DE102020114214A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Sicherheitszustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs (2), aufweisend die folgenden Schritte:- Durchführung eines ersten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines ersten Sicherheitszustands der Batterie (1),- Durchführung eines zweiten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie (1), wenn der erste Sicherheitszustand mehrmals bestimmt wurde und Veränderungen des ersten Sicherheitszustands einen vordefinierten Veränderungsschwellwert übersteigen, und- Auswählen des ersten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie (1), wenn der erste Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie (1) ist, oder Auswählen des zweiten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie (1), wenn der zweite Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie (1) ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (2) das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
  • Zur Beschreibung eines Batteriezustands einer Batterie sind diverse Zustandsfunktionen bekannt. Hierzu zählt insbesondere ein Ladezustand der Batterie, welcher auch als „State of Charge“ bzw. SoC bezeichnet wird. Der SoC wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben und beschreibt ein Verhältnis zwischen aktueller und maximaler Ladung der Batterie. Eine vollständig geladene Batterie weist somit einen SoC von 100% auf. Eine komplett entladene Batterie weist einen SoC von 0% auf, wobei ein solcher Ladezustand zu vermeiden ist, um irreversible Schäden an der Batterie zu vermeiden.
  • Eine weitere Zustandsfunktion einer Batterie ist der Gesundheitszustand der Batterie, der auch als „State of Health“ bzw. „SoH“ oder Alterungszustand bezeichnet wird. Der SoH bezeichnet eine Alterung bzw. einen Verschleiß der Batterie. Parameter, die einen Verschleiß bzw. eine Alterung einer Batterie kennzeichnen sind beispielsweise eine Abnutzung des Anoden- und/oder Kathodenmaterials, die Bildung einer Festelektrolyt-Interphasen-Schicht an den Elektroden, welche auch als „Solid Electrolyte Interphase“ bzw. „SEI“ bezeichnet wird, sowie die Umwandlung aktiver Stoffe der Batterie in inaktive Stoffe.
  • Der Sicherheitszustand, welcher auch als „State of Safety“ oder „SoS“ bezeichnet wird, ist eine weitere Zustandsfunktion einer Batterie. Unter dem SoS wird eine Betriebssicherheit der Batterie verstanden, welche beispielsweise mit einer Selbstentladung der Batterie zusammenhängt. Aus einer Angabe des SoS lässt sich beispielsweise eine Ausfallwahrscheinlichkeit, Überhitzungswahrscheinlichkeit, Explosionswahrscheinlichkeit oder dergleichen der Batterie bestimmen. Der SoS ist nicht direkt messbar und nur über eine aufwendige Untersuchung der Batterie über einen längeren Zeitraum bestimmbar. Für Batterien von Kraftfahrzeugen gibt es bislang noch keine Verfahren, welche eine praktikable sowie zuverlässige Bestimmung des SoS sicherstellen.
  • Cabrera-Castillo et al. behandeln im „Journal of Power Sources" (Ausgabe 324, 30. August 2016, Seiten 509-520) diverse Ansätze zur Bestimmung eines SoS, wie beispielsweise den „Severity-Likelihood-Controllability-Ansatz“ nach Ashtiani, den „Katastrophentheorie-Ansatz“ nach Wang oder einen Ansatz der Autoren, den SoS als reziproken Wert einer Missbrauchsfunktion zu definieren. Derartige Ansätze zur Bestimmung eines SoS einer Batterie haben den Nachteil, dass sie allesamt einen erheblichen Rechen- sowie Messaufwand erfordern. Zudem verlangen sie eine erhebliche Parametrierung durch in unabhängigen Experimenten zu bestimmende Parameter, die für jede Batterie und jedes Kraftfahrzeug gesondert zu ermitteln sind, und zwar jeweils in Abhängigkeit von Ladezustand (SoC) und Alterungszustand (SoH). Demnach sind derartige Ansätze vorwiegend auf Laborebene und nicht in technischen Anwendungen, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, implementiert.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie bei einem Kraftfahrzeug zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Bestimmung eines Sicherheitszustands einer Batterie des Kraftfahrzeugs gewährleisten.
  • Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Durchführung eines ersten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines ersten Sicherheitszustands der Batterie, wobei das erste Diagnoseverfahren der Batterie die folgenden Schritte umfasst:
      • - Ermitteln der Leerlaufspannung der Batterie zwischen elektrischen Anschlüssen der Batterie mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung,
      • - Versorgen der Batterie mit einer Testspannung mittels einer Spannungsversorgungsvorrichtung,
      • - Wiederholtes Ermitteln einer Stromstärke zwischen den elektrischen Anschlüssen der Batterie mittels der Stromermittlungsvorrichtung,
      • - Bestimmen einer stabilisierten Ladestromstärke aus den ermittelten Stromstärken mittels einer Bestimmungsvorrichtung, wobei die Spannungsversorgungsvorrichtung mit der stabilisierten Ladestromstärke eine Selbstendladung der Batterie kompensiert, und
      • - Bestimmen eines ersten Sicherheitszustands der Batterie auf Basis der bestimmten stabilisierten Ladestromstärke mittels der Bestimmungsvorrichtung;
    • - Durchführung eines zweiten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie, wenn der erste Sicherheitszustand mehrmals bestimmt wurde und Veränderungen des ersten Sicherheitszustands einen vordefinierten Veränderungsschwellwert übersteigen, wobei das zweite Diagnoseverfahren der Batterie die folgenden Schritte umfasst:
      • - Ermitteln eines Leerlaufspannungsverlaufs der Batterie zwischen den elektrischen Anschlüssen mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung über einen ersten Zeitraum,
      • - Ermitteln eines Batterietemperaturverlaufs der Batterie mittels einer Temperaturermittlungsvorrichtung über den Ermittlungszeitraum, und
      • - Bestimmen eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie auf Basis des Leerlaufspannungsverlaufs und des Batterietemperaturverlaufs unter Verwendung des Yazami-Theorems mittels der Bestimmungsvorrichtung;
    • - Auswählen des ersten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie, wenn der erste Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie ist, oder Auswählen des zweiten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie, wenn der zweite Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das erste Diagnoseverfahren zum Bestimmen des ersten Sicherheitszustands der Batterie, das zweite Diagnoseverfahren zum Bestimmen des zweiten Sicherheitszustands der Batterie sowie ein Bestimmungsverfahren zur Bestimmung ob das zweite Diagnoseverfahren durchgeführt wird sowie zur Bestimmung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie auf Basis der durchgeführten Diagnoseverfahren. Als Batterie wird beispielsweise eine Li-Ion Batterie verwendet. Vorzugsweise ist die Batterie als Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Aktualisierung des aktuellen Sicherheitszustands wiederholt durchgeführt.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie wird das erste Diagnoseverfahren erfindungsgemäß standardmäßig durchgeführt. Das erste Diagnoseverfahren basiert auf einer Veröffentlichung von Sergiy Sazhin zur Bestimmung eines Sicherheitszustands einer Sanyo 18650SA Li-Ion Zelle („Enhancing Li-Ion Battery Safety by Early Detection of Nascent Internal Shorts", Journal of The Electrochemical Society, Januar 2017).
  • Beim ersten Diagnoseverfahren wird zunächst die Leerlaufspannung der Batterie zwischen den Anschlüssen der Batterie mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung ermittelt. Das Ermitteln der Leerlaufspannung erfolgt erfindungsgemäß aus verfahrensökonomischen Gründen vorzugsweise im Rahmen einer kurzen Messung, da eine Überwachung der Leerlaufspannung über einen längeren Zeitraum von mehreren Minuten bei einer Batterie ohne einen fatalen Defekt keine relevanten Veränderungen der Leerlaufspannung liefert. Unter einem fatalen Defekt wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Batteriezustand verstanden, bei welchem von der Batterie bereits eine akute Gefahr für die Umgebung durch Hitze, Feuer, Explosion oder dergleichen ausgeht.
  • Anschließend wird die Batterie mittels der Spannungsversorgungsvorrichtung mit der Testspannung versorgt. Das Versorgen erfolgt mit einer definierten Testspannung. Vorzugsweise wird die Testspannung in Abhängigkeit der ermittelten Leerlaufspannung festgelegt. Die Testspannung wird vorzugsweise an den elektrischen Anschlüssen der Batterie angelegt. Vorzugsweise ist die Testspannung von der Leerlaufspannung verschieden. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch eine Zuverlässigkeit der Bestimmung des ersten Sicherheitszustands verbessert ist. Das Versorgen der Batterie mit der Testspannung erfolgt vorzugsweise mindestens solange, bis die ermittelte Stromstärke zwischen den elektrischen Anschlüssen der Batterie konstant bzw. innerhalb eines Messkorridors von vorzugsweise 0,1 mA verläuft.
  • Während der Versorgung der Batterie mit der Testspannung wird die Stromstärke zwischen den elektrischen Anschlüssen der Batterie mittels der Stromermittlungsvorrichtung wiederholt ermittelt. Solange die aktuelle Leerlaufspannung der Batterie von der Testspannung verschieden ist, wird sich die aktuelle Leerlaufspannung der Testspannung annähern und die Stromstärke verändern.
  • Nachdem sich die Leerlaufspannung auf die Testspannung stabilisiert hat, wird sich die Stromstärke auf einen konstanten Wert stabilisieren. Bei einer Batterie ohne Selbstentladung wird die Stromstärke den Wert 0A annehmen. Bei einer Batterie mit einer Selbstentladung wird die Stromstärke einen Wert annehmen, bei welchem die Selbstentladung der Batterie kompensiert wird. Dieser Wert der Stromstärke wird im Rahmen der Erfindung unter Vernachlässigung thermischer Bedingungen der Batterie als stabilisierte Ladestromstärke bezeichnet. Mittels der Bestimmungsvorrichtung wird die stabilisierte Ladestromstärke bestimmt.
  • Treten zusätzliche Schwankungen der Batterietemperatur der Batterie auf, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Batterietemperatur bei Bestimmung der stabilisierten Ladestromstärke berücksichtigt wird, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Kennfelds der Batterie.
  • Schließlich bestimmt die Bestimmungsvorrichtung den ersten Sicherheitszustand der Batterie auf Basis der bestimmten stabilisierten Ladestromstärke. Hierbei ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der erste Sicherheitszustand in Analogie zum PH-Wert als negativer dekadischer Logarithmus der stabilisierten Ladestromstärke bestimmt wird. SoS ( 1 ) = − log ( I ( ISC ) / 1 A )
    Figure DE102020114214A1_0001
  • Ein kompletter Zyklus des ersten Diagnoseverfahrens ist somit abgeschlossen. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass weitere Zyklen des ersten Diagnoseverfahrens durchgeführt werden.
  • Wenn der erste Sicherheitszustand mehrmals bestimmt wurde und Veränderungen des ersten Sicherheitszustands einen vordefinierten Veränderungsschwellwert übersteigen wird das zweite Diagnoseverfahren durchgeführt, wobei beim zweiten Diagnoseverfahren die Batterie vorzugsweise nicht mehr mit einer Testspannung versorgt wird. Vorzugsweise wird das zweite Diagnoseverfahren nur dann durchgeführt, wenn die Messgenauigkeit der Spannungsermittlungsvorrichtung und/oder einer Temperaturermittlungsvorrichtung innerhalb eines vordefinierten Genauigkeitsbereichs liegt und/oder die Leerlaufspannung der Batterie innerhalb vordefinierter Spannungsgrenzen liegt. Die Messgenauigkeit kann beispielsweise durch eine Alterung oder Ausfall von Sensoren beeinträchtigt werden. Die Messgenauigkeit der Spannungsermittlungsvorrichtung ist vorzugsweise besser als 0,1 V, besonders bevorzugt besser als 0,01 V. Die Messgenauigkeit der Temperaturermittlungsvorrichtung ist vorzugsweise besser als 0,1 K, besonders bevorzugt besser als 0,01 K.
  • Beim zweiten Diagnoseverfahren werden über den Ermittlungszeitraum der Leerlaufspannungsverlauf der Batterie mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung zwischen den elektrischen Anschlüssen der Batterie sowie der Batterietemperaturverlauf der Batterie mittels der Temperaturermittlungsvorrichtung ermittelt.
  • Die Bestimmungsvorrichtung bestimmt anschließend den zweiten Sicherheitszustand der Batterie auf Basis des ermittelten Leerlaufspannungsverlaufs und des ermittelten Temperaturverlaufs unter Verwendung des Yazami-Theorems. Das Yazami-Theorem besagt, dass in üblichen Betriebszuständen die Batteriespannung proportional zur Enthalpie der Batterie ist. Zudem ist die erste Ableitung der Batteriespannung nach der Temperatur proportional zur Entropie der Batterie. Abweichungen ermittelter Parameter von einer Kennlinie der Batterie nach dem Yazami-Theorem sind somit Indikatoren für interne Kurzschlüsse der Batterie. Vorzugsweise wird der zweite Sicherheitszustand als negativer dekadischer Logarithmus eines normierten Messpunkts von der Idealkurve bestimmt. SoS ( 2 ) = − log ( G ( real ) − G ( ideal ) ) / G ( max ) )
    Figure DE102020114214A1_0002
  • Hierbei ist G(real) die reale freie Enthalpie der Batterie, G(ideal) die gemäß dem Yazami-Theorem vorhandene freie Enthalpie der Batterie und G(max) die in einer ungealterten vollgeladenen Batterie maximal vorhandene freie Enthalpie bei der jeweils vorherrschenden Batterietemperatur.
  • Schließlich wird mittels der Bestimmungsvorrichtung der aktuelle Sicherheitszustand der Batterie ausgewählt. Dies erfolgt mit der Maßgabe, dass der jeweils zuletzt bestimmte erste Sicherheitszustand oder zweite Sicherheitszustand als aktueller Sicherheitszustand bestimmt wird. Wird demnach zuerst der erste Sicherheitszustand bestimmt, gilt dieser als aktueller Sicherheitszustand solange bis ein neuer erster Sicherheitszustand oder ein zweiter Sicherheitszustand bestimmt wird, beispielsweise im Rahmen einer Inaktivität der Batterie von mehreren Tagen. Wird anschließend wieder ein neuer erster Sicherheitszustand oder neuer zweiter Sicherheitszustand bestimmt, wird dieser als aktueller Sicherheitszustand verwendet.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Sicherheitszustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige sowie quantifizierte und somit gut vergleichbare Bestimmung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie gewährleistet ist. Das Verfahren ist bei einem Kraftfahrzeug unter realen Bedingungen während des laufenden Fahrzeugbetriebs, insbesondere während eines Parkvorgangs, automatisch durchführbar. Das zweistufige Diagnoseverfahren hat zudem die Vorteile verhältnismäßig schnell verfügbarer Diagnoseergebnisse durch das erste Diagnoseverfahren sowie einer bedarfsorientierten Überprüfung der Diagnoseergebnisse durch das zweite Diagnoseverfahren.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Testspannung während der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens konstant gehalten wird. Mittels einer konstanten Testspannung ist ein Gleichgewichtszustand von Leerlaufspannung und Testspannung zuverlässig erreichbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Bestimmung des ersten Sicherheitszustands verbessert ist.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass bei der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens eine Testspannung verwendet wird, welche geringer als die Leerlaufspannung ist. Dies führt somit zu einer Stromstärke in Entladerichtung der Batterie. Diese Stromstärke nimmt solange ab, bis die Leerlaufspannung der Testspannung entspricht und erreicht an diesem Spannungsgleichgewichtspunkt, welcher auch als „Current Zero Crossing Point“ oder „CZCP“ bezeichnet wird, den Wert OA. Direkt hinter dem CZCP verändert sich die Richtung der Stromstärke von der Entladerichtung in die Laderichtung zum Ausgleich der aufgrund der Selbstentladung der Batterie bewirkten Ladungsverluste. Nach einiger Zeit stabilisiert sich die Stromstärke zur stabilisierten Ladestromstärke. Eine höhere Testspannung als die Leerlaufspannung würde möglicherweise zu einer verlängerten Dauer bis zum Erreichen des CZCP führen, wobei es auch im Rahmen des Möglichen liegt, dass der CZCP dann nie erreicht wird. Eine geringere Testspannung hat zudem den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Stabilisierung der Stromstärke bewirkbar und somit der erste Sicherheitszustand der Batterie zuverlässig ermittelbar ist.
  • Weiter bevorzugt beträgt die Testspannung zwischen 99,999% und 99,98% der Leerlaufspannung. Bis zu einem kritischen Punkt gilt, je näher die Testspannung von unten an der Leerlaufspannung liegt, desto schneller wird der CZCP erreicht. Ein weiteres Annähern der Testspannung an die Leerlaufspannung über den kritischen Punkt würde dazu führen, dass bei der Stabilisierung der Stromstärke wieder eine Verzögerung eintritt oder eine Stabilisierung der Stromstärke nicht erfolgt. Daher hat ein derartiger Abstand den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine besonders rasche Stabilisierung der Stromstärke zur stabilisierten Ladestromstärke erzielbar und somit der erste Sicherheitszustand der Batterie zuverlässig ermittelbar ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Batterie vor der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens auf einen definierten SoC aufgeladen oder entladen wird. Als definierter SoC wird vorzugsweise ein SoC gewählt, welcher für einen Sicherheitszustand der Batterie besonders repräsentativ ist, insbesondere aufgrund elektrochemischer Eigenschaften der Batterie. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Zuverlässigkeit der Ermittlung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie verbessert ist.
  • Vorzugsweise beträgt der definierte SoC zwischen 70% und 90% eines maximalen SoC der Batterie. In diesem Bereich spielen elektrochemische Nebeneffekte bzw. Nebenreaktionen der Batterie üblicherweise eine untergeordnete Rolle, sodass hierdurch die Messergebnisse geringer beeinträchtigt werden. Dies hat somit den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Zuverlässigkeit der Ermittlung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie verbessert ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt eine Zeitdauer zur Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens zum Bestimmen des ersten Sicherheitszustands zwischen 20 Stunden und 80 Stunden. Eine kurze Zeitdauer hat den Vorteil, dass die Diagnoseergebnisse schneller vorliegen, dafür kann es zu einer Ungenauigkeit kommen, falls sich die Stromstärke noch nicht stabilisiert hat. Bei einer längeren Zeitdauer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Stromstärke stabilisiert hat, höher, dafür dauert es länger, bis die Diagnoseergebnisse vorliegen. Ein solches Zeitfenster hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Vor- und Nachteile der Zeitdauern abgewogen sind, sodass ein Verhältnis von Zuverlässigkeit zur Geschwindigkeit der Ermittlung des ersten Sicherheitszustands der Batterie verbessert ist.
  • Besonders bevorzugt beträgt eine Zeitdauer zur Durchführung des zweiten Diagnoseverfahrens zum Bestimmen des zweiten Sicherheitszustands über 80 Stunden. Das zweite Diagnoseverfahren ist grundsätzlich zeitintensiver als das erste Diagnoseverfahren. Ab einer Dauer von 80 Stunden lassen sich zuverlässige Diagnoseergebnisse ermitteln. Demnach ist es bevorzugt, dass bei einer längeren Stillstandzeit der Batterie als 80 Stunden das zweite Diagnoseverfahren länger durchgeführt wird, beispielsweise bis die Batterie wieder genutzt wird oder sich die bestimmten zweiten Sicherheitszustände einem Schwellwert angenähert haben. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Zuverlässigkeit der Ermittlung des zweiten Sicherheitszustands der Batterie verbessert ist.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Batterietemperatur während der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens mittels einer Temperierungsvorrichtung konstant gehalten wird. Die Temperierungsvorrichtung ist beispielsweise als Kühlvorrichtung und/oder Heizvorrichtung ausgebildet. Durch eine konstante Temperatur der Batterie während der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens lassen sich Nebeneffekte weitestgehend eliminieren, sodass die Diagnoseergebnisse auf diese Weise verbesserbar sind. Dies hat demnach den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Zuverlässigkeit der Ermittlung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie verbessert ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein Antriebssystem mit einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer Batterie zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben des Elektromotors auf. Erfindungsgemäß ist das Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich somit sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige sowie quantifizierte und somit gut vergleichbare Bestimmung des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie des Kraftfahrzeugs gewährleistet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter realen Bedingungen während des laufenden Fahrzeugbetriebs, insbesondere während eines Parkvorgangs, automatisch durchführbar. Das zweistufige Diagnoseverfahren hat zudem die Vorteile verhältnismäßig schnell verfügbarer Diagnoseergebnisse durch das erste Diagnoseverfahren sowie einer bedarfsorientierten Überprüfung der Diagnoseergebnisse durch das zweite Diagnoseverfahren.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • 2 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Gemäß einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein erstes Diagnoseverfahren zur Bestimmung eines ersten Sicherheitszustands der Batterie 1 (vgl. 2) durchgeführt. Dieser erste Verfahrensschritt 100 wird vorzugsweise wiederholt durchgeführt, wobei Veränderungen des ersten Sicherheitszustands mit einem vordefinierten Veränderungsschwellwert verglichen werden.
  • Unter der Voraussetzung, dass der erste Sicherheitszustand mehrmals bestimmt wurde und Veränderungen des ersten Sicherheitszustands den vordefinierten Veränderungsschwellwert übersteigen, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 200 ein zweites Diagnoseverfahren zur Bestimmung eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie 1 durchgeführt.
  • In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird mittels einer Bestimmungsvorrichtung 6 (vgl. 2) über ein Auswahlverfahren der aktuelle Sicherheitszustand der Batterie 1 ausgewählt. Hierbei wird der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand verwendet.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 2 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Antriebssystem 9 mit einem Elektromotor 10 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 2 sowie einer Batterie 1 zum Versorgen des Elektromotors 10 mit elektrischer Energie auf. Das Kraftfahrzeug 2 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und weist hierfür eine Spannungsermittlungsvorrichtung 3 zum Ermitteln einer Leerlaufspannung der Batterie 1, eine Spannungsversorgungsvorrichtung 4 zum Beaufschlagen der Batterie 1 mit einer Testspannung, eine Stromermittlungsvorrichtung 5 zum Ermitteln einer Stromstärke der Batterie 1, eine Temperaturermittlungsvorrichtung 7 zum Ermitteln einer Batterietemperatur der Batterie 1 sowie eine Bestimmungsvorrichtung 6 zum Bestimmen des aktuellen Sicherheitszustands der Batterie 1 auf. Überdies weist das Kraftfahrzeug 1 eine Temperierungsvorrichtung 8 zum Halten der Batterie 1 auf einer vorgegebenen Soll-Temperatur bzw. zum Verändern der Batterietemperatur auf die Soll-Temperatur auf.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Kraftfahrzeug
    3
    Spannungsermittlungsvorrichtung
    4
    Spannungsversorgungsvorrichtung
    5
    Stromermittlungsvorrichtung
    6
    Bestimmungsvorrichtung
    7
    Temperaturermittlungsvorrichtung
    8
    Temperierungsvorrichtung
    9
    Antriebssystem
    10
    Elektromotor
    100
    erster Verfahrensschritt
    200
    zweiter Verfahrensschritt
    300
    dritter Verfahrensschritt
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Cabrera-Castillo et al. behandeln im „Journal of Power Sources“ (Ausgabe 324, 30. August 2016, Seiten 509-520) [0005]
    • Li-Ion Zelle („Enhancing Li-Ion Battery Safety by Early Detection of Nascent Internal Shorts“, Journal of The Electrochemical Society, Januar 2017) [0010]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Sicherheitszustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs (2), aufweisend die folgenden Schritte: - Durchführung eines ersten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines ersten Sicherheitszustands der Batterie (1), wobei das erste Diagnoseverfahren der Batterie (1) die folgenden Schritte umfasst: - Ermitteln der Leerlaufspannung der Batterie (1) zwischen elektrischen Anschlüssen der Batterie (1) mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung (3), - Versorgen der Batterie (1) mit einer Testspannung mittels einer Spannungsversorgungsvorrichtung (4), - Wiederholtes Ermitteln einer Stromstärke zwischen den elektrischen Anschlüssen der Batterie (1) mittels der Stromermittlungsvorrichtung (5), - Bestimmen einer stabilisierten Ladestromstärke aus den ermittelten Stromstärken mittels einer Bestimmungsvorrichtung (6), wobei die Spannungsversorgungsvorrichtung mit der stabilisierten Ladestromstärke eine Selbstendladung der Batterie (1) kompensiert, und - Bestimmen eines ersten Sicherheitszustands der Batterie (1) auf Basis der bestimmten stabilisierten Ladestromstärke mittels der Bestimmungsvorrichtung (6), - Durchführung eines zweiten Diagnoseverfahrens zur Bestimmung eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie (1), wenn der erste Sicherheitszustand mehrmals bestimmt wurde und Veränderungen des ersten Sicherheitszustands einen vordefinierten Veränderungsschwellwert übersteigen, wobei das zweite Diagnoseverfahren der Batterie (1) die folgenden Schritte umfasst: - Ermitteln eines Leerlaufspannungsverlaufs der Batterie (1) zwischen den elektrischen Anschlüssen mittels der Spannungsermittlungsvorrichtung (3) über einen Ermittlungszeitraum, - Ermitteln eines Batterietemperaturverlaufs der Batterie (1) mittels einer Temperaturermittlungsvorrichtung (7) über den Ermittlungszeitraum, und - Bestimmen eines zweiten Sicherheitszustands der Batterie (1) auf Basis des Leerlaufspannungsverlaufs und des Batterietemperaturverlaufs unter Verwendung des Yazami-Theorems mittels der Bestimmungsvorrichtung (6), - Auswählen des ersten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie (1), wenn der erste Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie (1) ist, oder Auswählen des zweiten Sicherheitszustands mittels der Bestimmungsvorrichtung als aktuellen Sicherheitszustand der Batterie (1), wenn der zweite Sicherheitszustand der zuletzt bestimmte Sicherheitszustand der Batterie (1) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Testspannung während der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens konstant gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens eine Testspannung verwendet wird, welche geringer als die Leerlaufspannung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Testspannung zwischen 99,999% und 99,98% der Leerlaufspannung beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) vor der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens auf einen definierten SoC aufgeladen oder entladen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte SoC zwischen 70% und 90% eines maximalen SoC der Batterie (1) beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitdauer zur Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens zum Bestimmen des ersten Sicherheitszustands zwischen 20 Stunden und 80 Stunden beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitdauer zur Durchführung des zweiten Diagnoseverfahrens zum Bestimmen des zweiten Sicherheitszustands über 80 Stunden beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietemperatur während der Durchführung des ersten Diagnoseverfahrens mittels einer Temperierungsvorrichtung (8) konstant gehalten wird.
  10. Kraftfahrzeug (2), aufweisend ein Antriebssystem (9) mit einem Elektromotor (10) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (2) und einer Batterie (1) zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben des Elektromotors (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach den vorangegangenen Ansprüchen ausgebildet und eingerichtet ist.
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Li-Ion Zelle („Enhancing Li-Ion Battery Safety by Early Detection of Nascent Internal Shorts", Journal of The Electrochemical Society, Januar 2017)
SAZHIN, S.V. ; DUFEK, E.J. ; GERING, K.L.: Enhancing li-ion battery safety by early detection of nascent internal shorts. In: Journal of the Electrochemical Society, Vol. 164, 2017, No. 1, S. A6281-A6287. - ISSN 1945-7111 (E); 0013-4651 (P). DOI: 10.1149/2.0431701jes]. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0431701jes/pdf [abgerufen am 2020-06-10]

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