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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Spannungsmessfehlers beim Messen einer ersten Zellspannung bei einer ersten Zelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen. Zur Erfindung gehören auch eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Detektionseinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Spannung insbesondere von Lithiumionenbatterien, zum Beispiel von Hochvoltbatterien für Elektrofahrzeuge, für einen sicheren Betrieb auf Zellebene überwachen. Diese Spannungsmessung ist dabei einerseits sicherheitsrelevant, um bei Überspannung oder Unterspannung den elektrochemischen Speicher sofort abschalten zu können. Außerdem ist sie unter anderem für die Ladezustandsbestimmung und das Balancing des Speichers relevant. Dabei besteht eine solche Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, oftmals aus einem oder mehreren Zellmodulen. Die Zellspannungen eines jeden Moduls können dabei gemessen und überwacht werden. Eine solche Messung oder Überwachung kann durch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis ausgeführt werden. Ein solcher Schaltkreis weist oft noch ein diskretes Filter, insbesondere einen Tiefpass, auf und außerdem ist oftmals eine Schutzbeschaltung des integrierten Schaltkreises nötig. Kommt es in dieser Beschaltung zu einem Bauteilschaden, wenn zum Beispiel ein Widerstand oder Kondensator bricht oder seinen Wert über die Zeit ändert, können im schlimmsten Fall die Zellspannungsmessung fehlerhaft werden, ohne dass das diagnostizierbar ist. Ein Batteriemanagementcontroller würde in Folge der fehlerhaften Spannungsmesser versuchen, die Zahlen wieder auf ein einheitlich gemessenes Spannungslevel zu balancen. Dies führt im schlimmsten Fall dazu, dass im Ausgangszustand eine physikalisch gut gebalancte Batterie auseinandergebalanct wird. Folglich kann es passieren, dass alle gemessenen Zellspannungen nach dem Balancing wieder nahe beieinander sind, real aber eine Zelle deutlich höher oder tiefer von ihrer Spannungslage ist, ohne dass dies erkannt wird. Problematisch ist dies vor allem, wenn eine Zelle eine höhere Spannung aufweist, als real gemessen, da diese Zelle beim Laden überladen wird und im schlimmsten Fall thermisch durchgeht.
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Die
DE 10 2018 215 575 B3 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität einer Batteriezelle, welche so konzipiert ist, dass sich Messfehler weniger stark im Ergebnis niederschlagen. Eine Detektion von Messfehlern dagegen ist hierbei nicht möglich.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2017 103 991 A1 ein Verfahren zum initialisieren des Batteriezellenladezustands beim Vorhandensein von Spannungsmessunsicherheiten. Hierbei wird der Ladezustand einer Zelle, wenn sich die Amperestundenänderung einer Zelle über einen Zeitraum betrachtet von einer durchschnittlichen Amperestundenänderung unterscheidet, auf Basis der durchschnittlichen Amperestundenänderung ermittelt. Dadurch kann verhindert werden, dass sich Spannungsmessfehler in einem falsch ermittelten Ladezustand der Zelle niederschlagen. Zur Detektion eines Spannungsmessfehlers ist diese Vorgehensweise aber nicht geeignet. Weiterhin wird der Ladezustand einer Zelle auf Basis der gemessenen Ruhespannung der Batteriezelle und einer Ruhespannungs-Ladezustands-Kennlinie ermittelt. Um einen Spannungsmessfehler beim Ermitteln der Ruhspannung zur detektieren, kann die gemessene Spannung mit einer Modellspannung verglichen werden, die aufgrund eines Batteriezellenmodells prognostiziert wird. Dabei lässt sich ein Spannungsmessfehler lediglich für einen bestimmten Zeitpunkt erfassen, nämlich wenn sich die Batterie in Ruhe befindet. Zu diesem Zeitpunkt hat typischerweise bereits ein Balancing stattgefunden. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein rechtzeitiges Detektieren eines Spannungsmessfehlers, bevor eine Zelle basierend auf der falsch gemessenen Spannung falsch gebalanct und zum Beispiel massiv überladen wurde, ebenfalls nicht bereitstellen. Ein weiterer Nachteil dieser Vorgehensweise besteht zudem darin, dass Zellen mit erhöhter Selbstentladung zu einem falschen Ergebnis bezüglich der Ladezustandsermittlung führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Detektieren eines Spannungsmessfehlers, eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst schnelle und zuverlässige Detektion eines Spannungsmessfehlers beim Messen der Zellspannung einer Batteriezelle ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren eines Spannungsmessfehlers beim Messen einer ersten Zellspannung einer ersten Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen wird mindestens ein erster Zellspannungswert der ersten Batteriezelle im Betrieb der Batterie in einem ersten Zeitschritt erfasst und mit mindestens einem Referenzspannungswert einer Referenzspannung verglichen, der dem gleichen ersten Zeitschritt zugeordnet ist, wobei der Spannungsmessfehler in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs detektiert wird.
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Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen gibt es je nach Fehlerursache zwei Effekte, entweder wird eine oder mehrere Zellen mit einem fehlerhaften Offset gemessen oder das Potential zwischen zwei benachbarten Zellen verzieht sich, sodass eine Zelle mit einer fälschlich zu hohen und die andere mit einer zu niedrigen Spannung gemessen wird. Ein solches verzogenes Potential wird auch als floatendes Potential bezeichnet. Beide Fälle lassen sich auf einfache Weise dadurch detektieren, indem die Zellspannung einer solchen Zelle mit einem Referenzspannungswert, am einfachsten der Zellspannung einer anderen Zelle oder dem Mittelwert der Zellspannung der anderen Zellen, verglichen wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, dass ein solcher Vergleich auch im Betrieb der Batterie durchgeführt werden kann. Denn dadurch ist es möglich, einen Spannungsmessfehler noch rechtzeitig zu erkennen, zum Beispiel bevor eine Zelle beim Laden aufgrund des Spannungsmessfehlers massiv überladen wird. Entsprechend können dann noch rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden oder ein Überladen der Zelle verhindert werden. Dabei ist es nicht nur möglich, sondern auch von großem Vorteil, den mindestens einen ersten Zellspannungswert der Batteriezelle, das heißt der ersten Batteriezelle, im Betrieb der Batterien und nicht in einem Ruhezustand einer Batterie zu erfassen, denn im Betrieb der Batterien ist dieser oftmals noch nicht gebalanct, d.h. ausgeglichen, oder zumindest ist ein Balancingvorgang noch nicht komplett abgeschlossen, was es erleichtert, Spannungsmessfehler während des Betriebs der Batterie zu detektieren. Nichts desto weniger ist es auch möglich, einen Spannungsmessfehler einer Zellspannung einer Batteriezelle einer bereits gebalancten Batterie zu detektieren, wie dies später näher erläutert wird. Durch die Erfindung wird es damit ermöglicht, einen Spannungsmessfehler auf besonders schnelle und effiziente Weise zu detektieren.
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Das beschriebene Verfahren und die weiteren nachfolgend noch erläuterten Ausführungsformen des Verfahrens können dabei für jede der mehreren Batteriezellen als die erste Batteriezelle durchgeführt werden. Beispielsweise kann es so vorgesehen sein, dass der erste Zellspannungswert mit jedem Zellspannungswert einer jeweiligen der mehreren Batteriezellen als Referenzspannungswert verglichen wird. Mit anderen Worten kann der erste Zellspannungswert nicht nur mit einem einzigen Referenzspannungswert sondern auch mit mehreren verglichen werden, um den Spannungsmessfehler zu detektieren. Insgesamt kann jede Zellspannung jeder der mehreren Batteriezellen mit jeder anderen Zellspannung der übrigen Batteriezellen verglichen werden. Bei n Batteriezellen ergeben sich also n . (n-1) Vergleiche. Als Referenzspannungswert kann aber auch ein Mittelwert dienen, zum Beispiel der Mittelwert aller Zellspannungen oder der Mittelwert aus allen Zellspannungen bis auf die erste Zellspannung. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass als Referenzwert eine Modellspannung dient, die auf Basis eines die Batteriezellen modellierenden Zellmodells bereitgestellt wird oder dass die Referenzspannung durch eine der jeweiligen Batteriezellen zugeordneten Spannungskennlinie bereitgestellt wird. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Referenzspannung von einer solchen Modellspannung verschieden ist und insbesondere als Referenzspannung zumindest eine Zellspannung der übrigen Batteriezellen zu verwenden, da diese zur Detektion der Spannungsmessfehler und auch im Übrigen zu Überwachungszwecken ohnehin erfasst werden.
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Weiterhin können die mehreren Batteriezellen einem gemeinsamen Batteriemodul der Batterie zugeordnet sein, welche mehrere Batteriemodule umfasst. Das Verfahren kann weiterhin für ein jeweiliges Batteriemodul von einem jeweiligen dem Batteriemodul zugeordnet Modulsteuergerät, einem sogenannten Zellmodulcontroller (CNC) durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann jedes Batteriemodul von einem eigenen Zellmodulcontroller überwacht werden. Ein solcher Zellmodulcontroller kann dabei einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit), das heißt einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, aufweisen, welcher die einzelnen Zellspannungen misst und überwacht. Da die Zellspannungen in der Regel auch unabhängig von einer Detektion eines Spannungsmessfehlers überwacht werden, kann diese zusätzliche Detektionsfunktion zur Detektion einer solchen Spannungsmessfehlers auf besonders einfach Weise ebenfalls von den genannten Zellmodulcontrollern übernommen werden.
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Zudem ist es bevorzugt, dass das Verfahren während eines Ladevorgangs zum Laden der Batterie durchgeführt wird oder zumindest die erfassten Zellspannungswerte während eines solchen Ladevorgangs erfasst wurden. Insbesondere ist es bevorzugt, eine solche Erfassung während des Ladens mit einem konstanten Ladestrom durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass beim Laden, insbesondere mit einem Wechselstrom oder Gleichstrom als Eingangsstrom, mit konstanter Ladestromstärke keine überlagerten Effekte auftreten. Dadurch können die erfassten Zellspannungswerte einfach mit dem zumindest einen Referenzspannungswert verglichen werden, um Spannungsmessfehler zu detektieren. Im Übrigen kann das Verfahren auch nach einem Ladevorgang durchgeführt werden und auf während des Ladens erfasste und gespeicherte Zellspannungswerte zurückgreifen. Dies ist bei der später erläuterten Betrachtung der zeitlichen Verläufe der Zellspannungen von Vorteil. Beim Laden mit Wechselstrom als Eingangsstrom ist der der Batterie zugeführte Ladestrom dennoch ein Gleichstrom, da der Eingangsstrom in diesem Fall vor dem Zuführen zur Batterie gleichgerichtet wird. Ein Laden mit Wechselstrom als Eingangsstrom erfolgt dabei in der Regel mit einer geringeren Leistung und Stromstärke als ein Laden mit Gleichstrom als Eingangsstrom.
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Des Weiteren wird der erste Zellspannungswert vorzugsweise wiederholt erfasst, das heißt es erfolgen in aufeinanderfolgender Zeitschritten wiederholt Messungen der ersten Zellspannung. Der Vergleich mit dem Referenzspannungswert erfolgt dann entsprechend zu jeweils korrespondierenden Zeitschritten. Es kann also auch der Referenzspannungswert für die jeweiligen aufeinanderfolgenden Zeitschritte vorgegeben beziehungsweise gemessen werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spannungsmessfehler zumindest in einem ersten Fall zumindest unter der Voraussetzung detektiert, dass der mindestens eine erste Zellspannungswert um einen vorbestimmten ersten Mindestwert vom Referenzspannungswert abweicht, der insbesondere den Wert mindestens einer zweiten Zellspannung mindestens einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen der Batterie darstellt, der in einem gleichen vorbestimmten Zeitschritt ermittelt wurde, wie der erste Zellspannungswert.
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Diese Ausgestaltung hat den großen Vorteil, dass sich so während des Betriebs der Batterie sowohl ein floatendes Potential zwischen zwei Batteriezellen als auch eine einzelne falsch gemessene Zellspannung detektieren lässt. Bei einem floatenden Potential zwischen zwei Batteriezellen driften diese beispielsweise hinsichtlich ihrer Zellspannungen auseinander. Dies führt dazu, dass diese beiden Zellspannungen sich irgendwann um einen solchen vorbestimmten Mindestwert, zum Beispiel 50 Millivolt unterscheiden. Entsprechend ist die Detektion eines solchen Spannungsunterschieds um mindestens den vorbestimmten Mindestwert ein Hinweis auf das Vorliegen eines Spannungsmessfehlers. Dieser Mindestwert kann dabei im Bereich zwischen 20 und 80 Millivolt liegen, vorzugsweise im Bereich zwischen 30 und 70 Millivolt. Wird eine einzelne Zellspannung falsch gemessen, so äußert sich dies ebenfalls darin, dass die Zellspannung der betroffenen Batteriezelle zu allen anderen um mehr als einen absoluten Schwellenwert, das heißt den vorbestimmten ersten Mindestwert, zum Beispiels ebenfalls 50 Millivolt abweicht. Durch dieses Kriterium lassen sich daher Spannungsmessfehler mit verschiedenen Ursachen detektieren.
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Dass der Spannungsmessfehler dabei zumindest in einem ersten Fall zumindest unter der genannten Voraussetzung detektiert wird, so dabei so verstanden werden, dass einerseits noch eine oder mehrere weitere Voraussetzungen vorgesehen sein können, die ebenfalls erst erfüllt sein müssen, damit der Spannungsmessfehler als detektiert gilt, und andererseits können auch andere Fälle vorgesehen sein, in welchen diese Voraussetzung zur Detektion eines Spannungsmessfehlers nicht erfüllt sein muss, sondern zum Beispiel andere Voraussetzungen. Mit anderen Worten kann die beschriebene Voraussetzung in einem Beispiel eine notwendige Bedingung für die Detektion des Spannungsmessfehlers darstellen, muss aber nicht notwendigerweise eine hinreichende Bedingung darstellen. Dies wäre aber in einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung ebenso denkbar. Andererseits können auch andere Bedingungen, die nachfolgend näher beschrieben werden, an die Spannungsmessfehlerdetektion geknüpft sein, so dass obige Voraussetzung in anderen Ausführungsvarianten der Erfindung, zum Beispiel in den nachfolgend erläuterten zweiten, dritten, vierten und fünften Fällen, nicht zwingend eine notwendige Bedingung darstellen muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mehreren Batteriezellen in einer Reihenschaltung angeordnet. Darüber hinaus ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die erste Batteriezelle bezüglich der Reihenschaltung benachbart zu einer zweiten und dritten Batteriezelle angeordnet ist und die zweite Batteriezelle benachbart zur ersten und einer vierten Batteriezelle angeordnet ist, wobei der Spannungsmessfehler zumindest in einem zweiten Fall zumindest unter der Voraussetzung detektiert wird, dass der erste Zellspannungswert von einem dritten Zellspannungswert der dritten Batteriezelle in einer ersten Richtung um mehr als einen vorbestimmten zweiten Mindestwert abweicht und ein zweiter Zellspannungswert der zweiten Batteriezelle von einem vierten Zellspannungswert der vierten Batteriezelle in einer zur ersten entgegengesetzten zweiten Richtung um mehr als den vorbestimmten zweiten Mindestwert abweicht. Dabei kann der Referenzspannungswert zum Beispiel den zweiten Zellspannungswert darstellen. Durch diese Vorgehensweise lässt sich beispielsweise detektierten, wenn ein floatendes Potential zwischen zwei Zellen, in diesem Beispiel der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle vorliegt. Bei der ersten und zweiten Batteriezelle handelt es sich also um zwei zueinander in der Reihenschaltung benachbart angeordneten Batteriezellen. Ist das Potential zwischen diesen beiden Batteriezellen verzogen, so kann dies einerseits durch die oben bereits beschriebene Maßnahme, dass ein Unterschied zwischen der ersten und zweiten Batteriezellenspannung den vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, detektiert werden. Um das Verfahren, zum Beispiel gegen Temperatureinflüsse, noch robuster zu gestalten, können die Zellspannungen der ersten und zweiten Batteriezelle zudem noch mit Bezug auf ihre anderen beiden Zellnachbarn verglichen werden, in diesem Fall die dritte Batteriezelle und die vierte Batteriezelle. Denn in diesem Fall weichen die Zellspannungen der ersten und zweiten Batteriezelle gegenüber ihren anderen Nachbarn in unterschiedliche Richtungen ab. Wird also ein solchen Abweichen in unterschiedliche Richtungen bezüglich dieser anderen beiden Zellnachbarn detektiert, so kann nun vorteilhafterweise nicht nur auf das Vorliegen eines Spannungsmessfehlers geschlossen werden, sondern zudem auch auf die Art des Spannungsmessfehlers, nämlich auf ein floatendes Potential zwischen zwei Zellen. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der zweite Mindestwert betragsmäßig kleiner gewählt wird als der oben genannte erste Mindestwert, da in einem solchen Fall eines floatenden Potentials die Zellspannungen der ersten und zweiten Batteriezelle in der Regel um einen größeren Wert voneinander abweichen als in Bezug zu den Zellspannungen ihrer jeweilige anderen Zellnachbarn.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Zellspannung wiederholt in aufeinanderfolgenden Zeitschritten erfasst, wodurch für jeden Zeitschritt ein erster Zellspannungswert bereitgestellt ist, wobei für jeden der aufeinanderfolgenden Zeitschritte ein jeweiliger Referenzspannungswert bereit bereitgestellt ist, und wobei für jeden der aufeinanderfolgend Zeitschritte ein Unterschied zwischen dem ersten Zellspannungswert und dem Referenzspannungswert ermittelt wird, wobei der Spannungsmessfehler in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf des Unterschieds detektiert wird. Mit andere Worten können nicht nur die Unterschiede zwischen Zellspannungen zu einem bestimmten Zeitschritt miteinander verglichen werden, sondern auch der Verlauf dieses Unterschieds und dessen Entwicklung im Laufe der Zeit betrachtet werden, um Spannungsmessfehler zu detektieren. Dadurch kann eine noch zuverlässigere Erfassung solcher Spannungsmessfehler bereitgestellt werden.
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Im allgemeinen kann es also vorgesehen sein, dass für jeden der aufeinanderfolgenden Zeitschritte der jeweilige erste Zellspannungswert mit dem den gleichen Zeitschritt zugeordneten Referenzspannungswert verglichen wird, wobei dann der Spannungsmessfehler in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs detektiert wird. Insbesondere die Differenz zwischen dem Zellspannungswert und dem Referenzspannungswert für einen gleichen Zeitschritt enthält eine Information darüber, ob möglicherweise ein Spannungsmessfehler vorliegt oder nicht. Da sich defekte im Laufe der Zeit auch langsam entwickeln können, kann es sein, dass eine solche Differenz nicht initial einen großen Sprung aufweist sondern zum Beispiel im Laufe der Zeit langsam größer wird. Dies lässt sich nun vorteilhafterweise anhand der Betrachtung des Unterschieds im Laufe der Zeit vorteilhafter Weise feststellen.
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Dabei ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Spannungsmessfehler zumindest in einem dritten Fall zumindest unter der Voraussetzung detektiert wird, dass sich der Unterschied im zeitlichen Verlauf über eine vorbestimmte Anzahl an aufeinanderfolgenden Zeitschritten vergrößert. Ein zunehmender Unterschied weist auf das Vorliegen eines Spannungsmessfehlers hin. Da dies aber auch andere Ursachen haben kann, wie beispielsweise unterschiedliche Kapazitäten der Batteriezellen, ist es zudem besonders vorteilhaft, wenn an diese Voraussetzung noch eine weitere Bedingung geknüpft ist.
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Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn der Spannungsmessfehler zumindest in einem vierten Fall zumindest unter der Voraussetzung detektiert wird, dass ein Betrag eines zeitlichen Gradients des Unterschieds einen vorbestimmten ersten Gradientengrenzwert überschreitet. Ein solcher Gradientengrenzwert kann zum Beispiel bei 10 Millivolt pro Sekunde liegen oder im Allgemeinen zwischen 5 Millivolt pro Sekunde und 15 Millivolt pro Sekunde. In einem Spannungsmessfehlerfall können die Zellspannungen beziehungsweise die erste Zellspannung in Bezug auf die Referenzspannung sehr schnell auseinander driften, so dass dies durch obiges Kriterium erkannt werden kann. Das Erfülltsein obiger Voraussetzung macht einen Spannungsmessfehler sehr wahrscheinlich, da sich die Kapazitäten verschiedener Batteriezellen innerhalb eines Zellmoduls auch bedingt durch unterschiedliche Alterungseffekte typischerweise nicht so stark unterscheiden können, um ein solch schnelles Auseinanderdriften der Zellspannungen zu erklären. Durch dieses Kriterium lässt sich also ein Spannungsmessfehler besonders zuverlässig detektieren. Insbesondere weist das Erfülltsein dieses Kriteriums, nämlich dass ein vorbestimmter Gradientengrenzwert überschritten wird, auf eine einzelne falschgemessene Zelle hin. Ein Fehler kann dadurch nicht nur detektiert sondern auch lokalisiert werden.
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Um zum Beispiel ein floatendes Potential zwischen zwei Zellen zu detektieren, kann ebenfalls der Spannungsunterschied zwischen der ersten Zellspannung und der Referenzspannung, die durch eine benachbarte Batteriezelle bereitgestellt wird, betrachtet werden, insbesondere ebenfalls im zeitlichen Verlauf mehrere aufeinanderfolgende Zeitschritte. Das Auseinanderdriften dieser Spannungen, das heißt ein größer werdendes Spannungsdelta, gibt auch hierbei einen Hinweis auf das Vorliegen eines Spannungsmessfehlers. Auch hierbei kann dieses Kriterium noch an weitere Voraussetzungen zur Detektion des Spannungsmessfehlers geknüpft sein, wie zum Beispiel dass dieses Spannungsdelta, das heißt der oben beschriebene Unterschied, einen absoluten Schwellwert, zum Beispiel 50 Millivolt, überschreitet und/oder das auch die oben definierte zweite Zellspannung im Hinblick auf die vierte Zellspannung eine Differenz mit einem Betrag vorbestimmter Mindestgröße aufweist und/oder sich ebenso im Laufe der Zeit vergrößert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein erster zeitlicher Verlauf der ersten Zellspannung der ersten Batteriezelle erfasst, welcher den ersten Zellspannungswert umfasst, und mit mindestens einem zweiten zeitlichen Verlauf der Referenzspannung verglichen wird, der den Referenzspannungswert umfasst, wobei der Spannungsmessfehler in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs detektiert wird. Durch die zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, einen Fehler direkt im Betrieb, sobald dieser also auftritt zu erkennen und zu detektieren. Dennoch ist es theoretisch möglich, dass ein solcher Fehler aufgrund der oben beschriebenen Maßnahmen dennoch nicht erkannt wurde und dies hat dann zur Folge, dass die Batterie mit den falsch gemessenen Spannung geblanced wird, sodass schnell alle gemessen Spannungen wieder gleich erscheinen. Real sind die Zellen aber auf unterschiedliche Spannungsniveaus durch das fehlerhafte Balancing in diesem Fall gezogen worden. Aber auch dieser Fall lässt sich nun vorteilhafterweise erkennen, indem der zeitliche Verlauf der ersten Zellspannung, sowie auch der übrigen Zellspannungen der Batteriezellen, während des Betriebs, zum Beispiel während des Ladens der Batterie, erfasst, gespeichert und ausgewertet wird. Die Erfassung und Speicherung der Batteriezellspannungen kann zum Beispiel durch RTM (Real Time Monitoring), wie dies beispielsweise in China vorgesehen ist, erfolgen, gemäß welchem die Zellspannungen erfasst und an ein Backend, das heißt ein kraftfahrzeugexternen Server, übermittelt und dort gespeichert werden. Ähnliches gilt für einen flexiblen Datensammler, zum Beispiel einen flexiblen Datensammler oder einen statischen Datensammler, der die entsprechenden Daten ausliest. Damit muss kein großer Speicherplatz im Kraftfahrzeug selbst vorgesehen sein. Somit besteht die Möglichkeit, alle Zellspannungen, insbesondere beim Laden der Batterie auf charakteristische Änderungen durch einen Schaden im betreffenden Zellmodulcontroller zu überwachen und dann entsprechend zu reagieren. Es ist aber genauso denkbar, mit entsprechendem Speicheraufwand auch im Fahrzeug die Zellspannungen zu speichern. Die Speicherung kann zum Beispiel sich auf den letzten Ladezyklus der Batterie beziehen. Anschließend können die Daten wieder gelöscht werden.
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Es ist also vorteilhaft, einen ersten zeitlichen Verlauf der ersten Zellspannung mit einem zweiten zeitlichen Verlauf der Referenzspannung zu vergleichen, da sich hieraus ebenfalls Schlussfolgerungen bezüglich des Vorhandenseins eines Spannungsmessfehlers ziehen lassen. Auch hierbei kann die Referenzspannung wiederum wie oben bereits ausgeführt auf verschiedenste Arten und Weisen bereitgestellt sein. Auch hier ist es wiederum bevorzugt, dass die Referenzspannung durch mindestens eine weitere Batteriezelle des gleichen Batteriemoduls bereitgestellt wird. Diese kann also eine Einzelspannung einer weiteren Batteriezelle darstellen oder aber auch einen Spannungsmittelwert mehrerer oder aller Batteriezellen eines Moduls oder ähnliches. Besonders bevorzugt werden die aufgenommenen zeitlichen Verläufe jeder Batteriezelle mit jeder anderen Batteriezelle, insbesondere des gleichen Batteriemoduls, verglichen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein dritter zeitlicher Verlauf eines Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten zeitlichen Verlauf ermittelt wird. Analog wie oben bereits beschrieben enthält dieser Unterschied eine Information über einen möglicherweise fehlenden Spannungsmessfehler. Ein linear zunehmender Unterschied über die Ladezeit beim Laden der Batterie betrachtet deutet zum Beispiel lediglich auf eine Zelle mit einer anderen Kapazität hin. Ein Spannungsmessfehler kann aber detektiert werden zumindest in einem fünften Fall zumindest unter der Voraussetzung, dass der zeitliche Gradient des dritten zeitlichen Verlaufs des Unterschieds einen Vorzeichenwechsel aufweist, und/oder der dritte zeitliche Verlauf des Unterschieds einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, insbesondere in einem vorbestimmten Bereich des ersten und/oder zweiten zeitlichen Verlaufs, in welchem der erste beziehungsweise zweite zeitliche Verlauf ein lokales Extremum aufweisen.
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Diese Ausführungsformen beruhen auf der Erkenntnis, dass, wenn ein Spannungsmessfehler zumindest bezüglich einer Zelle vorliegt und die Zelle gebalanced ist, ihr tatsächlicher Ladezustand anders als der der anderen Zellen ist. Da sich die Form ihrer Ladekennlinie aber nicht ändert, führt ein Spannungsmessfehler bei dieser Zelle dazu, das besonders in nicht-linearen Teilen der Ladekennlinie höhere Deltas auftreten. Typischerweise ist dieser Effekt bei hohem und niedrigem Ladezustand der Batteriezelle stärker ausgeprägt als bei mittlerem Ladezustand. Es kann also das Spannungsdelta über einen Ladevorgang hinweg entsprechend überwacht und ausgewertet werden, um einen Spannungsmessfehler zu detektieren. Zappelt dieses Delta also beispielsweise mehr als ein Schwellenwert auf und ab, deutet dies auf den Fehler hin. Dieses auf und ab Zappeln äußerst sich in einem Vorzeichenwechsel des Gradienten des Spannungsdeltas. Dabei kann es also vorgesehen sein, dass nicht nur die Tatsache, dass dieser zeitliche Gradient einen Vorzeichenwechsel aufweist, ausreicht, um einen solchen Fehler zu detektieren, sondern es kann als weitere Voraussetzung zum Beispiel vorgesehen sein, dass dieser zeitliche Gradient zusätzlich zumindest betragsmäßig einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Auch kann ein mehrmaliger Vorzeichenwechsel ein Kriterium sein, um die Detektion noch zuverlässiger zu gestalten.
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Weiterhin können auch noch bekannte markante Punkte im Ladespannungsverlauf genauer analysiert werden. Diese markanten Punkte können KnickPunkte oder Hügel sein, das heißt lokale Extrema, insbesondere Maxima, in der Spannungskennlinie, deren Lage in Bezug auf den korrespondierenden Ladezustand für die jeweilige Zelle wohlbekannt ist. Zeigt sich an diesen Punkten ein größer werdendes Zellspannungsdelta der Zellen zueinander, deutet das wiederum darauf hin, dass eine Zelle tatsächlich einen anderen Ladezustand als die anderen aufweist und so diesen charakteristischen Punkt zu einem anderen Zeitpunkt erreicht. Dies kann entsprechend dadurch detektiert werden, in dem der zeitliche Verlauf, das heißt der oben definierte dritte zeitliche Verlauf des Unterschieds einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und zwar in einem vorbestimmten Bereich, in welchem der erste oder zweite zeitliche Verlauf ein lokales Extremum aufweist. Entsprechend weist auch der dritte zeitliche Verlauf in diesem Bereich typischerweise ein lokales Extremum auf, das den vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Folglich lassen sich auch nachdem die Zellen gebalanced wurden Spannungsmessfehler detektieren. Größere Fehler, die eine falsche Spannungsmessung einer einzelnen Batteriezelle betreffen, lassen sich darüber hinaus auch über einen Vergleich der gemessenen Systemspannung zur Summe der gemessenen Einzelspannungen erkennen. Mit anderen Worten können hierzu auch die einzelnen Zellspannungen der jeweiligen Batteriezellen eines Batteriemoduls oder aller Batteriemodule mit der gemessenen Gesamtspannung des Batteriemoduls oder der gesamten Batterie, insbesondere im Ruhezustand der Batterie ohne Stromfluss, gemessen und verglichen werden. Ohne Stromfluss sollten beide Spannungen, das heißt die Summenspannung sowie die gemessene Gesamtspannung, gleich sein. Weichen die gemessene Systemspannung zur Summe der gemessenen Einzelspannungen dagegen um mehr als eine Schwelle, zum Beispiel 200 Millivolt, ab, so ist auch hier von einem Fehler auszugehen. Damit sind vorteilhafterweise umfassende Möglichkeiten bereitgestellt, um auftretende Spannungsmessfehler sowohl im Betrieb als auch nach dem Balancen der Batterie zuverlässig zu detektieren.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Detektionseinrichtung zur Detektion eines Spannungsmessfehlers beim Messen einer Zellspannung einer ersten Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, mindestens einen ersten Zellspannungswert der ersten Batteriezelle im Betrieb der Batterie in einem ersten Zeitschritt zu erfassen und mit mindestens einem Referenzspannungswert einer Referenzspannung zu vergleichen, der dem gleichen ersten Zeitschritt zugeordnet ist, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs den Spannungsmessfehler zu detektieren.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung, 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 Detektionseinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Detektionseinrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Neben der Detektionseinrichtung kann das Kraftfahrzeug auch eine Batterie mit mehreren Batteriemodulen umfassen, welche wiederum jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Einem jeweiligen Batteriemodul kann dabei eine oben genannte Detektionseinrichtung zugeordnet sein. Die Detektionseinrichtung kann zum Beispiel in einem Zellmodulcontroller implementiert sein. Die Detektionseinrichtung kann aber auch zum Teil in einem Zellmodulcontroller und zum Teil in einem Batteriemanagementcontroller umgesetzt sein. Beispielsweise können die jeweiligen Zellmodulcontroller die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen ihres betreffenden zugeordneten Batteriemoduls erfassen und an den Batteriemanagementcontroller, einem zentralen Steuergerät für die Batterie, übermitteln. Dieser Batteriemanagementcontroller kann dann entsprechend die Auswertungen der Zellspannungen zur Detektion von Spannungsmessfehlern durchführen. Alternativ können diese Auswertungen aber auch ebenfalls von den Zellmodulcontrollern übernommen werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Batteriemodul und einer Detektionseinrichtung zur Detektion von Spannungsmessfehlern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs dreier Zellspannungen, von welchen eine falsch gemessen wurde; und
- 3 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs zweier gemessener Zellspannungen, von welchen eine fehlerhaft ist, sowie des zeitlichen Verlaufs deren Spannungsunterschied zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 mit einem Batteriemodul 12 und einer Detektionseinrichtung 14 zur Detektion von Spannungsmessfehlern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 kann zum Beispiel eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug darstellen. Die Batterie 10 kann entsprechend als Traktionsbatterie für ein solches Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Batterie 10 nicht nur das hier dargestellte Batteriemodul 12, sondern mehrere solcher Batteriemodule 12 aufweisen, insbesondere mit einem den jeweiligen Batteriemodul 12 zugeordneten Detektionseinrichtungen 14. Die Detektionseinrichtungen 14 können zum Beispiel als Zellmodulcontroller ausgebildet sein und zusätzliche Messaufgaben übergeben, die vorliegend jedoch nicht dargestellt sind. Das Batteriemodul 12 umfasst weiterhin mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 16, von denen exemplarisch vier dargestellt sind, nämlich eine erste Batteriezelle 16a, eine zweite Batteriezelle 16b, eine dritte Batteriezelle 16c und eine vierte Batteriezelle 16d. Die Detektionseinrichtung 14 ist weiterhin dazu ausgelegt, die jeweiligen Zellspannungen U1, U2, U3, U4 der jeweiligen Batteriezellen 16 zu erfassen. Dabei werden die betreffenden Zellspannungen U1, U2, U3, U4 zeitlich fortwährend erfasst, das heißt in mehreren, insbesondere vielzähligen aufeinanderfolgenden Zeitschritten. Die Erfassung erfolgt dabei während des Betriebs der Batterie 10, das heißt also zum Beispiel während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs sowie auch während des Ladens der Batterie 10. Um Spannungsmessfehler zu detektieren, werden die erfassten Spannungen U1, U2, U3, U4 ausgewertet, wobei es vorteilhaft ist, dies für einen Zeitraum zu tun, während welchem die Batterie 10 vorzugsweise mit konstantem Ladestrom geladen wird. Mit anderen Worten laufen die nachfolgend beschriebenen Berechnungen dabei vorzugsweise kontinuierlich im Laden ab, da im AC oder DC-Laden mit konstantem Ladestrom keine überlagerten Effekte auftreten. Spannungsmessfehler können im Allgemeinen durch beschädigte Eingangsfilter am anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis des Zellmodulcontrollers, welcher hier die Detektionseinrichtung 14 darstellt beziehungsweise von dieser umfasst ist, oder durch abgerissene und beschädigte Sensleitungen auftreten. Bisher können solche Fehler nicht immer sicher erkannt werden, was im schlimmsten Fall zur Überladung und schlussendlich zum thermischen Durchgehen einer Lithium-Ionen-Zelle führen kann. Durch die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen lassen sich solche Spannungsmessfehler jedoch zuverlässig detektieren. Die Erkennung eines Fehlers in der Spannungsmessung des ASIC, das heißt insbesondere in der Detektionseinrichtung 14, ist dabei zweigeteilt. In einem ersten Teil kann der Fehler direkt erkannt werden, wenn er im Betrieb der Batterie 10 auftritt. In einem zweiten Teil kann der Fehler erkannt werden, wenn die Batterie 10 nach dem Auftreten des Fehlers schon wieder gebalanced erscheint, tatsächlich aber eine oder mehrere Zellspannungen U1, U2, U3, U4 weiterhin falsch gemessen werden.
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Zunächst soll der erste Teil der Fehlererkennung anhand von 2 erläutert werden. 2 zeigt dabei eine schematische Darstellung dreier über die Zeit t gemessenen Zellspannungen U1, U2, U3, die zu den in 1 dargestellten Batteriezellen 16a, 16b, 16c korrespondieren können. In diesem Beispiel ist die erste Zellspannung U1 der ersten Batteriezelle 16a fehlerhaft. In diesem Beispiel ist dies sehr einfach daran zu erkennen, dass diese erste Zellspannung U1 einen signifikant anderen Verlauf aufweist als die anderen beiden Zellspannungen U2 und U3. Die anderen beiden Zellspannungen U2 und/oder U3 fungieren dabei in diesem Beispiel als Referenzspannung.
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Tritt ein Fehler in der Spannungsmessung des ASIC in der Detektionseinrichtung 14 im Betrieb auf, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, wie er sich äußert. Die erste Möglichkeit besteht in einem floatenden Potential zwischen zwei Zellen 16. Die andere Möglichkeit besteht darin, dass eine einzelne Zelle falsch gemessen wird, wie dies vorliegend in 2 für die erste Batteriezelle 16a der Fall ist. Im zweiten Fall kann ein solcher Fehler der Detektionseinrichtung 14 wie folgt erkannt werden: Die Spannungen aller Zellen U1, U2, U3, U4 werden auf einen Sprung einzelner Zellspannungen U1, U2, U3, U4 im Vergleich zu allen anderen, die damit als Referenzspannungen fungieren, um mehr als einen absoluten Schwellenwert, zum Beispiel 50 Millivolt, überwacht. Zu diesem Zweck kann der Unterschied zwischen den jeweiligen Zellspannungen U1, U2, U3, U4 ermittelt werden und mit einem solchen Schwellenwert verglichen werden. In 2 sind zwei solcher Unterschiede ΔU12 und ΔU13 für zwei unterschiedliche Zeitpunkte t1, t2 dargestellt. ΔU13 bezeichnet dabei die Spannungsdifferenz beziehungsweise deren Betrag zwischen der ersten Zellspannung U1 und der dritten Zellspannung U3 zum Zeitpunkt t1 und ΔU12 bezeichnet den Betrag der Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung U1 und der zweiten Zellspannung U2 zum Zeitpunkt t2. In beiden Fällen würde der Vergleich dieser Spannungsdifferenzen mit dem Schwellenwert zu dem Ergebnis führen, dass ein Spannungsmessfehler vorliegt. Außerdem kann auch kontinuierlich ein solches Spannungsdelta aller Zellen 16 zueinander bestimmt und über die Zeitdauer beobachtet werden. Steigt das Delta zwischen zwei Zellen 16 an und überschreitet einen Gradienten, zum Beispiel 10 Millivolt pro Sekunde, so ist das ebenfalls ein Hinweis auf einen Spannungsmessfehler. Auch dies kann als zusätzliches oder alternatives Detektionskriterium zur Detektion eines Spannungsmessfehlers dienen.
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Im ersten Fall eines floatenden Potentials zwischen zwei Zellen 16 kann dies zum Beispiel wie folgt erkannt werden: Dabei kann für jeden Zellmodulcontroller, insbesondere der Detektionseinrichtung 14, anhand der Zellspannungsmesswerte U1, U2, U3, U4 geprüft werden, ob plötzlich oder schleichend bei zwei benachbarten Zellen 16 eine Zellspannung U1, U2, U3, U4 nach unten und die anderen nach oben abweichen. Es heißt es wird das Spannungsdelta aller jeweils benachbarten Zellen 16 zueinander im gleichen CNC, das heißt durch die gleiche Detektionseinrichtung 14, geprüft. Wird das Spannungsdelta zwischen zwei benachbarten Zellen 16 kontinuierlich größer oder überschreitet einen absoluten Schwellenwert, zum Beispiel ebenfalls 50 Millivolt, ist von einem Fehler in der Spannungsmessung auszugehen. Um das Verfahren gegen Temperatureinflüsse robuster zu machen, kann auch noch gegen eine weitere Zelle 16 im selben CNC, das heißt der gleichen Detektionseinrichtung 14, als Referenz verglichen werden. Gegen diese Zellspannung muss ebenso eine Spannung zweier benachbarter Zellen größer und die andere kleiner sein. In Bezug auf 1 kann ein entsprechendes Beispiel wie folgt aussehen: Angenommen, das Potential zwischen der ersten Zelle 16a und der zweiten Zelle 16b ist verzogen, so äußerst sich dies einerseits darin, dass sich die Spannungen U1 und U2 voneinander unterscheiden, was anhand eines geeignet gewählten Schwellwerts erkannt werden kann. Zusätzlich weicht die erste Spannung U1 aber nicht nur von der zweiten Spannung U2 ab, sondern in entgegengesetzte Abweichungsrichtung auch zur Spannung U3 der weiteren benachbarten dritten Zelle 16c. Analog hierzu weicht die zweite Spannung U2 nicht nur zur ersten Spannung U1 ab, sondern auch zur vierten Spannung U4 der weiteren vierten benachbarten Zelle 16d, und zwar ebenfalls in entgegengesetzte Richtung wie zur ersten Spannung U1. Indem also die jeweiligen Spannungen U1, U2, U3, U4 jeweils benachbarter Zellen 16a, 16b, 16c, 16d miteinander verglichen werden, lässt sich dieser Fall des floatenden Potentials sicher detektieren.
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Falls ein Fehler im Betrieb auftritt, aber während des Betriebs durch eine der oben beschriebenen Vorgehensweisen aus irgendwelchen Gründen dennoch nicht erkannt werden kann, wird die Batterie 10 mit den jetzt falsch gemessenen Spannungen U1, U2, U3, U4 gebalanced, sodass schnell alle gemessenen Spannungen U1, U2, U3, U4 wieder gleich aussehen. Real sind die Zellen 16 aber auf unterschiedlichen Spannungsniveaus. Dennoch gibt es Möglichkeiten, auch in diesem Fall noch einen Spannungsmessfehler zu detektieren. Dies soll nun anhand von 3 erläutert werden.
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In diesem zweiten Teil der Fehlerdetektion wird im AC oder DC-Laden der gesamte Spannungsverlauf ausgewertet. In 3 sind dabei exemplarisch im oberen Diagramm drei Spannungsverläufe dargestellt. Der erste Spannungsverlauf U1 bezeichnet dabei die über die Zeit t während eines Ladevorgangs gemessene erste Spannung U1 und der zweite Spannungsverlauf U2 bezeichnet über die Zeit t während eines Ladevorgangs gemessene zweite Spannung U2. Im folgenden Beispiel ist angenommen, dass die erste Spannung U1 falsch gemessen wurde. Real sollte diese erste Spannung U1 anders verlaufen, nämlich gemäß der ebenfalls dargestellten Spannungsverlaufskurve U1'. Die jeweiligen Spannungsverläufe U1, U1' verlaufen dabei gemäß einer charakteristischen Ladekennlinie, die sich auch für einen auftretenden Spannungsmessfehler einer einzelnen Zelle 16 nicht ändert. Zur Detektion eines solchen Spannungsmessfehlers kann zunächst das Spannungsdelta aller Zellen 16 zueinander bestimmt werden. Ein solches Spannungsdelta U ist exemplarisch im unteren Teil von 3 dargestellt. Die dargestellte Kurve ΔU12 bezeichnet hierbei den zeitlichen Verlauf der Differenz zwischen dem ersten Spannungsverlauf U1 und dem zweiten Spannungsverlauf U2. Gerade durch Analyse des zeitlichen Verlaufs dieses Spannungsunterschieds ΔU lassen sich Spannungsmessfehler einfach detektieren. In Form eines Spannungsmessfehlers treten vor allem im nicht-linearen Teil der Ladekennlinien höhere Deltas ΔU auf. Typischerweise ist der Effekt bei hohem und niedrigem Ladezustand stärker ausgeprägt als bei mittlerem Ladezustand. Es kann also einfach das Spannungsdelta ΔU über einen Ladevorgang überwacht und ausgewertet werden. Zappelt dieses Delta ΔU mehr als einen Schwellenwert auf und ab, deutet dies auf einen Fehler hin. Ein linearer Anstieg eines solchen Spannungsdeltas ΔU über die Ladezeit t deutet dagegen nur auf eine Zelle 16 mit anderer Kapazität hin. Dieses Zappeln kann zum Beispiel anhand des Vorzeichens des Gradienten dieser Spannungsdeltaverlaufskurve ΔU 12 detektiert werden. Normalerweise sollte ohne Spannungsmessfehler diese Kurve ΔU12 monoton steigen oder fallen. Im vorliegenden Fall, wie dies in 3 zu erkennen ist, steigt die Kurve ΔU12 abschnittsweise und fällt wiederum. Daraus ergeben sich lokale Extrema. Diese können mit Schwellenwerten verglichen werden, um einen Spannungsmessfehler zu detektieren. Um das Verfahren zusätzlich noch robuster zu gestalten, können zusätzlich auch noch bekannte markante Punkte analysiert werden. Dies können Knickpunkte K1, K2 oder Hügel H1, H2, das heißt lokale Maxima, sein, deren Lage in Bezug auf den Ladezustand für die jeweilige Zelle 16 wohl bekannt ist. Zeigt sich an diesen Punkten, zum Beispiel wie in diesem Fall vor allem im Bereich der lokalen Maxima H1, H2, ein größer werdendes Zellspannungsdelta der Zellen 16 zueinander, deutet das wiederum darauf hin, dass eine Zelle tatsächlich einen anderen Ladezustand als die anderen aufweist und so diesen charakteristischen Punkt zu einem anderen Zeitpunkt t erreicht. Wie in der oberen Darstellung in 3 zu sehen, haben sich diese lokalen Maxima H1, H2, die eigentlich zum gleichen Zeitpunkt t auftreten sollten, zueinander zeitlich verschoben. Dies äußert sich in korrespondierenden Maxima des zeitlichen Verlaufs des Spannungsunterschieds ΔU12 gemäß der darunter liegenden Kurve. Insgesamt lässt sich also festhalten, dass sich Spannungsmessfehler anhand des zeitlichen Verlaufs des Spannungsunterschieds ΔU12 dadurch detektieren lassen, wenn festgestellt wird, dass dieser zeitliche Verlauf ΔU12 lokale Maxima vorbestimmter Mindesthöhe aufweist, was sich in einem häufigen Vorzeichenwechsel des Gradienten dieses zeitlichen Verlaufs ΔU12 äußerst, sowie auch grundsätzlich darin, dass dieser zeitliche Verlauf ΔU12 zumindest betragsmäßig größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert.
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Selbst wenn also, wie im vorliegenden Beispiel, die Spannungsdifferenz ΔU nicht sonderlich groß ist, so kann durch Betrachtung und Analyse weiterer Charakteristiken dieser Spannungsdifferenz ΔU ein Spannungsmessfehler dennoch detektiert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Methode zur Erkennung von Spannungsmessfehlern an Zellmodulcontrollern beziehungsweise Überwachungs-ASICs für elektrochemische Energiespeicher bereitgestellt werden kann, die es vorteilhafterweise ermöglicht, zuverlässig einen Schaden an der Zellspannungsmessung eines Zellmodulcontrollers zu erkennen und aufzufinden, sodass der Benutzer des Fahrzeugs gegebenenfalls gewarnt werden kann. Mögliche Maßnahmen für den Fall, dass ein solcher Spannungsmessfehler detektiert wurde, können beispielsweise die Ausgabe einer Warnmeldung im Kraftfahrzeug und/oder das Schreiben einer entsprechenden Information in einen Fehlerspeicher des Kraftfahrzeugs sein. Auch kann zum Beispiel ein vollständiges Laden der Batterie im Falle einer Detektion eines solchen Spannungsmessfehlers zumindest temporär bis zur Fehlerbehebung verhindert werden, um ein Überladen einzelner fehlerhaft gemessener Batteriezellen zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018215575 B3 [0003]
- DE 102017103991 A1 [0004]
