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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerdetektion in einem elektrischen Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes elektrisches Energiespeichersystem und ein entsprechendes Computerprogramm.
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Stand der Technik
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Elektrische Energiespeichersysteme mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten, insbesondere Batteriesysteme mit Batteriezellen, umfassen typischerweise elektronische Bauteile, welche elektrische Spannungen und Temperaturen der elektrischen Energiespeichereinheiten erfassen. Eine genaue Lokalisierung eines Fehlers an einer elektrischen Energiespeichereinheit oder an beziehungsweise in den elektronischen Bauteilen ist jedoch nicht möglich. Dies ist insbesondere für autonom betriebene Fahrzeuge wichtig, um beispielsweise einen plötzlichen Ausfall des autonomen Fahrzeugs zu vermeiden.
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In der Druckschrift
JP 2013 094032 wird ein Batterieüberwachungssystem beschrieben, das Fehler einer Spannungsmessung beim Angleichen von Ladezuständen zwischen Batteriezellen erkennt.
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In der Druckschrift
US 2014/0159739 A1 wird ein Batterieüberwachungssystem beschrieben, das Fehler einer Spannungsmessung über Einzelspannungsmessungen und eine Gesamtbatteriespannungsmessung detektiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart wird ein Verfahren zur Fehlerdetektion in einem elektrischen Energiespeichersystem, umfassend mehrere elektrische Energiespeichereinheiten in einer Reihenschaltung, welches die nachstehenden Schritte umfasst.
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Es wird eine erste elektrische Spannung erfasst, welche durch eine erste der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten erzeugt wird.
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Weiterhin wird eine zweite elektrische Spannung erfasst, welche durch die erste elektrische Energiespeichereinheit und eine in der Reihenschaltung nachfolgende zweite elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird.
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Weiterhin wird ein Fehler in der Spannungserfassung und/oder ein Fehler einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der erfassten Spannungen detektiert.
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Dies ist vorteilhaft, da somit eine Unterscheidung zwischen Fehlern der elektrischen Energiespeichereinheiten, beispielsweise verursacht durch interne Kurzschlüsse innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheiten oder Lithiumablagerungen auf Elektroden, und Fehlern in der Erfassung der elektrischen Spannungen möglich ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da ein Fehler der elektrischen Energiespeichereinheiten zu einem Abschalten des elektrischen Energiespeichersystems führen kann, wohingegen das elektrische Energiespeichersystems trotz eines Fehlers in der Spannungserfassung weiterbetrieben werden kann. Dabei kann der erste Schritt auch nach dem zweiten Schritt durchgeführt werden, die Reihenfolge der Spannungserfassung ist demzufolge nicht relevant.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird weiterhin eine dritte elektrische Spannung erfasst, welche durch die zweite elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird. Dabei umfasst der Schritt des Detektierens eines Fehlers in der Spannungserfassung und/oder eines Fehlers einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der erfassten Spannungen nun ein erstes Detektieren, ob die erfasste erste elektrische Spannung fehlerhaft ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass überprüft wird, ob die erfasste Spannung außerhalb eines vordefinierten Spannungsbandes liegt, das für die jeweilige elektrische Energiespeichereinheit typisch ist, beispielsweise für Lithiumionenzellen im Bereich von 2,5 Volt bis 4,3 Volt. Weiterhin kann eine Überprüfung darin bestehen, ob eine Abweichung von einem früher erfassten Wert der elektrischen Spannung einen physikalisch erklärbaren Wert überschreitet und somit physikalisch nicht möglich ist bei fehlerlosem Funktionieren. Diese Szenarien haben somit zur Folge, dass ein Fehler detektiert wird.
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Weiterhin umfasst der vorgenannte Schritt ein zweites Detektieren, ob die erfasste zweite elektrische Spannung fehlerhaft ist, und ein drittes Detektieren, ob die erfasste dritte elektrische Spannung fehlerhaft ist. Weiterhin umfasst der Schritt im Anschluss ein viertes Detektieren eines Fehlers in der Spannungserfassung und/oder eines Fehlers einer der elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der Detektionsergebnisse.
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Dies ist vorteilhaft, da dadurch ein schnelles und sicheres Detektieren eines Fehlers möglich ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst das vierte Detektieren ein Detektieren eines Fehlers in der Spannungserfassung, wenn bei dem ersten Detektieren und bei dem dritten Detektieren jeweils die erfasste elektrische Spannung als fehlerhaft detektiert wird und bei dem zweiten Detektieren die erfasste zweite elektrische Spannung nicht als fehlerhaft detektiert wird. Somit ist in vorteilhafter Weise eine Unterscheidung von einem Fehler einer elektrischen Energiespeichereinheit möglich und ein Weiterbetrieb des elektrischen Energiespeichersystems möglich.
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Zweckmäßigerweise umfasst das vierte Detektieren ein Detektieren eines Fehlers einer der elektrischen Energiespeichereinheiten, wenn bei dem ersten Detektieren die erfasste erste elektrische Spannung nicht als fehlerhaft detektiert wird und bei dem zweiten Detektieren und dem dritten Detektieren jeweils die erfasste elektrische Spannung als fehlerhaft detektiert wird. Somit ist in vorteilhafter Weise eine Unterscheidung von einem Fehler in der Spannungserfassung möglich und eine Abschaltung des elektrischen Energiespeichersystems kann veranlasst werden.
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Zweckmäßigerweise wird weiterhin eine vierte elektrische Spannung erfasst, welche durch die zweite elektrische Energiespeichereinheit und eine in der Reihenschaltung nachfolgende dritte elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird. Weiterhin umfasst der Schritt des Detektierens eines Fehler in der Spannungserfassung und/oder eines Fehlers einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheit nun ein fünftes Detektieren, ob die erfasste vierte elektrische Spannung fehlerhaft ist und das vierte Detektieren umfasst weiterhin das Detektieren eines Fehlers in der Spannungserfassung und/oder eines Fehlers einer der elektrischen Energiespeichereinheiten zusätzlich in Abhängigkeit des Detektionsergebnisses des fünften Detektierens. Dies ist vorteilhaft, da durch die zusätzliche Messung und Detektion die Aussagesicherheit bezüglich des vierten Detektionsergebnisses steigt.
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Zweckmäßigerweise wird ein Fehler in der Spannungserfassung einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten detektiert, wobei bei dem ersten Detektieren und bei dem dritten Detektieren die jeweils erfasste elektrische Spannung als fehlerhaft detektiert wird, wenn die jeweils erfasste elektrische Spannung außerhalb eines vordefinierten ersten Spannungsbereichs liegt, wobei der vordefinierte erste Spannungsbereich von der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit abhängig ist, und zusätzlich bei dem zweiten Detektieren die erfasste zweite elektrische Spannung nicht als fehlerhaft detektiert wird, wenn die erfasste zweite elektrische Spannung innerhalb des zweifachen Wertes des vordefinierten ersten Spannungsbereichs liegt. Dies ist vorteilhaft, da dieses Muster der gemessenen Spannungen einen Fehler in der Spannungserfassung bedeutet, was somit direkt detektiert wird und entsprechende Abhilfemaßnahmen erlaubt.
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Zweckmäßigerweise wird ein Fehler einer der elektrischen Energiespeichereinheiten detektiert, wenn bei dem ersten Detektieren die erfasste erste elektrische Spannung nicht als fehlerhaft detektiert wird, wenn die erfasste erste Spannung innerhalb eines vordefinierten zweiten Spannungsbereichs liegt, wobei der vordefinierte zweite Spannungsbereich von der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit abhängig ist, und bei dem zweiten Detektieren die erfasste zweite elektrische Spannung als fehlerhaft detektiert wird, wenn die erfasste zweite elektrische Spannung außerhalb des zweifachen Wertes des vordefinierten zweiten Spannungsbereichs liegt, und bei dem dritten Detektieren die erfasste dritte elektrische Spannung als fehlerhaft detektiert wird, wenn die erfasste dritte elektrische Spannung außerhalb des vordefinierten zweiten Spannungsbereichs liegt.
Dies ist vorteilhaft, da dieses Muster der gemessenen Spannungen einen Fehler einer der elektrischen Energiespeichereinheiten bedeutet, was somit direkt detektiert wird und entsprechende Abhilfemaßnahmen erlaubt, wie beispielsweise das oben erwähnte Abschalten des elektrischen Energiespeichersystems.
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Zweckmäßigerweise umfasst das elektrische Energiespeichersystem mindestens vier elektrische Energiespeichereinheiten, wobei die entsprechenden Verfahrensschritte jeweils für zwei und/oder drei direkt hintereinander in Reihe geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten ausgeführt werden, bis die elektrische Spannung aller der mindestens vier elektrischen Energiespeichereinheiten mindestens einmal erfasst wurde, und wobei ein Fehler in der elektrischen Spannungserfassung und/oder ein Fehler einer elektrischen Energiespeichereinheit in Abhängigkeit der Detektionsergebnisse innerhalb des elektrischen Energiespeichersystems lokalisiert wird. Dies ist vorteilhaft, da somit nicht nur eine Fehlerdetektion, sondern auch eine Fehlerlokalisierung ermöglicht wird, was eine Reparatur vereinfacht und gegebenenfalls nur eine Abschaltung eines Subsystems des elektrischen Energiespeichersystems erforderlich macht, beispielsweise indem bei einem Batteriesystem nur ein einzelnes Modul abgeschaltet wird, in dem der Fehler vorliegt.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Fehlerdetektion für ein elektrisches Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in einer Reihenschaltung, wobei die Vorrichtung mindestens ein Mittel umfasst, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, welches eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren auszuführen. Somit werden die genannten Vorteile realisiert.
Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein elektrisches Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten in einer Reihenschaltung, welches die oben beschriebene Vorrichtung umfasst. Somit werden die genannten Vorteile realisiert.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt. Somit werden die genannten Vorteile realisiert.
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Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten Vorrichtung 130 und des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Dabei weist die Vorrichtung 130 mehrere Eingänge auf, um die elektrische Spannung der elektrischen Energiespeichereinheiten, hier Batteriezellen 111, 112, 113, 114, zu erfassen. Dazu sind entsprechende Erfassungsleitungen 101, 102, 103, 104, 105 angebracht. Weiterhin weist die Vorrichtung 130 ein Mittel auf, welches eingerichtet ist, das offenbarte Verfahren zur Fehlerdetektion auszuführen, beispielsweise eine entsprechend programmierte elektronische Steuereinheit. Das elektrische Energiespeichersystem 100 weist zwei Polanschlüsse 121, 122 auf, an die beispielsweise ein Wechselrichter oder ein Elektromotor angeschlossen werden kann. Es kann beispielsweise der Fehler auftreten, dass die Sensorleitung 102 defekt ist, beispielsweise durch Kabelbruch. Ebenso kann der Fehler auftreten, dass die Batteriezelle 112 defekt ist und keine Spannung mehr liefert.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Fehlerdetektion in einem elektrischen Energiespeichersystem gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird eine elektrische Spannung, welche durch eine erste von mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten erzeugt wird, erfasst. Beispielhaft angewendet auf das elektrische Energiespeichersystem 100 aus 1 wird die elektrische Spannung, welche durch die Batteriezelle 111 erzeugt wird, über die Erfassungsleitungen 101, 102 von der Vorrichtung 130 erfasst.
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In einem zweiten Schritt S22 wird eine zweite elektrische Spannung, welche durch die erste elektrische Energiespeichereinheit und eine in der Reihenschaltung nachfolgende zweite elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird, erfasst. Beispielhaft angewendet auf das elektrische Energiespeichersystem 100 aus 1 wird die elektrische Spannung, welche durch die Batteriezellen 111, 112 erzeugt wird, über die Erfassungsleitungen 101, 103 von der Vorrichtung 130 erfasst.
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In einem dritten Schritt S23 wird ein Fehler in der elektrischen Spannungserfassung einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten oder eines Fehlers einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten detektiert in Abhängigkeit der erfassten elektrischen Spannungen. Beispielshaft angewendet auf das elektrische Energiespeichersystem 100 aus 1 wird beispielsweise detektiert, wenn die Erfassungsleitung 102 defekt ist, da sich dies in der erfassten Spannung wiederspiegelt.
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3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Fehlerdetektion in einem elektrischen Energiespeichersystem, umfassend mehrere elektrische Energiespeichereinheiten, gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 wird eine erste elektrische Spannung, welche durch eine erste der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten erzeugt wird, erfasst.
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In einem zweiten Schritt S32 wird eine zweite elektrische Spannung, welche durch die erste elektrische Energiespeichereinheit und eine in der Reihenschaltung nachfolgende zweite elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird, erfasst.
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In einem dritten Schritt S33 wird eine dritte elektrische Spannung, welche durch die zweite elektrische Energiespeichereinheit erzeugt wird, erfasst.
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In einem vierten Schritt S34 erfolgt ein erstes Detektieren, ob die erfasste erste elektrische Spannung fehlerhaft ist. Dies kann beispielsweise über eine Überprüfung erfolgen, ob der erfasste Wert außerhalb eines vordefinierten Spannungsbereich liegt, der im Normalbetrieb des elektrischen Energiespeichersystems nicht auftritt. Ist die erfasste Spannung fehlerhaft, da beispielsweise die Erfassungsleitung 102 aus 1 defekt ist, wird dies hier festgestellt werden. Die fehlerhafte Spannungserfassung ist jedoch noch nicht eindeutig einem Fehler zuzuordnen. Es kann die Batteriezelle 111 oder die Erfassungsleitung 101 oder die Erfassungsleitung 102 defekt sein.
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In einem fünften Schritt S35 erfolgt ein zweites Detektieren, ob die erfasste zweite elektrische Spannung fehlerhaft ist. Ist dem nicht so, wird also beispielsweise in dem elektrischen Energiespeichersystem 100 aus 1 zwischen Erfassungsleitung 101 und Erfassungsleitung 103 die doppelte Batteriezellspannung erfasst, ist die dazwischenliegende Erfassungsleitung 102 defekt.
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In einem sechsten Schritt S36 erfolgt ein drittes Detektieren, ob die erfasste dritte elektrische Spannung fehlerhaft ist. Ist dies der Fall, bestätigt dies die Einschätzung aus dem fünften Schritt S35, dass die Erfassungsleitung 102 defekt ist.
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Dabei kann die Reihenfolge der Schritt durchaus geändert werden und die vorgenannten Schritte können gegebenenfalls auch parallel durchgeführt werden. Beispielsweise kann die erste Spannung erfasst werden und gleich das erste Detektieren angeschlossen werden und erst dann die Erfassung der zweiten Spannung erfolgen.
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In einem siebten Schritt S37 erfolgt ein viertes Detektieren in Abhängigkeit der Detektionsergebnisse des vierten Schrittes S34, des fünften Schrittes S35 und des sechsten Schrittes S36, ob ein Fehler in der Spannungserfassung einer der mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten oder ob ein Fehler einer der elektrischen Energiespeichereinheiten, beispielsweise ein zellinterner Kurzschluss, vorliegt.
Basierend auf den Ergebnissen des vierten Schrittes S34, des fünften Schrittes S35 und des sechsten Schrittes S36 wird somit detektiert, dass ein Fehler in der Spannungserfassung, hervorgerufen durch eine defekte Erfassungsleitung 102, vorliegt.
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In Abhängigkeit des Detektionsergebnisses des siebten Schrittes S37 kann beispielsweise eine Energieentnahme aus dem elektrischen Energiespeichersystem unterbrochen werden, wenn ein Fehler einer elektrischen Energiespeichereinheit vorliegt.
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4 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Fehlerdetektion in einem elektrischen Energiespeichersystem gemäß einer dritten Ausführungsform. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem mindestens vier elektrische Energiespeichereinheiten, wie beispielsweise in 1 dargestellt. Das Verfahren wird beispielsweise bei einer Aktivierung des elektrischen Energiespeichersystems gestartet und erfasst in einem ersten Schritt S41 und einem zweiten Schritt S42 analog zu den Schritten S21, S22 die entsprechenden Spannungen, beispielsweise einer ersten elektrischen Energiespeichereinheit beziehungsweise der ersten elektrischen und einer nachfolgenden zweiten elektrischen Energiespeichereinheit. In einem dritten Schritt S43 wird anschließend überprüft, ob ein Fehler in der Spannungserfassung einer der mindestens vier elektrischen Energiespeichereinheiten und/oder ein Fehler einer der mindestens vier elektrischen Energiespeichereinheiten vorliegt.
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Falls ein Fehler vorliegt, wird ein vierter Schritt S44 durchgeführt, beispielsweise ein Abschalten des elektrischen Energiespeichersystems oder alternativ, insbesondere wenn es sich nicht um einen Fehler einer elektrischen Energiespeichereinheit handelt, wird der Weiterbetrieb des elektrischen Energiespeichersystems nur noch mit reduzierter Leistung ermöglicht.
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Falls kein Fehler vorliegt, wird wieder der erste Schritt S41 ausgeführt, allerdings jetzt fortfahrend mit der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit. An den ersten Schritt S41 schließen sich die entsprechenden genannten Schritte mit den entsprechend verschobenen elektrischen Energiespeichereinheiten an, sodass das Verfahren die elektrischen Energiespeichereinheiten solange überwacht, bis ein entsprechender Fehler detektiert wird oder das elektrische Energiespeichersystem von außen abgeschaltet wird.
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Durch diese Art der Überwachung, welche immer zwei oder drei elektrische Energiespeichereinheiten im Block betrachtet und dann mit einem entsprechenden weiteren Block fortfährt, ist eine Lokalisierung eines Fehlers in beliebig gro-ßen elektrischen Energiespeichersystemen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013094032 [0003]
- US 2014/0159739 A1 [0004]
