DE102019202463A1

DE102019202463A1 - Verfahren zum Durchführen eines Batterietests in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie Batterie und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019202463A1
Application number: DE102019202463.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Christian Endisch; Michael Schmid; Dominik Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Batterietests in einer Batterie (11) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei in der Batterie (11) schaltbare Batteriezellen (C) bereitgestellt sind und die Batteriezellen (C) in einer einzigen Gruppe (G0) alle zusammen oder in mehreren Gruppen (G1-G3) gruppenweise getrennt mit einer zellexternen elektrischen Prüfeinrichtung (15) der Batterie (11) verschaltet sind. Die Erfindung sieht vor, dass für den Batterietest eine Steuereinrichtung (19) in jeder Gruppe (G0-G3) jeweils nacheinander die elektrochemische Zelle (28) nur einer oder einigen der Batteriezellen (C) der Gruppe (G0-G3) für einen Zellentest elektrisch mit der Prüfeinrichtung (15) verbindet, wobei Schaltkonfigurationen (30) von Schaltelementen (SA, SB) der Batteriezellen (C) in einem vorgegebenen Schaltablauf (29) gewechselt werden und nacheinander die jeweilige elektrochemische Zelle (28) jeder der Batteriezellen (C) der jeweiligen Gruppe (G0-G3) für den Zellentest mit der Prüfeinrichtung (15) verbunden wird, um mittels des Batterietests einen Batteriefehler (23) zu erkennen und zu lokalisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Batterietests in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren geht davon aus, dass in der Batterie sogenannte schaltbare Batteriezellen bereitgestellt sind, in die jeweils zumindest ein Schaltelement integriert ist, das sich mittels einer Steuereinrichtung der Batterie schalten lässt. Zu der Erfindung gehören auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, die den besagten Batterietest durchführen kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine wiederaufladbare Batterie, also um einen sogenannten elektrischen Akkumulator. In einem Kraftfahrzeug kann eine solche Batterie insbesondere als Hochvolt-Batterie bereitgestellt sein, die zwischen ihren Batterieanschlüssen eine Batteriespannung von mehr als 60 Volt bereitstellen kann. Zum Erzeugen der Batteriespannung können in der Batterie mehrere Batteriezellen in einer Reihenschaltung hintereinander zwischen die Batterieanschlüsse geschaltet sein. Um eine vorgegebene Stromstärke erreichen zu können, kann für jede Spannungsebene der Reihenschaltung vorgesehen sein, darin mehrere Batteriezellen parallel zueinander zu betreiben.
Bei einer solchen Batterie ist die Überwachung des Batteriezustands notwendig, da sie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug entscheidend für den Fahrbetrieb ist. Insbesondere ist eine stetige Überwachung nötig. Dazu muss die Batterie mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet werden, was allerdings je nach Ausstattungsaufwand die Kosten für die Herstellung der Batterie unerwünscht hoch werden lässt. Üblicherweise handelt es sich bei den Sensoren insgesamt um solche für eine Gesamtstrommessung eines Batteriestroms der Batterie, eine Spannungsmessung für die Messung der Batteriespannung zwischen den Batterieanschlüssen sowie optional eine Temperaturmessung zum Erfassen zumindest einer Temperatur in der Batterie. In einer Batterie kann dann eine Steuereinrichtung beispielsweise auf der Grundlage eines sogenannten Batteriemanagementsystems bereitgestellt sein, um die Sensordaten der Sensoren daraufhin zu überprüfen, ob die Batterie in einem zulässigen Batteriezustand ist. Wird ein unzulässiger Messwert erkannt, so kann eine Schutzmaßnahme eingeleitet oder ausgelöst werden.
Die beschriebene Messung auf Grundlage des Batteriestroms und der Batteriespannung stellt allerdings eine sehr pauschale Überprüfung oder Messung des Batteriezustands dar. Ein Defekt in einer einzelnen Batteriezelle kann nicht lokalisiert werden, sodass bei Erkennen eines unzulässigen Messwerts die ganze Batterie insgesamt abgeschaltet werden muss. Eine Lokalisierung des Fehlers und Isolierung des Fehler nur auf Ebene der Batteriezellen ist mit der beschriebenen Messung nicht möglich.
Aus der EP 2 171 824 B1 ist eine Batterie bekannt, bei welcher jede einzelne Batteriezelle individuell über ein Schaltelement zugeschaltet oder weggeschaltet werden kann. Zudem ist ein Verfahren beschrieben, um einen Kurzschluss in einer einzelnen Batteriezelle zu erkennen und daraufhin ausschließlich diese einzelne Batteriezelle zu isolieren, damit der übrige Teil der Batterie weiter genutzt werden kann. Das Erkennen eines Kurzschlusses kann nur indirekt erfolgen, indem nacheinander jeweils individuell nur eine der Batteriezellen aus dem Zellverbund der Batterie weggeschaltet wird und überprüft wird, ob sich hierdurch ein Zustand der Batterie normalisiert. Eine aktive Untersuchung einer einzelnen, defekten Batteriezelle oder einer Umgebung dieser Batteriezelle ist nicht möglich.
Aus der DE 10 2011 054 145 A1 ist bekannt, dass in einer Batterie für jede Batteriezelle eine individuelle Bypass-Schaltung bereitgestellt werden kann, mittels welcher eine Batteriezelle in einer Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen elektrisch überbrückt werden kann, sodass auch bei Ausfall dieser Batteriezelle die übrigen Batteriezellen weiterhin in der Reihenschaltung betrieben werden können. Um eine einzelne Batteriezelle auf ihren Zellzustand zu überprüfen, ist vorgesehen, für jede einzelne Batteriezelle deren Spannungspegel zu messen, während die Batteriezelle mittels ihrer Bypass-Schaltung überbrückt ist. Dies erfordert allerdings einen hohen Schaltungsaufwand, da für jede Batteriezelle ein individueller Spannungssensor bereitgestellt werden muss.
Aus der WO 2011/134500 A1 ist eine Batterie bekannt, bei welcher eine Bypass-Schaltung nur für einen Verbund aus mehreren parallelgeschalteten Batteriezellen vorgesehen ist, um hierdurch den Schaltungsaufwand zu reduzieren. Hierdurch lässt sich aber bei einem Fehler in einer der Batteriezellen des Verbundes aus parallelgeschalteten Batteriezellen nur der Verbund insgesamt deaktivieren, was eine unnötige Reduktion der Leistungsfähigkeit der Batterie bedeutet und zudem bei einer Reparatur der Batterie eine zusätzliche Messung erfordert, um die eigentliche defekte Batteriezelle zu finden.
Aus der CN 104972926 A ist ein Verfahren zum Detektieren und Lokalisieren eines Batteriefehlers in der Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt. Das Verfahren geht davon aus, dass eine Vielzahl von Sensoren zur Verfügung steht, um elektrische Spannungen und Ströme innerhalb der Batterie zu messen. Dies resultiert aber in einen unerwünscht hohen Schaltungsaufwand in Bezug auf die Messsensorik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Kraftfahrzeug-Batterie mit mehreren schaltbaren Batteriezellen eine Überprüfung einzelner Batteriezellen oder Teilgruppen von Batteriezellen in Bezug auf deren Funktionstüchtigkeit zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen eines Batterietests in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass in der Batterie schaltbare Batteriezellen bereitgestellt sind, indem in jeder Batteriezelle, also innerhalb von deren Gehäuse, folgende Schaltungszweige bereitgestellt sind, die jeder für sich die Zellpole (Pluspol und Minuspol), das heißt die Zellanschlüsse, miteinander verbinden. Es wird davon ausgegangen, dass in jeder Batteriezelle deren Zellanschlüsse sowohl über einen Zellzweig als auch über zumindest einen Bypasszweig verbunden sind. Bei dem Zellzweig handelt es sich um einen Schaltungszweig, in welchen eine elektrochemische Zelle oder galvanische Zelle der Batteriezelle geschaltet ist. Der Zellzweig ist also derjenige Schaltungszweig, in welchem die Zellspannung der Batteriezelle erzeugt wird. Jeder Bypasszweig ist dagegen derart ausgestaltet, dass er jeweils die elektrochemische Zelle umgeht, also einen Strompfad ermöglicht, der nicht durch die elektrochemische Zelle führt. Jeder Bypasszweig ist dabei natürlich selbst zellenlos ausgestaltet, also weist selbst keine elektrochemische Zelle auf. Die Batteriezelle ist schaltbar, was bedeutet, dass in den Batteriezellen jeweils zumindest ein elektrisches Schaltelement bereitgestellt ist. Es kann zum Beispiel im Zellzweig und in jedem Bypasszweig jeweils ein Schaltelement vorgesehen sein. Es kann zusätzlich oder alternativ dazu ein Schaltelement vorgesehen sein, über welches der Zellzweig und zumindest ein Bypasszweig gemeinsam mit einem Zellanschluss der Batteriezelle verbunden sind. Ein solches Schaltelement kann beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, realisiert sein. Mögliche Beispiel für Bypasszweige sind ein Kurzschluss-Bypasszweig und ein Balancing-Bypasszweig. Ein Kurzschluss-Bypasszweig verbindet die Zellanschlüsse der Batteriezelle mittels eines Kurzschlusses (Widerstandswert kleiner als 5 Ohm, insbesondere kleiner als 2 Ohm), falls das Schaltelement elektrisch leitend geschaltet ist. Ein Balancing-Bypasszweig verbindet die Pole der elektrochemischen Zelle über ein Balancing-Widerstandselement zum Durchführen eines sogenannten Balancing, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Zudem wird in dem Verfahren davon ausgegangen, dass in der Batterie eine zellexterne elektrische Prüfeinrichtung vorgesehen ist, wobei die Prüfeinrichtung in der Lage ist, dass entweder alle Batteriezellen zusammen als eine einzige Gruppe vermessen werden oder dass die Prüfeinrichtung mehrere Messanschlüsse aufweist, sodass die Batteriezellen in mehreren Gruppen gruppenweise getrennt vermessen werden können. Mit anderen Worten sind also die Batteriezellen in einer einzigen Gruppe alle zusammen oder in mehreren Gruppen gruppenweise getrennt mit der zellexternen elektrischen Prüfeinrichtung der Batterie verschaltet. Eine solche Prüfeinrichtung kann zumindest eine Spannungsmesseinheit und zumindest eine Strommesseinheit aufweisen. Es kann beispielsweise eine einzelne Strommesseinheit für den Batteriestrom bereitgestellt sein und für jede Gruppe eine eigene Spannungsmesseinheit. Bei den besagten Gruppen wird davon ausgegangen, dass in jeder Gruppe zumindest zwei Batteriezellen oder mehr als zwei Batteriezellen enthalten sind, die beispielsweise parallel geschaltet sein können.
Obwohl also die Batteriezellen nicht individuell und getrennt von den übrigen Batteriezellen mit der Prüfeinrichtung verschaltet sind, sondern stets nur als Gruppe, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dennoch vorgesehen, dass jede Batteriezelle individuell oder zumindest nur eine Teilgruppe der Batteriezellen von der Prüfeinrichtung zu einem Zeitpunkt vermessen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu vor, dass für den besagten Batterietest (der die individuellen oder gruppenweisen Zellentests umfasst) eine Steuereinrichtung in jeder Gruppe jeweils nacheinander die elektrochemische Zelle nur einer einzelnen Batteriezelle der Gruppe oder einer Teilgruppe aus Batteriezellen der Gruppe für den individuellen Zellentest elektrisch mit der Prüfeinrichtung verbindet. Mit anderen Worten wird also nur von einer einzelnen Batteriezelle deren elektrochemische Zelle an ein elektrisches Netzwerk oder eine elektrische Verschaltungseinrichtung zugeschaltet, über welche dann die elektrochemische Zelle mit der Prüfeinrichtung verbunden ist. Denkbar ist es auch, mehrere Batteriezellen als eine Teilgruppe gleichzeitig zu untersuchen, um einen Batteriefehler einzugrenzen. Es kann beispielsweise auch vorteilhaft sein, eine Gruppe in zwei oder mehr Teilmengen oder Teilgruppen aufzuteilen, um den Batteriefehler einzugrenzen. Falls in der ersten Teilgruppe kein Defekt detektiert wird und sich der Fehler in der zweiten Teilgruppe befindet, kann die Anzahl der Tests verringert werden. Analog kann dann die zweite Teilgruppe wiederum aufgeteilt werden, um nach dem Prinzip der Intervallschachtelung einen Batteriefehler einzugrenzen. Die genannte Verschaltungseinrichtung der Batterie ist die an sich bekannte Verschaltung der Batteriezellen auf Basis von beispielsweise zumindest einer Stromschiene und/oder zumindest einem Kabel und/oder zumindest einer elektrisch leitfähigen Platte. Da jede Batteriezelle zumindest ein Schaltelement aufweist, ist das Verbinden einer einzelnen elektrochemischen Zelle einer Gruppe mit der Prüfeinrichtung dadurch ermöglicht, dass das individuelle Verbinden durch Einstellen einer Schaltkonfiguration der Schaltelemente der Batteriezellen der Gruppe erfolgt. Es wird dabei von allen übrigen Batteriezellen zumindest ein Schaltelement in einen elektrisch sperrenden Zustand geschaltet, um die jeweilige elektrochemische Zelle von einem Zellanschluss der jeweiligen Batteriezelle zu trennen, und nur von der einzelnen Batteriezelle, die aktuell für den Zellentest vorgesehen ist, das korrespondierende zumindest eine Schaltelement in den elektrisch leitfähigen Zustand geschaltet, damit deren elektrochemische Zelle mit beiden Zellanschlüssen verbunden ist. Damit ist nur deren Zellzweig aktiv oder zugeschaltet. Bei der besagte Prüfung in Teilgruppen werden entsprechend nur die Batteriezellen der Teilgruppe aktiv geschaltet. Ein Zellentest kann z.B. umfassen, dass ein jeweiliger Wert für einen Innenwiderstand und/oder eine frequenzabhängige Innenimpedanz und/oder eine erzeugte elektrische Spannung oder eine gelieferte Stromstärke mit einem jeweiligen Vergleichsintervall verglichen wird und das Vorhandensein eines Batteriefehlers dann erkannt wird, falls der Wert in dem Vergleichsintervall oder außerhalb des Vergleichsintervalls liegt.
Um nun alle Batteriezellen einer Gruppe dem Zellentest zu unterziehen, wird die Schaltkonfiguration der Schaltelemente in einen vorgegebenen Schaltablauf gewechselt und hierdurch nacheinander die jeweilige elektrochemische Zelle unterschiedliche (insbesondere jede) der Batteriezellen der jeweiligen Gruppe für den individuellen Zellentest einzeln oder allein (ohne die übrigen elektrochemischen Zellen) mit der Prüfeinrichtung verbunden, um so insgesamt mittels des Batterietests den Batteriefehler zellengenau zu erkennen und zu lokalisieren. Als Batteriefehler kann damit ein Zellfehler und/oder ein Kontaktierungsfehlern und/oder ein Isolierungsfehler und/oder weitere Fehlertypen erkannt werden. Die Lokalisierung erfolgt dadurch, dass die elektrochemische Zelle jeder Batteriezelle individuell mit der Prüfeinrichtung verbunden wird und hierdurch die Prüfeinrichtung eine individuelle defekte Batteriezelle oder fehlerhaft angeschlossene Batteriezelle erkennt und somit auch den Batteriefehler lokalisieren kann.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass nur eine Prüfeinrichtung notwendig ist, die nicht mit jeder Batteriezelle individuell verschaltet sein muss, sondern nur mit einer Gruppe aus Batteriezellen, und dennoch ein individueller Zellentest für jede Batteriezelle notwendig ist. Dies verringert den Schaltungsaufwand, ohne dass hierdurch auf eine zellengenaue Lokalisierung eines Batteriefehlers verzichtet werden müsste. Es können in der besagten Weise als Batteriefehler hierbei sowohl Zellfehler als auch zellexterne Fehler detektiert und lokalisiert werden. Mit dem Verfahren ist es möglich, neben sämtlichen Zellfehlern auch Fehler in der Kontaktierung/ Isolierung innerhalb der Batterie zu erkennen.
Die besagte Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltelemente kann beispielsweise auf der Grundlage eines Batteriemanagementsystems realisiert sein. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen Mikroprozessor aufweisen, um den besagten Schaltablauf zum Einstellen der unterschiedlichen Schaltkonfigurationen durchzuführen.
Eine Gruppe von Batteriezellen kann darin bestehen, dass sie alle Batteriezellen der Batterie umfasst (die Prüfeinrichtung misst also nur die Batteriespannung der Batterieanschlüsse und den gesamten Batteriestrom), oder eine Gruppe kann eine Teilmenge der Batteriezellen umfassen, beispielsweise kann jede Gruppe eine Mehrzahl parallel geschalteter Batteriezellen umfassen.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Mittels des besagten zumindest einen Bypasszweiges pro Batteriezelle kann sogar erreicht werden, dass der individuelle Zellentest auch dann durchgeführt werden kann, wenn eine Batteriezelle nur über eine andere Batteriezelle hinweg mit der Prüfeinrichtung verbunden werden kann, wie es in einer Reihenschaltung aus Batteriezellen vorkommen kann. In einer Ausführungsform ist hierzu vorgesehen, dass für den Zellentest einer jeweiligen Batteriezelle deren elektrochemische Zelle über einen jeweiligen Bypasszweig zumindest einer der übrigen Batteriezellen derselben Gruppe mit der Prüfeinrichtung verbunden wird. Mittels des Bypasszweiges wird somit erreicht, dass die Batteriezelle, die nicht am aktuellen Zellentest beteiligt werden soll, dennoch den Zellentest nicht stört, obwohl sie in Serie oder Reihe mit der zu testenden Batteriezelle geschaltet ist.
Um einen Zellentest durchzuführen, kann vorgesehen sein, für die zu testende Batteriezelle einen vorbestimmten Lastfall zu erzeugen, also eine vorbestimmte elektrische Last oder eine vorbestimmte Stromstärke einzustellen. Eine Ausführungsform sieht hierzu vor, für den Zellentest einer jeweiligen Batteriezelle zumindest einen Bypasszweig zumindest einer anderen Batteriezelle derselben Gruppe als elektrische Last zuzuschalten. Als Bypasszweig kann hierbei ein Kurzschluss-Bypasszweig und/oder ein Balancing-Bypasszweig genutzt werden, was vom Fachmann abhängig von der für den Zellentest benötigten Last festgelegt werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, einen Kurzschluss-Bypasszweig zu nutzen, um einen Stromimpuls in der zu testenden Batteriezelle zu erzeugen. Hierzu kann der Bypasszweig zumindest einer anderen Batteriezelle elektrisch leitfähig geschaltet werden, sodass sich ein Kurzschluss in der Gruppe ergibt. Wird dieser Kurzschluss nur für eine Zeitdauer kleiner als ein Schwellenwert, beispielsweise kleiner als 100 Millisekunden, erzeugt, so ergibt sich in der zu testenden Batteriezelle ein Stromimpuls, auf dessen Grundlage beispielsweise mittels einer Frequenzanalyse eine Impulsantwort der Batteriezelle und damit insbesondere ein Frequenzverlauf der Impedanz der Batteriezelle ermittelt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine batterieexterne Last an den Batterieanschlüssen zugeschaltet werden.
In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen als eine einzige Gruppe vorgesehen, indem nur eine Prüfeinrichtung vorgesehen ist, die nur an Batterieanschlüsse der Batterie geschaltet ist. Es werden also mittels dieser Prüfeinrichtung nur die gesamte Batteriespannung an deren Batterieanschlüssen und der Batteriestrom, wie er über die Batterieanschlüsse fließt, gemessen. Dies ist ein technisch besonders einfacher und/oder besonders kostengünstiger Aufbau. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass mehrere Gruppen von parallel geschalteten Batteriezellen vorgesehen sind und hierbei pro Gruppe eine Spannungsmesseinheit der Prüfeinrichtung bereitgestellt ist. Dies ermöglicht es, gleichzeitig mehrere Batteriezellen oder Teilgruppen, nämlich jeweils eine pro Gruppe, mittels des individuellen Zellentests zu testen, was die Durchführung des Batterietests im Vergleich zu einer Prüfung verkürzt, bei der alle vorhandenen Batteriezellen zeitlich nacheinander geprüft werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Zellentest, wie er für jede Batteriezelle individuell durchgeführt wird, dass die bei der aktuellen Schaltkonstellation mit der Prüfeinrichtung verschaltete Batteriezelle (also die Batteriezelle, deren elektrochemische Zelle mit der Prüfeinrichtung elektrisch verbunden ist) mit einer elektrischen Anregungsgröße beaufschlagt wird, beispielsweise mit einem Anregungsstrom, und durch die Prüfeinrichtung währenddessen zu einer elektrischen Prüfgröße, beispielsweise der Zellenspannung, ein Messwert erfasst wird und zu diesem Messwert überprüft wird, ob der Messwert außerhalb eines vorbestimmten In-Ordnung-Werteintervalls liegt.
Für diesen Fall, wenn der Messwert außerhalb des In-Ordnung-Werteintervalls liegt, wird ein Batteriefehler signalisiert. Welches Werteintervall ein In-Ordnung-Werteintervall darstellt, kann in einfachen Versuchen bei der Konstruktion der Batterie und/oder an einem Prototypen und/der durch theoretische Herleitung aus physikalischem und/oder elektro-chemischem Wissen über die Zellchemie oder die Batteriezelle allgemein ermittelt werden. Die Prüfeinrichtung kann zum Ermitteln der Anregungsgröße und/oder der Prüfgröße zumindest eine Strommesseinheit und zumindest eine Spannungsmesseinheit aufweisen, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
In einer Ausführungsform wird bei erkanntem Batteriefehler, wenn also zum Beispiel zu zumindest einer Batteriezelle eine Abweichung eines Messwerts von einem In-Ordnung-Werteintervall erkannt wurde, innerhalb der Batterie anhand der aktuellen Schaltkonstellation, also anhand der Schaltzustände der Schaltelemente der Batteriezellen, ermittelt und signalisiert, wo der Batteriefehler erkannt wurde, also der Ort des Batteriefehlers. Anhand der Schaltkonstellation kann nämlich erkannt werden, welche Batteriezelle aktuell mit der Prüfeinrichtung verschaltet ist. Wird dann der Batteriefehler erkannt, so befindet sich der Batteriefehler also bei dieser Batteriezelle. Die Zuordnung aus Schaltkonstellation zu Batteriezelle erlaubt also eine Lokalisierung oder Ortsangabe. Wird dann die Batterie zur Reparatur gebracht, so wird Aufwand gespart, da gezielt die für den Batteriefehler verantwortliche Batteriezelle bereits bekannt oder identifiziert ist.
In einer Ausführungsform wird für den Fall, dass bei einer Schaltkonstellation, die eine erste der Batteriezellen mit der Prüfeinrichtung verbindet, ein Batteriefehler erkannt wird, dann für eine Plausibilisierung jeweils eine Schaltkonstellation eingestellt, die zumindest eine zu der ersten Batteriezelle benachbarte zweite Batteriezelle mit der Prüfeinrichtung verbindet. Werden nacheinander Batteriezelle mit der Prüfeinrichtung verbunden und dann für eine Batteriezelle zwar erkannt, dass deren Messwert in dem In-Ordnung-Werteintervall liegt, aber dennoch am Rand des In-Ordnung-Werteintervalls, so führt dies nicht zur Erkennung eines Batteriefehlers. Wird dann aber die nächste Batteriezelle dem Zellentest unterzogen und dabei der Batteriefehler erkannt, so ist klar, warum bei der vorangegangene Batteriezelle ihren Messwert zwar noch innerhalb des In-Ordnung-Werteintervalls lag, aber an dessen Rand. Dies liegt nämlich daran, dass der Batteriefehler der benachbarten, danach geprüften Batteriezelle auch einen Einfluss auf die jeweils benachbarten Batteriezellen hat. Wird nun der Batteriefehler erkannt, so lässt sich der Messwert der zuvor geprüften Batteriezelle noch einmal mit diesem Vorwissen überprüfen. Dieser Zellentest wird allerdings mit einem geänderten oder veränderten In-Ordnung-Intervall durchgeführt, das heißt mit einem anderen In-Ordnung-Werteintervall. Wird also eine Batteriezelle als nicht in Ordnung erkannt, so wird zumindest eine benachbarte Batteriezelle mit geändertem oder anderem In-Ordnung-Werteintervall noch einmal überprüft. Hier kann dann erkannt werden, dass der Messwert am Rand des ursprünglichen In-Ordnung-Werteintervalls liegt, sodass auch dann mit dem veränderten In-Ordnung-Werteintervall noch einmal verifiziert werden kann, dass tatsächlich ein Batteriefehler vorliegt.
In einer Ausführungsform wird bei erkanntem Batteriefehler eine Schutzmaßnahme gegen den Batteriefehler eingeleitet. Dies hat den Vorteil, dass die Batterie auch bei erkanntem Batteriefehler weiterhin genutzt werden kann. Die Schutzmaßnahme umfasst hierzu, dass eine als defekt erkannte Batteriezelle über zumindest einen eigenen Bypasszweig von ihr entladen wird. Es kann ein Kurschluss-Bypasszweig und/oder eine Balancing-Bypasszweig genutzt werden. Hierdurch wird die in der vom Batteriefehler betroffenen Batteriezelle in Bezug auf den Energiegehalt verringert. Zusätzlich oder alternativ dazu ist vorgesehen, die als defekt erkannte Batteriezelle und/oder einen als defekt erkannten Verbindungsabschnitt zwischen zwei Batteriezellen durch Schalten zumindest eines Schaltelements der Batteriezelle, z.B. des Zellenzweiges und/oder Bypasszweiges, zu überbrücken. Somit wird der Ort des Batteriefehlers isoliert, das heißt getrennt von den übrigen Batteriezellen, die weiterhin am Betrieb der Batterie beteiligt sind.
In einer Ausführungsform wird durch den Zellentest jeweils zumindest ein zellinterner Zellenparameter (zum Beispiel die Impedanz, und zwar bevorzugt frequenzabhängig) und/oder zumindest ein zellenexterner Verschaltungsparameter der besagten elektrischen Verschaltungseinrichtung der Batterie getestet, also ein Verschaltungsparameter beispielsweise der zumindest einen Stromschiene und/oder des zumindest einen Drahtes innerhalb der Batterie. Ein solcher Verschaltungsparameter kann beispielsweise ein Übergangswiderstand der Verschaltungseinrichtung sein.
In der Batteriezelle können unterschiedliche Arten von Bypasszweigen vorgesehen sein. Als jeweiliger Bypasszweig kann gemäß einer Ausführungsform ein Kurzschluss-Bypasszweig betrieben werden, welcher die Zellanschlüsse der Batteriezellen bei elektrisch leitfähig geschaltetem Schaltelement des Kurzschluss-Bypasszweiges kurzschließt, d.h. es ist ein Schaltelement in dem Kurzschluss-Bypasszweig bereitgestellt. Unter Kurzschluss ist hier zu verstehen, dass ein elektrischer Widerstand zwischen den Zellanschlüssen kleiner als 20 Ohm ist, insbesondere kleiner als 10 Ohm, bevorzugt kleiner als 3 Ohm. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Balancing-Bypasszweig vorgesehen sein, welcher mit seinem elektrisch leitfähig geschalteten Schaltelement einen Zellstrom der elektrochemischen Zelle über ein Balancing-Widerstandselement, das heißt ein ohmsches Widerstandselement, führt (es ist also ein Schaltelement in dem Balancing-Bypasszweig bereitgesteltl) . Dieses Widerstandselement ist ein elektrisches Bauteil, das zusätzlich in den Balancing-Bypasszweig geschaltet ist. Ein solcher Balancing-Bypasszweig kann für das an sich bekannter Balancing von Batteriezellen verwendet werden. Zusätzlich kann ein Balancing-Bypasszweig als elektrische Last für eine andere zu testende Batteriezelle genutzt werden.
In einer Ausführungsform werden in der beschriebenen Weise mehrere Batteriezellen als eine Teilgruppe gleichzeitig in einem gemeinsamen Zellentest auf das Vorhandensein eines Batteriefehlers untersucht, um den Batteriefehler zunächst einzugrenzen. Für den Fall, dass der Batteriefehler in einer der Teilgruppen erkannt wird, wird dann diese Teilgruppe wiederum aufgeteilt, um den Zellentest innerhalb der Teilgruppe an einzelnen Batteriezellen oder an Untergruppen aus mehreren Batteriezellen durchzuführen. Die Unterteilung kann solange vorgesetzt werden, bis der Batteriefehler mittels des Zellentest einer einzelnen Batteriezelle zugeordnet werden kann. Dieses Vorgehen verringert die Anzahl der notwendigen Zellentests zum Lokalisieren des Batteriefehlers.
Zu der Erfindung gehört in der beschriebenen Weise auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie schaltbare Batteriezellen aufweist, indem in jeder Batteriezelle deren Zellanschlüsse sowohl über einen Zellzweig (in welchem eine elektrochemische Zelle geschaltet ist) als auch über zumindest einen Bypasszweig (welcher jeweils die elektrochemische Zelle umgeht und selbst zellenlos ist) verbunden sind, wobei der Batteriezelle (z.B. jeweils in dem Zellzweig und in dem Bypasszweig) zumindest ein elektrisches Schaltelement der beschriebenen Art bereitgestellt ist und die Batteriezellen in einer einzigen Gruppe alle zusammen oder in mehreren Gruppen gruppenweise getrennt mit einer zellexternen elektrischen Prüfeinrichtung der Batterie verschaltet sind. Die erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass in der Batterie eine Steuereinrichtung bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. In der Steuereinrichtung kann hierzu beispielsweise zumindest eine Prozessoreinrichtung mit zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor bereitgestellt sein. Die Steuereinrichtung kann durch einen Programmcode betrieben sein, der Instruktionen aufweist, die bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen.
Die Erfindung umfasst schließlich auch ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie darstellt. In einer Ausführungsform sind ein Ladegerät des Kraftfahrzeugs und/oder ein Steuergerät für eine Leistungselektronik eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs dazu eingerichtet, während eines Batterietests der Batterie einen vorbestimmten elektrischen Lastfall (insbesondere eine vorbestimmte, kontrollierte Stromanregung mit bekannter und/oder geregelter Stromstärke) an Batterieanschlüssen der Batterie einzustellen. Somit kann von außen auf die Batterie der Lastfall aufgeprägt werden, der dann für die einzelnen Zellentests der Batteriezellen in der beschriebenen Weise als Anregungsgröße genutzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer schaltbaren Batteriezelle;
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Schaltablaufs von Schaltkonfigurationen;
4 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf einer Prüfgröße, wie sie für mehrere aufeinanderfolgende Batteriezellen ermittelt wird;
5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Lokalisierung eines Batteriefehlers;
6 eine Ausführungsform einer Batterie mit mehreren Gruppen von Batteriezellen, die zeitgleich parallel zueinander einem Zellentest unterzogen werden können;
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Schaltablaufs zum Durchführen eines Batterietests der Batterie von 6; und
8 Diagramme zur Veranschaulichung von Prüfgrößen, wie sie sich bei dem Batterietest gemäß 7 ergeben.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder einen Personenbus oder ein Motorrad handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann eine Fahrzeugbatterie oder kurz Batterie 11 bereitgestellt sein, bei der es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie handeln kann. Die Batterie 11 kann über Batterieanschlüsse 12 mit einer elektrischen Komponente 13 verbunden sein, bei der es sich beispielsweise um eine Leistungselektronik für einen Elektromotor oder ein Ladegerät für die Batterie handeln kann. Zum Erzeugen einer Batteriespannung Üb zwischen den Batterieanschlüssen 12 können in der Batterie 11 mehrere Batteriezellen C bereitgestellt sein, von denen eine einzelne Batteriezelle C der Übersichtlichkeit halber noch einmal allein in 2 dargestellt ist. In 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine einzelne Batteriezelle C mit einem Bezugszeichen C versehen. Die Batteriezellen C sind in 1 durch eine individuelle Bezeichnung C1 bis C12 voneinander unterschieden. Beispielhaft dargestellt ist eine Batterie mit zwölf Batteriezellen C in einer 3s4p-Verschaltung (vier parallelgeschaltete Batteriezellen und hiervon drei in Serienschaltung s). Die Batteriezellen C1 bis C12 bilden eine einzelne große Gruppe G0 für den Batterietest.
Die Batteriezellen C können in der Batterie 11 untereinander und mit den Batterieanschlüssen 12 über eine Verschaltungseinrichtung 14 verschaltet sein, die beispielsweise auf der Grundlage zumindest einer Stromschiene und/oder zumindest eines Drahtes und/oder zumindest einer elektrisch leitfähigen Platte realisiert sein kann. In der Batterie 11 kann des Weiteren für einen Batterietest eine Prüfeinrichtung 15 bereitgestellt sein, die beispielsweise eine Spannungsmesseinheit 16 und eine Strommesseinheit 17 aufweisen kann. In 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher die Prüfeinrichtung 15 in ein Gehäuse 18 der Batterie 11 integriert ist. Die Prüfeinrichtung 15 kann auch von außen an die Batterieanschlüsse 12 der Batterie 11 angeschlossen sein. Zum Durchführen des Batterietests kann eine Steuereinrichtung 19 bereitgestellt sein, die beispielsweise auf der Grundlage einer Prozessoreinrichtung 20 realisiert sein kann. Eine solche Prozessoreinrichtung 20 kann beispielsweise zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen ASIC (Application-specific Integrated Circuit) aufweisen.
Mittels der Prüfeinrichtung 15 kann beispielsweise durch die Spannungsmesseinheit 16 eine elektrische Spannung U als Prüfgröße 21 gemessen werden, während als Anregungsgröße 22 beispielsweise ein Batteriestrom fließen kann, der mittels der Strommesseinheit 17 gemessen werden kann. Um für den Batterietest einen Lastfall zu erzeugen, kann beispielsweise die elektrische Komponente 13 verwendet werden. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die Komponente 13 als Stromquelle zum Erzeugen der Anregungsgröße 22 in Form eines elektrischen Stromes mit einer vorgegebenen Stromstärke und/oder einer durch die Strommesseinheit 17 gemessenen Stromstärke genutzt werden.
Mittels des Batterietests kann in der Batterie 11 ein Batteriefehler 23 nicht nur erkannt, sondern auch lokalisiert werden. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann es sich bei dem Batteriefehler 23 beispielsweise um eine defekte Lötstelle oder Schweißstelle oder eine Störung in einem Übergangswiderstand handeln, um nur Beispiele zu nennen. Bei diesem Batteriefehler 23 handelt es sich dann um einen zellexternen Verschaltungsparameter 24, nämlich den Übergangswiderstand in der Verschaltungseinrichtung 14. Als Ort 25 des Batteriefehlers 23 ist in 1 der Bereich der Verschaltungseinrichtung 14 bei der Batteriezelle C6 dargestellt. Zusätzlich oder alternativ kann durch den Batterietest auch ein zellinterner Zellenparameter ermittelt werden.
Im Folgenden ist zur weiteren Erläuterung des Batterietests anhand von 2 ein möglicher interner Aufbau einer einzelnen Batteriezelle C beschrieben, wie er auf alle dargestellten Batteriezellen C1 bis C12 zutreffen kann.
Die Batteriezelle C kann über Zellanschlüsse 26 mit der Verschaltungseinrichtung 14 verschaltet sein. Zwischen den Zellanschlüssen 26 kann eine Batteriezelle C eine Zellspannung Uc erzeugen. Hierzu kann in einem Gehäuse C' der Batteriezelle C eine galvanische oder elektrochemische Zelle 28 bereitgestellt sein, die beispielsweise mittels eines sogenannten Zellwickels realisiert sein kann. Die beiden Zellanschlüsse 26 (Pluspol und Minuspol) können über einen Zellzweig A miteinander verbunden sein, das heißt einen elektrischen Schaltungszweig, in welchem die elektrochemische Zelle 28 bereitgestellt sein kann. Zusätzlich kann zumindest ein Bypasszweig B als weiterer elektrischer Schaltungszweig zwischen den Zellanschlüssen 26 bereitgestellt sein. Der dargestellte Bypasszweig B ist ein Kurzschluss-Bypasszweig B', welcher bei elektrisch leitfähig geschaltetem Schaltelement SB die Zellanschlüsse 26 mit einem elektrischen Widerstand kleiner als 20 Ohm, insbesondere kleiner als 10 Ohm, verbinden kann. Es kann aber auch ein Balancing-Widerstandselement R in den Bypasszweig B geschaltet sein, wodurch dieser als Balancing-Bypasszweig genutzt werden kann.
In jedem der Schaltungszweige, das heißt in dem Zellzweig A und dem Bypasszweig B, kann jeweils ein Schaltelement SA, SB bereitgestellt sein. Jedes Schaltelement SA, SB kann zwischen einem elektrisch leitfähigen Zustand, in welchem es eine elektrische Verbindung zwischen den Zellanschlüssen 26 bereitstellt, und einem elektrisch sperrenden Zustand, in welchem es einen Stromfluss sperrt, durch beispielsweise die Steuereinrichtung 19 geschaltet werden. Ein Schaltelement kann beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors realisiert sein. Zu beachten ist, dass es möglich ist, eine andere Anordnung der Schaltelemente SA, SB bereitzustellen. Beispielsweise kann zusätzlich zu dem Schaltelement SB in dem Bypasszweig B das Balancing-Widerstandselement R geschaltet sein und/oder der Bypasszweig B kann anstelle an einem Pol 101, der einen der Zellanschlüsse 26 darstellt, stattdessen mit einem Pol 102 der elektrochemischen Zelle 28 selbst verbunden sein. In einer beispielhaften Alternative kann alternativ zum in 2 gezeigten Bypasszweig B oder zusätzlich zu diesem Bypasszweig B ein Balancing-Bypasszweig und/oder ein Kurzschluss-Bypasszweig zum einen an den besagten Pol 102 der elektrochemischen Zelle 28 und zum andern an einen gemeinsamen Pol 103, der dem anderen Zellanschluss 26 entspricht, geschaltet sein. In diesen beschriebenen alternativen Schaltungsanordnungen mit der Verschaltung am Pol 102 lässt sich jeder Bypasszweig auch mittels des Schaltelements SA mitschalten.
In 3 ist veranschaulicht, wie über der Zeit t in einem Schaltablauf 29 nacheinander unterschiedliche Schaltkonfigurationen 30 für sämtliche Schaltelemente SA, SB der Batteriezellen C1 bis C12 eingestellt werden können, um jede Batteriezelle C1 bis C12 einzeln oder individuell einem Zellentest zuzuführen, indem die zu testende Batteriezelle C1 bis C12 jeweils allein mit der Prüfeinrichtung 15 elektrisch verbunden wird, während der Einfluss der übrigen Batteriezellen ausgeschaltet ist. Eine spezifische Schaltkonfiguration 30 ist also durch die Schaltzustände aller Schaltelemente SA, SB der Batteriezellen C1 bis C12 definiert. 3 zeigt hierzu für jede Batteriezelle C1 bis C12 für die einzelnen Schaltkonfigurationen 30, in welchem Schaltzustand das jeweilige Schaltelement SA, SB gehalten wird. Dargestellt ist über der Zeit t der zeitliche Verlauf der einzelnen Schaltzustände 30 der Schaltelemente SA, SB, wobei die Angabe 0 den elektrisch sperrenden Zustand und die Angabe 1 den elektrisch leitenden Zustand angibt. Um eine elektrische Verbindung zwischen der jeweils zu testenden Batteriezelle und der Prüfeinrichtung 15 bereitzustellen, nutzen die Schaltkonfigurationen 30 die Bypasszweige B anderer Batteriezellen.
4 veranschaulicht über der Zeit t einen zeitlichen Verlauf der von der Prüfeinrichtung 15 erfassten Spannung U als Prüfgröße in Antwort auf die Anregungsgröße 22 in Form des Stromes. In dem Schaltablauf 29 kann vorgesehen sein, dass zwischen jeder Schaltkonfiguration 30 eine Prüfpause 31 vorgesehen wird, um parasitäre Effekte abklingen zu lassen.
4 zeigt, dass für jede Schaltkonfiguration 30 überprüft werden kann, ob die Prüfgröße 21 einen Messwert 32 aufweist, der innerhalb eines vorbestimmten In-Ordnung-Werteintervalls 33 liegt. Der Übersichtlichkeit halber sind in 4 nur einige Messwerte 32 mit einem Bezugszeichen versehen.
Für den Fall, dass diejenige Batteriezelle C6 mit der Prüfeinrichtung 15 verbunden ist, bei welcher der Batteriefehler 23 Einfluss hat, ergibt sich ein Messwert 32, der außerhalb des In-Ordnung-Werteintervalls 33 liegt. Dies kann durch die Steuereinrichtung 19 erkannt werden. Die Steuereinrichtung 19 kann hierzu Messdaten aus der Prüfeinrichtung 15 erfassen oder empfangen.
Wird der Messwert 32 außerhalb des Werteintervalls 33 erkannt, so kann anhand der aktuellen Schaltkonfiguration 30 lokalisiert werden, welche Batteriezelle C6 betroffen ist. Da der Einbauort der Batteriezelle C6 bekannt ist, kann somit auch der Ort 25 des Batteriefehlers 23 ermittelt werden. Dieser kann dann durch die Steuereinrichtung 19 signalisiert werden. Damit kann beispielsweise bei einer Reparatur der Batterie 11 schon im Voraus signalisiert oder angegeben werden, dass die Reparatur an dem Ort 25 notwendig ist. Dies spart Zeit und Prüfaufwand.
5 veranschaulicht, dass nun in der Batteriezelle 11 aufgrund des erkannten Batteriefehlers 23 und dessen Ort 25 für die betroffene Batteriezelle C6 eine Schutzmaßnahme 27 ausgelöst oder eingeleitet werden kann, die beispielsweise darin bestehen kann, dass die von dem Batteriefehler 23 betroffene Batteriezelle C6 dauerhaft ausgeschaltet bleibt.
4 veranschaulicht des Weiteren, dass bereits benachbarte Batteriezellen C5, C7 auch von dem Batteriefehler 23 betroffen sein können, dies aber nicht zu einem Messwert führt, der außerhalb des Werteintervalls 33 liegt. Ist der Batteriefehler 23 für die defekte oder betroffene Batteriezelle C6 erkannt, so kann für eine Plausibilisierung noch einmal für die benachbarten Batteriezellen C5, C7 deren Messwert 32 daraufhin überprüft werden, ob er sich besonders nahe an einer Grenze des Werteintervalls 33 befindet, um den Ort 25 des Batteriefehlers 23 zu verifizieren und/oder zu überprüfen, ob es sich um einen zellinternen Batteriefehler oder einen zellexternen Batteriefehler handelt, welcher auch die Verschaltungseinrichtung 14 betrifft.
6 veranschaulicht eine alternative Konstruktion der Prüfeinrichtung 15, bei welcher mehrere Spannungsmesseinheiten 16 bereitgestellt sind, sodass zugleich mehrere Messwerte 32 ermittelt werden können. Dargestellt ist, wie für mehrere parallelgeschaltete Batteriezellen, also für jeweils eine Parallelschaltung 34 aus parallelgeschalteten Batteriezellen, eine Spannungsmesseinheit 16 bereitgestellt sein kann, sodass zugleich drei Spannungen U1, U2, U3 gemessen werden können. Die Parallelschaltungen 34 bilden jeweils eine Gruppe G1, G2, G3, die getrennt voneinander einem jeweiligen Zellentest für den Batterietest unterworfen werden können.
Indem als Anregungsgröße 22 ein elektrischer Strom vorgegeben wird, kann dieser Strom genutzt werden, um zugleich in drei Batteriezellen, jeweils in einer pro Parallelschaltung 34, zu wirken.
7 zeigt entsprechend zu 3 einen Schaltablauf 29, wie er zum Einstellen von Schaltkonfigurationen 30 für den gleichzeitigen Zellentest für jeweils eine Batteriezelle pro Parallelschaltung 34 vorgesehen sein kann.
8 zeigt entsprechend zu 4, wie durch Überprüfen der Messwerte in Bezug auf das In-Ordnung-Werteintervall 33 der Batteriefehler 23 erkannt und lokalisiert werden kann. Dies ist in einem geringen Zeitraum möglich, da zugleich drei Spannungen U1, U2, U3 geprüft werden können.
Es kann dann wieder die beschriebene Schutzmaßnahme 27 eingeleitet werden.
Zusammenfassend kann somit folgendes ermöglicht werden.
Jede Batteriezelle oder Zelle C im Batteriesystem der Batterie 11 wird, wie in 1 und 2 dargestellt, als mit zwei Schaltern SA, SB ausgestattet. Der Bypass-Schalter SB dient dazu, die Zelle C zu überbrücken, mit dem Aktiv-Schalter SA kann die Zelle C aktiviert werden. Werden die Zellen C zu Modulen und Batteriepacks verschalten, so ist durch die Vorgabe einer spezifischen Schaltkonfiguration 30 eine Detektion und Lokalisierung von Fehlern im Gesamtsystem möglich. Die Fehler können elektrischer (z.B. Kontaktierungsfehler oder Isolierungsfehler), thermischer (z.B. Fehlerhafte Kühlanbindung) und/oder mechanischer (z.B. fehlerhafte Verspannung im Modul) Art sein.
Nach der Montage kann somit immer noch eine Diagnose des Batteriepacks erfolgen. Treten Fehler im Betrieb auf, so ist durch die Kenntnis des Fehlers eine Betriebsanpassung des Batteriepacks möglich. Abhängig von der Art des Fehlers können Sicherheitsvorkehrungen oder Schutzmaßnahmen getroffen werden und/oder der Anwender kann benachrichtigt werden. Durch die Lokalisierung des Fehlers vereinfacht sich die Wartung, da eine aufwändige Fehlersuche nicht nötig ist.
Für die Detektion und Lokalisierung von Fehlern werden die Schalter SA, SB mit entsprechenden Schaltkonfigurationen 30 beaufschlagt. Dies wurde hier an einem Beispiel dargestellt. Es können auch andere Schaltabläufe mit anderen Schaltkonfigurationen vorgesehen werden, wenn sich dies für eine bestimmte Batterie z.B. als effektiver herausstellt. Die Idee wurde nur am Beispiel eines Batteriemoduls demonstriert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird ein Modul mit 12 Batteriezellen zugrunde gelegt, das die besagte 3s4p-Verschaltung aufweist. In konventionellen Batteriepacks wird üblicherweise mindestens der Gesamtstrom oder Batteriestrom und die Gesamtspannung oder Batteriespannung Ub des Batteriesystems der Batterie 11 gemessen. Ein alternatives Beispiel beim Einsatz mehrerer Spannungsmessungen (je Parallelverbund) wurde in 6 gezeigt. 2 zeigt die Verschaltung der Zellen sowie die Position der Aktiv- und Bypass-Schalter SA, SB. Außerdem wird ein Fehler in der Kontaktierung der Zelle C6 angenommen.
Das System wird mit einem bekannten Gesamtstrom beaufschlagt (mittels Stromquelle oder durch Strommessung bekannt). Dies kann durch eine kontrollierte Stromanregung oder durch den regulären Betrieb (Laden und Entladen) erfolgen. In einem konventionellen, schalterlosen System könnte der Kontaktierungsfehler nicht detektiert werden, da sich durch den Fehler weder der Gesamtstrom noch die Gesamtspannung des Systems ändert. Das mit Schaltern ausgestattete System wird mit der in 3 dargestellten beispielhaften Schaltkonfigurationen 30 beaufschlagt.
Mit diesen Schaltkonfigurationen 30 im Schaltablauf 29 wird jede der 12 Zellen zeitlich versetzt kontrolliert aktiviert (Aktiv-Schalter SA geschlossen, Bypass-schalter SB geöffnet). Bei den jeweiligen zu dieser Zelle parallel verschalteten Zellen sind beide Schalter SA, SB geöffnet. Die zu dieser Zelle seriell verschalteten Zellen werden überbrückt (Aktiv-Schalter SA geöffnet, Bypass-Schalter SB geschlossen). Die von der Prüfeinrichtung gemessene, resultierende Gesamtspannung U ist in 4 dargestellt.
Aus der gemessenen Gesamtspannung U ist die Detektion eines Batteriefehlers 23 im Batteriesystem möglich (vgl. 4, t im Bereich 110s-120s). Zudem kann der Batteriefehler 23 eindeutig einem Bereich oder Ort 25 im Gesamtsystem zugeordnet werden (vgl. 5), da die Zelle C6 in der Zeit von 110s-120s aktiv geschalten war.
Ein Beispiel für mehrere Spannungsmessungen wurde in 6 erläutert. In größeren Batteriesystemen erfolgt meist für jeden Parallelstrang oder jede Parallelschaltung 34 eine separate Spannungsmessung U1, U2, U3 (vgl. 6). Ist dies der Fall, so kann die Fehlerdiagnose gleichzeitig für jede Parallelschaltung 34 ausgeführt werden. Ein beispielhafte Schaltablauf hierzu wurde in 7 erläutert. Die von den Sensoren der Prüfeinrichtung 15 gemessenen Spannungsprofile U1, U2, U3 lassen wiederum eine Detektion und eine Lokalisierung des Batteriefehlers 23 zu (8)
Insgesamt zeigen somit die Beispiele, wie durch die Erfindung in einer Batterie eine Fehlerdetektion und Lokalisierung durch Schaltelemente (Schalter) bereitgestellt werden kann.
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

EP 2171824 B1 [0005]
DE 102011054145 A1 [0006]
WO 2011/134500 A1 [0007]
CN 104972926 A [0008]

Claims

Verfahren zum Durchführen eines Batterietests in einer Batterie (11) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei in der Batterie (11) schaltbare Batteriezellen (C) bereitgestellt sind, indem in jeder Batteriezelle (C) - deren Zellanschlüsse (26) sowohl über einen Zellzweig (A), in welchen eine elektrochemische Zelle (28) geschaltet ist, als auch über zumindest einen Bypasszweig (B), welcher jeweils die elektrochemische Zelle (28) umgeht, verbunden sind, und - in den Batteriezellen (C) jeweils zumindest ein elektrisches Schaltelement (SA, SB) bereitgestellt ist, wobei die Batteriezellen (C) in einer einzigen Gruppe (G0) alle zusammen oder in mehreren Gruppen (G1, G2, G3) gruppenweise getrennt mit einer zellexternen elektrischen Prüfeinrichtung (15) der Batterie (11) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für den Batterietest eine Steuereinrichtung (19) in jeder Gruppe (G0, G1, G2, G3) jeweils nacheinander die elektrochemische Zelle (28) nur einer einzelnen Batteriezelle (C) der Gruppe (G0-G3) oder einer Teilgruppe aus Batteriezellen (C) der jeweiligen Gruppe (G0-G3) für einen Zellentest elektrisch mit der Prüfeinrichtung (15) verbindet, wobei das Verbinden durch Einstellen einer Schaltkonfiguration (30) der Schaltelemente (SA, SB) der Batteriezellen (C) der Gruppe (G0-G3) erfolgt, wobei die Schaltkonfigurationen (30) in einem vorgegebenen Schaltablauf (29) nacheinander gewechselt werden und hierdurch nacheinander die jeweilige elektrochemische Zelle (28) unterschiedliche der Batteriezellen (C) der jeweiligen Gruppe (G0-G3) für den Zellentest mit der Prüfeinrichtung (15) verbunden werden, um mittels des Batterietests einen Batteriefehler (23) zu erkennen und zu lokalisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Zellentest einer jeweiligen Batteriezelle (C) deren elektrochemische Zelle (28) über einen jeweiligen Bypasszweig (B) zumindest einer der übrigen Batteriezellen (C) derselben Gruppe (G0-G3) mit der Prüfeinrichtung (15) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Zellentest einer jeweiligen Batteriezelle (C) zumindest ein Bypasszweig (B) zumindest einer anderen Batteriezelle (C) derselben Gruppe (G0-G3) als elektrische Last und/oder eine batterieexterne Last (13) an Batterieanschlüssen (12) zugeschaltet wird .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (C) als eine einzige Gruppe (G0) vorgesehen sind, indem die Prüfeinrichtung (15) nur an Batterieanschlüsse (12) der Batterie (11) geschaltet ist, vorgesehen ist, oder wobei mehrere Gruppen (G1, G2, G3) von parallel geschalteten Batteriezellen (C) vorgesehen sind und hierbei pro Gruppe (G1, G2, G3) eine Spannungsmesseinheit (16) der Prüfeinrichtung (15) bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellentest umfasst, dass die bei der aktuellen Schaltkonstellation (30) mit der Prüfeinrichtung (15) verschaltete Batteriezelle (C) mit einer elektrischen Anregungsgröße (22) beaufschlagt wird und durch die Prüfeinrichtung (15) währenddessen zu einer vorbestimmten elektrischen Prüfgröße (21) ein Messwert (32) erfasst wird und überprüft wird, ob der Messwert (32) außerhalb eines vorbestimmten In-Ordnung-Werteintervalls (33) liegt, und für diesem Fall ein Batteriefehler (23) signalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei für den Fall, dass für eine Schaltkonstellation (30), die eine erste der Batteriezellen (C6) mit der Prüfeinrichtung (15) verbindet, ein Batteriefehler (23) erkannt wird, für eine Plausibilisierung eine Schaltkonstellation (30) eingestellt wird, die zumindest eine zu der ersten Batteriezelle (C6) benachbarte zweite Batteriezelle (C5, C7) mit der Prüfeinrichtung (15) verbindet, und ein Zellentest mit einem veränderten In-Ordnung-Werteintervall (33) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei erkanntem Batteriefehler (23) ein Ort (25) des Batteriefehlers (23) innerhalb der Batterie (11) anhand der aktuellen Schaltkonstellation (30) ermittelt und signalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei erkanntem Batteriefehler (23) eine Schutzmaßnahme (27) gegen den Batteriefehler (23) eingeleitet wird und die Schutzmaßnahme (27) umfasst, dass eine als defekt erkannte Batteriezelle (C6) über einen Bypasszweig (B) von ihr entladen wird und/oder die als defekt erkannte Batteriezelle (C6) und/oder ein als defekt erkannter Verbindungsabschnitt zwischen Batteriezellen (C) durch Schalten des jeweiligen zumindest einen Schaltelements (SA, SB) der Batteriezelle (C6) überbrückt und/oder dauerhaft von den übrigen Batteriezellen (C) getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch den Zellentest jeweils zumindest ein zellinterner Zellenparameter und/oder zumindest ein zellenexterner Verschaltungsparameter (24) einer elektrischen Verschaltungseinrichtung (14) der Batterie (11) getestet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als jeweiliger Bypasszweig (B) ein Kurzschluss-Bypasszweig (B'), welcher die Zellanschlüsse (26) bei elektrisch leitfähig geschaltetem Schaltelement (SB) des Kurzschluss-Bypasszweigs (B') kurzschließt und/oder ein Balancing-Bypasszweig, welcher mit seinem elektrisch leitfähig geschaltetem Schaltelement einen Zellstrom der elektrochemischen Zelle (28) über ein Balancing-Widerstandselement führt, betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Batteriezellen als eine Teilgruppe gleichzeitig in einem gemeinsamen Zellentest auf das Vorhandensein eines Batteriefehlers untersucht werden, um den Batteriefehler (23) zunächst auf eine der Teilgruppen einzugrenzen, und dann für den Fall, dass der Batteriefehler in einer der Teilgruppen erkannt wird, diese Teilgruppe wiederum aufgeteilt wird, um den Zellentest innerhalb dieser Teilgruppe für eine weitere örtliche Eingrenzung des Batteriefehlers (23) nacheinander an einzelnen Batteriezellen (C) oder an Untergruppen aus mehreren Batteriezellen (C) durchzuführen.
Batterie (11) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei in der Batterie (11) schaltbare Batteriezellen (C) bereitgestellt sind, indem in jeder Batteriezelle (C) deren Zellanschlüsse (26) sowohl über einen Zellzweig (A), in welchen eine elektrochemische Zelle (28) geschaltet ist, als auch über zumindest einen Bypasszweig (B), welcher jeweils die elektrochemische Zelle (28) umgeht, verbunden sind, und in den Batteriezellen (C) jeweils zumindest ein elektrisches Schaltelement (SA, SB) bereitgestellt ist und die Batteriezellen (C) in einer einzigen Gruppe (G0) alle zusammen oder in mehreren Gruppen (G1, G2, G3) gruppenweise getrennt mit einer zellexternen elektrischen Prüfeinrichtung (15) der Batterie (11) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Batterie (11) eine Steuereinrichtung (19) bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug (10) mit zumindest einer Batterie (11) nach Anspruch 12.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 13, wobei ein Ladegerät des Kraftfahrzeugs (10) und/oder ein Steuergerät für eine Leistungselektronik eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs (10) dazu eingerichtet ist, während eines Batterietests der Batterie (11) eine vorbestimmte elektrische Last (13) an Batterieanschlüssen (12) der Batterie (11) einzustellen.