DE102020004444A1

DE102020004444A1 - Device for detecting critical situations in batteries

Info

Publication number: DE102020004444A1
Application number: DE102020004444.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt; Andreas Maier
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (12) zur Erfassung von kritischen Situationen in einzelnen Batteriezellen (6) eines Zellmoduls (5). Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zur Detektion von hochfrequenten durch Lichtbogen verursachten Störimpulsen.Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass es ein Messsignal in der Einrichtung (13) zur Detektion gefiltert (15) und aufintegriert (16) wird, wobei ab einem vorgegeben Schwellenwert (17) ein Alarmsignal (19) erzeugt wird.The invention relates to a device (12) for detecting critical situations in individual battery cells (6) of a cell module (5). The invention is characterized by a device (13) for detecting high-frequency interference pulses caused by arcs. The method according to the invention provides that a measurement signal is filtered (15) and integrated (16) in the device (13) for detection, with an alarm signal (19) is generated from a predetermined threshold value (17).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von kritischen Situationen in einzelnen Batteriezellen eines Zellmoduls. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen von kritischen Situationen mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for detecting critical situations in individual battery cells of a cell module. In addition, the invention relates to a method for detecting critical situations with such a device.

Kritische Situationen in den Einzelzellen eines Zellmoduls, insbesondere in den Einzelzellen einer Hochvolt-Batterie, wie sie beispielsweise als Hybridbatterie oder Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird, sind grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. In einschlägigen Normen wird die Detektion eines solchen kritischen Zustands, insbesondere eines thermischen kritischen Zustands, von Einzelzellen bei Fahrzeugbatterien gefordert. Wichtig ist, dass das entsprechende Signal unverzüglich aber gleichzeitig auch robust, das heißt mit einer niedrigen Falsch-Positiv-Rate erzeugt werden muss. Dies ist eine große Herausforderung, da die Zellspannungen bei der üblichen Parallelschaltung einer großen Anzahl von Batterieeinzelzellen oder Zellmodulen stabilisiert wird und eine Temperaturmessung aufgrund der hohen thermischen Masse einer solchen Batterie typischerweise sehr träge reagiert. Indirekt betroffene Größen, wie beispielsweise der Druck- beziehungsweise Druckgradient oder der Isolationswiderstand, können grundsätzlich zwar ebenfalls herangezogen werden, können jedoch auch sehr stark durch andere Effekte beeinflusst werden.Critical situations in the individual cells of a cell module, in particular in the individual cells of a high-voltage battery, such as those used as a hybrid battery or traction battery in an at least partially electrically powered vehicle, are fundamentally known from the prior art. Relevant standards require the detection of such a critical state, in particular a thermally critical state, of individual cells in vehicle batteries. It is important that the corresponding signal must be generated immediately but at the same time robustly, i.e. with a low false positive rate. This is a major challenge, since the cell voltages are stabilized when a large number of individual battery cells or cell modules are connected in parallel, and a temperature measurement typically reacts very sluggishly due to the high thermal mass of such a battery. Variables that are indirectly affected, such as the pressure or pressure gradient or the insulation resistance, can in principle also be used, but can also be very strongly influenced by other effects.

In der allgemeinen Praxis ist es deshalb üblich, eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren ins Feld zu führen. Üblich sind Drucksensoren, Gassensoren und über den konstruktiven Aufbau des Zellmoduls verteilte Temperatursensoren. Gemäß dem allgemeinen Stand der Technik werden die von diesen Sensoren gelieferten Messgrößen zusammen mit vorhandenen Daten der Spannungsmessung ausgewertet. Beim Überschreiten mehrerer Grenzwerte wird dann ein Alarmsignal beziehungsweise eine Fehlermeldung ausgelöst. Diese ist, wie oben bereits angesprochen, mit zahlreichen Problemen der einzelnen Sensoren, sei es hinsichtlich der trägen Reaktion und/oder der Gefahr von Falsch-Positiven-Werten verbunden. Ferner ist es so, dass der Aufwand bei der Sensorik erhebliche Mehrkosten verursacht.In general practice, it is therefore common to use a large number of different sensors. Pressure sensors, gas sensors and temperature sensors distributed over the structural design of the cell module are common. In accordance with the general state of the art, the measured variables supplied by these sensors are evaluated together with existing voltage measurement data. If several limit values are exceeded, an alarm signal or an error message is then triggered. As already mentioned above, this is associated with numerous problems of the individual sensors, be it with regard to the sluggish reaction and/or the risk of false positive values. It is also the case that the effort involved in sensor technology causes considerable additional costs.

Aus diesem Grund wäre es wünschenswert eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Erfassen von kritischen Zuständen in Batterieeinzelzellen eines Zellmoduls zu haben.For this reason, it would be desirable to have an improved device and an improved method for detecting critical states in individual battery cells of a cell module.

Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik, und hier insbesondere aus dem Gebiet der Fotovoltaikanlagen ist es ferner bekannt, durch Lichtbogen verursachte Störimpulse auszuwerten, um kritische Fehler erkennen zu können. In diesem Zusammenhang kann auf die DE 10 2015 204 376 A1 sowie die DE 10 2014 226 999 A1 zum weiteren Stand der Technik hingewiesen werden.From the further general state of the art, and here in particular from the field of photovoltaic systems, it is also known to evaluate interference pulses caused by arcs in order to be able to detect critical faults. In this context, on the DE 10 2015 204 376 A1 as well as the DE 10 2014 226 999 A1 be referred to the further state of the art.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Erfassung von kritischen Situationen, und hier insbesondere thermisch kritischen Situationen, in einzelnen Batteriezellen eines Zellmoduls anzugeben.The object of the present invention is now to specify an improved device and an improved method for detecting critical situations, and here in particular thermally critical situations, in individual battery cells of a cell module.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Außerdem löst ein Verfahren zur Erfassung von kritischen Situationen mit einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 8 die Aufgabe. Sowohl bei der Vorrichtung als auch beim Verfahren ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a device having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. In addition, a method for detecting critical situations with such a device according to claim 8 solves the problem. Both the device and the method result in advantageous refinements and developments from the respective dependent subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von kritischen Situationen in einzelnen Batteriezellen eines Zellmoduls bezieht sich primär auf thermische kritische Situationen, den sogenannten „thermal runaway“ von einzelnen Batteriezellen. Dabei ist es so, dass dieser typischerweise mit einer Beschädigung eines Separators zwischen den Elektroden einer Batterieeinzelzelle einhergeht, beispielsweise durch Krafteinwirkung, Hitzeeinwirkung oder das Wachstum von Dendriten. Ein solcher lokaler Kurzschluss mit einer Beschädigung des Separators führt zu einer lokalen Erhitzung in der Einzelzelle, sodass es typischerweise zu einem Aufschmelzen beziehungsweise einem Zersetzen der Elektroden in diesem Bereich kommt. Dabei entsteht nun typischerweise ein Lichtbogen, häufig verbunden mit einer Schrumpfung des Separators durch die Hitzeeinwirkung und anschließenden weiteren Kurzschlüssen, welche wiederrum erneute Lichtbogen zur Folge haben. In der Praxis ist es also so, dass eine Abfolge von Lichtbögen beim thermischen Durchgehen der Batterieeinzelzellen auftritt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es deshalb vorgesehen, dass eine Einrichtung zur Detektion von hochfrequenten durch Lichtbogen verursachten Störimpulsen vorhanden ist. Die von den Lichtbögen verursachten Störimpulse lassen sich dabei auf verschiedene nachfolgend noch näher erläuterte Arten innerhalb eines Zellmoduls erfassen und können dann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung effizient zum Erkennen einer kritischen Situation, insbesondere eines „thermal runaway“, verwendet werden.The method according to the invention for detecting critical situations in individual battery cells of a cell module relates primarily to thermally critical situations, the so-called “thermal runaway” of individual battery cells. It is the case that this is typically accompanied by damage to a separator between the electrodes of a single battery cell, for example due to the effects of force, heat or the growth of dendrites. Such a local short circuit with damage to the separator leads to local heating in the individual cell, so that the electrodes in this area typically melt or decompose. This typically results in an arc, often associated with shrinkage of the separator due to the effect of heat and subsequent further short circuits, which in turn result in renewed arcing. In practice, a sequence of arcs occurs when the individual battery cells thermally run away. In the device according to the invention, provision is therefore made for a device for detecting high-frequency interference pulses caused by arcs to be present. The interference pulses caused by the arcs can be detected within a cell module in various ways, which will be explained in more detail below, and can then be used efficiently by the device according to the invention to detect a critical situation, in particular a “thermal runaway”.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass zusätzlich eine Sensorik zur Messung wenigstens einer physikalischen Messgröße des Zellmoduls vorhanden ist. Diese physikalischen Messgrößen, welche beispielsweise Temperaturen, Drücke, Druckgradienten aber auch Isolationswiderstände, die Spannung des Zellmoduls oder die Spannung von Batteriezellen in dem Zellmodul umfassen können, erlauben es, über eine zweite Messgröße die Messung robuster zu machen, das heißt eine niedrigere Falsch-Positiv-Rate zu erzeugen. Dabei reicht zusätzlich zu der bereits sehr robusten Erfassung von hochfrequenten durch Lichtbogen verursachten Störsignale mit der Einrichtung der Erfindung, eine einzige weitere Sensorik für einen Wert, beispielsweise Temperaturwerte oder ohnehin erfasste Werte wie Spannungen oder Widerstände aus, sodass der Aufwand gegenüber dem Einbau vielfältiger Sensoriken, wie es im Stand der Technik der Fall ist, deutlich reduziert und dabei die Robustheit der Erfassung von kritischen Situationen durch die Vorrichtung deutlich verbessert werden kann.According to an extremely favorable development of the device according to the invention, it is provided that an additional sensor for Measuring at least one physical parameter of the cell module is present. These physical measured variables, which can include, for example, temperatures, pressures, pressure gradients, but also insulation resistances, the voltage of the cell module or the voltage of battery cells in the cell module, allow the measurement to be made more robust using a second measured variable, i.e. a lower false positive -rate to generate. In addition to the already very robust detection of high-frequency interference signals caused by arcs with the device of the invention, a single additional sensor system is sufficient for a value, for example temperature values or values such as voltages or resistances that are already detected, so that the effort compared to the installation of various sensors, as is the case in the prior art, and the robustness of the detection of critical situations by the device can be significantly improved.

Die Vorrichtung selbst kann dabei in einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ausbildung einen Bandpassfilter aufweisen, um eine zuverlässige Detektion der hochfrequenten Störimpulse zu ermöglichen.In one possible embodiment of the design according to the invention, the device itself can have a bandpass filter in order to enable reliable detection of the high-frequency interference pulses.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorsehen, dass die Einrichtung mit einer bestehenden Messeinrichtung verbunden oder in diese integriert ist. Eine solche bestehende Messeinrichtung kann beispielsweise die Messeinrichtung für den Isolationswiderstand oder eine Strommesseinrichtung des jeweiligen Zellmoduls oder einer aus den Zellmodulen aufgebauten Gesamtbatterie sein. Dabei kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Detektion mit beiden Polen des Zellmoduls verbunden ist. Sie nutzt also ohne eine galvanische Trennung das Hochvoltpotential des Zellmoduls und wertet Störimpulse zwischen den Polen dieses Potentials aus. Sie kann dafür wie oben bereits erwähnt beispielsweise in die Messeinrichtung für den Isolationswiderstand integriert sein, welche ebenfalls galvanisch nicht getrennt ausgeführt ist.A particularly advantageous development of the device according to the invention can also provide for the device to be connected to an existing measuring device or integrated into it. Such an existing measuring device can be, for example, the measuring device for the insulation resistance or a current measuring device of the respective cell module or of an overall battery made up of the cell modules. According to a very advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that the device for detection is connected to both poles of the cell module. It therefore uses the high-voltage potential of the cell module without galvanic isolation and evaluates interference pulses between the poles of this potential. For this purpose, as already mentioned above, it can be integrated, for example, in the measuring device for the insulation resistance, which is also not galvanically isolated.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Detektion mit nur einem Pol des Zellmoduls verbunden ist. Sie kann dann beispielsweise gegen die Masse messen. In diesem Fall könnte sie insbesondere in eine Strommesseinrichtung integriert ausgeführt sein, welche typischerweise galvanisch getrennt den Strom des Zellmoduls oder einer aus diesen Zellmodulen aufgebauten Gesamtbatterie erfasst.According to an alternative embodiment, it can also be provided that the device for detection is connected to only one pole of the cell module. You can then measure against the ground, for example. In this case, it could in particular be designed to be integrated into a current measuring device, which typically detects the current of the cell module or of an overall battery made up of these cell modules in a galvanically isolated manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von kritischen Situationen in einzelnen Batteriezellen eines Zellmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten sieht es dabei vor, dass ein Messsignal in der Einrichtung zur Detektion gefiltert und aufintegriert wird, wobei ab einem vorgegebenen Schwellenwert ein Alarmsignal erzeugt wird. Dieses Alarmsignal kann nun direkt verwendet werden, um beispielsweise eine Fehlermeldung oder einen Alarm in dem das Zellmodul nutzenden System, beispielsweise dem Fahrzeug, zu erzeugen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Das Verfahren arbeitet dabei sicher, zuverlässig und robust.The method according to the invention for detecting critical situations in individual battery cells of a cell module with a device according to the invention in one of the described embodiment variants provides that a measurement signal is filtered and integrated in the device for detection, with an alarm signal being generated from a predetermined threshold value. This alarm signal can now be used directly, for example to generate an error message or an alarm in the system using the cell module, for example the vehicle, and to initiate appropriate countermeasures. The process works safely, reliably and robustly.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, jedoch auch vorgesehen sein, dass über die zusätzliche Sensorik eine Messgröße erfasst wird, wobei für den Fall, dass diese über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, ein weiteres Alarmsignal erzeugt wird, wonach eine Und-Verknüpfung mit dem Alarmsignal der Einrichtung zur Detektion zur Erzeugung einer Fehlermeldung erfolgt. Eine solche Und-Verknüpfung, bei der also sowohl die Störsignale aus den Lichtbogen als auch eine Messgröße der Sensorik, beispielsweise eine Temperatur oder ein Druckgradient einen Schwellenwert überschreiten müssen, um ein Alarmsignal zu erzeugen, ist nun besonders robust. Erst wenn beide Alarmsignale vorliegen, wird die Fehlermeldung ausgelöst. Dies kann die Anzahl möglicher Falsch-Positiver-Fehlermeldungen noch weiter reduzieren.According to a further very advantageous embodiment, it can also be provided in the method according to the invention, using a device according to one of claims 2 to 7, that the additional sensors detect a measured variable, in the event that this is above a predetermined Threshold is, another alarm signal is generated, after which an AND operation with the alarm signal of the device for detection to generate an error message takes place. Such an AND link, in which both the interference signals from the arc and a measured variable from the sensor system, such as a temperature or a pressure gradient, must exceed a threshold value in order to generate an alarm signal, is now particularly robust. The error message is only triggered when both alarm signals are present. This can further reduce the number of possible false positive error reports.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung des Verfahrens, kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Messgrößen mehrerer gleichartiger Sensoren gefiltert oder zusammengefasst werden. So können beispielsweise mehrere Druck- oder Temperatursensoren über den Aufbau des Zellmoduls verteilt angeordnet sein. Beispielsweise bei der Temperatur kann dann aus allen erfassten Messgrößen der Temperatur ein Maximalwert herausgefiltert und als Messgröße für den Vergleich mit dem Schwellenwert genutzt werden. Vergleichbares gilt selbstverständlich ebenso für Druckgradienten, Isolationswiderstände, Einzelzellspannungen, die Spannung des Zellmoduls oder dergleichen.According to an extraordinarily favorable development of this embodiment of the method, it can also be provided that the measured variables of a number of sensors of the same type are filtered or combined. For example, several pressure or temperature sensors can be distributed over the structure of the cell module. In the case of the temperature, for example, a maximum value can then be filtered out of all the temperature measured variables recorded and used as a measured variable for the comparison with the threshold value. Of course, the same applies to pressure gradients, insulation resistances, individual cell voltages, the voltage of the cell module or the like.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.Further advantageous configurations of the device according to the invention and the method according to the invention also result from the exemplary embodiments, which are presented in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 das Prinzip der Lichtbogenbildung im Falle einer thermisch kritischen Situation in einer einzelnen Batteriezelle;
1 eine erste mögliche Ausführungsform zur Ankopplung einer Einrichtung zur Detektion hochfrequenter Störimpulse an ein Zellmodul;
2 eine alternative mögliche Ausführungsform zur Ankopplung einer Einrichtung zur Detektion hochfrequenter Störimpulse an ein Zellmodul; und
3 eine beispielhafte Vorrichtung zum Erzeugen einer Fehlermeldung im Falle einer kritischen thermischen Situation in einer Batteriezelle.

show:

1 the principle of arcing in the event of a thermally critical situation in a single battery cell;
1 a first possible embodiment for coupling a device for detecting high-frequency interference pulses to a cell module;
2 an alternative possible embodiment for coupling a device for detecting high-frequency interference pulses to a cell module; and
3 an exemplary device for generating an error message in the event of a critical thermal situation in a battery cell.

In der Darstellung der 1 ist anhand dreier zeitlich nacheinander zu verstehender Einzelbilder zu erkennen, was im Falle einer thermischen kritischen Situation in einer Batteriezelle 6 vor sich geht. In der Darstellung der 1a) sind dabei zwei beispielhafte Elektroden, eine Anode 1 und eine Katode 2, sowie ein dazwischen angeordneter Separator 3 zu erkennen. Beispielsweise aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung, einer Hitzeeinwirkung oder auch eines Dendritenwachstums in der Batteriezelle 6 kommt es zu einer in der 1a) bereits gezeigten Beschädigung des Separators 3 zwischen der Anode 1 und der Katode 2. Dies führt zu einem Kurzschluss, welcher dann in der Folge zu einer lokalen Erhitzung führt. Eine der Elektroden, hier die Katode 2, kann dadurch aufgetrennt werden, wie es in der Darstellung der 1b) zu erkennen ist, beispielsweise durch ein Aufschmelzen oder durch eine Zersetzung der Elektrode. Ein grafisch angedeuteter, mit 4 bezeichneter Lichtbogen entsteht. Durch ihn kommt es dazu, dass der Separator 3 unter Hitzeeinwirkung typischerweise weiter aufschmilzt und schrumpft, wie es in der Darstellung der 1c) angedeutet ist. Dies kann dann zu einem erneuten Kurzschluss führen, sodass die in den Darstellungen der 1b) und c) gezeigten Schritten sich weiter wiederholen und es in der Praxis zu einer Abfolge von Lichtbögen kommt, welche hochfrequente Störsignale verursachen.In the representation of 1 can be seen on the basis of three individual images, which are to be understood one after the other, what happens in a battery cell 6 in the event of a thermally critical situation. In the representation of 1a) two exemplary electrodes can be seen, an anode 1 and a cathode 2, as well as a separator 3 arranged between them. For example, due to an external force, heat or dendrite growth in the battery cell 6 there is a in the 1a) already shown damage to the separator 3 between the anode 1 and the cathode 2. This leads to a short circuit, which then subsequently leads to local heating. One of the electrodes, here the cathode 2, can thereby be separated, as shown in the illustration 1b) can be recognized, for example, by melting or decomposition of the electrode. A graphically indicated arc, designated 4, is created. It means that the separator 3 typically continues to melt and shrink under the action of heat, as is shown in FIG 1c ) is indicated. This can then lead to another short circuit, so that in the representations of the 1b) and c ) shown are repeated and in practice there is a sequence of arcs that cause high-frequency interference signals.

Technisch vergleichbar wie bei Fotovoltaiksystemen lassen sich diese durch die Lichtbogen verursachten hochfrequenten Störsignale nun nutzen, um das Auftreten von Lichtbogen und damit das Auftreten eines thermisch kritischen Zustands in einer Batteriezelle 6 innerhalb eines Zellmoduls 5 zu Detektieren. In der Darstellung der 2 ist rein beispielhaft ein solches Zellmodul 5 mit einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen 6 entsprechend angedeutet. Diese sind innerhalb der Gesamtbatterie 7 verbaut, in welcher beispielsweise eines oder mehrere derartige Zellmodule 5 angeordnet sind. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen den Potentialen HV+ und HV- eine mit 8 bezeichnete Messeinrichtung für den Isolationswiderstand, welche mit einem Batteriemanagementsystem 9 verbunden ist, welches seinerseits über die angedeutete mit 10 bezeichnete Leitung in einer Kommunikationsverbindung zu einem mittels Gesamtbatterie 7 zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug steht. Das Signal zur Ermittlung des Lichtbogens anhand der von ihm verursachten Störsignale lässt sich nun über diese Messeinrichtung 8 für den Isolationswiderstand abgreifen, welche galvanisch nicht getrennt zwischen den beiden Potential führenden Polen HV- und HV+ angeordnet ist.Technically comparable to photovoltaic systems, these high-frequency interference signals caused by the arcs can now be used to detect the occurrence of arcs and thus the occurrence of a thermally critical state in a battery cell 6 within a cell module 5 . In the representation of 2 purely by way of example, such a cell module 5 with a large number of individual battery cells 6 is correspondingly indicated. These are installed within the overall battery 7, in which, for example, one or more such cell modules 5 are arranged. in the in 2 In the illustrated embodiment, between the potentials HV+ and HV- there is a measuring device, labeled 8, for the insulation resistance, which is connected to a battery management system 9, which in turn has a communication link via the indicated line labeled 10 to a vehicle that is at least partially electrically powered by the overall battery 7 stands. The signal for determining the arc on the basis of the interference signals it causes can now be tapped off via this measuring device 8 for the insulation resistance, which is arranged in a non-galvanically isolated manner between the two potential-carrying poles HV− and HV+.

In der Darstellung der 3 ist eine Alternative hierzu aufgezeigt. Der Aufbau der Batterie 7 mit dem Zellmodul 5 und den einzelnen Batteriezellen 6 entspricht dabei dem in 2 bereits beschriebenen Aufbau. Ferner ist hier ein Stromsensor 11 angedeutet, welcher galvanisch getrennt gegen Masse misst und ebenfalls in Verbindung mit dem Batteriemanagementsystem 9 steht. Auch auf diese Art lässt sich das entsprechende Störsignal, welches durch die Bildung der Lichtbogen verursacht worden ist, abgreifen. Alternativ dazu könnte der Strom auch direkt selbst verwendet werden, um die gewünschten Signale zu erhalten.In the representation of 3 an alternative is shown. The structure of the battery 7 with the cell module 5 and the individual battery cells 6 corresponds to that in 2 structure already described. A current sensor 11 is also indicated here, which measures in a galvanically isolated manner against ground and is also connected to the battery management system 9 . The corresponding interference signal, which was caused by the formation of the arc, can also be tapped off in this way. Alternatively, the stream itself could be used directly to obtain the desired signals.

In der Darstellung der 4 ist nun eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 12 zur Erfassung einer thermisch kritischen Situation in dem Zellmodul 5 dargestellt. Sie kann beispielsweise Teil des Batteriemanagementsystems 9 sein. Ein erster Teil dieser Vorrichtung 12 ist dabei eine mit 13 bezeichnete Einrichtung zur Detektion der durch die Lichtbogen verursachten Störsignale. Sie umfasst eine Ankopplung 14, beispielsweise in der in 2 oder 3 beschriebenen Art. Das dort abgegriffene Signal durchläuft dann einen Bandpassfilter 15 und wird im Baustein 16 aufintegriert. In der Einrichtung 13 ist außerdem ein erster Schwellenwert 17 gespeichert. Durch einen Vergleich des aufintegrierten Wertes nach dem Bandpassfilter 15 und dieses Schwellenwerts 17 in dem mit 18 bezeichneten Baustein wird dann ein erstes Alarmsignal 19 generiert, wenn die entsprechenden hochfrequenten Störsignale von Lichtbogen im ausreichenden Maße detektiert worden sind.In the representation of 4 A possible embodiment of the device 12 for detecting a thermally critical situation in the cell module 5 is now shown. It can be part of the battery management system 9, for example. A first part of this device 12 is a device, denoted by 13, for detecting the interference signals caused by the arcs. It includes a coupling 14, for example in FIG 2 or 3 described type. A first threshold value 17 is also stored in device 13 . By comparing the integrated value after the bandpass filter 15 and this threshold value 17 in the module labeled 18, a first alarm signal 19 is generated when the corresponding high-frequency interference signals from arcs have been detected to a sufficient extent.

Um die Robustheit weiter zu erhöhen, umfasst die Vorrichtung 12 außerdem eine Sensorik 20, welche in diesem Fall über eine Vielzahl von nicht dargestellten Temperatursensoren verfügt, die Temperaturen in den einzelnen Batteriezellen 6 des Zellmoduls 5 erfassen. Diese gelangen über die Signalleitungen 21 zu einem Filter 22, in welchem ein Maximalwert der Temperatur herausgefiltert wird. Er wird dann mit einem zweiten Schwellenwert, welcher in einem Baustein 23 gespeichert ist, verglichen. Liegt die maximale erfasste Temperatur über diesem Schwellenwert 23, dann ergibt sich aus dem Vergleich im Baustein 24 ein weiteres mit 25 bezeichnetes Alarmsignal.In order to further increase the robustness, the device 12 also includes a sensor system 20 which, in this case, has a large number of temperature sensors, not shown, which detect the temperatures in the individual battery cells 6 of the cell module 5 . These reach a filter 22 via the signal lines 21, in which a maximum value of the temperature is filtered out. It is then compared with a second threshold value, which is stored in a module 23. If the maximum recorded temperature is above this Threshold 23, then the comparison in block 24 results in another alarm signal designated 25.

Die beiden Alarmsignale 19, 25 werden dann über eine Und-Verknüpfung 26 miteinander verknüpft, sodass es nur dann zu einer Fehlermeldung, welche über die Leitung 27 weitergegeben wird, kommt wenn beide Alarmsignale in den Leitungen 19 und 25 existieren, also sowohl die Störsignale als auch die maximale Temperatur oberhalb der vorgegebenen Schwellenwerte 17, 23 liegt. Die Fehlermeldung ist durch diesen Aufbau äußerst robust.The two alarm signals 19, 25 are then linked to one another via an AND operation 26, so that an error message, which is passed on via line 27, only occurs if both alarm signals exist in lines 19 and 25, i.e. both the interference signals and the maximum temperature is also above the specified threshold values 17, 23. The error message is extremely robust due to this structure.

An die Stelle der Temperatursensoren können auch andere Sensoren treten, beispielsweise Sensoren zur Messung des Isolationswiderstands, eines Drucks oder eines Druckgradienten, um so die Dynamik des Drucks zu erfassen. Auch die Messung von Zellspannungen, sowohl am Batteriemodul 5 als auch an den einzelnen Batteriezellen 6, ist dabei möglich. Vorteilhafterweise wird in der Vorrichtung 12 die Einrichtung 13 lediglich mit einer Art von Sensorik 20 kombiniert, insbesondere einer Sensorik 20 welche für andere Messaufgaben innerhalb der Batterie 7 sowieso vorhanden ist.Other sensors can also take the place of the temperature sensors, for example sensors for measuring the insulation resistance, a pressure or a pressure gradient, in order in this way to record the dynamics of the pressure. It is also possible to measure cell voltages, both on the battery module 5 and on the individual battery cells 6. In device 12, device 13 is advantageously combined with only one type of sensor system 20, in particular a sensor system 20 which is present in battery 7 anyway for other measurement tasks.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102015204376 A1 [0005]
DE 102014226999 A1 [0005]

Claims

Device (12) for detecting critical situations in individual battery cells (6) of a cell module (5), characterized by a device (13) for detecting high-frequency interference pulses caused by arcs.

Device (12) after claim 1 characterized by a sensor system (20) for detecting at least one physical measured variable of the cell module (5).

Device (12) after claim 2 , characterized in that the physical measured variable comprises at least one of the following variables: - temperature, - pressure or pressure gradient, - insulation resistance, - current and/or - the voltage of the cell module or the voltage of battery cells (6) of the cell module (5)

Device (12) after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the device (13) for detection has at least one bandpass filter (15).

Device (12) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the device (13) is connected to an existing measuring device (8, 11) or is integrated into it.

Device (12) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the device (13) is connected to both poles of the cell module (5).

Device (12) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the device (13) is connected to only one pole of the cell module (5).

Method for detecting critical states in individual battery cells (6) of a cell module (5) with a device (12) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that a measurement signal in the device (13) for detection is filtered (15) and integrated (16), with an alarm signal (19) being generated from a predetermined threshold value (17).

procedure after claim 8 , With a device (12) according to one of claims 2 until 7 , characterized in that the sensors (20) detect a measured variable, in the event that this is above a predetermined threshold value (23), a further alarm signal (25) is generated, after which an AND operation (26) with the Alarm signal (19) of the device (13) for detection to generate an error message (27) takes place.

procedure after claim 9 , characterized in that measured variables of several sensors of the same type can be filtered and/or combined as the measured variable.