-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Batterievorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung zur Erkennung einer Fremdzelle und/oder eines Fremdmoduls in der Batterievorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterievorrichtung.
-
In Fahrzeugen, insbesondere elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wird eine Batterievorrichtung zur Bereitstellung der elektrischen Energie verwendet. Diese Batterievorrichtung ist vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), die üblicherweise aus einzelnen Batteriemodulen aufgebaut ist. Typischerweise weist ein solches Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen, beispielsweise zwölf bis dreizehn Batteriezellen, auf.
-
Die Batterievorrichtung ist bewusst modular aus mehreren Batteriemodulen und/oder Batteriezellen aufgebaut, um in einem Servicefall einzelne Batteriemodule oder Batteriezellen statt der gesamten Batterievorrichtung tauschen zu können. In bevorzugter Weise sind die Batteriemodule und die Batteriezellen auf die Batterievorrichtung und das Fahrzeug abgestimmt, sodass eine maximale elektrische Leistung von der Batterievorrichtung abgerufen beziehungsweise aufgenommen werden kann und gleichzeitig Sicherheitsgrenzen für den Betrieb der Batterievorrichtung eingehalten werden.
-
Bei einem Austausch eines Batteriemoduls und/oder einer Batteriezelle kann es vorkommen, dass beispielsweise aus Kosten- oder Verfügbarkeitsgründen ein Fremdmodul und/oder eine Fremdzelle eines Fremdanbieters in die Batterievorrichtung verbaut wird. Da ein solches Fremdmodul oder eine solche Fremdzelle nicht auf die Batterievorrichtung oder das Fahrzeug abgestimmt sein kann, kann von einem Hersteller der Batterievorrichtung nicht sichergestellt werden, dass keine Gefahr von dem Fremdmodul und/oder der Fremdzelle für die Batterievorrichtung oder für das Fahrzeug ausgeht. Beispielsweise könnte eine solche Fremdzelle oder ein solches Fremdmodul andere Spannungsgrenzen aufweisen, wodurch insbesondere beim Aufladen der Batterievorrichtung Überspannungen entstehen könnten, die die gesamte Batterievorrichtung schädigen. Daher wäre es wünschenswert, Fremdzellen und/oder Fremdmodule in einer Batterievorrichtung frühzeitig zu erkennen.
-
Aus der
US 2018/0364311 A1 sind Systeme, Verfahren und Komponententeile für eine mobile Messung einer Charakteristik von Batterien oder anderer Energiespeichervorrichtungen bekannt. Insbesondere zur Messung einer Charakteristik von Hochvolt-Batterien, zum Beispiel von 0,1 bis 1 Kilovolt, und/oder Automobilbatterien, wie sie in elektronischen oder Hybridfahrzeugen verwendet werden.
-
Aus der
DE 11 2016 002 999 T5 ist ein Anomaliedetektionssystem für verteilte Ausrüstungen zum Überwachen physikalischer Größen einer Mehrzahl von Ausrüstungen vom im Wesentlichen identischen Typ und zum Detektieren einer Anomalie von jeder von der Mehrzahl von Ausrüstungen bekannt.
-
Aus der
US 2013/0069661 A1 ist ein Energieverwaltungsmodul bekannt, das verschiedene beobachtbare Größen einer Batterie misst und eine Spannungsantwort der Batterie basierend auf den Messungen bestimmt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fremdzellen und/oder Fremdmodule in einer Batterievorrichtung zu erkennen.
-
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 offenbart.
-
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Spannungsverlauf einzelner Batteriezellen bei einem Lade- oder Entladevorgang einen charakteristischen Verlauf aufweist, der beispielsweise von der Zellchemie, der Kathoden- und/oder Anodenzusammensetzung, der Kapazität und dem Innenwiderstand abhängig ist. Somit würde eine Fremdzelle einen anderen Spannungsverlauf im Vergleich zu den anderen Batteriezellen aufweisen. Daher kann die Fremdzelle anhand eines Vergleichs der Spannungsverläufe der Batteriezellen erkannt werden.
-
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zur Erkennung einer Fremdzelle und/oder eines Fremdmoduls in einer Batterievorrichtung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die Batterievorrichtung weist zumindest ein Batteriemodul auf, wobei das zumindest eine Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, also zumindest zwei. Das Verfahren umfasst als Schritt a) ein Ermitteln von jeweiligen Spannungsverläufen der jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls, als Schritt b) ein Prüfen der jeweiligen Spannungsverläufe auf wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung und als Schritt c) ein Erkennen der Fremdzelle und/oder des Fremdmoduls, falls die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt ist.
-
Mit anderen Worten wird für jede Batteriezelle eines Batteriemoduls ein Spannungsverlauf bei einem Lade- und/oder Entladevorgang gemessen. Ein Spannungsverlauf kann über mehrere Spannungsmesswerte, die in vorbestimmten Zeitabständen gemessen werden, bestimmt werden. Beispielsweise kann alle zehn Sekunden die Spannung einer jeweiligen Batteriezelle lokal oder extern, das heißt innerhalb des Fahrzeugs in einem Speicher, beispielsweise in einem Speicher der Batterievorrichtung, oder außerhalb des Fahrzeugs, beispielsweise in einem Cloudspeicher, gespeichert werden, woraus ein Spannungsverlauf der jeweiligen Batteriezelle ermittelt werden kann. Anschließend können die jeweiligen Spannungsverläufe auf wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung geprüft werden. Das heißt, dass diese auf ein durch die vorgegebene Abweichbedingung bestimmtes Kriterium hin überprüft werden können. Beispielsweise können die jeweiligen Spannungsverläufe untereinander verglichen werden. Ergibt ein solcher Vergleich, dass die Spannungsverläufe der jeweiligen Batteriezellen voneinander abweichen, kann die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt sein, da zu erwarten ist, dass dich die Spannungsverläufe der einzelnen Batteriezellen ähneln.
-
Das Prüfen auf Vorliegen der vorgegebenen Abweichbedingung kann beispielsweise mittels bekannter mathematischer Methoden durchgeführt werden und die vorgegebene Abweichbedingung kann beispielsweise ein vorgegebener absoluter oder relativer Schwellenwert sein, der angibt, in wie weit die jeweiligen Spannungsverläufe voneinander abweichen dürfen. Zum Beispiel können Integralflächen miteinander verglichen werden, es kann geprüft werden, ob zwei Spannungsverläufe innerhalb einer vorgegebenen Toleranz verlaufen, es kann ein Schwellenwert einer Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einzelnen Spannungswerten der Spannungsverläufe geprüft werden oder es kann ein Durchschnitt aller relativer Abweichungen einzelner Messwerte (Samples) auf das Über- oder Unterschreiten eines Schwellenwertes geprüft werden. Die jeweiligen Spannungsverläufe können jedoch auch hinsichtlich eines zu erwartenden Spannungsverlaufs, beispielsweise eines Referenzspannungsverlaufs, geprüft werden und durch eine Abweichung von diesem Referenzspannungsverlauf kann die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt sein.
-
Ist die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt, so wird erkannt, dass sich ein Fremdmodul und/oder eine Fremdzelle in der Batterievorrichtung befindet. Insbesondere können sich auch mehrere Fremdzellen und/oder Fremdmodule in der Batterievorrichtung befinden, die mittels des Verfahrens erkannt werden können. Vorzugsweise kann dann eine Mitteilung beziehungsweise Warnung ausgegeben werden. Diese kann an das Fahrzeug oder ein mobiles Endgerät des Benutzers gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Mitteilung auch einem Hersteller des Fahrzeugs oder der Batterievorrichtung übermittelt werden.
-
Die Batterievorrichtung kann vorzugsweise eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eine HV-Batterie für elektrisch betriebene Fahrzeuge oder für Hybridfahrzeuge, sein. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die ermittelten Spannungsverläufe durch eine Filterfunktion geglättet werden. Dies ist insbesondere bei der Ermittlung von Spannungsverläufen bei einem Entladevorgang vorteilhaft, da hier höhere Spannungsschwankungen auftreten können.
-
Das Messen der Spannungswerte zur Ermittlung der Spannungsverläufe kann beispielsweise von einer Überwachungsvorrichtung durchgeführt werden, die physikalische Parameter der Batterievorrichtung, wie zum Beispiel Strom, Spannung, Kapazität und Temperatur, misst. Das Prüfen der jeweiligen Spannungsverläufe auf die vorgegebene Abweichbedingung und das Erkennen der Fremdzelle kann beispielsweise von einem Steuergerät im Fahrzeug oder der Batterievorrichtung durchgeführt werden, es ist jedoch auch möglich, dass die Spannungsverläufe an eine fahrzeugexterne Rechenvorrichtung gesendet werden, die die Überprüfung durchführt.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass eine Fremdzelle und/oder ein Fremdmodul bereits nach einem Lade- oder Entladevorgang automatisch erkannt werden kann, ohne die Batterievorrichtung manuell überprüfen zu müssen, beispielsweise bei einem Servicetermin. Somit kann eine Gefahr für die Batterievorrichtung vorzeitig während des Betriebs des Fahrzeugs erkannt werden und es können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um Gefahren für die Batterievorrichtung und das Fahrzeug zu minimieren.
-
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Ermitteln der jeweiligen Spannungsverläufe in Schritt a) bei einem Laden der Batterievorrichtung durchgeführt wird. Das heißt, dass die Spannungsverläufe bestimmt werden, wenn die Batterievorrichtung beispielsweise an einer Ladesäule angeschlossen ist und ihr elektrische Energie zugeführt wird. Hierbei ist der Spannungsverlauf der einzelnen Batteriezellen gleichmäßiger, da nicht so viele Spannungsschwankungen auftreten. Der Aufladevorgang erfolgt üblicherweise mit einer konstanten Ladeleistung, wodurch die Spannungsverläufe der einzelnen Batteriezellen charakteristischer sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass es leichter wird, diese auf Vorliegen der wenigstens einen vorgegebenen Abweichbedingung zu prüfen. Vorzugsweise kann der komplette Spannungsverlauf von einem Startzeitpunkt des Aufladens zu einem Endzeitpunkt des Aufladens vorliegen, wodurch ein Prüfen auf die vorgegebene Abweichbedingung genauer als bei einzelnen oder wenigen Spannungsmesspunkten ist. Somit kann die Erkennungsrate für die Fremdzelle und/oder das Fremdmodul verbessert werden.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in Schritt b) die jeweiligen Spannungsverläufe untereinander verglichen werden und die vorgegebene Abweichbedingung durch ein Abweichen von zumindest zwei der jeweiligen Spannungsverläufe voneinander erfüllt ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein erster Spannungsverlauf einer ersten Batteriezelle mit einem zweiten Spannungsverlauf einer zweiten Batteriezelle verglichen werden. Weichen die Spannungsverläufe der ersten und zweiten Batteriezelle um einen bestimmten Wert voneinander ab, beispielsweise um mehr als 10 Prozent, kann die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt sein, wodurch erkannt wird, dass eine Fremdzelle vorhanden ist. Ein Vergleich zwischen den jeweiligen Spannungsverläufen kann beispielsweise mit den oben genannten mathematischen Methoden durchgeführt werden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die einzelnen Batteriezellen in dem Batteriemodul ihre eigene Referenz bilden und somit eine effiziente Methode zur Erkennung der Fremdzelle bereitgestellt werden kann. Des Weiteren unterliegen alle Batteriezellen den gleichen Umgebungsbedingungen, wodurch die Spannungsverläufe aller Batteriezellen in gleicher Weise beeinflusst werden. Unter Umgebungsbedingungen sind beispielsweise ein gleicher oder ähnlicher Lade- oder Entladestrom und eine gleiche Außentemperatur gemeint.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass durch die jeweiligen Spannungsverläufe, die die vorgegebene Abweichbedingung nicht erfüllen, ein Normalspannungsverlauf bereitgestellt wird und durch ein Abweichen zumindest einer der jeweiligen Spannungsverläufe von dem Normalspannungsverlauf in Schritt c) erkannt wird, welche der Mehrzahl der Batteriezellen die Fremdzelle ist und/oder welches Batteriemodul das Fremdmodul ist. Mit anderen Worten können alle Spannungsverläufe der Batteriezellen, die nicht oder nur geringfügig voneinander abweichen, als ein Normalspannungsverlauf zusammengefasst werden. Dieser Normalspannungsverlauf bildet den zu erwartenden Spannungsverlauf ab, welcher von den originalen Batteriezellen beim Laden oder Entladen durchlaufen werden müsste. Weicht ein Spannungsverlauf einer Batteriezelle von diesem Normalspannungsverlauf ab, kann nicht nur erkannt werden, dass eine Fremdzelle und/oder ein Fremdmodul vorhanden ist, sondern es kann genau erkannt werden, welche Batteriezelle die Fremdzelle ist. Der Normalspannungsverlauf kann beispielsweise ein Mittelwert ± Standardabweichung über die Spannungsverläufe sein, die die nicht voneinander abweichen und für die Erkennung der Fremdzelle kann mittels statistischer Methoden überprüft werden, ob der zu überprüfende Spannungsverlauf eine signifikante Abweichung zum Normalspannungsverlauf aufweist. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass eine Fremdzelle exakt benannt werden kann, wodurch eine Gegenmaßnahme, wie beispielsweise ein Austausch dieser Fremdzelle, leichter durchgeführt werden kann.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in Schritt b) die jeweiligen Spannungsverläufe mit einem Referenzspannungsverlauf verglichen werden, wobei die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt wird, falls zumindest einer der jeweiligen Spannungsverläufe von dem Referenzspannungsverlauf abweicht. Mit anderen Worten können die ermittelten Spannungsverläufe mit einem hinterlegten Referenzspannungsverlauf auf Vorliegen der vorgegebenen Abweichbedingung verglichen werden. Weicht einer der Spannungsverläufe von diesem Referenzspannungsverlauf ab, kann die dem Spannungsverlauf zugehörige Batteriezelle als Fremdzelle erkannt werden. Auch kann durch diese Ausführungsform ein Austausch mehrerer Batteriezellen durch Fremdzellen erkannt werden. Wenn sich beispielsweise mehrere Fremdzellen oder ein ganzes Fremdmodul in der Batterievorrichtung befindet, können sich diese Spannungsverläufe ähneln und es könnte durch einen Vergleich der Spannungsverläufe untereinander nicht mehr festgestellt werden, dass eine Fremdzelle vorhanden ist, da die vorgegebene Abweichbedingung nicht erfüllt wäre. Weichen diese Spannungsverläufe jedoch von dem Referenzspannungsverlauf ab, wird hierdurch die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt und die Fremdzelle und/oder das Fremdmodul kann erkannt werden. Entsprechend könnten auch mehrere Fremdmodule in der Batterievorrichtung erkannt werden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass auch ein Austausch eines gesamten Batteriemoduls durch ein Fremdmodul erkannt werden kann, da sich beispielsweise die Spannungsverläufe einzelner Batteriezellen in einem Fremdmodul ähneln können und somit bei einem Vergleich der einzelnen Spannungsverläufe untereinander die vorgegebene Abweichbedingung nicht erfüllt wäre. Durch einen Vergleich mit dem Referenzspannungsverlauf ist die vorgegebene Abweichbedingung jedoch erfüllt und es kann auch ein Austausch eines gesamten Batteriemoduls durch ein Fremdmodul erkannt werden.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Referenzspannungsverlauf aus vorangegangenen Spannungsverläufen der jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls unter einer vorbestimmten Umgebungsbedingung ermittelt wird, wobei die vorgegebene Abweichbedingung nur dann erfüllt wird, falls zusätzlich die vorbestimmte Umgebungsbedingung bei der Prüfung der jeweiligen Spannungsverläufe auf die wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung vorliegt. Das heißt, dass der Referenzspannungsverlauf für die Batteriezellen unter einer vorbestimmten Umgebungsbedingung gemessen und als Referenz hinterlegt wird, wobei die vorbestimmte Umgebungsbedingung beispielsweise gleiche Aufladeströme und Außentemperaturen umfassen kann. Diese Messung kann beispielsweise bei einem Hersteller oder einem Werkstatttermin durchgeführt werden. Vorzugsweise kann bei dem Vergleich mit dem Referenzspannungsverlauf auch geprüft werden, dass die gleiche vorbestimmte Umgebungsbedingung vorliegt, also während eines Betriebs der Batterievorrichtung die gleichen Bedingungen vorliegen wie bei der Ermittlung des Referenzspannungsverlaufs. Beispielsweise, dass bei einem Aufladevorgang die gleichen Ladeströme vorliegen und beispielsweise eine Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius vorliegt. Besonders bevorzugt kann die vorbestimmte Umgebungsbedingung für unterschiedliche Parameter aufgenommen werden, sodass ein Referenzspannungsverlauf für unterschiedliche vorbestimmte Umgebungsbedingungen vorliegt. Durch diese Ausführungsform kann der Referenzspannungsverlauf verbessert werden, wodurch eine genauere Erkennung der Fremdzelle und/oder des Fremdmoduls ermöglicht wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Referenzspannungsverlauf extern vorgegeben wird. Mit anderen Worten kann der Referenzspannungsverlauf beispielsweise von einem Hersteller der Batterievorrichtung für das Batteriemodul hinterlegt werden. Beispielsweise kann es vorkommen, dass ein Batteriemodul durch den Hersteller ausgetauscht wird, wobei das ausgetauschte Batteriemodul andere Spannungsverläufe aufweisen kann als der zuvor hinterlegte Referenzspannungsverlauf. Zum Beispiel kann das neue Batteriemodul von dem Hersteller eine höhere Kapazität aufweisen als das ausgetauschte Batteriemodul. Da das neue Batteriemodul von dem Hersteller auf die Batterievorrichtung abgestimmt sein kann und auch die Sicherheitsbedingungen erfüllt, kann der Referenzspannungsverlauf vorgegeben werden, um Fehlwarnungen zu vermeiden.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Batterievorrichtung eine Übertragungsvorrichtung aufweist, durch die die jeweiligen Spannungsverläufe an eine fahrzeugexterne Rechenvorrichtung gesendet werden, wobei die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung die Schritte b) und c) durchführt. Mit anderen Worten werden die gemessenen Spannungsverläufe an eine fahrzeugexterne Rechenvorrichtung, wie beispielsweise an einem Server, gesendet, der die Auswertung durchführt, ob wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung vorliegt. Die Übertragungsvorrichtung der Batterievorrichtung kann beispielsweise ein Funkmodul zum Übertragen von Daten umfassen, wie beispielsweise Bluetooth, WLAN, einen Funkstandard nach 4G und/oder 5G. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Übertragungsvorrichtung eine Schnittstelle zu einer Datenübertragungsvorrichtung des Fahrzeugs ist, und somit die Daten der jeweiligen Spannungsverläufe von dieser an die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung gesendet werden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass in der fahrzeugexternen Rechenvorrichtung, das heißt am Backend, Rechenressourcen, wie beispielsweise ein Speicher und Rechenleistung, einfacher bereitgestellt werden können und somit Ressourcen des Fahrzeugs geschont werden können.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung zur Erkennung einer Fremdzelle und/oder eines Fremdmoduls in der Batterievorrichtung, wobei die Batterievorrichtung zumindest ein Batteriemodul aufweist und das zumindest eine Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Die Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, jeweilige Spannungsverläufe der jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls zu ermitteln, die jeweiligen Spannungsverläufe auf wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung zu prüfen und die Fremdzelle und/oder das Fremdmodul zu erkennen, falls die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt ist. Hierbei ergeben sich gleiche Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie bei dem Verfahren. Die Überwachungsvorrichtung weist 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.
-
Erfindungsgemäß ist auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2a Spannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Fremdzelle, die eine andere Zellchemie aufweist;
- 2b Spannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Fremdzelle, die eine andere Kathodenzusammensetzung aufweist;
- 2c Spannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Fremdzelle, die eine geringere Kapazität aufweist;
- 2d Spannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Fremdzelle, die eine höhere Kapazität aufweist;
- 2e Spannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Fremdzelle, die einen anderen Innenwiderstand aufweist;
- 2f Referenzspannungsverläufe von Batteriezellen eines Batteriemoduls und Spannungsverläufe von Fremdzellen eines Fremdmoduls mit anderer Zellchemie;
- 3 ein schematisches Verfahrensdiagramm gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Batterievorrichtung 12 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit der Batterievorrichtung 12 sein. Die Batterievorrichtung 12, die beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, beziehungsweise Traktionsbatterie, zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 sein kann, kann zumindest ein Batteriemodul 14 aufweisen, das wiederum eine Mehrzahl von Batteriezellen 16 umfassen kann.
-
Die Batteriezellen 16 sind vorzugsweise für die Batterievorrichtung 12 abgestimmt und weisen insbesondere bei einem Aufladevorgang der Batterievorrichtung 12 einen charakteristischen Spannungsverlauf auf. Die Batteriezellen 16 können insbesondere derart auf die Batterievorrichtung 12 abgestimmt sein, dass diese innerhalb von Sicherheitsvorgaben für die Batterievorrichtung 12 liegen und somit keine Gefahr für die Batterievorrichtung 12 darstellen. Es kann jedoch vorkommen, dass aufgrund einer Reparaturmaßnahme, die nicht von einem Hersteller der Batterievorrichtung 12 durchgeführt wird, ein Batteriemodul 14, beziehungsweise eine Batteriezelle 16, durch eine Fremdzelle 18 ausgetauscht wird, die nicht den Sicherheitsbestimmungen für die Batterievorrichtung 12 entspricht. Diese Fremdzelle 18 kann beispielsweise aufgrund anderer Spannungsgrenzen eine Gefahr für die Batterievorrichtung 12 darstellen.
-
Um eine solche Fremdzelle 18 frühzeitig zu erkennen, beispielsweise während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs 10, kann die Batterievorrichtung 12 eine Überwachungsvorrichtung 20 zur Erkennung der Fremdzelle 18 aufweisen. Die Überwachungsvorrichtung 20 kann dazu ausgebildet sein, die Spannungswerte der jeweiligen Batteriezellen über die Zeit zu messen und somit einen jeweiligen Spannungsverlauf für jede Batteriezelle 16, 18 zu ermitteln. Die jeweiligen Spannungsverläufe können beispielsweise während eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterievorrichtung 12 bestimmt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch diese bei einem Ladevorgang der Batterievorrichtung 12 zu bestimmen, da die Batteriezellen bei dem Ladevorgang charakteristische Spannungsverläufe aufweisen und hierbei Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise ein Ladestrom, bei jedem Ladevorgang ähnlich sind.
-
Die so ermittelten Spannungsverläufe können vorzugsweise durch eine Übertragungsvorrichtung 22 an eine fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 gesendet werden. Die Übertragungsvorrichtung 22 kann ein Modul zur Datenübertragung sein, wie beispielsweise ein WLAN Modul und/oder ein Funkmodul nach einem der Mobilfunkstandards 4G oder 5G. Besonders bevorzugt können die ermittelten Spannungsverläufe über eine Echtzeitüberwachung der Batterievorrichtung 12 ermittelt und über die Übertragungsvorrichtung 22 an die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 gesendet werden. Die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 kann ein Server sein, auf den die Fahrzeugdaten zur Fahrzeugüberwachung gesendet werden, insbesondere die Daten der Batterievorrichtung 12, die von der Überwachungsvorrichtung 20 aufgenommen werden.
-
In der fahrzeugexternen Rechenvorrichtung 24 können dann die Spannungsverläufe der jeweiligen Batteriezellen daraufhin geprüft werden, ob sie wenigstens einer vorgegebenen Abweichbedingung entsprechen. Die vorgegebene Abweichbedingung kann beispielsweise umfassen, dass der Spannungsverlauf der Fremdzelle 18 und der Spannungsverlauf einer der Batteriezellen 16 voneinander abweichen. Beispielsweise kann eine Differenz der jeweiligen Spannungsverläufe im Durchschnitt eine signifikante Abweichung aufweisen, wodurch die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 erkennen kann, dass eine Fremdzelle 18 im Batteriemodul 14 vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Überprüfung der Spannungsverläufe und das Erkennen der Fremdzelle 18 jedoch auch im Kraftfahrzeug 10, insbesondere in der Überwachungsvorrichtung 20, durchgeführt werden.
-
Besonders bevorzugt können Spannungsverläufe von Batteriezellen 16, die nicht vom charakteristischen Spannungsverlauf beim Aufladevorgang abweichen, das heißt die vorgegebene Abweichbedingung nicht erfüllen, zusammengefasst werden zu einem Normalspannungsverlauf, der beispielsweise einen Durchschnitt aus allen Messkurven der Spannungsverläufe bildet. Weicht ein Spannungsverlauf von diesem Normalspannungsverlauf ab, insbesondere der Spannungsverlauf der Fremdzelle 18, so wird die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt und die Fremdzelle 18 wird erkannt. Dies ist besonders vorteilhaft, da nicht nur festgestellt wird, dass eine Fremdzelle 18 in dem Batteriemodul 14 vorhanden ist, sondern es kann aus der Mehrzahl der Batteriezellen 16 die genaue Fremdzelle 18 bestimmt werden, da diese als einzige vom Normalspannungsverlauf abweicht.
-
Wird die Fremdzelle 18 erkannt, so kann beispielsweise die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 eine Mitteilung an das Kraftfahrzeug 10 oder einen Hersteller der Batterievorrichtung 12 senden und auf eine mögliche Gefahr der Fremdzelle 18 aufmerksam machen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24 einen Steuerbefehl an das Kraftfahrzeug 10 und/oder über die Übertragungsvorrichtung 22 an die Batterievorrichtung 12 sendet, der einen Sicherheitsmodus des Fahrzeugs oder der Batterievorrichtung 12 aktiviert.
-
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Spannungsverläufe in der fahrzeugexternen Rechenvorrichtung 24 und/oder der Überwachungsvorrichtung 20 mit einem Referenzspannungsverlauf verglichen werden, wobei eine weitere vorgegebene Abweichbedingung dann erfüllt ist, wenn zumindest einer der jeweiligen Spannungsverläufe von dem Referenzspannungsverlauf abweicht. Dies ist beispielsweise dann besonders vorteilhaft, wenn ein gesamtes Batteriemodul 14 durch ein Fremdmodul (nicht gezeigt) ausgetauscht wird und die Spannungsverläufe der einzelnen Fremdzellen 18 untereinander nicht abweichen, jedoch insgesamt nicht den Sicherheitsvorgaben der Batterievorrichtung 12 entsprechen. Somit können Spannungsverläufe mehrerer Fremdzellen als Fremdmodul erkannt werden, da sie vom Referenzspannungsverlauf abweichen.
-
Der Referenzspannungsverlauf kann vorzugsweise aus vorangegangenen Spannungsverläufen bestimmt werden, die unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen gemessen wurden. Das heißt, dass Spannungsverläufe mit original Batteriemodulen unter bekannten Bedingungen, das heißt bekannten Ladeströmen und Umgebungstemperaturen, aufgenommen werden und anschließend daraus der Referenzspannungsverlauf ermittelt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Referenzspannungsverlauf jedoch auch extern vorgegeben werden. Dies ist von Vorteil, wenn beispielsweise von dem Hersteller ein neues Batteriemodul in die Batterievorrichtung 12 eingesetzt wird, das beispielsweise keine Alterserscheinungen aufweist oder eine Weiterentwicklung des Batteriemoduls ist.
-
Alternativ oder zusätzlich zu der Erkennung der Fremdzelle und/oder des Fremdmoduls kann das gezeigte Verfahren auch angewendet werden, um beschädigte Batteriezellen und/oder Batteriemodule zu erkennen. Somit können beispielsweise beschädigte Batteriemodule frühzeitig ausgetauscht werden, und es kann eine Gefahr für die Batterievorrichtung 12 verringert werden.
-
In den 2a bis 2f sind Spannungsverläufe von Batteriezellen 16 eines Batteriemoduls 14 zusammen mit einem Spannungsverlauf einer Fremdzelle 18 gezeigt. Hierbei bezeichnet jeweils die Abszisse die Zeit t und die Ordinate die Spannung U.
-
In der 2a sind beispielhaft die Spannungsverläufe 111, 112, 113 von Batteriezellen des Originalherstellers während eines Ladevorgangs gezeigt. In diesem Beispiel kann sich eine Fremdzelle 18 im Batteriemodul 14 befinden, das beispielsweise eine andere Zellchemie aufweist, zum Beispiel LiFePo. Dieser Spannungsverlauf ist mit der gestrichelten Kurve 114 dargestellt. Hierbei wird sichtbar, dass der Spannungsverlauf 114 eine andere Ladecharakteristik aufweist als die Spannungsverläufe 111 bis 113. Somit kann bei einem Vergleichen der Spannungsverläufe untereinander ein Abweichen von 114 festgestellt werden, wodurch die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt ist und die Fremdzelle erkannt werden kann.
-
In 2b sind beispielsweise Spannungsverläufe gezeigt, falls sich die Kathodenzusammensetzung der Fremdzelle von den übrigen Batteriezellen unterscheidet. In diesem Beispiel kann die Kathodenzusammensetzung von 111, 112, 113 eine Nickel-Kobalt-Mangan-622 Kathode (NMC 622) sein und für 114 beispielsweise Nickel-Kobalt-Mangan-811 (NMC 811). Hierbei können die Spannungen beim Aufladevorgang in bestimmten Zeitbereichen nur teilweise übereinander liegen, sie können sich in anderen Zeitbereichen jedoch auch teilweise deutlich unterscheiden. Aus diesem Beispiel wird deutlich, warum es vorteilhaft ist, die gesamten Spannungsverläufe miteinander zu vergleichen, da zu einzelnen Messzeitpunkten nur geringe Abweichungen auftreten können und so eine Fremdzelle nicht erkannt werden könnte.
-
2c und 2d zeigen einen Spannungsverlauf 114 von einer Fremdzelle, die im Vergleich zu den Batteriezellen mit den Spannungsverläufen 111, 112, 113 eine andere Kapazität aufweist. Dabei ist in 2c ein Spannungsverlauf 114 für eine Fremdzelle mit geringerer Kapazität dargestellt. In diesem Fall erreicht die Spannung schneller den vollen Ladezustand und es kann insbesondere in einem späteren zeitlichen Bereich eine Abweichung festgestellt werden. In 2d kann die Fremdzelle 18 eine höhere Kapazität aufweisen, wodurch diese nicht so schnell vollständig geladen ist. Daher verläuft in diesem Beispiel der Spannungsverlauf 114 unter den Spannungsverläufen 111, 112, 113.
-
In 2e können die Batteriezellen und die Fremdzelle eine gleiche Zellchemie aufweisen, jedoch kann sich der Innenwiderstand unterscheiden. Hierdurch kann der Spannungsverlauf der Fremdzelle 114 eine charakteristische Abweichung aufweisen, insbesondere einen leicht erhöhten Verlauf, wodurch die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt sein kann.
-
In der 2f sind die Spannungsverläufe 111, 112, 113, 114 eines Fremdmoduls mit mehreren Fremdzellen für einen aktuellen Ladevorgang dargestellt. Um in einem solchen Fall die Fremdzellen zu erkennen, können diese Kurven mit einem Referenzspannungsverlauf R1, R2, R3, R4 eines Batteriemoduls verglichen werden, wobei der Referenzspannungsverlauf beispielsweise in einer vorangegangenen Messung unter gleichen vorbestimmten Umgebungsbedingungen ermittelt wurde. Somit kann auch die vorgegebene Abweichbedingung bei einem Austausch eines gesamten Batteriemoduls durch ein Fremdmodul erfüllt sein, da hier die Abweichung zu dem Referenzspannungsverlauf R1, R2, R3, R4 festgestellt werden kann.
-
In 3 ist ein beispielhaftes Verfahrensdiagramm zur Erkennung einer Fremdzelle und/oder eines Fremdmoduls in einer Batterievorrichtung eines Fahrzeugs dargestellt. In einem Schritt S10 kann ein Spannungsverlauf für jede Batteriezelle 16 eines Batteriemoduls 14 gemessen werden, indem beispielsweise alle fünf Sekunden ein Spannungswert der jeweiligen Batteriezelle 16 ermittelt wird und diese über die Zeit aufgetragen werden.
-
In einem Schritt S12 kann dann geprüft werden, ob die gemessenen Spannungsverläufe wenigstens eine vorgegebene Abweichbedingung erfüllen. Die vorgegebene Abweichbedingung kann umfassen, dass die einzelnen Spannungsverläufe untereinander verglichen werden und falls eine Abweichung der Spannungsverläufe voneinander festgestellt wird, kann die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt sein.
-
Ist die vorgegebene Abweichbedingung erfüllt, kann in einem Schritt S14 somit erkannt werden, dass eine Fremdzelle 18 und/oder ein Fremdmodul in der Batterievorrichtung 12 vorhanden ist und es kann beispielsweise eine Mitteilung an einen Hersteller der Batterievorrichtung und/oder einen Besitzer des Kraftfahrzeugs gesendet werden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin zu erkennen, ob Batteriemodule 12 oder Batteriezellen 16 von nicht-autorisierten Drittanbietern in HV-Batterien (Batterievorrichtung 12) eingebaut werden. Heutige HV-Batterien (Batterievorrichtung 12) können aus einzelnen Batteriemodulen 14 mit typischerweise zwölf bis dreizehn Batteriezellen und einer eigenen Überwachungselektronik, einem sogenannten Cell Module Controler (CMC) für ein oder mehrere Batteriemodule aufgebaut sein. Die Batterien (Batterievorrichtung 12) sind modularisiert, um im Servicefall einzelne Batteriemodule statt der gesamten Batterie (Batterievorrichtung 12) tauschen zu können.
-
Das CMC selber ist teilweise in einen Komponentenschutz integriert. Allerdings kann es trotzdem mit einem neuen Batteriemodul verbunden werden, ohne dies zu erkennen oder den Komponentenschutz aktiv werden zu lassen.
-
Es ist zu erwarten, dass Austauschmodule (Fremdmodule) in die Batterie eingebaut werden, es kann jedoch nicht sichergestellt werden, dass solche Fremdmodule keine Gefahr für die Batterievorrichtung 12 darstellen. Daher wäre es bei einem Schadensfall wünschenswert, nachweisen zu können, dass an der Batterievorrichtung 12 durch Dritte unautorisiert Änderungen vorgenommen wurden.
-
Bisher ist dies problematisch, da Fremdmodule in HV-Batterien eingebaut werden können und das Original CMC weiterverwendet werden kann.
-
Durch Echtzeitüberwachung (Real Time Monitoring), beispielsweise in China nach dem Standard GBIT 32960, besteht die Möglichkeit, live Onlinedaten der Fahrzeuge zu erhalten und auszuwerten. Durch den Verlauf einzelner Zellspannungen während des Ladens können getauschte Batteriezellen oder Batteriemodule mit anderer Kapazität, einem anderen Innenwiderstand oder einer anderen Zellchemie bereits nach einem Ladevorgang erkannt werden. Dies ist möglich, da der Spannungsverlauf immer charakteristisch für die verwendete Chemie der Zellen ist. Nachdem der komplette Verlauf und nicht nur einzelne Punkte betrachtet werden, um ein sicheres Ergebnis zu bekommen, bietet es sich an, einen Vergleich am Backend (fahrzeugexterne Rechenvorrichtung 24) durchzuführen, da hier beispielsweise im Gegensatz zu einem Steuergerät im Kraftfahrzeug 10 genügend Ressourcen einfach bereitgestellt werden können (Speicher, Rechenleistung). Eine entsprechende Warnung, beispielsweise nach GBIT 32960, kann bei Erkennen eines Fremdmoduls und/oder einer Fremdzelle daraufhin getriggert werden.
-
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Fremdmodule oder Fremdzellen mit anderer Kapazität, Innenwiderstand oder Zellchemie bereits nach einem Ladevorgang erkannt werden können. Somit kann schnell eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, um Gefahren zu minimieren.
-
Beispielsweise kann die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle 16 alle zehn Sekunden an das Backend übertragen werden. Außerdem kann übertragen werden, ob das Fahrzeug 10 gerade lädt oder nicht. Ferner ist die Nummer jeder einzelnen Batteriezelle 16 bekannt und es kann somit auf das Batteriemodul, in dem sich die Zelle befindet rückgeschlossen werden, beziehungsweise bei einer Gruppierung von auffälligen Batteriezellen ob es sich um ein komplettes Batteriemodul handelt. Die Erkennung, ob es sich um auffällige Batteriezellen/Batteriemodule handelt, die auf einem unautorisierten Batteriemodul- oder Batteriezellentausch hindeuten, kann dabei in zwei Pfaden stattfinden.
-
In einem ersten Pfad kann ein Verlauf der einzelnen Zellspannungen während einer Ladephase am Backend verglichen werden. Falls alle Batteriezellen 16 die gleiche Chemie, Kapazität und näherungsweise Alterung aufweisen, können die Spannungen der einzelnen Batteriezellen während des gesamten Ladens sehr nahe beieinanderliegen. Wird ein Fremdmodul oder eine Fremdzelle 18 mit beispielsweise anderer Zellchemie eingebaut, verhält sich die Spannung dieser Zellen charakteristisch anders. In diesem Pfad können also die Spannungsverläufe der einzelnen Batteriezellen einer Batterievorrichtung untereinander verglichen werden. Ein Vergleich zu einer gespeicherten Referenz findet dabei nicht statt. Dies kann gegebenenfalls auch in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs selbst implementiert sein. Basierend auf den bekannten Charakteristika der einzelnen Zellchemien kann auch direkt abgeleitet werden, was genau bei der jeweiligen Batterievorrichtung gemacht wurde und ob Handlungsbedarf besteht, weil gegebenenfalls Sicherheitsmechanismen nicht mehr rechtzeitig greifen.
-
In einem zweiten Pfad kann analog der Verlauf der einzelnen Zellspannungen während einer Ladephase mit einer vorangegangenen Ladephase mit ähnlichem Ladestrom und ähnlicher Temperatur verglichen werden, um auch den Tausch aller Module gegen Fremdmodule erkennen zu können. In diesem Fall würden sich alle Spannungen gleich verhalten, jedoch einen anderen Verlauf als die originalen Batteriezellen/Batteriemodule aufweisen. Beispielsweise kann im zweiten Pfad der letzte geeignete Ladevorgang als Referenz dienen.
-
Nachdem sowohl AC- als auch DC-Laden mit relativ konstanten Strömen ohne große überlagerte Störungen erfolgt, ist hier eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Spannungen einfacher. Prinzipiell ist die Methode aber auch im Entladen möglich. Außerdem können neben HV-Batterien auch 48-Volt-Batterien überwacht werden.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Methode zur Erkennung von Fremdzellen/Fremdmodulen in HV-Batterien bereitgestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2018/0364311 A1 [0005]
- DE 112016002999 T5 [0006]
- US 2013/0069661 A1 [0007]
