeugs erkennt. Bei einem detektierten Fahrbetrieb oder Ladebetrieb wird das Batteriesteuergerät und die eine oder mehrere Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) in einen Wachmodus aktiviert, wobei die erfassten Messwerte zur Weiterverarbeitung an das Batteriesteuergerät (BMC) weitergereicht werden, wo dann unter anderem darauf basierend ein Ladezustand (SOC, State of Charge), ein Alterungszustand (SOH, State of Health) und gegebenenfalls auch sicherheitskritische Zustände der Traktionsbatterie analysiert und bestimmt werden.
Wird dagegen mit dem Fahrzeugzustandsdetektor kein Fahrbetrieb oder kein Ladebetrieb des Fahrzeugs detektiert (Fahrzeug-Sleep) werden das Fahrzeug, das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) energiesparend, gegebenenfalls bis auf nur kurze lokale Wachmoduszeiten für ein Balancing und SOC-Angleichung, deaktiviert und abgeschaltet.
Die derzeit verwendeten Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) zur Zellenüberwachung haben sehr hohe Messgenauigkeiten und integrierte Sicherheitsfunktionen, um einen sicheren Betrieb der Traktionsbatterie zu gewährleisten und weisen durch die Komplexität einen hohen Stromverbrauch im Betrieb auf. Dadurch können die Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) wegen ihres hohen Betriebsstrom-Verbrauchs nicht einfach durchgehend auch im Fahrzeug-Sleep über eine längere Zeit im Wachmodus betrieben werden, da sonst je nach Energieversorgung die Traktionsbatterie als Hochvolt-Batterie oder eine Batterie des Fahrzeugbordnetzes, beispielsweise eine 12V-Batterie schnell entleert werden würde.
Dies hat zur Folge, dass ein Zellevent, das heißt eine Zellenauffälligkeit, nur im Fahrzeug-Wachmodus, also im Fahrbetrieb oder Ladebetrieb, erkannt wird, so dass zum Beispiel ein interner Kurzschluss, der potentiell zu einer „Thermal Propagation“, also zu einem thermischen Durchgehen weiterer Zellen oder der ganzen Batterie führen kann, nur im Fahrzeugwachmodus erkannt wird. Sobald das Fahrzeug und damit das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) deaktiviert im Schlafmodus sind, wird ein solcher Zellevent nicht erkannt und das Batteriesteuergerät (BMC) und/oder die Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) würden auch nicht in den Wachmodus überführt werden. Somit können für einen solchen Fall auch keine Gegenmaßnahmen oder eine schnell Alarmierung von Fahrzeuginsassen und Rettungskräften oder eine Online-Datenübermittlung zur Analyse des Vorfalls eingeleitet und durchgeführt werden.
Um das vorstehende Problem einer fehlenden, durchgehenden Überwachung etwas zu reduzieren ist es bekannt ( KR 102019010003 A ), mit einem internen Zeitgeber (Timer) Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) zeitversetzt kurzzeitig aus dem Schlafmodus zu wecken, wonach die geweckte Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) normal arbeitet und seinen Betriebsstrom verbraucht. Sobald die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) mit ihren Messungen fertig ist, fällt sie wieder in ihren Schlafmodus. Ersichtlich wird ein Zellevent dadurch nur erkannt, wenn zufällig die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) über ihren Timer geweckt ist, während im Schlafmodus ein Zellevent auch hier nicht erkannt wird. Somit ist auch mit dieser Maßnahme eine kontinuierliche durchgehende Überwachung einer Traktionsbatterie nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie bereitzustellen, bei dem die Überwachungseinrichtung bei geringem Energieverbrauch eine kontinuierliche durchgehende Überwachung der Traktionsbatterie ermöglicht. Zudem soll ein Verfahren zur Überwachung einer in ein Fahrzeug eingebauten Traktionsbatterie bereitgestellt werden, mit dem eine energiesparende, kontinuierliche und durchgehende Überwachung möglich ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß Anspruch 1 sind zusätzlich zu der einen oder zu den mehreren Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) und/oder in den Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) integrierte und ebenfalls den einzelnen Zellen zugeordnete Zell-Wächter-Schaltungen (Zell-Watchdogs) vorgesehen, die im Vergleich zu den vergleichsweise mit höheren Funktionen ausgerüsteten und viele Messwerte genau erfassenden Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) nur bei vergleichsweise geringem Energieverbrauch wenige Indikator-Messwerte erfassen.
Dabei sind die Zell-Wächter-Schaltungen (Zell-Watchdogs) im Fahrzeugzustand ohne Fahrbetrieb oder ohne Ladebetrieb, sowie gegebenenfalls auch im Fahrbetrieb und im Ladebetrieb für eine kontinuierliche Erfassung der Indikator-Messwerte ständig aktiviert und eingeschaltet.
Die erfassten Indikator-Messwerte werden einer oder mehreren, gegebenenfalls in den Zell-Wächter-Schaltungen integrierten Schwellwertschaltungen zugeführt. Beim Überschreiten oder Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte wird ein Wecksignal generiert, welches das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) direkt oder mittels des Batteriesteuergeräts (BMC) aus einem Schlafmodus in einen Wachmodus schaltet.
Nach einer solchen Aktivierung in den Wachmodus werden die von den Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) nun erfassten und dem Batteriesteuergerät (BMC) mitgeteilten Messwerte vom Batteriesteuergerät (BMC) ausgewertet und auf Zellstörungen, insbesondere auf sicherheitskritische Zellzustände überprüft, wonach gegebenenfalls Maßnahmen zu deren Beherrschung eingeleitet werden.
Durch den Einsatz der mit sehr geringer Energie betreibbaren Zell-Wächter-Schaltungen (Zell-Watchdogs) kann vorteilhafte eine kontinuierliche und durchgehende Überwachung einer Traktionsbatterie, insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie bei insgesamt geringem und tolerierbaren Energieverbrauch auch im Fahrzeug-Schlafmodus (Fahrzeug-Sleep) durchgeführt werden.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, im Fahrzeug-Sleep durch wenige, einfache und energiesparende Messungen eine dauerhafte Entkopplung von den sonst vielen, genauen und betriebsenergieintensiven Messungen und Überwachungen im Fahrzeug-Wachmodus durchzuführen.
Das Batteriesteuergerät kann bei auf Basis der Messwerte erkannten Betriebsstörungen, insbesondere bei sicherheitskritischen Zellzuständen als Maßnahmen zu deren Beherrschung das Fahrzeug aus dem Schlafmodus in den Wachmodus wecken und Sicherheits- und/oder Warnmaßnahmen einleiten, insbesondere eine Kühlvorrichtung aktivieren und/oder Warnsignale auslösen und weiterleiten und/oder akustische und/oder optische und/oder haptische Insassenwarnungen generieren.
Für eine sichere und ausreichende Überwachung wird vorgeschlagen, dass als ein Indikator-Messwert von den Zell-Wächter-Schaltungen (Zell-Watchdogs) jeweils eine Zellspannung erfasst und mittels der Schwellwertschaltung auf eine Minimal-Zellspannung, insbesondere und beispielsweise von 1 Volt, und auf eine Maximal-Zellspannung, insbesondere und beispielsweise von 4,3 Volt überwacht wird. Als weiterer Indikator-Messwert soll von den Zell-Wächter-Schaltungen (Zell-Watchdogs) jeweils eine Zelltemperatur mittels der Schwellwertschaltung auf eine Maximal-Zelltemperatur, insbesondere und beispielshaft von 75°C überwacht werden.
In einer bekannten Ausführung werden als oder auf den Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) integrierte Schaltungen sogenannte ASICS (application specific integrated circuits) als Zell-ASICS verwendet. Erfindungsgemäß wird als weiterer Funktionsblock zusätzlich zu einem Zell-ASIC oder gegebenenfalls im Zell-ASIC integriert ein Wächter-ASIC der Zell-Wächter-Schaltung vorgesehen.
Je nach den Gegebenheiten können die kontinuierlich aktivierten Zell-Wächter-Schaltungen aus den Zellen oder über ein Fahrzeug-Bordnetz, insbesondere über ein 12V-Bordnetz energetisch versorgt werden.
Weiter ist im Anspruchs 6 und den nachfolgenden untergeordneten Ansprüchen ein Verfahren unter Verwendung der in den vorhergehenden Ansprüchen erläuterten Elemente und Funktionen beansprucht.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
Es zeigen:

1 eine stark schematisierte Master-Slave-Anordnung eines Batteriesteuergeräts (BMC) und von zwei Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) an einer Traktionsbatterie, und
2 eine Schemadarstellung einer Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) mit einer integrierten Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog).

In 1 ist stark schematisiert eine in ein Fahrzeug eingebaute Traktionsbatterie 1 als Lithium-Ionen-Batterie dargestellt mit einer Mehrzahl zusammengeschalteter Akkumulatorzellen 2, von denen hier beispielhaft 14 Zellen gezeichnet sind.
Zur Steuerung und Überwachung der Traktionsbatterie 1 ist in einem Master-Slave-Konzept ein Batteriesteuergerät (BMC) als übergeordnete Steuereinheit (Master) verwendet, der hier beispielhaft zwei Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) als untergeordnete Schaltungen (Slaves) zugeschaltet sind. Hier sind beispielhaft an eine Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) jeweils sieben Akkumulatorzellen 2 angeschlossen, wobei jeder Zelle eine Funktion der Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) zugeordnet ist und die beiden Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) viele Messwerte, insbesondere Spannungen und Temperaturen der einzelnen Akkumulatorzellen 2 mit hoher Genauigkeit erfassen und an das Batteriesteuergerät (BMC) zur Auswertung weiterleiten.
In 2 ist schematisch der Aufbau eines der Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) mit einer integrierten Zell-Wächter-Schaltung als Zell-Watchdog gezeigt. Ersichtlich sind auch hier sieben Akkumulatorzellen 2 mit einem Zell-ASIC in der Zell-Kontroll-Schaltung verbunden, wobei der Zell-ASIC in einem Fahrzeug-Wachmodus ebenfalls in einen Wachmodus geschaltet ist und viele, genaue Messungen und Überwachungen für die sieben angeschlossenen Akkumulatorzellen 2 durchführt.
Zudem ist in der Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) als weiterer Funktionsblock eine Zell-Wächter-Schaltung als Zell-Watchdog integriert, welcher ebenfalls an die sieben Akkumulatorzellen 2 angeschlossen ist und im Gegensatz zum Zell-ASIC auch oder ausschließlich im Fahrzeug-Schlafmodus (Vehicle-Sleep) aktiviert ist und im Vergleich zum Zell-ASIC nur einige wenige einfache Messungen für Indikator-Messwerte ausführt. Bei der Erfassung kritischer Indikator-Messwerte wird mit einem Ausgang des Zell-Watchdogs (symbolisch durch Pfeil 3 angedeutet) ein Wecksignal (Wake-Up-Trigger) erzeugt, mit dem dann gegebenenfalls das Batteriesteuergerät (BMC) und die vollen Funktionen der Zell-Kontroll-Schaltungen (CMC) geweckt und aktiviert werden. Je nach den Ergebnissen der genauen Analysen durch das Batteriesteuergerät (BMC) können dann bei Bedarf geeignete Maßnahmen gesteuert eingeleitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Traktionsbatterie
2: Akkumulatorzelle
3: Pfeil
BMC: Batteriesteuergerät
CMC: Zell-Kontroll-Schaltung
Zell-Watchdog: Zell-Wächter-Schaltung

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

KR 102019010003 A [0008]

Claims

Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie (1), insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie, mit einem Batteriesteuergerät (BMC) zur Steuerung der Traktionsbatterie (1), die aus einer Mehrzahl parallel und/oder seriell geschalteter Akkumulator-Zellen (2) aufgebaut ist, wobei das Batteriesteuergerät (BMC) eine übergeordnete Steuereinheit (Master) ist, der zumindest eine Zell-Kontroll-Schaltung (CMC, Cell-Modul-Controller) als untergeordnete Schaltung (Slave) zugeschaltet ist, wobei bevorzugt jeder Zelle (2) eine Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) zugeordnet ist, und wobei die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) Indikator-Messwerte, insbesondere Spannungs-Messwerte und Temperatur-Messwerte, der Zelle (2) mit hoher Messgenauigkeit erfasst und an das Batteriesteuergerät (BMC) zur Auswertung weiterleitet, und mit einem Fahrzeug-Zustands-Detektor, der bei Vorliegen eines Fahrbetriebszustands oder eines Ladebetriebszustands das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) in einen Wachmodus aktiviert und bei Nichtvorliegen eines Fahrbetriebszustands oder eines Ladebetriebszustands das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) energiesparend in einen Schlafmodus deaktiviert, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) zumindest eine Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) bereitgestellt ist, die der jeweiligen Zelle (2) zugeordnet ist, und dass die Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) im Vergleich zur Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) hoher Meßgenauigkeit eine reduzierte Messgenauigkeit aufweist und bei reduziertem Energieverbrauch eine reduzierte Anzahl von Indikator-Messwerten erfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) bei Nichtvorliegen und gegebenenfalls bei Vorliegen eines Fahrbetriebszustands oder eines Ladebetriebszustands für eine kontinuierliche Erfassung der Indikator-Messwerte ständig aktiviert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikator-Messwerte zumindest einer, gegebenenfalls in der Zell-Wächter-Schaltung integrierten Schwellwertschaltung zugeführt werden, und/oder dass bei Überschreiten oder Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte ein Wecksignal (3) generiert wird, welches das Batteriesteuergerät (BMC) und die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) direkt oder mittels des Batteriesteuergeräts (BMC) aus dem Schlafmodus in den Wachmodus schaltet.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aktivierung in den Wachmodus die dann von den Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) dem Batteriesteuergerät (BMC) mitgeteilten Indikator-Messwerte vom Batteriesteuergerät (BMC) ausgewertet und auf Zellstörungen, insbesondere auf sicherheitskritische Zellzustände, überprüfbar sind und insbesondere eine Gegenmaßnahme einleitbar ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesteuergerät (BMC) bei auf Basis der Indikator-Messwerte erkannten Betriebsstörungen, insbesondere bei sicherheitskritischen Zellzuständen, als Gegenmaßnahme das Fahrzeug aus dem Schlafmodus in den Wachmodus weckt und Sicherheits- und/oder Warnmaßnahmen eingeleitet werden, insbesondere und gegebenenfalls eine Kühlvorrichtung aktiviert wird und/oder Warnsignale erzeugt und weitergeleitet werden und/oder akustische und/oder optische und/oder haptische Insassenwarnungen generiert werden.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Indikator-Messwert von der Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) jeweils eine Zellspannung erfasst und mittels der Schwellwertschaltung auf eine Minimal-Zellspannung, insbesondere von 1 Volt, und auf eine Maximal-Zellspannung, insbesondere von 4,3 Volt überwacht wird, und/oder dass als weiterer Indikator-Messwert von den Zell-Wächter-Schaltung (Zell-Watchdog) jeweils eine Zelltemperatur mittels der Schwellwertschaltung auf eine Maximal-Zelltemperatur, insbesondere von 75°C, überwacht wird.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zell-Kontroll-Schaltung (CMC) als Zell-ASIC (application specific integrated circuit) realisiert ist, und dass als weiterer Funktionsblock zusätzlich zum Zell-ASIC ein Wächter-ASIC als Zell-Wächter-Schaltung vorgesehen ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich aktivierte Zell-Wächter-Schaltung aus den Zellen oder über ein Fahrzeug-Bordnetz, insbesondere über ein 12V-Bordnetz, energetisch versorgt ist.
Verfahren zur Überwachung einer in ein Fahrzeug eingebauten Traktionsbatterie (1), insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.