DE102020105441A1

DE102020105441A1 - Method for monitoring a battery by means of a sensor device, a battery with a sensor device and a motor vehicle with a battery

Info

Publication number: DE102020105441A1
Application number: DE102020105441.6A
Authority: DE
Inventors: David Günther; Steve Lehnert; Thomas Riedmann; Lennart Beushausen
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie (12) mittels einer Sensorvorrichtung (16), wobei die Sensorvorrichtung (16) zumindest ein Sensorelement (18) und eine Auswerteeinheit (20) aufweist, wobei das zumindest eine Sensorelement (18) eine elektrisch leitfähige Leiterbahn (22) aufweist, die elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle (24) verbunden ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen der Leiterbahn (22) in einem Überwachungsbereich der Batterie (12), ein Anlegen einer Betriebsspannung an die Leiterbahn (22), ein Erfassen eines Verlaufs einer sich entlang der Leiterbahn (22) einstellenden Messspannung, ein Ermitteln eines Spannungsabfalls der Messspannung auf eine Leerlaufspannung und ein Ermitteln einer Unterbrechung der Leiterbahn (22) anhand des ermittelten Spannungsabfalls. Es erfolgt ein Zuordnen eines Fehlerszenarios zu dem ermittelten Spannungsabfall und ein Auslösen einer dem Fehlerszenario zugeordneten Schutzroutine für die Batterie (12).The invention relates to a method for monitoring a battery (12) by means of a sensor device (16), the sensor device (16) having at least one sensor element (18) and an evaluation unit (20), the at least one sensor element (18) being an electrically conductive one Has conductor track (22) which is electrically conductively connected to a voltage source (24). The method comprises arranging the conductor track (22) in a monitoring area of the battery (12), applying an operating voltage to the conductor track (22), detecting a course of a measurement voltage occurring along the conductor track (22), and determining a voltage drop of the Measurement voltage to an open circuit voltage and determining an interruption in the conductor track (22) on the basis of the voltage drop determined. A fault scenario is assigned to the determined voltage drop and a protection routine assigned to the fault scenario is triggered for the battery (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie mittels einer Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung zumindest ein Sensorelement und eine Auswerteeinheit aufweist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Batterie mit einer Sensorvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.The invention relates to a method for monitoring a battery by means of a sensor device, the sensor device having at least one sensor element and an evaluation unit. The invention also relates to a battery with a sensor device and a motor vehicle with such a battery.

Eine Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine sogenannte Hochvolt-Batterie, welche dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung in einem Bereich höher als 60 Volt, insbesondere höher als 100 Volt bereitzustellen. Eine derartige Batterie findet bevorzugt Anwendung als elektrischer Energiespeicher zum Bereitstellen einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (PHEV - Plug-in Hybrid oder BEV - batteriebetriebenes elektrisches Fahrzeug). Die genannte elektrische Spannung wird in der Regel dadurch bereitgestellt, dass eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen der Batterie elektrisch miteinander zu Batteriemodulen verschaltet ist. Als eine solche Batteriezelle wird in der Regel eine Lithium-Ionen-Zelle verwendet, dem Fachmann sind darüber hinaus jedoch auch andere Batteriezellentypen bekannt. Die bekanntermaßen hohe Leistungsdichte einer solchen Batteriezelle von bis zu mehreren tausend Watt pro Kilogramm (W/kg) sowie der bevorzugte Einsatz im Kraftfahrzeugbereich erfordern es, dass ein jeweiliger Zustand der Batteriezelle und/oder der gesamten Batterie zuverlässig überwacht werden kann. Hierzu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Überwachungskonzepte bekannt.A battery in the sense of the present invention is in particular a so-called high-voltage battery, which is designed to provide an electrical voltage in a range higher than 60 volts, in particular higher than 100 volts. Such a battery is preferably used as an electrical energy store for providing electrical drive energy for an at least partially electrically driven motor vehicle (PHEV - plug-in hybrid or BEV - battery-operated electric vehicle). Said electrical voltage is generally provided in that a large number of individual battery cells of the battery are electrically interconnected to form battery modules. A lithium-ion cell is generally used as such a battery cell, but other types of battery cells are also known to the person skilled in the art. The known high power density of such a battery cell of up to several thousand watts per kilogram (W / kg) as well as the preferred use in the motor vehicle sector require that a respective state of the battery cell and / or the entire battery can be reliably monitored. For this purpose, various monitoring concepts are known from the prior art.

In diesem Zusammenhang beschreibt die CN 204008826 U ein Überwachungssystem zum Überwachen einer Batteriesicherheit in einem Fahrzeug. Auch die CN 109263491 A beschreibt ein Alarmsystem für ein elektrisches Fahrzeug. Ebenso beschreibt die KR 19990052352 A ein System zum Erkennen eines Versagens einer Batterie eines hybridelektrischen Fahrzeugs.In this context, describes the CN 204008826 U a monitoring system for monitoring battery safety in a vehicle. Also the CN 109263491 A describes an alarm system for an electric vehicle. Likewise describes the KR 19990052352 A a system for detecting a failure of a battery of a hybrid electric vehicle.

Bekannte Lösungen zur Batterieüberwachung sehen in der Regel eine Vielzahl an Sensoren zum Detektieren vieler möglicher Fehlerszenarien vor. Hierzu gehören beispielsweise ein Gassensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor und/oder allgemein optische Sensoren. Die Vielzahl an Sensoren ermöglicht zwar ein detailliertes Überwachen einer jeweiligen Batterie, birgt jedoch auch ein erhöhtes Wartungsrisiko und erfordert zudem eine aufwendige Weiterverarbeitung und Harmonisierung der unterschiedlichen erfassten Sensordaten.Known solutions for battery monitoring usually provide a large number of sensors for detecting many possible error scenarios. These include, for example, a gas sensor and / or a pressure sensor and / or a temperature sensor and / or generally optical sensors. Although the large number of sensors enables detailed monitoring of a particular battery, it also entails an increased maintenance risk and also requires complex further processing and harmonization of the different recorded sensor data.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und einfach zu implementierendes Überwachungssystem zur Detektion einer schadhaften Batterie der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing a cost-effective and easy-to-implement monitoring system for detecting a defective battery of the type described at the outset.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Schadensfall, insbesondere ein Entgasen, einer Batteriezelle zu einer Deformation (als eine Art Stellvertretersignal) der Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls und/oder der gesamten Batterie führen kann. Demnach ist eine Überwachung einer Geometrie oder einer äußeren Form oder eines Volumens der genannten Bauteile (Batteriezelle, Batteriemodul, Batterie als Ganzes) vorteilhaft dazu geeignet, einen solchen Schadensfall frühzeitig zu erkennen.The invention is based on the knowledge that a case of damage, in particular degassing, of a battery cell can lead to a deformation (as a kind of representative signal) of the battery cell and / or a battery module and / or the entire battery. Accordingly, monitoring a geometry or an external shape or a volume of the components mentioned (battery cell, battery module, battery as a whole) is advantageously suitable for detecting such a case of damage at an early stage.

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie mittels einer Sensorvorrichtung bereitgestellt. Die Sensorvorrichtung weist zumindest ein Sensorelement und eine Auswerteeinheit auf, wobei das zumindest eine Sensorelement eine elektrisch leitfähige Leiterbahn aufweist, die elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Als Spannungsquelle kommt beispielsweise die zu überwachende Batterie selbst in Frage oder auch eine externe Spannungsquelle. Die elektrische Leiterbahn kann beispielsweise als ein elektrisch leitfähiger Draht ausgebildet sein.The invention provides a method for monitoring a battery by means of a sensor device. The sensor device has at least one sensor element and an evaluation unit, the at least one sensor element having an electrically conductive conductor track which is connected to a voltage source in an electrically conductive manner. For example, the battery to be monitored itself or an external voltage source can be used as the voltage source. The electrical conductor track can for example be designed as an electrically conductive wire.

Im Zuge des bereitgestellten Verfahrens wird die Leiterbahn in einem Überwachungsbereich der Batterie angeordnet. Der Überwachungsbereich befindet sich beispielsweise entlang eines Batteriegehäuses des Batterie und/oder entlang eines Batteriezellengehäuses einer jeweiligen Batteriezelle. Bevorzugt befindet sich der Überwachungsbereich entlang einer vorbestimmten Sollbruchstelle, wie weiter unten ausführlicher beschrieben.In the course of the provided method, the conductor track is arranged in a monitoring area of the battery. The monitoring area is located, for example, along a battery housing of the battery and / or along a battery cell housing of a respective battery cell. The monitoring area is preferably located along a predetermined predetermined breaking point, as described in more detail below.

Das Anlegen einer Betriebsspannung, welche durch die Spannungsquelle bereitgestellt wird, an die Leiterbahn führt zu einer sich entlang der Leiterbahn einstellenden Messspannung, deren Verlauf erfasst wird. Die Erfassung des Verlaufs kann beispielsweise durch die Auswerteeinheit erfolgen, die in diesem Fall bevorzugt als ein Spannungsmessgerät realisiert ist. Die Erfassung des Verlaufs ermöglicht es, einen Spannungsabfall der Messspannung auf eine Leerlaufspannung zu ermitteln.The application of an operating voltage, which is provided by the voltage source, to the conductor track leads to a measurement voltage that is established along the conductor track and the course of which is recorded. The course can be recorded, for example, by the evaluation unit, which in this case is preferably implemented as a voltage measuring device. The acquisition of the curve makes it possible to determine a voltage drop of the measuring voltage to an open circuit voltage.

Anhand des ermittelten Spannungsabfalls wird eine Unterbrechung der Leiterbahn ermittelt oder diagnostiziert. Mit anderen Worten liegt die Leerlaufspannung vor, wenn die Leiterbahn unterbrochen wird oder reißt (open circuit).An interruption in the conductor track is determined or diagnosed on the basis of the voltage drop determined. In other words, it lies Open circuit voltage occurs when the conductor track is interrupted or tears (open circuit).

Gemäß dem bereitgestellten Verfahren wird dem ermittelten Spannungsabfall ein Fehlerszenario zugeordnet und eine entsprechende, dem Fehlerszenario zugeordnete Schutzroutine für die Batterie ausgelöst.According to the method provided, an error scenario is assigned to the determined voltage drop and a corresponding protection routine assigned to the error scenario is triggered for the battery.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass je nach Wahl des Überwachungsbereichs eine frühzeitige Erkennung oder Ermittlung eines Schadensfalls innerhalb der Batterie und/oder einer Batteriezelle der Batterie durchgeführt werden kann. Insbesondere ist hierzu keine aufwändige Weiterverarbeitung unterschiedlicher Sensordaten nötig. Das beschriebene Sensorelement mit der elektrisch leitfähigen Leiterbahn kann zudem in der Form sehr flexibel gewählt werden. Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren universell anwendbar.The invention has the advantage that, depending on the selection of the monitoring area, an early detection or determination of a case of damage within the battery and / or a battery cell of the battery can be carried out. In particular, no complex further processing of different sensor data is necessary for this. The described sensor element with the electrically conductive conductor track can also be selected to be very flexible in shape. In this respect, the method according to the invention can be used universally.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, als elektrisch leitfähige Leiterbahn eine Leiterbahn mit einem feuchteabhängigen elektrischen Widerstand zu wählen. Hierdurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass mittels des beschriebenen Verfahrens auch eine Änderung einer Umgebungsfeuchte in dem Überwachungsbereich erfasst werden kann.In addition, there is the option of choosing a conductor path with a moisture-dependent electrical resistance as the electrically conductive conductor path. This results in the additional advantage that a change in ambient humidity in the monitoring area can also be detected by means of the method described.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Schutzroutine eine das Fehlerszenario beschreibende Fehlermeldung an eine Ausgabevorrichtung übermittelt, wobei die Ausgabevorrichtung eine der Fehlermeldung zugeordnete optische und/oder akustische Meldung ausgibt. Handelt es sich, wie oben beschrieben, bei der Batterie um einen elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, so kann als Ausgabevorrichtung bevorzugt ein Display oder ein Kombidisplay in einer Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein.According to a preferred embodiment, an error message describing the error scenario is transmitted to an output device as a protective routine, the output device outputting an optical and / or acoustic message assigned to the error message. If, as described above, the battery is an electrical energy store for providing electrical drive energy for an at least partially electrically driven motor vehicle, a display or a combination display can preferably be provided in a center console of the motor vehicle as the output device.

Als Schutzroutine kann alternativ oder zusätzlich eine elektrische Leistung der Batterie reduziert werden. Es kann alternativ oder zusätzlich ein elektrisches Nachladen und/oder Rekuperieren und/oder Boosten der Batterie unterbunden werden. Auch kann als Schutzroutine eine aktive Reduzierung eines elektrischen Ladezustands (SoC - State of Charge) der Batterie auf einen vorbestimmten Mindestzustand erfolgen. Dies kann beispielsweise durch ein gezieltes Entladen, beispielsweise mittels eines Kurzschlusses, einzelner Batteriezellen oder der Batterie erfolgen. Auch kann ein Nutzer des Kraftfahrzeugs auf ein möglichst schnelles Aussteigen aus dem oder Verlassen des Kraftfahrzeugs hingewiesen werden.As a protection routine, the electrical power of the battery can alternatively or additionally be reduced. Alternatively or additionally, electrical recharging and / or recuperation and / or boosting of the battery can be prevented. An active reduction of an electrical state of charge (SoC) of the battery to a predetermined minimum state can also take place as a protective routine. This can be done, for example, by targeted discharging, for example by means of a short circuit, individual battery cells or the battery. A user of the motor vehicle can also be advised to get out of or leave the motor vehicle as quickly as possible.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Batterie mit einer Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung zumindest ein Sensorelement und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei das zumindest eine Sensorelement eine elektrisch leitfähige Leiterbahn aufweist, die elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle verbunden ist.The invention also relates to a battery with a sensor device, the sensor device having at least one sensor element and an evaluation unit, the at least one sensor element having an electrically conductive strip conductor which is connected to a voltage source in an electrically conductive manner.

Erfindungsgemäß ist die Leiterbahn innerhalb eines vorbestimmten Überwachungsbereichs der Batterie angeordnet. Wie oben beschrieben, kann der Überwachungsbereich beispielsweise entlang eines Batteriegehäuses der Batterie und/oder entlang eines Batteriezellengehäuses einer jeweiligen Batteriezelle gewählt sein. Bevorzugt ist der Überwachungsbereich derart gewählt, dass ein neuralgischer Punkt oder ein neuralgischer Bereich der Batterie in dem Überwachungsbereich umfasst ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Fügeabschnitte und/oder Schweißabschnitte entlang eines jeweiligen Gehäuses handeln, innerhalb derer Gehäusebauteile miteinander verbunden sind.According to the invention, the conductor track is arranged within a predetermined monitoring area of the battery. As described above, the monitoring area can be selected, for example, along a battery housing of the battery and / or along a battery cell housing of a respective battery cell. The monitoring area is preferably selected in such a way that a neuralgic point or a neuralgic area of the battery is included in the monitoring area. This can be, for example, joining sections and / or welding sections along a respective housing, within which housing components are connected to one another.

Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, einen Verlauf einer sich an der Leiterbahn einstellenden Messspannung zu erfassen, aus dem Verlauf einen Spannungsabfall der Messspannung auf eine Leerlaufspannung zu ermitteln, anhand des ermittelten Spannungsabfalls eine Unterbrechung der Leiterbahn zu ermitteln, dem ermittelten Spannungsabfall ein Fehlerszenario zuzuordnen und eine dem Fehlerszenario zugeordnete Schutzroutine für die Batterie auszulösen. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ein elektrisches Spannungsmessgerät mit einer Sende-Empfangseinheit ausgestaltet sein.According to the invention, the evaluation unit is designed to detect a course of a measuring voltage that is established on the conductor track, to determine a voltage drop of the measuring voltage to an open circuit voltage from the course, to determine an interruption in the conductor track on the basis of the determined voltage drop, to assign an error scenario to the determined voltage drop and trigger a protection routine for the battery assigned to the fault scenario. The evaluation unit can be designed, for example, as an electrical voltage measuring device with a transceiver unit.

Für den Fall, dass die Batterie als ein Energiespeicher zum Bereitstellen einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eingesetzt ist, kann die Auswerteeinheit bevorzugt in einer Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs umfasst sein. Die Steuervorrichtung weist bevorzugt eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.In the event that the battery is used as an energy store for providing electrical drive energy for an at least partially electrically driven motor vehicle, the evaluation unit can preferably be included in a control device of the motor vehicle. The control device preferably has a processor device which is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and / or at least one microcontroller and / or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and / or at least one DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, the processor device can have program code which is set up to carry out the embodiment of the method according to the invention when it is executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory of the processor device.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das zumindest eine Sensorelement eine Trägerschicht auf, wobei die Leiterbahn entlang der Trägerschicht gemäß einer vorbestimmten Leiterbahngeometrie angeordnet ist. Bevorzugt kann die Trägerschicht eine materialbedingte vorbestimmte elektrische Permittivität aufweisen. Als Trägerschicht kommt beispielsweise ein Kunststoff oder ein Keramikverbundstoff in Frage. Die vorbestimmte Leiterbahngeometrie kann in vorteilhafter Weise an einen jeweiligen Überwachungsbereich in der Form angepasst sein. Das zumindest eine Sensorelement überdeckt gemäß der hier beschriebenen Weiterbildung als ein Band oder als ein im Wesentlichen kreisförmiger Körper den Überwachungsbereich innerhalb eines durch einen Außenumriss des Bandes oder des im Wesentlichen kreisförmigen Körpers bestimmten Überdeckungsbereichs. Mit anderen Worten kann nicht nur ein linearer Überwachungsbereich, beispielsweise eine Schweißnaht, vorgesehen sein, sondern auch ein sich zweidimensional in zumindest zwei Richtungen erstreckender Überwachungsbereich. Das zumindest eine Sensorelement ist innerhalb des Überdeckungsbereichs zumindest abschnittsweise mit dem Überwachungsbereich verbunden und dazu ausgelegt, durch eine Deformation des Überwachungsbereichs unter Unterbrechung der Leiterbahn verformt zu werden. Die Verbindung kann beispielsweise eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung sein. Bevorzugt ist die Trägerschicht des Sensorelements hierzu selbsthaftend ausgestaltet. Hierdurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass das Sensorelement besonders einfach innerhalb des jeweiligen Überwachungsbereichs befestigt oder angeordnet werden kann. Mit anderen Worten kann das Sensorelement als ein selbsthaftender oder selbstklebender Streifen ausgestaltet sein, welcher die Trägerschicht und die Leiterbahn umfasst.According to an advantageous development, the at least one sensor element has a carrier layer, the conductor track being arranged along the carrier layer according to a predetermined conductor track geometry. The carrier layer can preferably have a material-related, predetermined electrical permittivity. A plastic or a ceramic composite material, for example, can be used as the carrier layer. The predetermined conductor track geometry can advantageously be adapted in shape to a respective monitoring area. According to the development described here, the at least one sensor element covers the monitoring area as a band or as a substantially circular body within a coverage area determined by an outer contour of the band or the substantially circular body. In other words, not only a linear monitoring area, for example a weld seam, can be provided, but also a monitoring area extending two-dimensionally in at least two directions. The at least one sensor element is connected at least in sections to the monitoring area within the coverage area and is designed to be deformed by deformation of the monitoring area with an interruption of the conductor track. The connection can be, for example, a soldered connection or an adhesive connection. For this purpose, the carrier layer of the sensor element is preferably designed to be self-adhesive. This results in the additional advantage that the sensor element can be attached or arranged particularly easily within the respective monitoring area. In other words, the sensor element can be designed as a self-adhesive or self-adhesive strip which comprises the carrier layer and the conductor track.

Bevorzugt weist die vorbestimmte Leiterbahngeometrie einen mäandernden Verlauf auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine vorbestimmte Dehnungstoleranz der Leiterbahn realisiert sein. Mit anderen Worten reißt die Leiterbahn bei einer Ausdehnung oder Deformation des Überwachungsbereichs nicht unmittelbar, sondern erst dann, wenn die anhand der mäandernden Leiterbahngeometrie festgelegte Dehnungstoleranz ausgereizt ist.The predetermined conductor track geometry preferably has a meandering course. In this way, a predetermined expansion tolerance of the conductor track can be implemented in an advantageous manner. In other words, when the monitored area is expanded or deformed, the conductor track does not tear immediately, but rather only when the expansion tolerance determined on the basis of the meandering conductor track geometry is exhausted.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist innerhalb des Überdeckungsbereichs eine vorbestimmte Sollbruchstelle angeordnet, wobei die Unterbrechung der Leiterbahn bei einem Durchbruch der Sollbruchstelle erfolgt. Mit anderen Worten ist das zumindest eine Sensorelement derart in Bezug auf die Sollbruchstelle angeordnet, dass ein Durchbruch der Sollbruchstelle zu einer Unterbrechung der Leiterbahn führt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Sollbruchstelle zuverlässig überwacht ist.According to an advantageous further development, a predetermined predetermined breaking point is arranged within the overlap area, the interruption of the conductor track taking place when the predetermined breaking point breaks. In other words, the at least one sensor element is arranged in relation to the predetermined breaking point in such a way that a breakthrough of the predetermined breaking point leads to an interruption of the conductor track. This has the advantage that the predetermined breaking point is reliably monitored.

Bevorzugt ist der Überwachungsbereich derart gewählt, dass er einen Innenraum eines Kühlmittelverteilerkörpers der Batterie umfasst. Es kann also auch eine Sollbruchstelle innerhalb eines Innenraums eines Kühlmittelverteilerkörpers vorgesehen sein, entlang derer das zumindest eine Sensorelement angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein in Folge eines Durchbruchs der Sollbruchstelle erfolgender Kühlmittelaustritt frühzeitig detektiert werden kann.The monitoring area is preferably selected in such a way that it encompasses an interior space of a coolant distributor body of the battery. A predetermined breaking point can therefore also be provided within an interior space of a coolant distributor body, along which the at least one sensor element is arranged. This has the advantage that a coolant leak that occurs as a result of a breakthrough in the predetermined breaking point can be detected at an early stage.

Wie weiter oben beschrieben, umfasst der Überwachungsbereich bevorzugt eine Außenoberfläche eines Batteriemoduls der Batterie und/oder eines Batteriegehäuses der Batterie.As described further above, the monitoring area preferably comprises an outer surface of a battery module of the battery and / or of a battery housing of the battery.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das zumindest eine Sensorelement als ein kapazitiver Sensor, insbesondere als ein Vielschichtkondensator, ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass je nach Permittivität des oben erwähnten Trägermaterials zusätzlich zu dem hier beschriebenen Spannungsabfall ebenso eine Veränderung einer elektrischen Leitfähigkeit des zumindest einen Sensorelements detektiert werden kann. Hierdurch kann die Sensorvorrichtung zusätzlich zu einer Überwachung einer Umgebungsfeuchte innerhalb des Überwachungsbereichs genutzt werden.According to an advantageous development, the at least one sensor element is designed as a capacitive sensor, in particular as a multilayer capacitor. This results in the advantage that, depending on the permittivity of the above-mentioned carrier material, in addition to the voltage drop described here, a change in the electrical conductivity of the at least one sensor element can also be detected. As a result, the sensor device can also be used to monitor ambient humidity within the monitoring area.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the battery according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention and vice versa. For this reason, the corresponding developments of the battery according to the invention and / or the method according to the invention are not described again here.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und einer Ausgabevorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The invention also relates to a motor vehicle with a battery and an output device. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the motor vehicle according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention and / or the battery according to the invention and vice versa. For this reason, the corresponding developments of the motor vehicle according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie und einer Ausgabevorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einer Sensorvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Sensorvorrichtung in einem Kühlmittelverteilerkörper;
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Sensorvorrichtung an einer Batterie; und
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Überwachen einer Batterie.

Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:

1 a schematic representation of a motor vehicle with a battery and an output device;
2 a schematic representation of a battery with a sensor device;
3 a schematic representation of an arrangement of a sensor device in a coolant distributor body;
4th a schematic representation of an arrangement of a sensor device on a battery; and
5 a schematic representation of a method for monitoring a battery.

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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Batterie 12 und einer Ausgabevorrichtung 14. Die Batterie 12 kann eine Sensorvorrichtung 16 mit zumindest einem Sensorelement 18 sowie einer Auswerteeinheit 20 umfassen. Das Kraftfahrzeug 10 kann bevorzugt als ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgestaltet sein. Als ein teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Plug-in Hybrid oder ein batteriebetriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen sein. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle 10 with a battery 12th and an output device 14th . The battery 12th can be a sensor device 16 with at least one sensor element 18th as well as an evaluation unit 20th include. The car 10 can preferably be configured as an at least partially electrically driven motor vehicle. A plug-in hybrid or a battery-operated motor vehicle, for example, can be provided as a partially electrically driven motor vehicle.

2 zeigt unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit 1 bezeichneten und beschriebenen Komponenten eine schematische Detaildarstellung einer Batterie 12 mit einem Sensorelement 18. 2 zeigt schematisch, wie eine elektrisch leitfähige Leiterbahn 22 des Sensorelements 18 elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle 24 verbunden ist. Das in 2 gezeigte Sensorelement 18 weist zusätzlich eine Trägerschicht 26 auf, welche beispielsweise eine materialbedingte vorbestimmte elektrische Permittivität aufweist. Die Leiterbahn 22 ist in der 2 in der Form von zwei Elektrodenkämmen an der Trägerschicht 26 angeordnet. 2 shows with reference to those in connection with 1 designated and described components a schematic detailed representation of a battery 12th with a sensor element 18th . 2 shows schematically how an electrically conductive conductor track 22nd of the sensor element 18th electrically conductive with a voltage source 24 connected is. This in 2 sensor element shown 18th additionally has a carrier layer 26th which has, for example, a material-related predetermined electrical permittivity. The conductor track 22nd is in the 2 in the form of two electrode combs on the carrier layer 26th arranged.

Unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit den 1 und 2 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt 3 eine schematische Detailansicht eines Kühlmittelverteilerkörpers 28 für eine Batterie 12. In der 3 ist ein Innenraum 30 des Kühlmittelverteilerkörpers 28 gezeigt, wobei in dem Innenraum 30 ein Sensorelement 18 angeordnet ist. Das Sensorelement 18 der 3 weist eine zweitgeteilte Trägerschicht 26 auf, wobei die Trägerschicht 26 als zwei im Wesentlichen kreisförmige Körper oder Scheiben ausgestaltet ist. Die beiden im Wesentlichen kreisförmigen Körper überdecken dabei zwei Sollbruchstellen 32 des Kühlmittelverteilerkörpers 28. Die elektrische Leiterbahn 22 ist quer über die Scheiben gelegt. Rechts neben dem rechten der beiden kreisförmigen Körper ist eine zur besseren Erkennbarkeit nicht überdeckte Sollbruchstelle 32 dargestellt. Kommt es beispielsweise in Folge eines Druckanstiegs eines nicht gezeigten Kühlmittels zu einem Durchbrechen einer der Sollbruchstellen 32, so kann die Leiterbahn 22 unterbrochen und somit ein Fehlerszenario ermittelt werden.With reference to those relating to the 1 and 2 designated and described components shows 3 a schematic detailed view of a coolant distributor body 28 for one battery 12th . In the 3 is an interior 30th of the coolant distributor body 28 shown being in the interior 30th a sensor element 18th is arranged. The sensor element 18th the 3 has a two-part carrier layer 26th on, the backing layer 26th is designed as two substantially circular bodies or disks. The two essentially circular bodies cover two predetermined breaking points 32 of the coolant distributor body 28 . The electrical conductor path 22nd is placed across the panes. To the right of the right of the two circular bodies is a predetermined breaking point that is not covered for better visibility 32 shown. If, for example, one of the predetermined breaking points ruptures as a result of a pressure increase in a coolant (not shown) 32 so can the conductor track 22nd interrupted and thus an error scenario can be determined.

Unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit den 1 bis 3 Gesagte, zeigt 4 eine schematische Darstellung einer Außenansicht eines Batteriegehäuses 34, wobei ein Sensorelement 18 in Form eines Bandes über eine Kante des Batteriegehäuses 34 gelegt ist. Kommt es nun beispielsweise zu einem schadensfallbedingten Anschwellen der Batteriezellen innerhalb des Batteriegehäuses 34, so kommt es in Abhängigkeit von einer Leiterbahngeometrie (hier beispielhaft mäandernd) zu einem Durchreißen oder Durchbrechen der Leiterbahn 22 und dem damit verbundenen Spannungsabfall. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Anschwellen der Batteriezellen indirekt über ein Aufwölben oder Anschwellen des Batteriegehäuses 34 detektiert werden.With reference to those relating to the 1 until 3 Said shows 4th a schematic representation of an external view of a battery housing 34 , wherein a sensor element 18th in the form of a tape over one edge of the battery case 34 is laid. If, for example, the battery cells inside the battery housing swell due to damage 34 , depending on a conductor track geometry (here meandering as an example), the conductor track tears through or breaks through 22nd and the associated voltage drop. Thus, in an advantageous manner, the battery cells can swell indirectly via bulging or swelling of the battery housing 34 can be detected.

Unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit den 1 bis 4 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens Überwachen einer Batterie 12 mittels einer Sensorvorrichtung 16. In einem Verfahrensschritt S1 wird eine Leiterbahn 22 der Sensorvorrichtung 16 in einem Überwachungsbereich der Batterie 12 angeordnet. Zudem wird eine Betriebsspannung an die Leiterbahn 22 angelegt. In einem Verfahrensschritt S2 wird ein Verlauf einer sich entlang der Leiterbahn 22 einstellenden Messspannung erfasst. In einem Verfahrensschritt S3 wird ein Spannungsabfall der Messspannung auf eine Leerlaufspannung ermittelt und anhand des ermittelten Spannungsabfalls eine Unterbrechung der Leiterbahn 22 ermittelt. In einem Verfahrensschritt S4 wird dem ermittelten Spannungsabfall ein Fehlerszenario zugeordnet. In einem Verfahrensschritt S5 wird schließlich eine dem Fehlerszenario zugeordnete Schutzroutine für die Batterie 12 ausgelöst.With reference to those relating to the 1 until 4th designated and described components shows 5 a schematic representation of a method of monitoring a battery 12th by means of a sensor device 16 . In one process step S1 becomes a conductor track 22nd the sensor device 16 in a monitored area of the battery 12th arranged. In addition, an operating voltage is applied to the conductor track 22nd created. In one process step S2 becomes a course of a itself along the conductor track 22nd setting measuring voltage recorded. In one process step S3 a voltage drop of the measurement voltage to an open circuit voltage is determined and, based on the determined voltage drop, an interruption in the conductor path 22nd determined. In one process step S4 an error scenario is assigned to the voltage drop determined. In one process step S5 Finally, a protection routine for the battery is assigned to the fault scenario 12th triggered.

Bei der Verwendung von HV-Batteriesystemen kann es zu Fehlfunktionen kommen. Durch die zusätzliche Sensorik kann eine frühzeitige Detektion durchgeführt werden und eine interne Fahrzeugwarnung ausgegeben werden. Die Detektion kann neben der Fahrzeugwarnung auch zur Detektion von Feuchtigkeit in der HV-Batterie dienen. Feuchtigkeit kann je nach verwendetem Konzept zu Fehldetektionen z.B. aufgrund von Abscheidung der Luftfeuchte führen, welche unter gegebenen Umständen keine Indikation zur Ausgabe einer Fahrzeugwarnung darstellen muss („Fehlalarm“).The use of HV battery systems can lead to malfunctions. The additional sensors enable early detection and an internal vehicle warning to be issued. In addition to warning the vehicle, the detection can also be used to detect moisture in the HV battery. Depending on the concept used, moisture can lead to false detections, for example due to the separation of air humidity, which under certain circumstances does not have to be an indication of the issue of a vehicle warning ("false alarm").

Die neue Idee ist es, mittels eines im Grunde genommen aus einer Leiterschleife bestehenden Bauteils / Sensors eine neue Möglichkeit der Detektierung einer Fehlfunktion zu schaffen. Dieser Sensor kann dabei nicht nur ein Entgasen und damit verbundenes Anschwellen der Batterie (Erkennung open circuit), sondern auch Feuchtigkeit durch eine Änderung des elektrischen Widerstands erkennen. Auf Basis der Fehlerdetektion sollen folgende Mechanismen im Fahrzeug zur Gefahren- und Risikominimierung in Kraft gesetzt werden. Bei einer Änderung der Feuchtigkeit, insbesondere bei einer starken Änderung und damit ggf. verbundener Leckage soll eine Abschaltung der Pumpen im Kühlkreislauf zur Reduzierung der potentiell eindringenden Kühlmittelmenge in die HV-Batterie durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich soll eine Verringerung des Volumenstromes durchgeführt werden und damit eine Zeit bis zum Eintreten eines kritischen Ereignisses erhöht werden. Zudem kann eine Warnung eines Fahrzeuginsassen vor der detektierten Feuchtigkeit erfolgen. Die Batterieleistung kann reduziert werden, so dass ein Fahrbetrieb nur noch eingeschränkt möglich ist. Allerdings kann ein elektrisches Nachladen/ Rekuperieren/ Boosten verhindert werden. Auch kann eine aktive Reduzierung des Ladezustandes der HV-Batterie auf einen Mindest-SoC (State of Charge) erfolgen.The new idea is to create a new way of detecting a malfunction by means of a component / sensor that basically consists of a conductor loop. This sensor can not only detect degassing and the associated swelling of the battery (open circuit detection), but also moisture due to a change in the electrical resistance. On the basis of the error detection, the following mechanisms are to be put into effect in the vehicle to minimize hazards and risks. In the event of a change in humidity, in particular in the event of a strong change and possibly associated leakage, the pumps in the cooling circuit should be switched off in order to reduce the amount of coolant that could potentially penetrate the HV battery. As an alternative or in addition, a reduction in the volume flow should be carried out and thus a time until a critical event occurs should be increased. In addition, a vehicle occupant can be warned of the detected moisture. The battery power can be reduced so that driving is only possible to a limited extent. However, electrical recharging / recuperation / boosting can be prevented. The state of charge of the HV battery can also be actively reduced to a minimum SoC (State of Charge).

Durch die frühzeitige Fehlerdetektion wird einem möglichen abrupten Liegenbleiber, beispielsweise aufgrund eines Ausfalls der HV-Batterie, vorgebeugt, so dass Schutzmaßnahmen ergriffen werden können.The early detection of errors prevents a possible sudden breakdown, for example due to a failure of the HV battery, so that protective measures can be taken.

Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um eine Leiterbahn mit definiertem elektrischem Widerstand. Bei Anlegen einer Spannung tritt ein Spannungsabfall auf. Dieser wird detektiert und ändert sich je nach der Umgebungsfeuchte. Wenn der Sensor beispielsweise durch einen sehr hohen Druckanstieg reißt, liegt Leerlaufspannung (open circuit) an. Wenn dies vorliegt, entspricht dies einem Signalverlust und je nach umgesetztem Warnkonzept können bestimmte Fahrzeugreaktionen ausgelöst werden. Ein Insasse wird beispielsweise über eine Kombianzeige und/oder einen Warnton informiert.The sensor element is preferably a conductor track with a defined electrical resistance. A voltage drop occurs when a voltage is applied. This is detected and changes depending on the ambient humidity. If, for example, the sensor ruptures due to a very high rise in pressure, there is open circuit voltage. If this is the case, this corresponds to a loss of signal and, depending on the implemented warning concept, certain vehicle reactions can be triggered. An occupant is informed, for example, via a combination display and / or a warning tone.

Der grundlegende Vorteil des Systems liegt darin begründet, dass die Detektion verschiedener Fehlerszenarien einfach und mit geringem Integrationsaufwand erfolgen kann.The basic advantage of the system is that the detection of different error scenarios can be done easily and with little integration effort.

Wenn der Sensor einen Fehler detektiert, wird zwischen zwei verschiedenen Fehlerfällen unterschieden. Wenn als Fehlerdetektion ein veränderter Widerstand detektiert wird, findet je nach Situation eine Entscheidung zwischen einer „Safety Stop Vehicle“ und einer „Drive to Garage“ Anzeige statt. Eine mögliche Fehlermeldung für die „Safety Stop Vehicle“ Warnung kann hierbei beispielsweise durch eine Leckage am Kühlmittelsystem hervorrufen werden. Wenn die Möglichkeit besteht das es sich bei der Detektion um eine Abscheidung der Luftfeuchte handelt, könnte beispielweise „Drive to Garage“, entsprechend einer Warnung durch die Motorkontrollleuchte, angezeigt werden. Hierbei sollte der Passagier nach Möglichkeit die nächste Werkstatt anfahren.If the sensor detects an error, a distinction is made between two different error cases. If a changed resistance is detected as an error detection, a decision is made between a “Safety Stop Vehicle” and a “Drive to Garage” display, depending on the situation. A possible error message for the “Safety Stop Vehicle” warning can, for example, be caused by a leak in the coolant system. If there is a possibility that the detection involves a separation of the air humidity, for example “Drive to Garage”, corresponding to a warning by the engine control lamp, could be displayed. If possible, the passenger should drive to the nearest workshop.

Das vorgestellte Detektions- und Sicherheitskonzept stellt eine mögliche, robuste und kurzfristig zu integrierende Maßnahme dar.The detection and security concept presented represents a possible, robust and short-term measure to be integrated.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Früherkennung von Schadensfällen bei Hochvolt-Batteriesystemen für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide early detection of cases of damage in high-voltage battery systems for at least partially electrically driven motor vehicles.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

CN 204008826 U [0003]
CN 109263491 A [0003]
KR 19990052352 A [0003]

Claims

A method for monitoring a battery (12) by means of a sensor device (16), the sensor device (16) having at least one sensor element (18) and an evaluation unit (20), the at least one sensor element (18) having an electrically conductive conductor track (22) which is electrically conductively connected to a voltage source (24), comprising the steps - Arranging the conductor track (22) in a monitoring area of the battery (12), -Applying an operating voltage to the conductor track (22), - Detecting a profile of a measurement voltage that is established along the conductor track (22), - Determining a voltage drop in the measurement voltage to an open circuit voltage and determining an interruption in the conductor track (22) on the basis of the voltage drop determined, - Assignment of an error scenario to the determined voltage drop, Triggering a protection routine for the battery (12) assigned to the fault scenario.

Procedure according to Claim 1 , an error message describing the error scenario being transmitted to an output device (14) as a protective routine, the output device (14) outputting an optical and / or acoustic message assigned to the error message.

Battery (12) with a sensor device (16), the sensor device (16) having at least one sensor element (18) and an evaluation unit (20), the at least one sensor element (18) having an electrically conductive conductor track (22) which electrically is conductively connected to a voltage source (24), characterized in that the conductor track (22) is arranged within a predetermined monitoring area of the battery (12), the evaluation unit (20) being designed to trace a course of a trace on the conductor track (22 ) to detect the measuring voltage setting, to determine a voltage drop of the measured voltage to an open circuit voltage from the curve, to determine an interruption in the conductor track (22) based on the determined voltage drop, to assign an error scenario to the determined voltage drop and to assign a protection routine for the battery (12) to the error scenario ) to trigger.

Battery (12) Claim 3 , wherein the at least one sensor element (18) has a carrier layer (26), wherein the conductor track (22) is arranged along the carrier layer (26) according to a predetermined conductor track geometry, the at least one sensor element (18) as a tape or as an im Substantially circular body covers the monitoring area within a coverage area determined by an outer contour of the strip or the essentially circular body and is connected at least in sections to the monitoring area within the coverage area and is designed to be deformed by deformation of the monitoring area with interruption of the conductor track (22) will.

Battery (12) after one of the Claims 3 or 4th , a predetermined breaking point (32) being arranged within the overlap area, the interruption of the conductor track (22) taking place when the breaking point (32) breaks through.

Battery (12) after one of the Claims 3 until 5 wherein the monitoring area comprises an interior space (30) of a coolant distributor body (28) of the battery (12).

Battery (12) after one of the Claims 3 until 6th wherein the monitoring area comprises an outer surface of a battery module of the battery (12) and / or a battery housing (34) of the battery (12).

Battery (12) after one of the Claims 3 until 7th , wherein the at least one sensor element (18) is designed as a capacitive sensor, in particular as a multilayer capacitor.

Motor vehicle (10) with a battery (12) according to one of the Claims 3 until 8th and an output device (14) according to Claim 2 .