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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlerzustands zumindest einer Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei zu einem Messzeitpunkt eine Zellspannung einer jeweiligen Batteriezelle der mehreren Batteriezellen erfasst wird und in Abhängigkeit von mindestens einer der Zellspannungen ein Vergleichswert ermittelt wird, der mit einem bereitgestellten ersten Referenzwert verglichen wird, wobei der Fehlerzustand in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs detektiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Detektionseinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Kraftfahrzeugbatterien, bekannt, die zum Beispiel als Traktionsbatterie und damit als Hochvoltbatterie ausgebildet sein können. Solche Hochvoltbatterien umfassen typischerweise vielzählige einzelne Batteriezellen. Diese Zellen können wiederum zu Zellmodulen zusammengefasst sein. In der Vergangenheit ist man davon ausgegangen, dass alle Zellen und Zellmodule mit ausreichender Qualität geliefert und ohne größere mechanische oder thermische Einflüsse im Fahrzeug betrieben werden können. Aus diversen Versuchen und in Fahrzeugerprobung ist jedoch die Erkenntnis gereift, dass Zelldefekte auch erst im Betrieb auftreten können. Zelldefekte können unter anderem durch Verunreinigungen in der Zellfertigung, zum Beispiel Partikel innerhalb der Zelle, beim Zellmodulaufbau, zum Beispiel einer Beschädigung der Zelle von außen, oder durch Beschädigungen des Unterfahrschutzes des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel beim Überfahren eines Pollers und einer Beschädigung der Zelle von außen, auftreten. Wünschenswert wäre es also, einen möglichen Zelldefekt, der vorliegend als Fehlerzustand bezeichnet wird, möglichst frühzeitig erkennen zu können, um schlimmere Konsequenzen, wie beispielsweise einen Batteriebrand, zu vermeiden.
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Die
DE 10 2020 109 133 A1 beschreibt ein Abweichungsdetektionssystem für ein Energiespeichersystem. Die erste Gruppe von Sensoren ist einem Energiespeichermodul mit einer oder mehr Energiespeichervorrichtungen zugeordnet, wobei die Sensoren in der ersten Gruppe Strommessungen erzeugen, die einen oder mehr Parameter des Energiespeichermoduls darstellen. Die Steuerschaltung ist eingerichtet, die Strommessungen zu empfangen und einen Referenzwert und/oder Referenzschwankungen eines konkreten, mit dem Energiespeichermodul in Beziehung stehenden Parameters zumindest teilweise auf Grundlage der Strommessungen zu bestimmen. Die Steuerschaltung vergleicht die Überwachungswerte oder Überwachungsschwankungen des konkreten Parameters basierend auf den von den Sensoren erzeugten Strommessungen mit dem Referenzwert oder der Referenzschwankung des konkreten Parameters und detektiert eine Abweichung, die größer ist als eine vorgesehene Toleranzspanne. Weiterhin basiert die Überwachung der Batterie maßgeblich auf Temperaturmessungen. Ferner können noch weitere Parameter wie etwa Spannung, Leistung oder Stromstärke und dergleichen berücksichtigt werden. Dabei können in einem jeweiligen Energiespeichermodul mehrere Temperatursensoren angeordnet sein, die jeweiligen Energiespeichervorrichtungen innerhalb des betreffenden Energiespeichermoduls zugeordnet sind. Es können dabei Temperaturverläufe der jeweiligen Temperatursensoren aufgezeichnet werden und mit einem Referenztemperaturverlauf verglichen werden. Eine solche Referenztemperatur kann oben und unten von einer vorgesehenen Toleranzspanne begrenzt werden. Diese kann statisch sein oder auch dynamisch und über der Zeit basierend auf Betriebsbedingungen, Alter und so weiter schwanken.
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Eine dynamische Festlegung solcher Toleranzspannen ist zwar vorteilhaft, da so situationsbedingte Schwankungen berücksichtigt werden können, jedoch besteht hierbei das Problem, wie eine solche dynamische Anpassung konkret umgesetzt werden kann. In Bezug auf eine erfasste Batterietemperatur ist dies zudem auch deutlich einfacher umsetzbar, als beispielsweise bei der Verwendung von Zellspannungen als Überwachungsparameter zur Erkennung kritischer Zellzustände oder eines auftretenden Zelldefekts. Eine Zelle verhält sich abhängig von Umgebungsbedingungen, zum Beispiel dynamischen Lastprofilen, oder einer inhomogenen Erwärmung, reproduzierbar. Zwischen den Zellen innerhalb einer Batterie kann es aber unterschiedliche Verhalten und starke Spreizungen geben. Beispielsweise können Zellen leicht unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Dies führt dazu, dass ihre Spannungen beim Entladen, zum Beispiel unter Last, auseinanderdriften können. Diese Drift ist jedoch noch kein Grund, einen Zelldefekt anzunehmen. Zudem ist das Ausmaß einer solchen Spreizung einerseits alterungsbedingt und zudem auch enorm vom Betriebszustand der Batterie abhängig. Damit kann eine robuste Diagnose über alle Zellen somit nur sehr grob ausgelegt werden. Mit anderen Worten müssen zum Beispiel Grenzwerte für eine maximal erlaubte Abweichung einer Zellspannung von zum Beispiel einem festgelegten Referenzwert sehr groß ausgelegt werden, um mögliche Fehldiagnosen auszuschließen und eine unnötige Warnung des Fahrers vor einem Zelldefekt oder Batteriebrand zu vermeiden. Unter Umständen können aber bereits schon kleinere Abweichungen einer Zellspannung auf einen Zelldefekt schließen lassen. Damit bleiben Zelldefekte, die zunächst nur kleine Spannungsänderungen bewirken, lange Zeit unbemerkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, einen Fehlerzustand einer Batteriezelle möglichst zuverlässig und frühzeitig zu detektieren.
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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 Fehlerzustands zumindest einer Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen wird zu einem bestimmten Messzeitpunkt eine Zellspannung einer jeweiligen Batteriezelle der mehreren Batteriezellen erfasst, insbesondere gemessen, und in Abhängigkeit von mindestens einer der Zellspannungen ein Vergleichswert ermittelt, der mit einem bereitgestellten ersten Referenzwert verglichen wird, wobei der Fehlerzustand in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs detektiert wird. Dabei wird ein Streuungswert ermittelt, der eine Streuung zumindest eines Teils der zu dem bestimmten Messzeitpunkt erfassten Zellspannungen repräsentiert, und der Fehlerzustand in Abhängigkeit von dem Streuungswert ermittelt.
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Damit lässt sich vorteilhafterweise die Streuung der Zellspannungen bei der Detektion des Fehlerzustands berücksichtigen. Wie eingangs bereits beschrieben, kann es in unterschiedlichen Betriebszuständen der Batterie, zum Beispiel während der Fahrt, beim Laden oder während der Rekuperation, zu stark unterschiedlichen Spannungsspreizungen der Zellspannungen und damit zu unterschiedlichen Streuungen dieser einzelnen Zellspannungswerte kommen, sodass beispielsweise eine starke Abweichung eines einzelnen Zellspannungswerts von einem Referenzwert, zum Beispiel einem Mittelwert, für sich genommen noch kein Grund zur Annahme des Vorliegens eines Fehlerzustands ist. Durch die Berücksichtigung der Streuung der Zellspannungen kann nunmehr vorteilhafterweise die Beurteilung dessen, ob ein Fehlerzustand der Batteriezelle vorliegt oder nicht, deutlich besser und situationsabhängig beurteilt werden. Um ein Beispiel zu nennen, ist es denkbar, dass in einer Situation, in welcher die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen sehr stark um einen Mittelwert streuen, deutlich größere Abweichungen der jeweiligen Zellspannungen von zum Beispiel einem Referenzwert oder Mittelwert zulässig sind, bevor ein Fehzustand detektiert wird. Umgekehrt, in einer Situation, in der die Zellspannungen nur eine äußerst geringe Streuung um einen Mittelwert aufweisen, können maximal zulässige Abweichungen von einem solchen Mittelwert deutlich kleiner gewählt werden, sodass in dieser Situation bereits kleine Abweichungen vom Mittelwert zur Detektion eines Fehlerzustands führen können. Somit lassen sich Fehlzustände vorteilhafterweise in allen möglichen Betriebszuständen einer Batterie in gleicher Weise zuverlässig und frühzeitig detektieren. Grenzwerte für maximal zulässige Abweichungen der Zellspannungen können somit angepasst an die jeweilige Betriebssituation der Batterie gewählt werden. Somit wird vorteilhafterweise eine robuste Diagnose über alle Zellen möglich. Wenn folglich ein Zelldefekt beziehungsweise Fehlerzustand erkannt wird, kann somit noch rechtzeitig eine Servicewarnung angezeigt werden und eine Werkstattmaßnahme eingeleitet werden. Ein schwerwiegender Zelldefekt kann sich anfangs wie eine altersbedingte Verschlechterung der Batteriegrößen zeigen. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, dass auch alle übrigen Zellen der Batterie bei der Beurteilung des Vorliegens eines Fehlerzustands einer Zelle berücksichtigt werden. Bei rein alterungsbedingter Verschlechterung der Batteriegrößen wird oftmals über Balancing versucht, dem Ganzen entgegenzuwirken, wodurch die übrigen Zellen ebenfalls stärker altern. Bei einer Verschlechterung der Batteriegrößen basierend auf einem tatsächlichen Zelldefekt zeigt üblicherweise entsprechend nur die betroffene Zelle eine Änderung ihrer Batteriegrößen, insbesondere ihrer Zellspannung, gegenüber den anderen Zellen, was nun vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der situationsbedingten und betriebszustandsbedingten Streuung zutreffend und frühzeitig erfasst werden kann. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht zudem darin, dass prinzipiell die Erfassung der Zellspannungen zu einem einzelnen Messzeitpunkt ausreichend ist, um einen Fehlerzustand zu detektieren. Mit anderen Worten muss nicht notwendigerweise ein zeitlicher Verlauf einer Zellspannung oder einer von der Zellspannung abhängigen Größe betrachtet werden, wenngleich dies dennoch möglich ist.
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Der ermittelte Streuungswert kann zum Beispiel verwendet werden, um den Vergleichswert und/oder den ersten Referenzwert zu ermitteln. Beispielsweise kann der Vergleichswert, der mit dem Referenzwert verglichen wird, in Abhängigkeit vom Streuungswert ermittelt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der erste Referenzwert in Abhängigkeit vom Streuungswert ermittelt wird.
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Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug. Diese kann, wie ebenfalls eingangs bereits beschrieben, mehrere Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, aufweisen. Diese können optional zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Die Batterie kann vorliegend aber auch ein Batteriemodul für eine solche Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs darstellen. Eine solche Hochvoltbatterie kann entsprechend mehrere solcher Batteriemodule umfassen. Mit anderen Worten kann das beschriebene Verfahren global für alle von einer Hochvoltbatterie umfassten Batteriezellen durchgeführt werden oder für ein jeweiliges Batteriemodul einer solchen Hochvoltbatterie separat. Zudem können zur Beurteilung des Vorliegens eines Zelldefekts auch noch weitere Batterie- und Zellparameter, insbesondere neben der erfassten Zellspannung, berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Temperatur in dem Batteriemodul beziehungsweise in der Batterie, die Verbaulage, der Ladezustand und so weiter.
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Die zu dem bestimmten Messzeitpunkt, und insbesondere auch zu weiteren bestimmten Messzeitpunkten, erfassten Zellspannungen der jeweiligen Batteriezellen werden durch Messen erfasst und in Form jeweiliger Spannungswerte bereitgestellt. Entsprechend wird im Folgenden teilweise statt Zellspannung der Begriff Spannungswert verwendet. Mit anderen Worten sollen die Begriffe Zellspannungen und Spannungswerte im Folgenden als Synonyme verstanden werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Streuungswert für eine Untergruppe der zu dem Messzeitpunkt erfassten Zellspannungen ermittelt, wobei von der Untergruppe mindestens ein maximaler und/oder minimaler Spannungswert der zum Messzeitpunkt erfassten Spannungswerte nicht umfasst ist. Mit anderen Worten wird der Streuungswert nur für einen Teil der erfassten Zellspannungen ermittelt, die in der definierten Untergruppe sind. Aus dieser Untergruppe sind insbesondere die extremalen Spannungswerte ausgenommen. Dies hat den großen Vorteil, dass so die eigentliche Streuung der Zellspannungen nicht durch Extremwerte defekter Zellen verfälscht werden kann. Anders ausgedrückt können defekte Zellen eine Zellspannung aufweisen, die sehr stark vom Mittelwert der übrigen Zellspannungen abweicht. Wird eine solch extreme Zellspannung aber sowohl bei der Mittelwertbildung als auch bei der Ermittlung des Streuungswerts berücksichtigt, so führt dies letztendlich zu einem deutlich größeren Streuungswert. Ein solcher negativer Einfluss eines Spannungswerts einer defekten Zelle kann somit vorteilhafterweise vermieden werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass aus der Untergruppe nur der maximale Spannungswert oder nur ein minimaler Spannungswert aller Spannungswerte ausgeschlossen wird. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn zumindest der maximale und der minimale Spannungswert aller Spannungswerte, die zum gleichen Messzeitpunkt erfasst wurden, ausgeschlossen werden. Darüber hinaus können nicht nur ein maximaler Spannungswert, sondern auch die zwei, drei oder allgemein n größten Spannungswerte und m kleinsten Spannungswerte aus der Untergruppe ausgeschlossen werden, wobei n und m jeweils natürliche Zahlen darstellen und die Summe aus n und m kleiner ist als die Anzahl an Batteriezellen, die von der Batterie umfasst sind. Vorzugsweise beträgt die Summe aus n und m maximal die Hälfte aller Batteriezellen. Zudem ist es bevorzugt, dass n und m gleich groß sind. Stellen n und m jeweils 25 Prozent aller Batteriezellen dar, so stellt die maximale Streuung der Untergruppe gerade den Interquartilsabstand dar. Dadurch, dass mindestens 50 Prozent aller erfassten Zellspannungen von der Untergruppe umfasst sind, kann ein repräsentativer Streuungswert ermittelt werden. Vorzugsweise sind jedoch deutlich weniger als 50 Prozent aller Zellspannungen von der Untergruppe ausgenommen, da nicht davon auszugehen ist, dass zum Beispiel bei 50 Prozent aller Zellen der Batterie gleichzeitig ein Zelldefekt auftritt, zumindest nicht in normalen Umständen, in denen kein Unfall des Kraftfahrzeugs vorliegt.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Streuungswert als ein Betrag einer Differenz zwischen einem maximalen und minimalen Spannungswert der Untergruppe bereitgestellt wird. Dieser Streuungswert repräsentiert damit in gewisser Weise die maximale Streuamplitude der Untergruppe. Damit lässt sich der Streuungswert mathematisch besonders einfach und schnell ermitteln, wodurch das beschriebene Verfahren besonders einfach zu implementieren ist.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein extremaler Spannungswert, der einen maximalen und/oder minimalen Spannungswert der zu dem Messzeitpunkt erfassten Spannungswerte darstellt, mit einem zweiten Referenzwert verglichen, wobei der Vergleichswert den Streuungswert darstellt und der Fehlerzustand detektiert wird,
- - falls der Streuungswert maximal so groß ist wie der erste Referenzwert und der mindestens eine extremale Spannungswert um mindestens einen ersten Grenzbetrag vom zweiten Referenzwert abweicht; und
- - falls der Streuungswert größer ist als der Referenzwert und der mindestens eine extremale Spannungswert um mindestens einen zweiten Grenzbetrag, der größer ist als der erste Grenzbetrag, vom zweiten Referenzwert abweicht.
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Mit anderen Worten ist die Streuung der Zellspannungen innerhalb der Untergruppe groß, so können zur Detektion des Fehlerzustands größere Abweichungen vom Referenzwert zulässig sein, als wenn die Streuung der Zellspannungen innerhalb der Untergruppe klein ist. Liegt beispielsweise der für die Untergruppe, wie oben beschrieben, ermittelte Streuungswert zum Beispiel unter 10 Millivolt, so kann beispielsweise eine maximal zulässige Abweichung von 20 Millivolt vom zweiten Referenzwert definiert sein, ab welcher der Fehlerzustand detektiert wird. Weicht also einer der Spannungswerte um mehr als diese 20 Millivolt vom zweiten Referenzwert ab, so gilt der Fehlerzustand beispielsweise als detektiert. Ist der Streuungswert der Untergruppe beispielsweise größer als die genannten 10 Millivolt, so kann der zweite Grenzbetrag beispielsweise 400 Millivolt statt den zuvor genannten 20 Millivolt betragen. Weicht dann zum Beispiel eine Zellspannung um mehr als 400 Millivolt vom zweiten Referenzwert ab, so kann der Fehlerzustand ebenfalls als detektiert gelten. Bei einer kleineren Abweichung als 400 Millivolt dagegen wird in diesem Fall kein Fehlerzustand detektiert. Auf diese Weise lässt sich abhängig vom Streuungswert der Untergruppe ein für die jeweilige Situation geeigneter Wert für den Grenzbetrag festlegen, der eine maximal zulässige Abweichung von einem Referenzwert, nämlich dem zweiten Referenzwert, definiert. Damit lässt sich vorteilhafterweise in jeder beliebigen, auch dynamischen, Betriebssituation zuverlässig und frühzeitig ein möglicher Fehlerzustand einer Batteriezelle detektieren.
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Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn der zweite Referenzwert einen Mittelwert zumindest der von der Untergruppe umfassten Spannungswerte darstellt. Der Referenzwert kann auch einen Mittelwert aller Spannungswerte zum genannten Messzeitpunkt darstellen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Referenzwert nicht oder nicht ausschließlich modellbasiert bereitgestellt wird. Denn somit erhält man einen direkten Vergleich zum Verhalten der anderen Batteriezellen. Alterungsbedingte Effekte lassen sich somit vorteilhafterweise ebenfalls berücksichtigen, die typischerweise bei allen Zellen annäherungsweise gleich auftreten.
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Wie bereits erwähnt, ist es durch das beschriebene Verfahren vorteilhafterweise möglich, einen Fehlerzustand in einem beliebigen Betriebszustand der Batterie zu detektieren. Entsprechend kann der bestimmte Messzeitpunkt in einem Betriebszustand der Batterie und/oder des Kraftfahrzeugs liegen, der zum Beispiel einen Ruhezustand, zum Beispiel einen abgeschalteten Zustand des Kraftfahrzeugs, darstellt, ohne dass das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Batterie gerade geladen wird, oder der einen Ladezustand der Batterie darstellt, einen Entladezustand, zum Beispiel während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, wobei hiervon auch verschiedene Fahrzustände umfasst sein können, wie zum Beispiel während einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, einer Abbremsung des Kraftfahrzeugs und einer Rekuperationsphase.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als der Streuungswert eine Standardabweichung oder eine Varianz für alle zu dem Messzeitpunkt erfassten Zellspannungen ermittelt. In diesem Beispiel wird also keine Zellspannung ausgeschlossen. Die Varianz kann dabei wie üblich als mittlere quadratische Abweichung von einem Mittelwert definiert sein, während die Standardabweichung die Quadratwurzel aus der Varianz darstellt. Wenngleich auch, wie oben beschrieben, eine möglicherweise Verfälschung einer solchen Standardabweichung oder Varianz durch eventuell defekte Zellen nicht ausgeschlossen werden kann, lässt sich auch hierdurch vorteilhafterweise in einem jeweiligen Betriebszustand die Streuung der Zellspannungen berücksichtigen, wodurch Fehlzustände zutreffender detektiert werden können.
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Gerade aber, wenn als Streuungswert die Standardabweichung oder die Varianz verwendet wird, ist es vorteilhaft, sich diesen Streuungswert nicht nur für einen aktuellen Zustand, sondern im zeitlichen Verlauf zu betrachten. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Zellspannungen für mehrere aufeinanderfolgende Messzeitpunkte ermittelt werden und ein jeweiliger Streuungswert für die jeweiligen Messzeitpunkte ermittelt wird, wobei der Fehlerzustand in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf der Streuungswerte detektiert wird, insbesondere wobei als die Vergleichsgröße eine zeitliche Änderung des Streuungswerts ermittelt wird und der Fehlerzustand als detektiert gilt, wenn die Vergleichsgröße den ersten Referenzwert überschreitet.
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Auf diese Weise kann vorteilhafterweise erfasst werden, wenn sich zum Beispiel die Standardabweichung oder Varianz im Laufe der Zeit abrupt ändert. Eine solche abrupte Änderung weist sehr stark auf einen möglichen Fehlerzustand einer Batteriezelle hin, die somit ebenfalls zuverlässig detektiert werden kann.
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Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die mehreren aufeinanderfolgenden Messzeitpunkte in einem Betriebszeitfenster liegen, welches einem bestimmten Betriebszustand der Batterie zugeordnet ist, in welchem eine zeitliche Änderung eines Batteriestroms der Batterie kleiner ist als ein vorgegebener oder vorgebbarer Grenzwert. Mit anderen Worten ist es in diesem Fall von Vorteil, das heißt wenn als Streuungswert die Varianz oder Standardabweichung verwendet wird, wenn die Messungen der Zellspannungen in einem Betriebszustand der Batterie erfolgen, der keine dynamischen Bereiche aufweist, sondern in welchem der Batteriestrom zumindest näherungsweise konstant ist oder sogar Null ist. Dies kann also beispielsweise im Stillstand des Kraftfahrzeugs beziehungsweise im Ruhezustand der Batterie der Fall sein oder zum Beispiel auch während eines Ladezustands zum Laden der Batterie, insbesondere mit konstantem Ladestrom oder sich zeitlich nur langsam oder zumindest nicht abrupt verändernden Ladestrom. Auch wenn das Kraftfahrzeug zum Beispiel gerade im Fahrbetrieb an einer roten Ampel steht und damit der Batterie zur Versorgung elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs ein während dieser Phase zumindest annäherungsweise konstanter Entladestrom entnommen wird, kann dies einen solchen geeigneten Betriebszustand darstellen. Starke Veränderungen des Streuungswerts, die durch dynamische Bedingungen verursacht sind, wie diese zum Beispiel beim Fahren, Beschleunigen oder Rekuperieren vorliegen, können damit ausgeschlossen werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Detektionseinrichtung zum Detektieren eines Fehlerzustands zumindest einer Batteriezelle einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, zu einem bestimmten Messzeitpunkt eine Zellspannung einer jeweiligen Batteriezelle der mehreren Batteriezellen zu erfassen, in Abhängigkeit von mindestens einer der Zellspannungen einen Vergleichswert zu ermitteln, den Vergleichswert mit einem bereitgestellten ersten Referenzwert zu vergleichen und den Fehlerzustand in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs zu detektieren. Dabei ist die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt, einen Streuungswert (ΔUn) zu ermitteln, der eine Streuung zumindest eines Teils der zu dem bestimmten Messzeitpunkt erfassten Zellspannungen repräsentiert, und den Fehlerzustand in Abhängigkeit von dem Streuungswert zu ermitteln.
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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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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt 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 eines Kraftfahrzeugs mit einer Detektionseinrichtung zur Detektion eines Fehlerzustands einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine grafische Darstellung der Spannungsverläufe der Zellspannungen intakter Batteriezellen mit einer großen Spannungsspreizung bei allen Zellen;
- 3 eine schematische Darstellung einer mechanisch beschädigten Batteriezelle einer Batterie;
- 4 eine grafische Darstellung der Spannungsverläufe der mechanisch beschädigten Batteriezelle aus 3 im Vergleich zu den Spannungsverläufen der anderen Batteriezellen;
- 5 eine grafische Darstellung der Spannungsverläufe mehrerer Batteriezellen im Vergleich zu einem Spannungsverlauf einer defekten Batteriezelle;
- 6 eine schematische Darstellung mehrerer Spannungsverläufe von Batteriezellen einschließlich einer defekten Batteriezelle während eines Balancing-Vorgangs;
- 7 eine schematische Darstellung des Endes des Balancing-Vorgangs aus 6;
- 8 eine schematische Darstellung der Spannungsverläufe von Batteriezellen während eines Ladevorgangs mit anschließender Ruhephase einschließlich des Spannungsverlaufs einer defekten Batteriezelle; und
- 9 eine schematische Darstellung einer Detektionseinrichtung zur Detektion eines Fehlerzustands 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 eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Detektionseinrichtung 12 zur Detektion eines Fehlerzustands F einer Batteriezelle 16 einer Batterie 18 des Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 18 kann dabei als eine Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet sein oder als ein Batteriemodul einer solchen Hochvoltbatterie. Die Batterie 18 umfasst dabei weiterhin mehrere Batteriezellen 16. Eine dieser Batteriezellen 16 ist dabei zusätzlich mit 16a bezeichnet, um das Verfahren zum Detektieren eines Fehlerzustands F einer solchen Batteriezelle 16 besser veranschaulichen und beschreiben zu können. Entsprechend wird die Vorgehensweise, wie ein Fehlerzustand einer solchen Batteriezelle 16 detektiert werden kann, anhand dieser ersten Batteriezelle 16a erläutert, kann aber in gleicher Weise für alle übrigen Batteriezellen 16 ebenso angewandt werden. Wird ein Fehlerzustand F einer solchen Batteriezelle 16 durch die Detektionseinrichtung 12 detektiert, so kann ein Signal S ausgegeben werden, wie zum Beispiel ein Warnsignal an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs oder ein Signal zur Einleitung einer bestimmten Maßnahme, wie zum Beispiel das Abschalten der Batterie, der Batteriezelle oder ähnliches.
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Eine Zelle 16 verhält sich abhängig von Umgebungsbedingungen, zum Beispiel dynamischen Lastprofilen, inhomogener Erwärmung, usw., reproduzierbar. Zwischen den Zellen 16 innerhalb einer Batterie 18 kann es aber unterschiedliche Verhalten und starke Spreizung geben. Damit ist in der Regel eine robuste Diagnose über alle Zellen 16 bisweilen sehr schwierig. Verschiedene Spannungsspreizungen der einzelnen Zellspannungen der Batteriezellen 16 sollen im Folgenden in unterschiedlichen Situationen anhand einiger Beispiele illustriert werden.
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2 zeigt zum Beispiel die Spannungsverläufe einzelner Zellspannungen UZ aufgetragen über die Zeit t in Sekunden, insbesondere über einen Zeitraum von zirka eine Minute hinweg. In diesem Beispiel weist keine der Zellen 16, deren Spannungsverläufe in 2 dargestellt sind, einen Defekt auf. Wie zu sehen ist, kommt es auch bei nicht defekten Zellen 16 abhängig vom Betriebszustand mitunter zu sehr großen Spannungsspreizungen bei allen Zellen 16. In diesem Beispiel liegt also kein Ausreißer vor. Wie zudem ebenfalls in 2 deutlich zu sehen ist, gibt es Bereiche, in denen die einzelnen Zellspannungsverläufe sehr weit auseinander liegen, in anderen Bereichen jedoch wiederum quasi aufeinander verlaufen. Gerade wenn die einzelnen Zellspannungen UZ einer starken zeitlichen Änderung unterliegen, sind die entsprechenden Spreizungen nur noch sehr schlecht auflösbar. Dies erschwert die Detektion möglicher Zelldefekte.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Batterie 18 mit einer Batteriezelle 16, die vorliegend wieder mit 16a bezeichnet ist, und entsprechend eine defekte Batteriezelle 16a darstellen soll. In diesem Beispiel ist die Batteriezelle 16a mechanisch von außen beschädigt und weist insbesondere eine Vorschädigung in Form einer Intrusion bis zu 3,4 Millimeter auf. Eine solche mechanische Beschädigung der Zelle von außen kann zu einem Zelldefekt führen, der sich entsprechend in einer veränderten Zellspannung UZ bemerkbar macht. Dies ist in 4 veranschaulicht.
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4 zeigt dabei eine grafische Darstellung der Spannungsverläufe UZ der einzelnen Zellspannungen der Batterie 18 aus 3, wobei der Spannungsverlauf der beschädigten Zelle 16a mit UX bezeichnet ist. Die Zeit t ist hierbei in Stunden aufgetragen. Die Batterie 18 mit der geschädigten Zelle 16a wird hierbei mehreren Lade- und Entladezyklen unterzogen, wobei sich der Zelldefekt der Zelle 16a gerade beim Wechsel vom Entladen zum Laden bemerkbar macht, insbesondere in einer stark abweichenden Zellspannung UX. Auch hierbei ist wiederum zu erkennen, dass die Abweichung dieser Zellspannung UX von den übrigen Zellspannungen UZ in anderen Bereichen, zum Beispiel während des Ladens oder Entladens, deutlich weniger stark ausgeprägt ausfällt. Hieran wird bereits ersichtlich, dass es schwierig ist, beispielsweise einen Grenzwert zu definieren, anhand von welchem sich ein solcher Fehlerzustand einer Zelle 16a detektieren lässt und der gleichzeitig für alle möglichen Betriebsbereiche einer Batterie 18 Gültigkeit besitzt.
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Ein weiteres Beispiel ist in 5 gezeigt. Auch hierbei sind wiederum die Verläufe der Zellspannungen UZ mehrerer intakter Batteriezellen 16 sowie der Zellspannung UX einer defekten Batteriezelle dargestellt. In einer ersten zeitlichen Phase beginnt ein Ladevorgang. Diese Ladephase ist mit L bezeichnet. An diese Ladephase L schließen sich im Übrigen drei Fahrbetriebe F1, F2, F3 mit unterschiedlichen Lasten an. Beim Start des Ladevorgangs L sind die Spannungsverläufe aller Zellen noch ohne Spannungsabweichung zueinander. Erst am Ladeende, das heißt am Ende der Ladephase L, zeigt sich eine erste Spannungsabweichung einer Zelle 16a von den übrigen Zellen 16. Die Spannung dieser defekten Zelle 16a ist wiederum mit UX bezeichnet, und die Spannungsverläufe der übrigen Zellen mit UZ. Gerade im Bereich dieses ersten Fahrbetriebs F1 zeigt sich insgesamt eine kleine Standardabweichung. Beim Laden L sind also noch alle Zellspannungen UX, UZ nah beieinander. Zum Ladeende beziehungsweise vor dem Fahrbetrieb F1 ist dann eine Zelle 16a plötzlich deutlich schlechter. Dieses ist besonders auffällig, da die übrigen Zellen nur um zum Beispiel 10 Millivolt zueinander abweichen. Unter Last, das heißt im Fahrbetriebszustand F2, ist eine größere Spannungsspreizung bei allen Zellen 16, 16a zu beobachten, was aber bei kalten oder ungleich erwärmten Zellen 16 nicht ungewöhnlich ist. Bei geringer Last, zum Beispiel im Fahrzustandsbereich F3, nähern sich die Zellspannungen UZ zueinander wieder an, wobei auch hier die Zelle 16a mit ihrer Zellspannung UX noch weiter abweicht. Wie zu erkennen ist, lässt sich der Zelldefekt der Zelle 16a nicht in allen Betriebszuständen gleich gut erkennen. Beispielsweise kann im Fahrbereichszustand F2 keine signifikante Abweichung der defekten Zelle 16a von den Zellspannungen UZ der übrigen Zellen 16 erkannt werden. Eine Detektion in den Fahrbereichen F1 und F3 ist jedoch prinzipiell möglich. Diese Erkenntnis wird genutzt, um geeignete Grenzwerte zur Detektion einer solchen defekten Zelle 16a festzulegen, wie dies später näher erläutert wird.
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Zunächst zeigen noch 6, 7 und 8 jeweils weitere Beispiele für Spannungsverläufe einzelner Batteriezellen 16, einschließlich des Spannungsverlaufs UX einer defekten Batteriezelle. 7 stellt im Übrigen eine Detaildarstellung eines Ausschnitts aus 6 dar, wobei dieser Ausschnitt mit 20 bezeichnet ist. 6 zeigt dabei im Übrigen ein Zellbalancing, wobei die Balancing-Zeiten gemeinsam hochlaufen und zunächst nichts Ungewöhnliches auftritt bis zum letzten Ladevorgang der Zellen, der im Detail nochmal in 7 veranschaulicht ist. Hierbei ist ersichtlich, dass das Balancing-System versucht, alle Zellen 16 zu balancen, wobei die Zelle 16a ab dem letzten Ladevorgang mit ihrer Spannung UX von den übrigen Spannungen UZ signifikant abweicht und nicht mehr geladen werden kann.
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8 illustriert einen Ladevorgang L mit einer sich anschließenden Ruhephase R, in dem die Batterie 18 nicht mehr unter Last ist. Die Ruhephase R dauert zirka 30 Stunden. In dieser Ruhephase R zeigt die Zelle 16a ab dem letzten Ladevorgang eine gegenüber den übrigen Zellen 16 erhöhte Selbstentladerate.
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Um diese Defekte zutreffend und frühzeitig detektieren zu können, gibt es nun mehrere Möglichkeiten. Hierzu können zum einen die Batteriegrößen, wie Temperatur und Spannung UZ, UX, sowie davon abgeleitete Größen wie die Standardabweichung und/oder ein Intervallabstand beziehungsweise Interquartilsabstand, gemessen beziehungsweise berechnet und abgespeichert werden.
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Beispielsweise können über die Standardabweichung bei konstanten, vergleichbaren Bedingungen, zum Beispiel neuer Ladevorgang mit gleichem Ladestrom, beim gestarteten Fahrzeug bei geringem Entladestrom, optional auch unter Berücksichtigung des Ladezustands oder Batterietemperatur, die Batteriegrößen zu früheren Werten verglichen werden. Wenn eine Zelle im Vergleich zum Zeitpunkt der letzten Diagnose plötzlich stark von den übrigen Zellen unter Berücksichtigung der Standardabweichung abweicht, kann man von einem aufgetretenen Zelldefekt ausgehen.
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Besonders vorteilhaft ist es vor allem, den Interquartilsabstand oder im Allgemeinen einen Intervallabstand von Zellspannungen UZ einer bestimmten Messuntergruppe zu nutzen, um konstante Bedingungen, zum Beispiel einen Ladevorgang mit konstantem Strom, stehendes Fahrzeug bei geringem Entladestrom, zu ermitteln, wo eine Vergleichbarkeit der Batteriegrößen möglich ist und Abweichungen eher gering ausfallen werden. Bei konstanten Bedingungen und somit zum Beispiel einem kleinen Interquartilsabstand beziehungsweise einer kleinen Standardabweichung kann ein kleiner Ausreißer schon auf einen Zelldefekt hinweisen. Für dynamische Bedingungen kann dagegen die Schwelle deutlich größer appliziert werden. Dies erlaubt es für verschiedene Bedingungen und Zustände, in gleicher Weise einen möglichen Zelldefekt zu detektieren.
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9 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Detektionseinrichtung eines Kraftfahrzeugs 10, wie sie beispielsweise zur Detektion eines solchen Zelldefekts F verwendet werden kann. Als Eingangsgröße verwendet die Detektionseinrichtung 12 die einzelnen Zellspannungen Ui aller Batteriezellen 16 der Batterie 18, einschließlich der eingangs als defekt angenommenen Batteriezelle 16a. Im vorliegenden Beispiel wird auch nicht mehr zwischen der einer defekten Batteriezelle zugeordneten Zellspannung und den übrigen Zellspannungen unterschieden, sondern allgemein das Verfahren für alle Zellspannungen Ui der Batterie 18 beschrieben. Dabei wird am ersten Eingang 22 eine minimale Zellspannung Umin aller Zellspannungen Ui bereitgestellt, und an einem zweiten Eingang 24 eine maximale Zellspannung Umax. Weiterhin wird aus allen Zellspannungen Ui ein Mittelwert U ermittelt, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als zweiter Referenzwert Ubezeichnet wird, und an einem dritten Eingang 26 bereitgestellt. Weiterhin wird aus den Zellspannungen Ui eine Untergruppe Un ermittelt. Zur Ermittlung dieser Untergruppe werden zumindest die maximale und minimale Zellspannung Umax, Umin ausgeschlossen. Es können aber auch mehrere der größten und kleinsten Spannungswerte aus dieser Untergruppe Un ausgenommen sein. Weiterhin wird in diesem vierten Eingangsmodul 28 noch der Betrag zwischen einer maximalen Abweichung der größten und kleinsten Zellspannung dieser Untergruppe Un ermittelt. Dieser Abstand repräsentiert dabei eine Größe der Streuung dieser Untergruppe Un und wird daher im Folgenden als Streuungswert ΔUn bezeichnet. In einem besonderen Fall kann dieser Streuungswert gerade den Interquartilsabstand darstellen. Dieser Streuungswert ΔUnwird mittels eines Verhältnisoperators 30 mit einem vorab festgelegten Grenzwert, der im Folgenden auch als erster Referenzwert R1 bezeichnet wird, verglichen. Parallel dazu wird über die jeweiligen Additionsoperatoren 32, 34 zum einen der betragsmäßige Abstand des kleinsten Spannungswerts Um in zum Mittelwert U, sowie der betragsmäßige Abstand des größten Spannungswerts Umax zum Mittelwert U ermittelt. Von diesen beiden resultierenden Abständen wird über den maximalen Operator 36 der größte ausgewählt. Als Ergebnis liefert dies also den größten Spannungsabstand zum Mittelwert U unter allen Eingangsspannungen Ui. Ergibt der Vergleich durch den Vergleichsoperator 30, dass der Streuungswert ΔUn kleiner gleich dem ersten Referenzwert R1 ist, so wird die oben beschriebene maximale Abweichung Amax am Ausgang des Maximumoperators 36 mit einem ersten Schwellwert S1 verglichen. Dieser Vergleich wird wiederum durch einen Verhältnisoperator 38 ausgeführt. Wird dieser Grenzwert S1, zum Beispiel 20 Millivolt, überschritten, so wird ein Fehler detektiert und am Ausgang 40 ein entsprechendes Signal ausgegeben. Mit 42 ist im Übrigen ein logischer Und-Operator bezeichnet, der sicherstellt, dass hierzu beide Bedingungen erfüllt sein müssen, nämlich dass die maximale Abweichung Amax den ersten Schwellwert S1 überschreitet, und der Interquartilsabstand bzw. Streuungswert ΔUn kleiner gleich dem ersten Referenzwert R1 ist. Ist er dies nicht, so führt auch das Überschreiten des ersten Grenzwerts S1 durch die Abweichung Δmax nicht zu einer Fehlerdetektion. In jedem Fall wird aber zusätzlich auch diese maximale Abweichung Amax mit einem zweiten Schwellwert S2 verglichen. Dieser zweite Schwellwert S2 stellt somit einen Grenzbetrag S2 dar, um welchen der extremale Spannungswert, also der kleinste Spannungswert Um in oder der größte Spannungswert Umax vom Spannungsmittelwert II, also dem zweiten Referenzwert U,maximal abweichen darf oder im vorliegenden Beispiel gerade nicht mehr abweichen darf, damit kein Fehlerzustand F detektiert wird. Dieser Vergleich erfolgt wiederum durch einen weiteren Vergleichsoperator 43. Der Schwellwert S2 ist deutlich größer als der Schwellwert S1 und liegt zum Beispiel bei 400 Millivolt. Ist die Abweichung Δmax größer als dieser zweite Schwellwert S2, so wird ebenfalls am Ausgang 40 ein Signal S ausgegeben, welches anzeigt, dass ein Fehler vorliegt. Dabei stellt 44 einen logischen Oder-Operator dar.
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Bei kleiner Streuung, die durch den Streuwert ΔUn repräsentiert wird, kann also vorteilhafterweise bereits eine kleine Abweichung vom Mittelwert U zum Auslösen eines Signals S führen, während bei großen Streuungen ΔUn lediglich auch eine große Abweichung eines Spannungswerts Ui vom Mittelwert U zur Ausgabe eines solchen Signals S führt. Dadurch ist es möglich, in Bereichen mit konstanten Bedingungen und somit kleinen Interquartilsabständen auch die Grenzwerte für die Auslösung deutlich kleiner zu wählen, zum Beispiel bei 20 Millivolt, da in solchen Bereichen bereits schon kleine Auslöser auf einen Zelldefekt hinweisen. Für dynamische Bedingungen, wie zum Beispiel beim Fahren oder Rekuperieren, ist die Schwelle deutlich größer appliziert, zum Beispiel bei den beschriebenen 400 Millivolt. Dadurch kann eine situationsangepasste und dennoch immer frühzeitige Erkennung eines Zelldefekts bereitgestellt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung die Erkennung eines plötzlich auftretenden Zelldefekts auf besonders effiziente und angepasste Weise bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020109133 A1 [0003]
